Neurones, Cellules Gliales, Membranes Excitables, Potentiel D'action PDF

Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Le système nerveux Systèmes sensoriels Système cardiovasculaire Système digestif Système respiratoire En communication avec tous les autres systèmes Système musculaire Systè...

Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Le système nerveux Systèmes sensoriels Système cardiovasculaire Système digestif Système respiratoire En communication avec tous les autres systèmes Système musculaire Système endocrinien Système lymphatique et immunitaire 1 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Fonctions du système nerveux Réception (par les récepteurs sensoriels) Intégration (au niveau de l’encéphale et de la moelle épinière) Réponse (vers les effecteurs -muscles, glandes-) 2 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Le tissu nerveux Cellules gliales Astrocytes: En forme d’étoile. Rôle: 1) Nutrition et soutien; 2) Réguler la transmission synaptique. Oligodendrocytes: Avec des prolongements aplatis qui s’enroulent autour des axones du SNC. Rôle: Former des gaines de myéline isolantes. Microglie: En forme d’araignée. Rôle: Détruire les microbes et les debris cellulaires. Dans le système nerveux périphérique: Cellules satellites gliales: Entourent et soutiennent les neurones dans les ganglions sensoriels, sympathiques et parasympathiques. Neurones: Rôle: Réception, intégration et transmission de l’information. Cellules de Schwann: Forment les gaines de myéline autour des axones du SNP (équivalentes des oligodendrocytes dans le SNC). Ependymocytes: De forme rectangulaire avec des cils. Tapissent les cavités de l’encéphale et de la moelle épinière. Rôle: Favoriser la circulation du liquide cérébro-spinal. Cellules gliales: - Cellules de soutien et de maintien du système nerveux - Régulation de la transmission synaptique, vitesse de conduction des neurones Des maladies, telle que la sclérose en plaques, sont liées à des dysfonctionnements des processus gliaux (voir plus loin). 3 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Membrane neuronale: enveloppe formée de lipides et de protéines, délimite le pourtour cellulaire Soma: corps cellulaire d’un neurone, diamètre 10-50 µm Noyau: organite contenant l’essentiel du matériel génétique d’une cellule (chromosomes) Cytoplasme: ensemble du matériel cellulaire, à l’exception du noyau Gène: segment d’ADN codant une information héréditaire qui peut être traduite en protéine Protéine: molécule formée par l’association d’acides aminés (architecture cellulaire et fonction enzymatique) Transcription: synthèse d’ARN à partir de l’ADN nucléaire =catalyse les réactions chimiques nécessaires au métabolisme de la cellule Traduction: synthèse de protéine à partir de l’ARNm Ribosome: organite formé de protéines et d’ARN, catalyse la traduction d’ARNm en protéine Réticulum endoplasmique: organite constitué d’un ensemble de saccules communiquant entre eux. RE rugueux: Associé aux ribosomes pour la fabrication de protéines, stocke les protéines. RE lisse: Participe à la fabrication des lipides. Appareil de Golgi: organite responsable du stockage, de la modification et de la distribution des protéines vers leur destination. Mitochondrie: organite responsable de la respiration cellulaire, “centrales énergétiques” de la cellule 4 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Transcription génique: ADN → ARN (b) La transcription est initiée au niveau du promoteur du gene et elle se termine à la région “terminator”. L’ARN initial doit être épissé, de façon à éliminer les introns, représentant des parties non codantes du gene. (a) Les molecules d’ARN sont synthétisées par une ARN polymérase, puis transformées en ARN messagers (ARNm), qui passent du noyau au cytoplasme afin de transférer l’information au niveau de l’assemblage des protéines. Des maladies, telles que la schizophrénie, sont liées à des problèmes de régulation d’expression génique. Attention! La majorité de l’ARN contribue à la régulation de l’expression d’autres gènes. 5 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Traduction: ARN → protéines Troisième nucléotide Premier nucléotide Deuxième nucléotide Chaque codon correspond à un acide aminé spécifique, et la chaîne de codons de l'ARNm spécifie l'ordre des acides aminés dans la protéine codée. N.B.: Codon=Ensemble composé de 3 nucléotides consécutifs reconnus par les ARNt spécifiant l'incorporation d'un acide-aminé déterminé. Le code génétique est ainsi lu 3 nucléotides par 3 nucléotides. Les ARNm se fixent aux ribosomes, initiant par là la synthèse des protéines. (a) Les protéines synthétisées sur les ribosomes libres sont destinées au cytosol. (b) Les protéines synthétisées sur le RE rugueux sont destinées à être transférées à une membrane. Des maladies, telles que la chorée de Huntington, sont liées à des problèmes de synthèse de protéine. Attention! La majorité de l’ARN ne code pas pour des protéines. 6 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones De l’ADN aux protéines: résumé ADN Transcription ARN Traduction Protéine 7 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Mitochondrie La mitochondrie assure la respiration cellulaire et permet de produire l’ATP, qui est l’énergie utilisée par les neurones. Appareil de Golgi Cet organite complexe est impliqué dans la récupération des protéines nouvellement synthétisées et dans leur adressage dans les régions appropriées du neurone. Transport de protéines 8 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Cytosquelette - Microtubules (Tubuline: 20-25 nm) - Neurofilaments (diverses protéines, 10 nm) - Microfilaments (Actine, 5-7 nm) donnent au neurone sa forme (structure) caractéristique nécessaires au bon fonctionnement du neurone (transport) La maladie d’Alzheimer est caractérisée par des altérations du cytosquelette. 9 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Dendrites Neurones: Rôle: Réception, intégration et transmission de l’information. * * N.B: Segment initial Cône d’implantation/cône axonique Zone gachette 10 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Classification structurale Les neurones bipolaires présentent 2 prolongements. Un des prolongements se termine par une arborescence dendritique alors que le second représente l'axone. Ces neurones sont les moins nombreux et sont présents essentiellement au niveau de certains organes des sens. Les neurones multipolaires présentent de nombreux prolongements dendritiques et un prolongement axonal. Ce type de neurone, le plus répandu, constitue les voies efférentes du système nerveux ainsi que les interneurones, c'est-à-dire les neurones placés entre 2 neurones. Les neurones unipolaires (ou pseudo-unipolaires) présentent un seul prolongement, très court, qui émerge du corps cellulaire à partir duquel vont se former un prolongement périphérique dirigé vers les récepteurs sensoriels et un prolongement central pénétrant dans le système nerveux central. Ces 2 prolongements constituent l'axone. Le prolongement périphérique se termine par une arborescence dendritique alors que la terminaison du prolongement central constitue la terminaison axonale. Ces neurones constituent les voies afférentes du système nerveux périphérique. 11 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Classification fonctionnelle Neurones sensitifs (afférents): Traduisent les informations sensorielles de l’environnement en influx nerveux, transmettent les informations de la périphérie vers le SNC. Interneurones: Intègrent les informations, relaient les informations entre différents neurones. Neurones moteurs (efférents): Transmettent les informations du SNC vers les effecteurs (muscles, organes, glandes). 12 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Les neurones Neurone: Cellule nerveuse, unité fonctionnelle fondamentale du système nerveux pour le traitement de l’information. VARIATION DU POTENTIEL MEMBRANAIRE Les neurones propagent le message de deux manières: - De manière chimique d'un neurone à l'autre au niveau des synapses, par l'intermédiaire des neurotransmetteurs. - De manière électrique le long des neurones, de la dendrite ou du corps cellulaire jusqu’à l‘extrémité de l’axone. Ce message électrique est créé par le flux d’ions (petites molécules chargées) à travers la membrane de la cellule. Le flux de ces ions change la polarité de la membrane. Potentiels post-synaptiques gradués Potentiels post-synaptiques gradués globaux Potentiels d’action Neurotransmetteurs 13 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Potentiel membranaire Membrane cellulaire Toutes les cellules sont entourées par une membrane cytoplasmique constituée d’une bi-couche de phospholipides. La membrane forme une barrière sélective: les ions et les molécules polaires ne peuvent pas traverser directement la membrane. Des protéines transmembranaires forment des canaux et des pompes permettant le passage d’ions. FERMÉ OUVERT Canal ionique de fuite -transport passif- FERMÉ OUVERT Canal ionique voltage-dépendant FERMÉ OUVERT Canal ionique ligand-dépendant Pompe à transport actif 14 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Potentiel membranaire de repos Au repos, il existe une différence de potentiel à travers la membrane d’une cellule: Potentiel de repos = env.-65/-70 mV. Cette différence de potentiel est due à une répartition inégale des charges entre l’intérieur et l’extérieur de la membrane.  Les concentrations de ions ne sont pas identiques à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule; on observe donc une différence de potentiel de part et d’autre de la membrane. La différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane peut être mesurée au moyen d’électrodes, placées l’une dans le cytosol, l’autre dans le milieu extracellulaire. ANIMATION VIDEO https://www.youtube.com/watch?v=tXzW9b0ktvc 15 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser 16 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Potentiel membranaire de repos Diffusion Gradient de concentration Gradient électrique Une membrane ayant une perméabilité sélective laisse passer certaines molécules, et empêche le passage à travers la membrane d’autres molécules. Exemple: Membrane sélectivement perméable aux ions Cl(et donc impermeable aux ions Na+) (a) NaCl Des charges opposées s’attirent et des charges semblables se repoussent. Il y aura donc un mouvement de Na+ vers le pôle négatif (la cathode) et de Cl– vers le pôle positif (l’anode). L’amplitude du déplacement des charges électriques correspond au courant électrique. (b) (c) Le gradient de concentration du Clest contrebalancé par son gradient électrique À cause de la forte différence de concentration (gradient de concentration) existant entre les deux compartiments, les ions Na+ et Cl– vont passer des régions de forte concentration vers les régions de plus faible concentration. En l’absence d’autres facteurs, le déplacement des ions à travers la membrane cessera lorsque les concentrations de part et d’autre de cette membrane perméable seront égales. 17 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Potentiel membranaire de repos Les canaux ioniques voltage-dépendants et ligand-dépendants sont fermés.  Différence de potentiel intra- vs extra-cellulaire ~-70mV 18 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Potentiel membranaire de repos Le potentiel d’équilibre d’un ion est la différence de potentiel (ddp) qu’il faudrait appliquer de part et d’autre de la membrane pour que le gradient électrique de cet ion s’oppose très exactement au gradient de concentration de cet ion. Ce potentiel d’équilibre s’exprime par l’équation de Nernst, pour chaque ion séparément. L’équation de Nernst ne rend compte que du cas de la conductance d’un seul ion. Il existe une formule qui prend en compte tous les ions intra- et extra-cellulaires ayant la propriété de pouvoir traverser la membrane. C’est l’équation de GoldmanHodgkin-Katz. EQUATION DE NERNST EQUATION DE GOLDMAN Vm = Potentiel de membrane Ei = Potentiel électrique du compartiment i [I]i = Concentration du ion I du compartiment i (ici le K+) R = Constante des gaz parfaits T = Température en kelvin z = Charge de l’ion F = Constante de Faraday Em = Potentiel de membrane Pi = Perméabilité de la membrane pour le ion i [i] = Concentration du ion i dans le compartiment externe ou interne R = Constante des gaz parfaits T = Température en kelvin F = Constante de Faraday => Potentiel d’équilibre du K+ à 37°C = -80mV => Potentiel d’équilibre d’une membrane perméable seulement à K+ et Na+ à 37°C = env. -70mV 19 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Variations du potentiel membranaire Les neurones peuvent réagir à des stimuli différents : lumière, son, pression, neurotransmetteur (synapse)… La présence des ces stimuli induit une modification du potentiel membranaire. Réception : Potentiels post-synaptiques gradués Intégration: Potentiels post-synaptiques gradués globaux Conduction: Potentiels d’action Transmission: Neurotransmetteurs 20 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action Potentiel d'action: Fluctuation brève du potentiel de membrane le long d’un axone, permettant de transmettre l’information d’un endroit à l’autre du système nerveux. VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=WjYiwVZBN8E 21 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser 22 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action Pic Potentiel de membrane (mV) +30 Phase ascendante: Dépolarisation (entrée de Na+) Phase descendante: Repolarisation (sortie de K+) La génération de PA est due à l’ouverture de canaux ioniques à fonction active voltage-dépendants, qui sont fermés à l’état de repos. FERMÉ OUVERT -55 -70 Repos Hyperpolarisation Canal voltage-dépendant Période réfractaire absolue Période réfractaire relative 1 ms (canaux sodiques) > 1 ms (canaux potassiques) Durée totale du potential d’action : env. 2 ms 23 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action La phase ascendante est celle de la dépolarisation de la membrane, due à l’entrée massive de Na+. 1 Repos 2 Dépolarisation 3 Repolarisation 4 Hyperpolarisation 1 Repos 24 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action La phase descendante est celle de la repolarisation de la membrane, due à la sortie massive de K+. 1 Repos 2 Dépolarisation 3 Repolarisation 4 Hyperpolarisation 1 Repos 25 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action La phase d’hyperpolarisation est due à la fermeture lente des canaux K+ voltage-dépendants, permettant au K+ de sortir au-delà de -70mV. 1 Repos 2 Dépolarisation 3 Repolarisation 4 Hyperpolarisation 1 Repos => Rôle de la pompe Na+/K+ ATPase dans le retour au potentiel de repos 26 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action Loi du tout ou rien: Le bilan de l’addition des messages reçus par le neurone se fait au niveau du cône axonique. Si le seuil de déclenchement d’un PA est atteint (env. -55mv), un PA sera engendré, d’une amplitude constante d’env. 100mV. Dans la fibre nerveuse (axone), l’intensité de la stimulation est codée en fréquence de potentiels d’action. 27 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Conduction de l’information : potentiels d’action cône axonique =segment initial =zone gachette =cône d’implantation La présence de canaux sodiques voltage-dépendants permet la propagation d’un potentiel d’action 28 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=MVvPXimxV5M 29 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone 30 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone Les faibles courants électriques engendrés par les ions qui se déplacent provoquent l’ouverture de canaux à sodium voltage-dépendants au voisinage de la zone qui s’est dépolarisée, ce qui provoque la dépolarisation de la zone voisine. Le potentiel d’action généré ne se propage que dans une seule direction, car la membrane située juste en arrière est devenue réfractaire à cause de l’inactivation des canaux sodiques. La période réfractaire détermine aussi la fréquence maximale à laquelle les potentiels d’actions peuvent être déclenchés, à savoir env. 1 000 Hz : lorsqu’un potentiel d’action est initié, le suivant ne peut survenir qu’après un délai de 1 ms (période réfractaire absolue). De plus, il est plus difficile d’initier un autre potentiel d’action pendant la période réfractaire relative (1 à plusieurs ms), durant laquelle la quantité de courant nécessaire pour dépolariser le neurone jusqu’au seuil du potentiel d’action est plus élevée que dans des conditions normales. 31 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone La vitesse de propagation d’un potentiel d’action dépend du diamètre de l’axone et de sa myélinisation. Gaine de myéline, nœuds de Ranvier et conduction saltatoire Dans les axones myélinisées, l’isolation électrique assurée par la gaine de myéline permet une propagation du potentiel d’action d’un nœud de Ranvier à l’autre, où sont concentrés les canaux sodiques voltage-dépendants. Distance entre nœuds de Ranvier: 0,2-2,0 mm.  Ceci résulte en une conduction plus rapide des potentiels d’action. Conduction de proche en proche dans les fibres non-myélinisées: < 3m/s Conduction saltatoire dans les fibres myélinisées : 5-120m/s Le diamètre de l’axone est corrélé avec sa vitesse de conduction. 32 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone La sclérose en plaques et le syndrome de Guillain-Barré sont des maladies démyélinisantes, du SNC et du SNP respectivement. 33 Neurosciences comportementales Ch.2 Neurones, cellules gliales, membrane excitable, potentiel d’action Dr. Mélanie Kaeser Propagation de l’influx nerveux le long de l’axone Exemples de substances agissant sur les canaux sodiques. Tétrodotoxine (TTX): - bloqueur sélectif des canaux sodiques Fugu Lidocaïne: - inhibiteur des canaux sodiques Anesthésique local 34