Cours 1 - Potentiel repos - Potentiel d’action - V Lambrecq PDF

Cours de Neurophysiologie n°1 Le signal électrique des cellules nerveuses – Potentiel de repos * Potentiel d’action Virginie Lambrecq Psychomotricité – Orthophonie 1ère année Plan général des cours de Neuroph...

Cours de Neurophysiologie n°1 Le signal électrique des cellules nerveuses – Potentiel de repos * Potentiel d’action Virginie Lambrecq Psychomotricité – Orthophonie 1ère année Plan général des cours de Neurophysiologie 1. Potentiel de repos, potentiel d’action. Dr Virginie Lambrecq 2. Synapses, neurotransmetteurs. Dr Virginie Lambrecq 3. Sensibilités. Dr Aude Sangare 4. Motricité, réflexes. Pr Emmanuelle Apartis-Bourdieu 5. Cervelet, contrôles moteurs. Pr Emmanuelle Apartis-Bourdieu 6. Douleur. Dr Aude Sangare 7. Vision. Pr Yulia Worbe 8. Séance de révisions : 07/12 Les enjeux 1. Comment le système nerveux fait-il pour coder? Toutes les informations que nous recueillons sur l'environnement et sur notre corps Toutes les pensées que nous pouvons avoir Toutes les actions que nous entreprenons 2. Comprendre les mécanismes de genèse des potentiels d’action et de codage des informations du système nerveux 3. Comprendre les mécanismes de propagation du PA Introduction Neurones Peuvent recevoir et générer des messages électriques Potentiel d’action Phénomène électrique qui nait à la suite d’une stimulation de la cellule Message transmis par les cellules nerveuses Plan du cours n°1 I. Le potentiel de repos (PR) A. Rôle des différents ions B. Signification du PR II. Le potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire B. Repolarisation III. Codage temporel des informations IV. Notions sur les canalopathies I. Le potentiel de repos (PR) La membrane est polarisée extérieur +, intérieur – Deux microélectrodes : à la surface de la membrane et l’autre à l’intérieur Enregistrement par oscilloscope Différence de potentiel = ddp = potentiel de repos = - 70 mV Le milieu intracellulaire est électriquement négatif par rapport milieu extracellulaire Stable en dehors de toute stimulation A. Rôle des différents ions Pourquoi le potentiel de repos est-il négatif? Forte concentration en ions (cations : Na+ Ca2+ K+ Mg2+ et anions : Cl-) Le PR est lié aux différences de concentration en ions entre l’intérieur et l’extérieur de la membrane le milieu extracellulaire est essentiellement riche en ions Na le milieu intracellulaire est essentiellement riche en ions K  A. Rôle des différents ions Comment s’effectue la répartition des ions de part et d’autre de la membrane? Dans la membrane plasmique : - Des phospholipides - Glycolipides, stérols - Des protéines transmembranaires canaux ioniques pompes Na+/K+ (diffusion passive) Les ions ne peuvent pénétrer ou sortir de la membrane que par les protéines transmembranaires qui définissent des canaux ! A. Rôle des différents ions Comment s’effectue la répartition des ions de part et d’autre de la membrane? Canaux ioniques : - Forment des pores à travers la membrane - Sélectifs pour un ion donné - Peuvent être ouverts ou fermés Canaux ioniques OUVERTS : - Passage des ions par diffusion - Selon gradient de concentration (du compartiment à haute concentration vers celui à basse concentration)  A. Rôle des différents ions Inégalité de perméabilité membranaire aux différents ions ec Sodium canaux Na+ fermés = membrane très peu perméable : excès de charges + à l’extérieur Potassium canaux K+ semi-ouverts = membrane beaucoup plus ic perméable qu’au Na+ => selon gradient de concentration du K+ : sortie de K+ : excès charges positives à l'extérieur mais selon gradient électrique : entrée K+ → équilibre → potentiel de repos : proche du potentiel d’équilibre du K+ => excès de charges positives à l’extérieur A. Rôle des différents ions Contribution de la pompe Na+/K+ pour répartition inégale des ions Na et K Crée des différences de concentrations ioniques transmembranaires Sortie de 3 Na+ et entrée de 2 K+ Transport actif qui consomment O2, ATP : activité de la cellule Froid, ouabaïne : diminution Fct pompe → dépolarisation de la fibre B. Signification du potentiel de repos Neurones et fibres = piles chargées Les ions n’attendent que de traverser la mb Décharge de pile : signal, codage de l’information Variations de perméabilité membranaires => variations de polarisation Si perméabilité Na+ augmente : entrée Na+ : dépolarisation relative → risque : décharger la pile (on ne peut plus déclencher de PA) Si perméabilité K+ augmente : sortie K+ : hyperpolarisation → risque : bloquer la décharge (pile trop chargée, difficile à décharger) Il suffit de modifier les protéines-canaux pour modifier l’état de la cellule et ses propriétés de codage Modifications des canaux Chimiques : neurotransmetteurs, neuromodulateurs, hormones Provoquées par un stimulus : propriétés de sensibilité, excitabilité de la membrane Plan du cours n°1 I. Le potentiel de repos (PR) A. Rôle des différents ions B. Signification du PR II. Le potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire B. Repolarisation III. Codage temporel des informations IV. Notions sur les canalopathies II. Le potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire Le PA est le signal élémentaire du message nerveux Inversion brève et réversible du potentiel de repos Voltage-dépendant : nécessite une dépolarisation initiale = le potentiel générateur Phénomène à seuil Le PA se déclenche quand le potentiel générateur est suffisant pour atteindre un seuil critique (-60 mV) Ouverture des canaux Na+ Phénomène explosif en tout ou rien Dépolarisation locale suffisante → ouverture des canaux Na+ →entrée de charges + → dépolarisation → ouverture de canaux Na+ : le Na+ entre en masse dans la cellule Dépolarisation brusque : l’intérieur se charge positivement (+30 mV)  Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) - 70  Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) Stimulation - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) - 55 Stimulation - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) Dépolarisation + 30 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 repos (PR) Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 repos (PR) Hyperpolarisation Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 repos (PR) repos (PR) Hyperpolarisation II. Le potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire Activation des canaux Na+ résulte de l'ouverture d’une porte d’activation du canal par une dépolarisation initiale qui sert de stimulus Dépolarisation locale suffisante (seuil) ouverture des canaux Na+ → entrée de charges POSITIVES → dépolarisation → ouverture de canaux Na+ (cycle à rétroaction positive) Dépolarisation brusque (loi du tout ou rien) l’intérieur de la cellule se charge positivement (+30 mV) B. Repolarisation membranaire 1. Fermeture du canal Na+ (période réfractaire) Fermeture de la porte « inactivation » Induite par l’inversion de polarité 2. Ouverture du canal K+ Sortie de K+ = charges + Plus durable → pot – à l'intérieur = Hyperpolarisation 3. Retour aux conditions initiales Fermeture (partielle) du canal K+ Activation de la pompe Na+/K+ B. Repolarisation membranaire  Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) 1. Potentiel de repos : état FERMÉ - 70 - porte d'activation fermée repos (PR) - porte d'inactivation ouverte  A. Dépolarisation membranaire Potentiel membranaire (mV) + 30 Temps (ms) 2. Application d'une dépolarisation : état OUVERT - 55 Stimulation - ouverture de la porte d'activation - 70 - porte d'inactivation ouverte repos (PR) => les ions Na entrent  A. Dépolarisation membranaire Potentiel membranaire (mV) Dépolarisation + 30 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 3. Fermeture de la porte d'inactivation : état INACTIVÉ Stimulation - 70 - arrêt d'influx de Na+ repos (PR) - période réfractaire : on ne peut rien déclencher  B. Repolarisation membranaire Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 4. Remise en place des deux portes Stimulation - 70 - fermeture porte d'activation repos (PR) - ouverture porte d'inactivation  B. Repolarisation membranaire Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 1. Ouverture du canal K+ Sortie de K+ = charges + repos (PR) Plus durable → pot – à l'intérieur Hyperpolarisation Potentiel membranaire (mV) + 30 Dépolarisation Repolarisation 0 Temps (ms) Valeur seuil - 55 Stimulation - 70 2. Retour aux conditions initiales Fermeture (partielle) du canal K+ repos (PR) repos (PR) Activation de la pompe Na+/K+ Hyperpolarisation  Fonctionnement d’un canal voltage-dépendant activation 1. Potentiel de repos : état FERMÉ 2. Application d'une dépolarisation : état OUVERT - porte d'activation fermée - porte d'inactivation ouverte - ouverture de la porte d'activation - les ions Na entrent +++ +++ inactivation 3. Fermeture de la porte d'inactivation : état INACTIVÉ 4. Remise en place des deux portes - fermeture porte d'activation - ouverture porte d'inactivation désinactivation - arrêt d'influx de Na+ - réfractaire : on ne peut rien déclencher Signification du potentiel d’action Décharge brusque et brève de la pile : conditionnée par l’existence d’un potentiel de repos (énergie fournie par des pompes) Phénomène « automatique » une fois qu’il est lancé Flux d’ions passifs, selon gradients de concentration En tout ou rien : transmis et reproduit à l’identique Survenue : libération de l’énergie accumulée dans la pile Spontanée : fluctuation du potentiel de repos Provoquée : dépolarisation induite par un stimulus Problème Comment coder une variété d’informations avec un élément unique, monomorphe, invariant? Plan du cours n°1 I. Le potentiel de repos A. Rôle des différents ions B. Signification du PR II. Genèse d’un potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire B. Repolarisation III. Codage temporel des informations IV. Notion sur les canalopathies III. Codage temporel des informations A. Genèse d’un train de Potentiels d’action Si le stimulus initial persiste Dépolarisation persistante → nouveau PA si seuil franchi Mais pas possible tout de suite Période réfractaire Absolue : pas de ré-excitation tant que canaux Na+ inactifs (attendre leur désinactivation) Relative : ré-excitation possible mais difficile tant que désinactivation incomplète Ré-excitation d’autant plus précoce que dépolarisation initiatrice est grande Période réfractaire vaincue plus tôt Codage de l’intensité du stimulus : ↑ Intensité stimulus → ↑ fréquence décharge Codage de la durée du stimulus : ↑ durée → ↑ durée de bouffée de PA B. Variété des neurones et des réponses à un même stimulus Nombreux modes de réponse des différents neurones à un même stimulus Réponses continues - codent pour des états Adaptation faible/forte – codent pour des changements Réponses ON ou ON/OFF ou … Causes : variété de l’équipement des membranes en canaux selon les neurones Nombreux types de canaux, notamment K+ et Ca2+ : cinétiques lentes → retardent la repolarisation ↓ fréquence des PA (adaptation) Variété de la densité des canaux dans la membrane Signification Traitement de l’information distinct selon le comportement des neurones Plan du cours n°1 I. Le potentiel de repos A. Rôle des différents ions B. Signification du PR II. Le potentiel d’action (PA) A. Dépolarisation membranaire B. Repolarisation III. Codage temporel des informations IV. Notions sur les canalopathies IV. Les canalopathies Pathologies des canaux ioniques d'origines multiples : génétique, toxique, dysimmunitaire Sodium : canaux propres à chaque tissu Nav1.1 (SCN1A) : épilepsie myoclonique Nav1.4 (SCN4A) : myotonie, paramyotonie, paralysie périodique Nav1.5(SCN5A) : troubles du rythme cardiaque Nav1.7 (SCN9A) : érythromélalgie, analgésie congénitale Potassium : distribution multi-tissulaire des canaux Kv1.1 (KCNA1) : ataxie épisodique, neuromyotonie Kir2.1 (KCNJ2) : troubles du rythme, paralysie périodique Kir6.2 (KCNJ11) : diabète néonatal, troubles du tonus Chlore CLCN1 : myotonie A. Canalopathies sodium Normal : activation puis inactivation du canal Na+ Défaut d'activation : bloc Axones moteurs : paralysie (anticorps anti-canaux Na+, intoxication à la TTX = tétrodotoxine) Nocicepteurs : analgésie (anesthésiques locaux) Défaut d'inactivation : décharges répétitives (excès de fonction) Muscle : myotonie Axones sensitifs : prurit (ciguatera) Nocicepteurs : érythromélalgie SNC : épilepsie Coeur : troubles du rythme Dépolarisation qui réactive la membrane → trains de PA B. Canalopathies potassium Repolarisation Normal : semi-ouvert, s'ouvre et permet repolarisation, inactivation Défaut d'inactivation : hyperpolarisation, bloc Axones moteurs : bloc de conduction Pancréas : diabète néonatal (déplétion en K+ : Après repolarisation, le canal diminue secrétion d'insuline) doit se refermer Défaut d'activation : dépolarisation, décharges répétitives Axone : neuromyotonie Pancréas : hyperinsulinisme SNC : épilepsie, ataxie Coeur : troubles du rythme C. Canalopathies chlore Rôle modeste du Cl- dans la valeur du potentiel de repos absence de pompe à Cl- abondance des canaux chlore très grande perméabilité de la mb au Cl- Rôle stabilisateur sur le potentiel de membrane Les ions Cl- se distribuent passivement en fonction du pot de mb imposé par les ions Na+ et K+ Rôle d'inertie aux variations de potentiel Défaut de perméabilité au Cl- Instabilité du potentiel de repos Retard à la repolarisation Décharges répétitives (muscle : myotonie, cerveau : épilepsie) Synthèse du cours – ce qu'il faut retenir I. Mécanismes et signification du potentiel de repos Rôle des ions et inégalité de perméabilité membranaire Pompe Na+/K+ II. Mécanismes du potentiel d'action Mécanisme à seuil, voltage-dépendant, loi du tout ou rien Différents états du canal sodium : activation, désactivation, désinactivation Périodes réfractaires où le neurone n’est pas excitable