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Chapitre I
ELECTROPHYSIOLOGIEDE L’AXONE
2009-2010
2
Système nerveux =NEURONES (cellules nerveuses)Neuroglie (cellules nourricières et de soutien
Neurones : Conduction des INFLUX NERVEUX (impulsions électriques) le long de leurs prolongements.
Transmission à d'autres cellules grâce à des zones de contact = SYNAPSES
3
NERFS = Axones des neurones groupés en faisceaux (Système Nerveux Périphérique)
5
Corps cellulaire
Noyau
Axone
Dendrites
Boutons synaptiques
L'influx se dirige vers corps cellulaire
Axone, l'influx s'éloigne du corps cellulaire
STRUCTURE DU NEURONE
6
Cellule Nerveuse : Différence de potentiel électrique (ddp) de part et d'autre de sa membrane = Potentiel de membrane (Em)
2- Quelle est l’origine de cette ddp (Em = - 70 mV) ?
1- Pourquoi Intérieur chargé (-) / Extérieur ?
POTENTIEL DE MEMBRANE
Hodking et Huxley (années 50) = Prix Nobel 1963
7
THÉORIE IONIQUE DU POTENTIEL DE MEMBRANE
1- Membrane perméable uniquement au K+
Galvanomètre = Mesure de ddp
KCl4
mM
KCl120 mM
1
+ -
A B
2- Mouvement K+ : B → A(selon gradient chimique décroissant)- Pas de mouvement de Cl-
Résultats : Accumulation de :Charge (+) dans ACharge (-) dans B = Naissance d’un gradient électrique
2
K+
Cl-
K+
Cl-+ -
+ -
A B
Origine de ddp entre 2 compartiments (interne et externe) =Perméabilité SÉLECTIVE de la membrane
8
3 - Passage continu de K+ : «A» progressivement plus (+) que «B»- Gradient électrique renforcé Favoriser Mouvement en sens inverse de K+ de A vers B (selon le gradient électrique)
- Si flux de K+ de B vers A (selon le gradient de concentration) = flux de K+ A vers B (sens du gradient électrique) : Etat d'équilibre
K+
Cl-
K+
Cl-
+ -
3
+ -
A B
- Etat d'équilibre : Gradient Chimique = Gradient Electrique
- ddp mesurée à l'état d'équilibre, pour un ion X, est nommée Potentiel d'équilibre de cet ion (EX)
THÉORIE IONIQUE DU POTENTIEL DE MEMBRANE
9
EK = (RT/zF) x ln ([K]ext/[K]int)
Potentiel d'équilibre d'un ion Gradient électrique qui, s'opposant au Gradient chimique, permet de maintenir l'état d'équilibre.
EK = potentiel d'équilibre de l'ion K+ (en Volts)
R = constante des gaz parfaits (8,28 J/mol/°K)T = température absolue en °K (273 + température en ° ّC)F = constante de Faraday (96000 Coulombs)z = valence de l'ion [K]ext et [K]int représentent respectivement les concentrations de K+ à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule.
EK = - 85 mV
Calcul du Potentiel d’Equilibre = Equation de Nernst :
ENa = + 60 mV
POTENTIEL D’EQUILIBRE D’UN ION
10
D’où, Equation de Goldman : Perméabilités relatives de la membrane aux différents ions :
POTENTIEL DE MEMBRANE AU REPOS = Er
SI Perméabilité à un SEUL ion « X »: Er serait EGAL à EX
MAIS, Membrane perméable à plusieurs ions (Na, K, Cl)
DONC, Er dépend alors :- des Potentiels d’équilibre de chaque ion,- de la Perméabilité membranaire à ces ions.
Pour le calcul Er : Equation de Nernst NON valable
RT PNa .[Na]e + PK .[K]e + PCl .[Cl]iF PNa .[Na]i + PK .[K]i + PCl .[Cl]e
Er = Ln
P = Perméabilité, Z = +1
11
- Si microélectrode à l'extérieur : ddp = 0 mV.
MESURE DU POTENTIEL DE MEMBRANE
1 électrode et 1 microélectrode (solution conductrice)
µélectrode connectée à une entrée de l’oscilloscope
Electrode (de référence) située dans le milieu extracellulaireReliée à l’autre entrée de l'oscilloscope
Oscilloscope : enregistre ddp (Em) entre Int. et Ext de la cellule
Adaptateurd’impédance Oscilloscope
électrode de référenceMicroélectrode
Fibre nerveuse+ + +- - -
- Si microélectrode à l‘intérieur : ddp ≠ 0Intérieur (-) / Extérieur ddp représente le Er ≈ -70 mV
Technique de Dérivation Intracellulaire
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ORIGINE DU POTENTIEL DE REPOS
Na+
Na+
K+
K+
Cl-
Cl-
Axone
Ext
Int
REPOS : Membrane perméable à K+, Na+, Cl-
REPOS : Répartition INEGALE des 3 ions
D’où : K+ = Ion participant le + dans l'établissement de Er
Par conséquent : Er PROCHE de EK (potentiel d'équilibre de K+) Er sensible aux variations [K+]ext
MAIS : PK+ ≈ 60 fois plus grande que PNa
+ et PCl-
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MAINTIEN GRADIENTS DE CONCENTRATION. COMMENT ?
- Transport actif = Pompe Na/K.- Transport Actif Primaire = Sortie 3 Na+ et Entrée 2 K+.- Energie nécessaire pour ce transport = l'hydrolyse de l'ATP
ATP + H2O ADP + Pi + ENERGIE
2K+
K+
Pompe Na-K (Transports actifs)
Canaux ioniques (VOC) Transports passifs
Axone ATP ADP + Pi
Mouvement des ions à travers la membrane de l'axone
Na+
3Na+
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POTENTIEL D'ACTION DE L'AXONE
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Décours du potentiel d’action Transmembranaire
- Si Repos : Em stable (Er proche de EK)
- Si Stimulation : Variation Brusque et Transitoire de Em
Différentes phases du potentiel d'action TRANSMEMBRANAIRE d’un axone
S
0 mV
2 msEK = - 85 mV
ENa = + 60 mV
1 2
3
Er ≈ - 75 mV
POTENTIEL D'ACTION DE L'AXONE
(1) = Em s’éloigne de EK et S’approche de ENa (1)Puis revient à sa valeur de départ (2 et 3)
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- PK ↓ et Em revient à Er- PK reste cependant élevée par rapport à la PNa
ORIGINE DU POTENTIEL D’ACTION
PA = Changement Brusque et Transitoire de Em : Donc de PNa et de PK
S
0 mV
2 msEK = - 85 mV
ENa = + 60 mV
1 2
3
Er ≈ - 75 mV
- ↑ rapide, importante de PNa Dépolarisation = Phase 1
- PNa ↓ et PK ↑ Repolarisation = Phase 2
- PNa ≈ 0 et PK max Hyperpolarisation = Phase 3
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SEUIL ET LOI DE TOUT OU RIEN
- Si Stimulations Intensité Faible : Faible dépolarisation de Em (Réponse électrotonique RE)
- Si Stimulation + Forte : Amplitude PA (mV) CONSTANTE
Donc : Amplitude PA Indépendante de l'intensité de stimulation
PA Axone = obéit à la loi type de TOUT OU RIEN
- Si Stimulation Intensité Élevée : RE augmente et atteint le Seuil de potentiel Potentiel d’action.
Seuil de potentiel
Réponses électrotoniquesPA
Stimulation
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Si Stimulations Infraliminaires : Que Réponses électroniques
Si Stimulations Supraliminaires : Naissance PA
Seuil = Inversement Proportionnel au diamètre de la fibre
Seuil de Potentiel (ou seuil d'excitabilité) Valeur de Em à partir de laquelle se déclenche un PA
- Réponses électroniques ne se propagent pas
Seuil de potentiel
Réponses électrotoniquesPA
Stimulation
Seuil de stimulation
Stimulations infraliminaires Stimulations supraliminaires
- PA se propage intégralement le long de la fibre
SEUIL ET LOI DE TOUT OU RIEN
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PÉRIODES RÉFRACTAIRES
Période Réfractaire (PR) = Phase d’Inexcitabilité de l’axone
Mise en évidence : Technique du double stimulus
Principe : Stimulation avec 2 chocs (Rapprochés ou Eloignés)
C’est la période réfractaire absolue (PRA) Durée PRA ≈ Durée PA
Si 2 chocs très rapprochés : 1er stimulus 1er PA 2ème stimulus : PAS 2ème PA
(Fibre en phase d'inexcitabilité absolue)
S. supraliminaires
PRA
Si membrane complètement dépolarisée : Inexcitable
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Si 2 chocs légèrement éloignés :2ème stimulus 2ème PA à Amplitude + faible
Si 2 chocs suffisamment espacés :2ème choc 2ème PA normal
S. supraliminaires
S. supraliminaires
PRR
PRA + PRR = PRT (Période Réfractaire Totale)
PÉRIODES RÉFRACTAIRES
- Fibre en Période Réfractaire Relative (PRR)
Restauration Progressive des Gradients électrochimiques
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Au point d’excitation : naissance d’un petit courant local Dépolariser la membrane voisine jusqu'à la valeur du seuil= Courant local
PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
Propagation PA =Proche en proche - Vitesse constante - Amplitude constante
PA en un point de la membrane ==> PA au point voisin Propagation du PA
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Propagation de l'influx nerveux le long de l’axone
+ + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -
- - - + + + + + + + ++ + + - - - - - - - -
+ + + - - - + + + + +- - - + + + - - - - - -
+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + +
StimulationPA
Courants locaux
PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
Même principe que la vague dans un stade
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Si fibres myélinisées (isolant des CL) : Propagation que dans nœuds de Ranvier = Propagation PA par Saut (Conduction Saltatoire)
Vitesse de propagation : Plus rapide pour les fibres myélinisées (2 et 120 m/s)
(fibres amyélinisées 0,5 et 2 m/s) Proportionnelle au diamètre de la fibre
PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
24
ETUDE ÉLECTROPHYSIOLOGIQUE
En électrophysiologie :Perméabilité membranaire = Conductance (g)
g = 1 / Résistance
« g » = Mouvement d'un ion à travers un canal membranaire spécifique à cet ion
2 Conductances intervenant dans la génèse du PA de l’axone : Conductance sodique (gNa) Conductance potassique (gK)
25Courant potassique : IK = gK (Em - EK)
COURANTS IONIQUES MEMBRANAIRES
Mouvement d’ions chargés à travers les canaux membranaires = Courants électriques de nature ionique
Rappel Loi d'Ohm :V = R . I I = 1 / R . VOn a : g = 1 / R d'où I = g . V
Légende : I = courant ionique X (pA), g = conductance de l'ion XV = force électromotrice ou "driving force (V). V = Em – ExEx = Potentiel d’équilibre de X (V)
Ix = g . (Em – Ex)
Courant sodique : INa = gNa (Em - ENa)
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COURANT SODIQUE
Canal Na : 2 systèmes Fermeture / Ouverture =Portes d'activation (m) et d'inactivation (h)
Ouverture / Fermeture des portes Dépendent de Em Canal de type « VOC » (Voltage Openning chanel)
gNa dépend de la valeur des portes d'activation et d'inactivationgNa = gNa . m . m . m . h
gNa = gNa . m3 . h
Légende :
gNa : Conductance sodique de base (=1)
m : Pourcentage d'ouverture de la porte d'activation (puissance 3 car on estime qu'il y a 3 portes d'activation m)h : Pourcentage d'ouverture de la porte d'inactivation
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COMMENT CALCULE-T-ON LE COURANT SODIQUE ?
INa = gNa . m3 . h . (Em - ENa)
1- AU REPOS (Er) :Porte d'activation "m" ferméePorte d'inactivation "h" ouverte
gNa fermée par «m»
2- STIMULATION : «m» s'ouvre RAPIDEMENT«h» se ferme LENTEMENT
gNa Ouverte (activé)
Canal désactivé
Ext
Int
Membrane plasmique
m
h
Canal activé
Ext
Int
Membrane plasmique
m
h
Na+
Na+
Na+
Na+
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MAIS : "m" et "h" pas la même cinétique :"m" Rapide, "h" Lente par rapport à celle de la porte "m"
Conséquence : Ouverture Rapide et Transitoire du canal Na
3- APRES STIMULATION : «m» ouverte, «h» se ferme
gNa fermée par «h»
Canal inactivé
Ext
Int
Membrane plasmique
m
h
Donc : gNa = 2 états de fermeture : Etat désactivé et Etat inactivé
ACTIVATION ET INACTIVATION DE COURANT SODIQUE
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Pour ouvrir un canal inactivé : Passage à l’état désactivé (lié à la repolarisation)
Différence entre les 2 états :
Canal désactivé = Ouvrable Si Stimulation
Mais, Canal inactivé = NON ouvrable après une dépolarisation
Canal désactivé
Ext
Int
m
hCanal activé
Ext
Int
m
h Canal inactivé
Ext
Int
m
h
Stimulation
Dépolarisation
PRA Période où le canal Na est Inactivé
Repolarisation
ACTIVATION ET INACTIVATION DE COURANT SODIQUE
Na+
Na+
Na+
Na+
30
COURBES D'ACTIVATION ET D'INACTIVATION
Portes « m » et « h » : Ouvrerture / Fermeture en fonction de Em Canal Na de type VOC (Voltage Operational Chanel)
A chaque Em Degré (ou %) d'ouverture des portes « m » et « h » : Etat stationnaire
D’où : Relation entre Etat stationnaire des portes en fonction de Em (Courbe d'activation notée m et Courbe d'inactivation notée h)
31
h
Em (mV)
1
0.8
0.4
0.6
0.2
0
Degréd’ouverture
-70 -60 -50 -40 -30 -20
m
Convention :Etat Stationnaire 1 = Ouverture totale du systèmeEtat Stationnaire 0 = Fermeture totale du système
COURBES D'ACTIVATION ET D'INACTIVATION
32
- Si membrane se repolarise : Porte "s" se ferme
COURANT POTASSIQUE
Canal K : 1 seule porte d'activation « s »
- Ouverture / Fermeture de « s » : Réglées par Em (canal VOC)
- Si membrane dépolarisée : Porte "s" s'ouvre et reste ouverte tant que la membrane est dépolarisée
Equation du courant potassique IK :
IK = gK . s . (Em - EK)
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SYNAPSE ET TRANSMISSION
SYNAPTIQUE
35
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Synapse = point de « connexion » entre deux cellules, 1 au moins est un neurone.
Fonction : Communication entre deux cellules voisines : Propagation PA de la 1ère cellule à la 2ème cellule
Suivant la nature de la seconde cellule, on a : Synapse neuroneuronique Synapse neuromusculaire
ou autre
1 mm3 de substance grise du cortex peut contenir 5 milliards de synapses.
36
Neurone présynaptique
Neurone postsynaptiqueNeurone présynaptique
Neurone postsynaptique
Synapse Neuro-Neuronique
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
37
Synapse Neuro-Musculaire
- Cellule post-synaptique = Cellule musculaire- Plus simple des synapses
- C. musculaire : Innervée par UN seul axone (C. Présynaptique)
- Zone de jonction = Plaque Motrice
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
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- A Chaque fibre musculaire UNE seule plaque motrice
- Un neurone innerve Plusieurs fibres musculaires
- Ensemble Neurone - Fibres musculaires innervées Unité Motrice
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
39
Structure des synapses :Sens unique de l'influx dans les synapses
1- Terminaison présynaptique 2- Avec des Vésicules Synaptiques (Ø 200 Å à 600
Å, contenant Neuromédiateur) 3- Espace Synaptique (ou fente) (200 Å) entre
Membrane présynaptique et Membrane postsynaptique
Anatomie de la synapse
Membrane postsynaptique : Récepteur liant le Neuromédiateur
Sens de propagation du PA :Elément présynaptique Elément post-synaptique
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
40
Bouton synaptique du neurone moteur
Membrane du bouton synaptique
Membrane de la cellule musculaire
Cellule musculaire
Vésicules synaptiques contenant l'acétylcholine
Fente synaptique
Jon
ctio
n n
euro
mu
scu
lair
e
Fibres contractiles
Qu'est-ce que c'est ?
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
41
Liaison Neuromédiateur - Récepteur Modification temporaire et locale de la perméabilité de la membrane postsynaptique
Comment fonctionne la Synapse Neuro-Musculaire ?
Comment PA de l’Axone est-il
transmis sur la cellule
musculaire ?
Axone Jonction neuromusculaire
Cellule musculaire
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
42
1- Arrivée du PA dans Bouton synaptique
4- Fixation ACh sur Récepteurs de la membrane postsynaptique
2- Phénomène d’éxocytose des vésicules synaptiques
Neuromédiateur de la plaque motrice = Acétylcholine (ACh)
3- Libération du neuromédiateur dans la Fente synaptique
5- Ouverture d'un canal ionique Na+ couplé au récepteur
Canal ionique Na+ de type « ROC » (Receptor Operating Channel)
6- Entrée Na dans la cellule postsynaptique
8- ppm atteint le seuil de potentiel de la fibre musculaire
9- Ouverture du canal Na type « VOC »
7- Courant Entrant Légère Dépolarisation de la membrane postsynaptique Potentiel de plaque motrice (ppm)
10- Naissance PA dans toute la cellule musculaire CONTRACTION (Chapitre suivant)
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
43
Ouverture du canal à Na Si neurotransmetteur fixé sur le récepteur
Fermeture du canal à Na Si neurotransmetteur se détache du récepteur
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
44
- ppm ne se propage pas dans la cellule postsynaptique
- ppm se trouve uniquement dans la plaque motrice car les canaux "ROC" ne se trouvent qu’à ce niveau
- Fixation temporaire ACh sur son récepteur
- ACh hydrolysé par une enzyme = Acéthylcholinetérase
Remarques
- Blocage de la transmission du PA au niveau de la plaque motrice : Inhibiteur compétitif de l'ACh (CURARE)
SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
- ppm ≠ Réponse Electrotonique
45
ACTIVITE ELECTRIQUE DU NERF
Activité électrique du NERF = Résultante de celle de ces AXONES
Technique : Dérivation Extracellulaire (ou de surface)
Principe : Nerf sur des électrodes de surface (voir TP)
Enregistrement : PA de surface ou Electroneurogramme
Adaptateurd’impédance Oscilloscope
Electrode de surfaceElectrode de
surface
Nerf+ + +- - -
Technique de Dérivation Extracellulaire
- - -+ + ++ + + + + +
- - -- - -
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Selon Vitesse de propagation de ON, 3 groupes d’axones dans le nerf :
Axones du groupe A : entre 15 et 20 m/s Axones du groupe B : entre 3 et 15 m/s Axones du groupe C : 0,5 et 2,5 m/s
- Si UNE Electrode Réceptrice R1 :Electroneurogramme Monophasique
ACTIVITE ELECTRIQUE DU NERF
- Si DEUX Electrodes Réceptrices R1 & R2 :Electroneurogramme Biphasique
Electroneurogramme Propagation de l’Onde de Négativité le long du nerf
47FINFIN
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