+Ingénierie des systèmes

humains GTS501 – TP9

Objectifs de la séance

-Les neurones

-Lespotentiels d’action

- L’électroencéphalogramme

-Applications d’ingénierie

+Neurones

Cellule du système nerveux Transfert d’information Envoi de commandes

Composantes Soma (corps cellulaire) Axones Dendrites

Bear, Connors, Paradiso

+Soma (corps cellulaire)

Mitochondrie

Noyau

Reticulum endo-plasmique rugueux

RibosomesReticulumendo-plasmiquelisse

Axone

Appareilde Golgi

+Soma (corps cellulaire) Forme ronde

(~20 μm de diamètre)

Contient un liquide appelé cytosol Riche en Na+ et K+

Contient aussi un noyau et des organites REG (réticulum

endoplasmique granuleux ou rugueux)

REL (réticulumendoplasmique lisse) Ribosomes Appareil de Golgi Mitochondries

Cytoplasme =toute la cellule sans le noyau

+Soma - Rôles

Noyau : contient les chromosomes ADN ARNm

REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés

Ribosomes : décodent l’info de l’ARNm pour permettre la synthèse des protéines (ARNr, ARNt)

REG

Ribosomes

Noyau

+Soma - Rôles

Appareil de Golgi : stockage, tri, transport des protéines (exocytose régulée, à l’arrivée d’un potentiel d’action)

REL : régulation des concentrations internes de Ca+

Mitochondries : respiration cellulaire ATP

Ap. de Golgi

REL

Mitochondries

+Axones

« Fil conducteur » (transmissionde l’influx)

Longueur de 1 mm à 1 m

La terminaison de l’axoneforme une synapse surles dendrites (ou le soma) Côté pré-synaptique

Axone

+

Chimiques convertissent l’influx

nerveux en un relâchement de neuro-transmetteurs

Électriques transmettent directement

les ions

Synapses

+Théorie générale

Caractéristiques d’un signal électrique Fréquence = nombre de cycle par

unité de temps Se mesure souvent en Hertz

(cycle/s)

Période (durée) = temps nécessaire pour effectuer un cycle C’est l’inverse de la fréquence

Amplitude = distance verticale entre deux extrémités d’une onde

1s

Fréquence

Période

Amplitude

+

Le potentiel d’action Permet le transfert d’information (influx nerveux)

La durée et l’amplitude qui caractérisent le potentiel d’action restent constantes C’est la fréquence (nombre de potentiel/unité de temps)

qui change Fréquence et patron contiennent l’information

Le potentiel n’est pas atténué à travers la transmission Contrairement au potentiel gradué

Potentiel d’action (influx nerveux)

+Potentiel d’action Courbe de potentiel d’action (mauve)

1. Membrane de la cellule est à -70 mV au repos

2. Dépolarisation de la membrane jusqu’à 30 mV

3. Repolarisation de la membrane

4. Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70 mV)

Durée : environ 2 ms Amplitude : +30 - (-70) mV = 100mV

Durée 2 ms

Amplitude 100 mV

+

2 types de canaux ioniques Canal à sodium (Na+) Canal à potassium (K+)

Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Sert à redistribuer les ions dans la phase

d’hyperpolarisation

Vidéo PA et Influx Nerveux

2 types de déclenchement Canaux ligand dépendant Canaux voltage dépendant

Potentiel d’action : ce qu’il y asur la membrane d’un axone

Extérieur

Intérieur

+

1) Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane est davantage perméable au K+.

2) Arrivé d’un neuro-transmetteur dans la fente synaptique ouverture momentanée des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué

3) Si seuil atteint ouverture des canaux à Na+ voltage-dépendants, influx de Na+ = Potentiel d’action

4) Fermeture des canaux à Na+ voltage-dépendants. Les canaux à Na+ voltage-dépendants ne peuvent pas être réactivés (période réfractaire)

5) Ouverture des canaux à K+ voltage-dépendants = hyperpolarisation

6) Les canaux à K+ restent ouverts et les canaux à Na+ restent fermés. Pendant tout ce temps, la pompe à Na+/K+ rétablit la différence de potentiel du repos.

Potentiel d’action : les 6 étapes détaillées

+Électroencéphalogramme

Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (24) placés sur le scalp Enregistre l’activité d’une population de neurones du cortex

cérébral Mesure la différence de potentiel entre chaque électrode et une

électrode de référence Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour

diagnostiquer l’épilepsie.

+Électroencéphalogramme

Bear, Connors, Paradiso

+

Sert à mesurer des différences de potentiel d’action entre diverses aires du cerveau

Amplitude du signal dépend de la synchronisation

Enregistrements classés par rythmes selon leur fréquence

Rythmes associés à différents états (du plus actif vers le moins actif)

Beta (15-25 Hz) : cortex actif Alpha (8-13 Hz) : état éveillé mais au repos Theta (4-7 Hz) : certaines phases du sommeil Delta (< 4 Hz) : sommeil profond

Électroencéphalogramme (EEG)

+Électroencéphalogramme (EEG)

+

Épilepsie Crise de décharges torrentielles et

rythmiques de groupes de neurones cérébraux

Crée un patron “spike and wave” facilement visible à l’EEG

Autres pathologies (tumeurs) Généralement, asymmétrie dans la

lecture de l’EEG

http//www.neuro.mcg.edu

Électroencéphalogramme (EEG)

+

Quelques applications d’ingénierie

+

Brain computer interfaces (BCI) Interfaçage entre le système nerveux et un système

informatisé

Utilisation de signaux enregistrés à la surface du crâne (EEG) ou en périphérie du cortex (électrodes implantés)

Quelques applications d’ingénierie

+

Brain computer interfaces (BCI) Utilisations multiples, plus couramment pour les patients

atteints du “syndrôme de verrouillage” (locked-in syndrom)

Syndrôme de verrouillage Lésion d’une partie de la voie efférente (motrice)

l’influx nerveux ne se rend pas du cerveau aux muscles Incapacité de bouger (paralysie quasi-totale), parler

Rupture de la voie efférenteQuelques applications d’ingénierie

+Quelques applications d’ingénierie BCI utilisant l’EEG

Enregistre signaux lors de tâches prédéfinies Établit

des patrons représentatifs les corrélation entre le patron et le signal enregistré

Si le coefficient dépasse un seuil de confiance, l’action est déclenchée.

+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’interface BCI avec EEG

Kennedy et al. 2000

Wolpaw et al. 2003

+Quelques applications d’ingénierie Jonathan Wolpaw, pionnier des interfaces EEG

+Quelques applications d’ingénierie Électrodes implantées dans le

cortex Matrice de 10x10 électrodes Longueur d’environ 1.5 mm Enregistre plus de 100 cellules

simultanément Utilise les “spikes” d’une durée

de 50 à 70 msBlack et al. 2003

+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI

Electrode implantée chez un singe dans le cortex moteur région contrôlant le bras

Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras haptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible

Black et al. 2003

+

Exemple d’implant dans le cortex humain Projet BrainGate 2 humains implantés Actuellement en recrutement Youtube1 et 2

www.cyberkineticsinc.com

Quelques applications d’ingénierie

+Bibliographie

Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain.

Talwar, S. K. et al. Rat navigation guided by remote control.. Nature, 417, 37 - 38, (2002).

http//brownalumnimagazine.com/storydetail.cfm?ID=370

Wolpaw et al.

Kennedy et al.

Black et al.

Marieb

Le grand dictionnaire terminologique

www.youtube.com

+

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