Chapitre I ELECTROPHYSIOLOGIE DE LAXONE 2009-2010

Chapitre I

ELECTROPHYSIOLOGIEDE L’AXONE

2009-2010

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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- 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


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


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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)

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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

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- 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.

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Neurone présynaptique

Neurone postsynaptiqueNeurone présynaptique

Neurone postsynaptique

Synapse Neuro-Neuronique


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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


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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


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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


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 ?


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


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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)


43

Ouverture du canal à Na Si neurotransmetteur fixé sur le récepteur

Fermeture du canal à Na Si neurotransmetteur se détache du récepteur


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)


- ppm ≠ Réponse Electrotonique

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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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