ELECTROPHYSIOLOGY

Principes

COUPE TRANSVERSALE DU CERVEAU

Les structures nerveuses sont constituées de 2 types cellulaires: Les neurones et les cellules gliales.

Soma

axone

Dendrites

Neurone du cerveletAstrocyte

Dendrites: réceptionnent l’information provenant des autres cellules par des récepteurs spécifiques aux neurotransmetteurs. L’activation des récepteurs induit un signal électrique.Soma: intégration des différents signaux et codage de l’information sous forme de potentiels d’actionAxone: propagation des potentiels d’action et transmission de l’information à d’autres cellules par la libération de transmetteurs

-Comme pour toutes les cellules, le neurone est délimité par une membrane plasmique qui constitue une barrière entre le milieu intracell. et le milieu extracell.

-la membrane plasmique est constituée d’une bicouche lipidique et composée de phospholipides, cholestérol, et glycolipides

Partie centrale hydrophobe

Partie hydrophyle

La membrane plasmique

Les protéines transmembranaires sont responsables de l’activité électrophysiologique des Cellules.

Canal dit « de fuite »Le canal est toujours ouvertCes canaux sont essentiellement permeables au K ou permeables à la fois au Na et K

Canal « voltage dépendant »L’ouverture du canal dépend de Vm

Récepteur-canalLe canal fait partie du récepteur. Il s’ouvre lorsque un transmetteur se fixe sur un site spécifique du récepteur

Pompe Na/K. le Na est transporté vers l’exterieur et le K vers l’intérieur.Cette pompe nécessite l’hydrolyse de l’ATP en ADP. Elle permet de maintenir le gradient de concentration de Na et de K

Transporteur Les ions sont co-transportés avec un transmetteur

extra

intra transmetteur

NaK

ATP ADP

NaK

Répartition des canaux ioniques et des récepteurs dans la membrane plasmique neuronale

Composition ionique des milieux intra et extracellulaire

-la répartition des ions de part et d’autre de la membrane d’un neurone est inégale

Extracell. (mM)[Na+] = 140[K+]= 3[Ca2+]=1[Cl-] = 144[P-] = 0

P- =Molecules organiques chargé négativement (glut., Asp., Ac.Am., protéines…) mais également HCO3

-, PO32-

[Na+]=14[K+]=140

[Ca2+]= 10-4

[Cl-]=14

Intracell. (mM)

[P-] = 125

Les solutions ioniques à l’intérieur et l’extérieur de la membrane sont électriquement neutres. Le nombre de charge + est égale au nombre de charge -. Il y a électroneutralité

Dans le milieu extracellulaire:[Na] + [K] + 2[Ca] = [Cl]140 + 3 + 1= 144

Dans le milieu intracellulaire[Na] + [K] + 2[Ca] = [Cl]14 + 140 +10-4 = 14 + P

Cela implique que [P-] = 140 milliéquivalents

-La pression osmotique exercée par les ions et les molécules est la même de part et d’autre de la membrane. Le nombre de particules en solution est la même de part et d’autre de la membrane

[Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [P]i140 +3+ 1+ 144 = 14 + 140 + 14 + P288 = 168 +PDonc [P]= 120 mMDonc la valence de P = 140/120=1.1

Comme P est negative cela implique que la valence moyenne de P = -1.1

-L’existence d’un gradient de concentration d’une espèce ionique de part et d’autre de la membrane entraîne l’existence d’un gradient électrique. Chaque espèce ionique tend à diffuser selon son gradient de concentration

Canal sélectivement perméable au K

Membrane

[K] = 140

[Na]=14[Cl]=14[Ca]=10-4

[HCO3] =140

[K] = 3

[Na] =140[Cl] =144[Ca] = 1[Sucrose]=21

A BA B

Conséquence du flux de KA devient plus négatif que B. Il y a un création d’un champ électrique (force électrostatique)qui va fréiner le flux de K. Il y a création d’une différence de potentiel

+ - +- + --+ - + - ++ - + - ++ - +- + --+ - + - ++ - + - +

+ - +- + --+ - + - ++ - + - +

+ - +- + --+ - + - ++ - + - +

- -

- -

- -

- -

+ +

+ +

+

+ +

+ concentratio

n

Electrique

L’équilibre est atteint quand le gradient électrique compense exactement le gradient de concentration

A B

On définit un potentiel membranaire d’équilibre pour chaque ion par la loi de Nernst. Pour cette valeur le flux net est nul.

Eion = RT/ZF ln[ion]e/ [ion]i

Lorsqu’un canal est perméable à 2 ions alors E = RT/ZF ln [ion1]e+ [ion2]e/ [ion 1]i + [ion 2]i R = Constante des gaz parfaitsT= tempéraure absolueZ= valence de l’ion (+1 cation monovalent; -1 anion monovalent)F= Constante de FaradayA 20°C: RT/F = 25 mV En base 10 avec Z = +1 RT/ZF= 58Pour le K : EK = 58 log 3/140

= -96 mV Pour le Na: ENa = 58 log 140/14 = +58 mVPour le Cl: ECl = -58 log144/14 (Z = -1) = -58 mVPour le Ca: ECa = 29 Log 1/10-4 (Z = 2) = 116 mVPour un canal Na/K: E = 29 log 140+3/140+14 (Z = 2 car 1+ du K et 1 + de Na) = -0.9 mV

Les techniques d’enregistements cellulaires

La technique de patch-clamp. Une cellule peut être enregistrée selon plusieurs configurations . La choix de la configuration d’enregistrement a pour but de répondre à des questions bien précises

electrode

Slice

Configuration inside-out

But: étudier la régulation de l’activité d’un canal ou d’un récepteur par des enzymes, messagers seconds ect…. Cela donne une idée de la régulation intracellulaire de l’activité des canaux

But: Etudier les propriétés d’un canal ionique ou d’un récepteur dans les conditions physiologiques (sans perturber le milieu intracellulaire).

Configuration cellule attachée

La face intracellulaire du canal baigne dans le milieu de superfusion

Configuration whole-cell

But: étudier l’activité électrophysiologique de l’ensemble des canaux et des récepteurs au niveau d’une cellule entière.

Configuration outside-out

Un canal ionique ou un récepteur est isolé, sa partie extracellulaire baigne dans la milieu de superfusionBut: étudier les propriétés d’un récepteur-canal et déterminer particulièrement l’affinité du récepteur pour un agoniste

Le milieu intracellulaire est conditionné par la solution intra-pipette

Les conséquences d’un influx d’ions à travers un canal peuvent-être analysés de 2 façons

-un changement de potentiel membranaire. Lorsque l’on suit uniquement les variations de potentiel de membrane: on est en courant imposé.

-la genèse d’un courant.Lorsque l’on mesure le courant on est en voltage imposé

V

0

Vm

+

-

Dépolarisation = courant entrant

Hyperpolarisation = courant sortant

En Courant imposé-Si le flux ionique conduit à une augmentation de charge + du côté intracellulaire on parle de dépolarisation (ex: entrée de Na ou sortie de Cl).

Si le flux ionique conduit à une augmentation de charges – dans la cellule on parle d’hyperpolarisation (ex: sortie de K ou entrée de Cl

En voltage imposé-Par convention le sens du courant se réfère au sens du mouvememt des charges + -Une dépolarisation correspond à un courant entrant. Ce courant va vers le bas- une hyperpolarisation correspond à un cortant sortant. Ce courant va vers le haut

Depolarisation, hyperpolarisationOn parle de dépolarisation et d’hyperpolarisation lorsque l’on mesure les variations du potentiel de membrane au cours du Temps-Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négatives ont dit que la cellule s’hyperpolarise. Lorsqu’elle se deplace vers des valeurs plus positives on parle de dépolarisation

Le potentiel de repos des neurones corticaux est de valeur négative et est aux environs de –80 mV. La valeur de ce potentiel est essentiellement liée au flux des ions K à travers des canaux ioniques spécifiques et non spécifiques

0

-80

Temps (sec)

Potentiel(mV)

Patch en whole cell

+ - +- + --+ - + - ++ - + - ++ - +- + --+ - + - ++ - + - +

+ - +- + --+ - + - ++ - + - +

+ - +- + --+ - + - ++ - + - +

- -

- -

- -

- -

+ +

+ +

+

+ +

+

-80 mV0

intra extra

concentrationélectrique

Le potentiel de repos d’un neurone

Au potentiel de repos (-80 mV) le flux net( ) des différents ions est le suivant:

intraextra++

++

--

--

Cas du K+ (EK = -96 mV) Cas du Na+ (ENa=58 mV)

++

--

--

extra intra+

+

++

--

--

extra intra+

+

Cas du Cl- (Ecl- = -58 mV) Cas du Ca2+ ( EK = 116 mV)

++

--

--

extra intra+

+

La valeur négative du potentiel membranaire de repos est essentiellement liée au flux de K qui amène Vm vers EK

Quand la membrane de la cellule est perméable à différents ionsLe potentiel de membrane se stabilise quand le flux de tous les ions à travers les différents canaux est nul.

C’est à dire que: INa + IK + Icl+ Ica + INaK= 0Or INa = gNa(Vm-Ena)

IK =gK(Vm-EK)ICl= gCl(Vm-ECl)Ica= gCa (Vm-Eca)I Na/K=gNaK(Vm –ENaK)

Vm = gNaENa+gKEK+gClECl+gCaECa+ gNaKENaK/ gNa+gK+gCl+gCa+ gNaK

Dans le cas d’une cellule Vm est essentiellement lié à l’influx des ions K et NaK à travers des canaux dit de fuite. Ce potentiel est environ de –80 mV pour les cellules corticales

La transmission synaptique

Potentiel d’action présynaptique

Libération de neurotransmetteurs

Fixation sur des récepteurs postsynaptiques

Flux ionique

Signal électrique

Au niveau du cortex les 2 principaux neurotransmetteurs sont le GABA et le glutamate

Glutamate

AMPARs NMDA Rs

Couplés à un canal cationique

GABA

GABAa GABAb

Couplé à un canal Cl Couplé indirectement au canal K via une protéine G

Transmission glutamatergique

En courant imposé

EPSP: excitatory postsynaptic potentialEPSC: excitatory postsynaptic current

En voltage imposé

50 msec

EK pA

EPSC

Vm-Vm

I

-I

0

Transmission GABAergique

IPSP: Inhibitory postsynaptic potentialIPSC: Inhibitory postsynaptic current

IPSC

-60 mV

V

I

Le courant synaptique enregistré en configuration cellule entière est la somme des courants élémentaires traversant chacun des canaux activés par le transmetteur. Les propriétés d’un récepteur-canal activé par un transmetteur est géneralement analysé en outside-out.

L’amplitude et la cinétique d’un courant synaptique

Le pulse de glutamate est appliqué 6 fois

fermé

ouvert

On peut estimer la cinétique d’une réponse synaptique par les propriétés d’ouverture et de fermeture d’un canal unique

Glu

L’intensité du courant qui traverse un canal ionique est fonction de la conductance du canal et du gradient electrochimique de l’ion

.Le gradient electrochimique: = potentiel de membrane- potentiel d’équilibre de l’ion = (Vm- Eion)

. La conductance caractérise la facilité avec laquelle les ions traversent le canal

on= 1/Resistance du canal

L’intensité du courant qui traverse un canal est une adaptation de la loi d’Ohm: I = V/R iion= (Vm- Eion)/RcanalCela implique que Iion = (Vm-Eion)ion

L’unité de la conductance est le Siemens

Si il y a plusieurs canaux pour le même ion . La conductance totale estGion= on N. PN: nb de canauxP: probabilité d’ouverture des canauxconductance élémentaire du canal pour l’ion

intra

- - ++ - -++

+ + - - + + - -

Vm = 0 mV

++++ ++++

- - - - - - - -

A

B

C

D

++++ ++++

- - - - - - - -

extra [K+]e =3

Vm = -96 mV

Vm = -120 mV

- - - + - - - +

+ + + - + + + - [K+]i =140

Force electrostatique par rapport au K

Gradient de concentrationFlux net

Vm = +58 mV

I = NP(0-(-96))

Le sens du courant

Vm = +100 mV

extra

intra

Vm = +58mV

- - - - - - - -

+ + + + + + + +

- - - + - - - +

+ + + - + + + -

- - ++ - -++

+ + - - + + - -

Vm = 0 mV

++++ ++++

- - - - - - - -

Vm = -100 mV

A

C

D

Fo.Electro par rapport au Na.[Na+]e = 140 mM

[Na+]i = 14mM

B [ Na]

flux

extra

intra

Vm = +58mV

- - - + - - - +

+ + + - + + + -

- - ++ - -++

+ + - - + + - -

Vm = 0 mV

A

B

C

D

++++ ++++

- - - - - - - -

[Cl]i =14

Vm = -58 mV

++++ ++++

- - - - - - - -

Vm = -100 mV

[Cl]i =144Fo.elec.par rapport au Cl

ICl = NP(0- (-58))

ICl = 0

ICl = NP(-100- (-58))

Cas d’un canal perméable aux ionx Na et K

Vm = +58mV

Vm = 0 mV

B

C

--------

++++++++

Vm =+100 mV

---+ ---+

+++- +++-

++-- --++

--++ --++

+++- +++-

---+ ---+

---- ----

++++ ++++

---- ----

++++ ++++

Vm = -40 mV

Vm=-96 mV

Vm=-150 mV

K NaFlux net

I=Ik +INa = gk(Vm-Ek) + gNa (Vm-ENa)

I =Ik car Ina =0

I = INa car IK = 0

I = 0

Les potentiels postsynaptiques se propagent de façon décrémentielle

Enregistrement

12 3

12 3

La propagation d’une réponse synaptique se réalise par déplacement de charges (répulsion-attraction)

+ ++

1

1: entrée de Na et sortie de K: Au potentiel de repos le flux net est entrant. L’entrée de Na charge la membrane et la dépolarise 2: En même temps l’augmentation local de charge + repousse les autre charge + et particulièrement les ions K qui sont majoritaires qui vont à leur tour chargés la membrane et entrainer une répulsion des autres ions K. 3: La présence de canaux de fuite (perméable essentiellement au K) entraine un perte de charge+ liée à l’augmentation locale du gradient de concentration du K. Le nombre de d’ions K chargeant la membrane pour la dépolariser est réduit.

K

++

2- -- --

++

3

+

Na

-

Les canaux voltage dépendant

Ce sont des canaux qui s’ouvrent lors d’une variation de potentiel de membrane. Il existe des canaux K, Na et Ca

Activation / inactivation du canal Na

-40

-110

+20

Établissement de la courbe d’inactivation

-40

-110

20

Établissement de la courbe d’activation

Il existe différents courants K qui différent par leurs voltage dépendance, leurs cinétiques et la pharmacologie

Activation et inactivation du courant IA

Une dépolarisation cellulaire active les canaux Na et K dépendants du voltage mais pas avec la même cinétique

Les canaux voltage dépendants sont responsables de la genèse de potentiels d’action

Propagation du potentiel d’action

La propagation est rapide et non décrémentielle. Si la fibre est myélinisée, la propagation est de type de saltatoire