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Plan de la séance Rappel : Neurones Potentiels daction Electroencéphalogramme Applications dingénierie Résultats des 3 premiers quiz.

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2 Plan de la séance Rappel : Neurones Potentiels daction Electroencéphalogramme Applications dingénierie Résultats des 3 premiers quiz

3 Neurones Cellule du système nerveux : Transfert dinformation Envoi de commandes Composantes : Soma (corps cellulaire) Axones Dendrites Bear, Connors, Paradiso

4 Soma (corps cellulaire)

5 Forme ronde (~20 μm de Ø) Contient un liquide appelé cytosol : Riche en Na + et K + Contient aussi un noyau et des organelles : REG (réticulum endoplasmique granuleux (rugueux)) REL (réticulum endoplasmique lisse) Ribosomes Appareil de Golgi Mitochondries Cytoplasme = tout le soma sans le noyau

6 Soma - Rôles Noyau : contient chromosomes ADN REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés REL : régulation des concentrations internes de Ca+ Ribosomes : décodent linfo de lARNm pour permettre la synthèse des protéines Appareil de Golgi : triage des protéines Mitochondries : respiration cellulaire ATP

7 Dendrites Structure darbre Servent dantenne (réception de linflux) Couvertes de synapses : Côté post-synaptique

8 Axones « Fil conducteur » (transmission de linflux) Longueur de 1 mm à 1 m La terminaison de laxone forme une synapse sur les dendrites (ou le soma) : Côté pré-synaptique

9 Théorie générale Caractéristiques dun 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 : Cest linverse de la fréquence Amplitude = distance verticale entre deux extrémités dune onde 1s Fréquence Période Amplitude

10 Potentiel daction (influx nerveux) Le potentiel daction : Permet le transfert dinformation (influx nerveux) La durée et lamplitude qui caractérisent le potentiel daction restent constantes Cest la fréquence (nombre de potentiel/unité de temps) qui change Le potentiel nest pas atténué à travers la transmission Contrairement au potentiel gradué Fréquence et patron contiennent linformation

11 Potentiel daction Courbe de potentiel daction (mauve) : 1.Membrane de la cellule est à -70 mV au repos 2.Dépolarisation de la membrane jusquà 30 mV 3.Repolarisation de la membrane 4.Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70 mV) Durée : environ 2 ms Amplitude : (-70) mV = 100mV Durée : 2 ms Amplitude : 100 mV

12 Potentiel daction : ce quil y a sur la membrane dun axone 2 types de canal ionique Canal à sodium (Na+) Canal à potassium (K+) Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Sert à redistribuer les ions dans la phase dhyperpolarisation Vidéo 1 et 212

13 Potentiel daction : les 6 étapes détaillées 1)Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane est davantage perméable au K+. 2)Arrivé dun neuro-transmetteur dans la fente synaptique ouverture momentané des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué 3)Si seuil atteint ouverture des canaux à Na+ voltage-dépendants, influx de Na+ = Potentiel daction 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.

14 Électroencéphalogramme Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (24) placés sur le scalpe (cuir chevelu) Enregistre lactivité dune population de neurones du cortex cérébral Mesure la différence de potentiel entre chaque électrode et une électrode de référence Utilisé principalement pour létude du sommeil ou pour diagnostiquer lépilepsie.

15 Électroencéphalogramme Bear, Connors, Paradiso

16 Électroencéphalogramme (EEG) Sert à mesurer des différences de potentiel daction 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

17 Électroencéphalogramme Épilepsie Crise : décharges torrentielles et rythmiques de groupes de neurones cérébraux Crée un spike and wave facilement visible à lEEG Autres pathologies (ex. tumeurs) Resultent généralement en une asymmétrie dans la lecture de lEEG

18 Quelques applications dingénierie

19 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) Utilisations multiples, plus couramment pour les patients atteints du syndrôme de verrouillage Syndrôme de verrouillage: Cause : lésion dune partie de la voie efférente (motrice) qui empêche linflux nerveux de se rendre du cerveau aux muscles Conséquence : incapacité de bouger (parler, mobilier les membres du corps (paralysie presque totale)) Rupture de la voie efférente

20 Quelques applications dingénierie BCI utilisant EEG Enregistre signaux lors de tâches prédéfinies Établissement de patrons représentatifs Corrélation entre le patron et le signal enregistré Si le coefficient dépasse un seuil de confiance, laction est déclanchée.

21 Quelques applications dingénierie Exemple dinterface BCI avec EEG Kennedy et al Wolpaw et al. 2003

22 Quelques applications dingénierie Exemple de contrôle utilisant lEEG

23 Quelques applications dingénierie Jonathan Wolpaw, pionnier des interfaces EEG

24 Quelques applications dingénierie Électrodes implantées dans le cortex Matrice de 10x10 électrodes Longueur denvirons 1.5 mm Enregistre plus de 100 cellules simultanément Utilise les spikes dune durée de 50 à 70 ms Black et al. 2003

25 Quelques applications dingénierie Exemple dutilisation dimplants dans les BCI Electrode implantée chez un singe dans le cortex moteur : région contrôlant le bras Singe contrôle curseur à laide dun bras aptique Récompensé lorsquil atteint la cible Black et al. 2003

26 Quelques applications dingénierie Exemple dimplant dans le cortex humain Projet BrainGate 2 humains implantés Propriété plastique du cortex Youtube 1 et 212

27 Bibliographie Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain. Talwar, S. K. et al. Rat navigation guided by remote control.. Nature, 417, , (2002). Wolpaw et al. Kennedy et al. Black et al. Marieb Le grand dictionnaire terminologique

28 Questions?


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