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ELECTROPHYSIOLOGY Principes. COUPE TRANSVERSALE DU CERVEAU.

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1 ELECTROPHYSIOLOGY Principes

2 COUPE TRANSVERSALE DU CERVEAU

3 Les structures nerveuses sont constituées de 2 types cellulaires: Les neurones et les cellules gliales. Soma axone Dendrites Neurone du cerveletAstrocyte Dendrites: réceptionnent linformation provenant des autres cellules par des récepteurs spécifiques aux neurotransmetteurs. Lactivation des récepteurs induit un signal électrique. Soma: intégration des différents signaux et codage de linformation sous forme de potentiels daction Axone: propagation des potentiels daction et transmission de linformation à dautres cellules par la libération de transmetteurs

4 -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 dune bicouche lipidique et composée de phospholipides, cholestérol, et glycolipides Partie centrale hydrophobe Partie hydrophyle La membrane plasmique

5 Les protéines transmembranaires sont responsables de lactivité électrophysiologique des Cellules. Canal dit « de fuite » Le canal est toujours ouvert Ces canaux sont essentiellement permeables au K ou permeables à la fois au Na et K Canal « voltage dépendant » Louverture du canal dépend de Vm Récepteur-canal Le canal fait partie du récepteur. Il souvre lorsque un transmetteur se fixe sur un site spécifique du récepteur Pompe Na/K. le Na est transporté vers lexterieur et le K vers lintérieur. Cette pompe nécessite lhydrolyse de lATP 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 Na K ATP ADP Na K

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

7 Composition ionique des milieux intra et extracellulaire -la répartition des ions de part et dautre de la membrane dun neurone est inégale Extracell. (mM) [Na + ] = 140 [K + ]= 3 [Ca 2+ ]=1 [Cl - ] = 144 [P - ] = 0 P - =Molecules organiques chargé négativement (glut., Asp., Ac.Am., protéines…) mais également HCO 3 -, PO 3 2- [Na + ]=14 [K + ]=140 [Ca 2+ ]= [Cl - ]=14 Intracell. (mM) [P - ] = 125

8 Les solutions ioniques à lintérieur et lextérieur 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] = 144 Dans le milieu intracellulaire [Na] + [K] + 2[Ca] = [Cl] = 14 + P Cela implique que [P - ] = 140 milliéquivalents

9 -La pression osmotique exercée par les ions et les molécules est la même de part et dautre de la membrane. Le nombre de particules en solution est la même de part et dautre de la membrane [Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [P]i = P 288 = 168 +P Donc [P]= 120 mM Donc la valence de P = 140/120=1.1 Comme P est negative cela implique que la valence moyenne de P = -1.1

10 -Lexistence dun gradient de concentration dune espèce ionique de part et dautre de la membrane entraîne lexistence dun 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 [HCO 3 ] =140 [K] = 3 [Na] =140 [Cl] =144 [Ca] = 1 [Sucrose]=21 A B AB

11 Conséquence du flux de K A devient plus négatif que B. Il y a un création dun champ électrique (force électrostatique)qui va fréiner le flux de K. Il y a création dune différence de potentiel concentration Electrique Léquilibre est atteint quand le gradient électrique compense exactement le gradient de concentration AB

12 On définit un potentiel membranaire déquilibre pour chaque ion par la loi de Nernst. Pour cette valeur le flux net est nul. E ion = RT/ZF ln[ion] e / [ion] i Lorsquun 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 parfaits T= tempéraure absolue Z= valence de lion (+1 cation monovalent; -1 anion monovalent) F= Constante de Faraday A 20 ° C: RT/F = 25 mV En base 10 avec Z = +1 RT/ZF= 58 Pour le K : E K = 58 log 3/140 = -96 mV Pour le Na: E Na = 58 log 140/14 = +58 mV Pour le Cl: E Cl = -58 log144/14 (Z = -1) = -58 mV Pour le Ca: E Ca = 29 Log 1/10 -4 (Z = 2) = 116 mV Pour un canal Na/K: E = 29 log 140+3/ (Z = 2 car 1+ du K et 1 + de Na) = -0.9 mV

13 Les techniques denregistements cellulaires La technique de patch-clamp. Une cellule peut être enregistrée selon plusieurs configurations. La choix de la configuration denregistrement a pour but de répondre à des questions bien précises electrode Slice

14 Configuration inside-out But: étudier la régulation de lactivité dun canal ou dun récepteur par des enzymes, messagers seconds ect…. Cela donne une idée de la régulation intracellulaire de lactivité des canaux But: Etudier les propriétés dun canal ionique ou dun récepteur dans les conditions physiologiques (sans perturber le milieu intracellulaire). Configuration cellule attachée La face intracellulaire du canal baigne dans le milieu de superfusion

15 Configuration whole-cell But: étudier lactivité électrophysiologique de lensemble des canaux et des récepteurs au niveau dune cellule entière. Configuration outside-out Un canal ionique ou un récepteur est isolé, sa partie extracellulaire baigne dans la milieu de superfusion But: étudier les propriétés dun récepteur-canal et déterminer particulièrement laffinité du récepteur pour un agoniste Le milieu intracellulaire est conditionné par la solution intra-pipette

16 Les conséquences dun influx dions à travers un canal peuvent-être analysés de 2 façons -un changement de potentiel membranaire. Lorsque lon suit uniquement les variations de potentiel de membrane: on est en courant imposé. -la genèse dun courant. Lorsque lon mesure le courant on est en voltage imposé

17 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 dhyperpolarisation (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

18 Depolarisation, hyperpolarisation On parle de dépolarisation et dhyperpolarisation lorsque lon 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 shyperpolarise. Lorsquelle se deplace vers des valeurs plus positives on parle de dépolarisation

19 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 Temps (sec) Potentiel (mV) Patch en whole cell mV 0 intra extra concentration électrique Le potentiel de repos dun neurone

20 Au potentiel de repos (-80 mV) le flux net( ) des différents ions est le suivant: intraextra Cas du K + (E K = -96 mV) Cas du Na + (E Na =58 mV) extraintra extraintra ++++ Cas du Cl - (E cl - = -58 mV)Cas du Ca 2+ ( E K = 116 mV) extraintra ++++ La valeur négative du potentiel membranaire de repos est essentiellement liée au flux de K qui amène Vm vers E K

21 Quand la membrane de la cellule est perméable à différents ions Le potentiel de membrane se stabilise quand le flux de tous les ions à travers les différents canaux est nul. Cest à dire que: I Na + I K + I cl + I ca + I NaK = 0 Or I Na = g Na (Vm-E na) I K =g K (Vm-E K ) I Cl = g Cl (Vm-E Cl ) I ca = g Ca (Vm-E ca ) I Na/K =g NaK (Vm –E NaK ) Vm = g Na E Na +g K E K +g Cl E Cl +g Ca E Ca + g NaK E NaK / g Na +g K +g Cl +g Ca + g NaK Dans le cas dune cellule Vm est essentiellement lié à linflux des ions K et NaK à travers des canaux dit de fuite. Ce potentiel est environ de –80 mV pour les cellules corticales

22 La transmission synaptique Potentiel daction présynaptique Libération de neurotransmetteurs Fixation sur des récepteurs postsynaptiques Flux ionique Signal électrique

23 Au niveau du cortex les 2 principaux neurotransmetteurs sont le GABA et le glutamate Glutamate AMPARsNMDA Rs Couplés à un canal cationique GABA GABAa GABAb Couplé à un canal Cl Couplé indirectement au canal K via une protéine G

24 Transmission glutamatergique En courant imposé EPSP: excitatory postsynaptic potential EPSC: excitatory postsynaptic current En voltage imposé 50 msec EKEK pA EPSC Vm-Vm I -I 0

25 Transmission GABAergique IPSP: Inhibitory postsynaptic potential IPSC: Inhibitory postsynaptic current IPSC -60 mV V I

26 Le courant synaptique enregistré en configuration cellule entière est la somme des courants élémentaires traversant chacun des canaux activés par le transmetteur. Les propriétés dun récepteur-canal activé par un transmetteur est géneralement analysé en outside-out. Lamplitude et la cinétique dun courant synaptique Le pulse de glutamate est appliqué 6 fois fermé ouvert On peut estimer la cinétique dune réponse synaptique par les propriétés douverture et de fermeture dun canal unique Glu

27 Lintensité du courant qui traverse un canal ionique est fonction de la conductance du canal et du gradient electrochimique de lion.Le gradient electrochimique: = potentiel de membrane- potentiel déquilibre de lion = (Vm- E ion ). La conductance caractérise la facilité avec laquelle les ions traversent le canal on = 1/Resistance du canal Lintensité du courant qui traverse un canal est une adaptation de la loi dOhm: I = V/R i ion = (Vm- E ion )/Rcanal Cela implique que I ion = (Vm-E ion ) ion Lunité de la conductance est le Siemens Si il y a plusieurs canaux pour le même ion. La conductance totale est G ion = on N. P N: nb de canaux P: probabilité douverture des canaux conductance élémentaire du canal pour lion

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29 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 concentration Flux net Vm = +58 mV I = NP(0-(-96)) Le sens du courant

30 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

31 extra intra Vm = +58mV Vm = 0 mV A B C D [Cl] i =14 Vm = -58 mV Vm = -100 mV [Cl] i =144 Fo.elec.par rapport au Cl I Cl = NP(0- (-58)) I Cl = 0 I Cl = NP(-100- (-58))

32 Cas dun 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 KNa Flux net I=I k +I Na = g k (Vm-E k ) + g Na (Vm-E Na ) I =I k car I na =0 I = I Na car I K = 0 I = 0

33 Les potentiels postsynaptiques se propagent de façon décrémentielle Enregistrement

34 La propagation dune réponse synaptique se réalise par déplacement de charges (répulsion-attraction) : entrée de Na et sortie de K: Au potentiel de repos le flux net est entrant. Lentrée de Na charge la membrane et la dépolarise 2: En même temps laugmentation 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 laugmentation locale du gradient de concentration du K. Le nombre de dions K chargeant la membrane pour la dépolariser est réduit. K Na -

35 Les canaux voltage dépendant Ce sont des canaux qui souvrent lors dune variation de potentiel de membrane. Il existe des canaux K, Na et Ca

36 Activation / inactivation du canal Na Établissement de la courbe dinactivation Établissement de la courbe dactivation

37 Il existe différents courants K qui différent par leurs voltage dépendance, leurs cinétiques et la pharmacologie Activation et inactivation du courant I A

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

40 Les canaux voltage dépendants sont responsables de la genèse de potentiels daction

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42 Propagation du potentiel daction La propagation est rapide et non décrémentielle. Si la fibre est myélinisée, la propagation est de type de saltatoire

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