Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP9 Objectifs de la séance - Les neurones - Les potentiels d’action - L’électroencéphalogramme - Applications d’ingénierie

NEURONES

Neurones Cellule du système nerveux Composantes Transfert d’information Envoi de commandes Composantes Soma (corps cellulaire) Prolongements neuronaux (nerfs) : Axone Dendrites Bear, Connors, Paradiso

Soma (corps cellulaire) Forme ronde (~20 μm de diamètre) Contient un liquide (cytosol) Riche en Na+ et K+ Contient aussi un noyau et des organites REG (réticulum endoplasmique granuleux ou rugueux) REL (réticulum endoplasmique lisse) Ribosomes Appareil de Golgi Mitochondries Cytoplasme = toute la cellule sans le noyau Mitochondrie Noyau REG Ribosomes REL Axone Appareil de Golgi

Soma - Rôles Noyau : contient les chromosomes REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés Noyau REG Ribosomes

Soma - Rôles Appareil de Golgi : stockage, tri, transport des protéines hors de la membrane REL : régulation des concentrations internes de Ca+ Mitochondries : respiration cellulaire (énergie) Mitochondries Ap. de Golgi REL

Axone « Fil conducteur » (transmission de l’influx) Longueur de 1 mm à 1 m Un seul axone par neurone Axone

Ce qu’il y a sur la membrane des axones 2 types de canaux ioniques Canal à sodium (Na+) Canal à potassium (K+) Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Canaux voltage dépendant

Axone La terminaison de l’axone forme une synapse sur les dendrites (ou le soma) Côté pré-synaptique Axone

Synapses chimiques Convertissent l’influx nerveux (PA) en un relâchement de neuro-transmetteurs *PA : potentiel d’action

Synapses Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique (neurotransmetteur). Le signal est par la suite reconverti en signal électrique Canaux ligand dépendant

Canaux 2 types de déclenchement des canaux Canaux ligand dépendant Déclenchement quand le ligand (ici neurotransmetteur) se lie au récepteur Permet mouvement simultané d’ions à travers le canal Canaux voltage dépendant Déclenchement en réponse à des modifications de voltage(potentiel électrique)

POTENTIELS D’ACTION Le potentiel d’action Permet le transfert d’information (influx nerveux) Produit par les axones

Théorie générale Caractéristiques d’un signal électrique Fréquence Caractéristiques d’un signal électrique Amplitude = distance verticale entre deux extrémités d’une onde Fréquence = nombre de cycle par unité de temps Se mesure souvent en Hertz (cycle/s) Période (durée) = temps nécessaire pour effectuer un cycle 1s Amplitude Période

Potentiel d’action (influx nerveux) Quels que soient le type de stimulus et sa source : 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

Potentiel d’action Courbe de potentiel d’action (mauve) Membrane de la cellule est à -70 mV au repos Dépolarisation de la membrane jusqu’à 30 mV Repolarisation de la membrane Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70 mV) Durée : environ 2 ms Amplitude : +30 - (-70) mV = 100mV Amplitude 100 mV Durée 2 ms

Propagation du PA le long de l’axone 2 types de canaux ioniques Canal à sodium (Na+) Rôle surtout en phase de dépolarisation Canal à potassium (K+) Rôle surtout en phase de repolarisation Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Sert à redistribuer les ions dans la phase d’hyperpolarisation Vidéo PA et Influx Nerveux

Création du PA Repos : Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane est davantage perméable au K+. Dépolarisation : Arrivé d’un neurotransmetteur dans la fente synaptique : Ouverture momentanée des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué Si seuil atteint (-55mV) ouverture des canaux à Na+ voltage- dépendants, influx de Na+ = Potentiel d’action Repolarisation : - Fermeture des canaux à Na+ voltage-dépendants. Ils ne peuvent pas être réactivés (période réfractaire) - Ouverture des canaux à K+ voltage-dépendants Hyperpolarisation : 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.

Vue d’ensemble – Transfert information entre deux neurones

Vue d’ensemble – Transfert information entre deux neurones 1) Arrivée de l’influx terminal  dépolarisation de la membrane plasmique  ouverture des canaux Ca2+ voltage-dépendants 2) Détecteurs Ca2+ activés  libération des neuro-transmetteurs dans la fente synaptique par exocytose 3) Neurotransmetteurs se lient aux récepteurs post-synaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants Axone Vésicule synaptique Canal ionique

Vue d’ensemble – Transfert information entre deux neurones 4) Les canaux ioniques s’ouvrent  Na+ passent à travers la membrane post-synaptique  modification du potentiel de membrane post-synaptique  potentiel d’action créé au neurone post-synaptique (si seuil d’excitation atteint)  transmission de l’influx nerveux Axone Vésicule synaptique Canal ionique

Applications d’ingénierie

Électroencéphalogramme Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (environ 20) placées 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 Différences entre diverses aires du cerveau Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour diagnostiquer l’épilepsie.

Électroencéphalogramme Bear, Connors, Paradiso

Électroencéphalogramme (EEG) Amplitude du signal dépend de la synchronisation des neurones a produire un PA Amplitude seule non intéressante Fréquence intéressante Enregistrements classés par rythmes selon leur fréquence Rythmes associés à différents états (du plus actif vers le moins actif) Bêta (15-25 Hz) : activité quotidienne Alpha (8-13 Hz) : état éveillé mais au repos, relaxation Thêta (4-7 Hz) : certaines phases du sommeil (rêve) Delta (< 4 Hz) : sommeil profond, anesthésie

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, AVC) Généralement, asymmétrie dans la lecture de l’EEG http//www.neuro.mcg.edu

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 Rupture de la voie efférente 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

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 ms Black 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

Quelques applications d’ingénierie Exemple d’implant dans le cortex humain Projet BrainGate 4 sujets humains implantés Projet toujours en recrutement Vidéo 2 www.cyberkineticsinc.com

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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