GTS501 - Ingénierie des systèmes humains, labo #8 : Neurones et potentiel d’action Diviser le groupe en 2 ou 3 et demander deux questions à développement (Potentiel d’action, fonctionnement neurone + composantes)

Plan de la séance Rappel : Applications d’ingénierie Neurones Potentiels d’action Electroencéphalogramme Applications d’ingénierie Résultats des 3 premiers quiz

Neurones Cellule du système nerveux : Composantes : Transfert d’information Envoi de commandes Composantes : Soma (corps cellulaire) Axones Dendrites Il faut savoir dessiner un neurone avec ses principales composantes Bear, Connors, Paradiso

Soma (corps cellulaire)

Soma (corps cellulaire) 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 REG: On dit Granuleux ou rugueux car c’est la présence des nombreux ribosomes qui lui donne l’aspect granuleux REL : On dit lisse pour le distinguer du REG. Il n’a pas de ribosome.

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 l’info de l’ARNm pour permettre la synthèse des protéines Appareil de Golgi : triage des protéines Mitochondries : respiration cellulaire  ATP

Dendrites Structure d’arbre Servent d’antenne (réception de l’influx) Couvertes de synapses : Côté post-synaptique

Axones « Fil conducteur » (transmission de l’influx) Longueur de 1 mm à 1 m La terminaison de l’axone forme une synapse sur les dendrites (ou le soma) : Côté pré-synaptique Gaine de myéline

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

Potentiel d’action (influx nerveux) Le potentiel d’action : Permet le transfert d’information (influx nerveux) 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 Le potentiel n’est pas atténué à travers la transmission Contrairement au potentiel gradué 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 Les vannes de canaux potassium (K) et sodium (Na) varient Ligne jaune-orange = Permeabilité de la membrane au sodium (Na) Ligne verte = Permeabilité de la membrane au potassium (K) Amplitude : 100 mV Durée : 2 ms

Potentiel d’action : ce qu’il y a sur la membrane d’un 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 d’hyperpolarisation Vidéo 1 et 2 Savoir au moins ce qu’il y a sur la membrane de l’axone Il faut savoir faire la distinction entre le type de canal et le type de déclanchement des canaux !!! Types de déclanchement des canaux : Ligand-dépendant = Déclancement par un ligand (chimique) Voltage-dépendant = Déclancement par modification du potentiel électrique (voltage)

Potentiel d’action : les 6 étapes détaillées Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane est davantage perméable au K+. Arrivé d’un neuro-transmetteur dans la fente synaptique  ouverture momentané des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué Si seuil atteint  ouverture des canaux à Na+ voltage-dépendants, influx de Na+ = Potentiel d’action Fermeture des canaux à Na+ voltage-dépendants. Les canaux à Na+ voltage-dépendants 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. Il faut être capable de les placer dans l’ordre

Électroencéphalogramme Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (24) placés sur le scalpe (cuir chevelu) Enregistre l’activité d’une population de neurones du cortex cérébral Mesure la différence de potentiel entre chaque électrode et une électrode de référence Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour diagnostiquer l’épilepsie. Scalpe : Cuir chevelu Important : Avec L’EEG, on ne mesure pas directement le potentiel d’action, mais plutôt une différence de potentiel L’amplitude (intensité) des ondes cérébrales reflète le nombre de neurones qui produisent simultanément des potentiels d’action, et non pas le degré d’activité de neurone pris individuellement. C’est pourquoi on dit que l’amplitude d’un potentiel d’action est invariable.

Électroencéphalogramme Mesure différence de potentiel (- et +) et mesure dans une région donnée et non pas juste un neurone Bear, Connors, Paradiso

Électroencéphalogramme (EEG) Sert à mesurer des différences de potentiel d’action 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 Une fréquence de 1 Hertz signifie qu’un pic passe chaque seconde par le point de référence Ondes classés en ordre décroissant de fréquence: Onde bêta: Activité quotidienne (veille active) Onde alpha : Relaxation mental (veille diffuse ou moins active) Onde theta : Domaine du rêve, subconscient. Anormal chez les adultes éveillés Onde Delta : Sommeil profond, anasthésie. Indique une lésion cérébrale chez l’adulte éveillé

Électroencéphalogramme Épilepsie Crise : décharges torrentielles et rythmiques de groupes de neurones cérébraux Crée un “spike and wave” facilement visible à l’EEG http://www.neuro.mcg.edu Autres pathologies (ex. tumeurs) Resultent généralement en une asymmétrie dans la lecture de l’EEG Savoir ce qu’est l’épilepsie et comment on la reconnait

Quelques applications d’ingénierie

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) Utilisations multiples, plus couramment pour les patients atteints du “syndrôme de verrouillage” Syndrôme de verrouillage: Cause : lésion d’une partie de la voie efférente (motrice) qui empêche l’influx 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 - Syndrôme de verrouillage ou « locked-in » : Permet seulement un certain mouvement volontaire des yeux - Truc pour retenir : Les personnes atteintent de ce syndrôme sont verrouillées. - BCI: On peut donc analyser le signal moteur du cerveau, puisque celui-ci est produit lorsque la personne essaie de bouger, mais ne se rend pas à destination.

Quelques applications d’ingénierie 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, l’action est déclanchée.

Quelques applications d’ingénierie Exemple d’interface BCI avec EEG Kennedy et al. 2000 Wolpaw et al. 2003

Quelques applications d’ingénierie Exemple de contrôle utilisant l’EEG Contrôle par l’activité de l’EEG

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’environs 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 aptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible Black et al. 2003

Quelques applications d’ingénierie Exemple d’implant dans le cortex humain Projet BrainGate 2 humains implantés Propriété plastique du cortex Youtube 1 et 2 Voir internet pour BrainGate sur sujets humains 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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