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

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) Mitochondrie Noyau Reticulum endo- plasmique rugueux Appareil de Golgi Ribosomes Reticulum endo- plasmique lisse Axone

Soma (corps cellulaire) Forme ronde (~20 μm de diamètre) Contient un liquide appelé 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 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 les chromosomes  ADN  ARNm REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés Ribosomes : décodent l’info de l’ARNm pour permettre la synthèse des protéines (ARNr, ARNt) Noyau REG Ribosomes

Soma - Rôles Appareil de Golgi : stockage, tri, transport des protéines (exocytose régulée, à l’arrivée d’un potentiel d’action) REL : régulation des concentrations internes de Ca+ Mitochondries : respiration cellulaire  ATP Mitochondries Ap. de Golgi REL

Axones « Fil conducteur » (transmissionde 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 Axone

Synapses Chimiques Électriques convertissent l’influx nerveux en un relâchement de neuro-transmetteurs Électriques transmettent directement les ions

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 Fréquence et patron contiennent l’information Le potentiel n’est pas atténué à travers la transmission Contrairement au potentiel gradué

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 = Perméabilité de la membrane au sodium (Na) Ligne verte = Perméabilité 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 canaux ioniques 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 PA et Influx Nerveux 2 types de déclenchement Canaux ligand dépendant Canaux voltage dépendant distinction entre le type de canal et le type de déclanchement des canaux : Types de déclenchement des canaux Voltage-dépendant = Déclenchement par modification du potentiel électrique (voltage) Ligand-dépendant = Déclenchement par un ligand (chimique) Extérieur Intérieur

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 momentanée 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 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 Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour diagnostiquer l’épilepsie. 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 (EEG) 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 (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) Généralement, asymmétrie dans la lecture de l’EEG http//www.neuro.mcg.edu

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) - 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 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 - 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 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 2 humains implantés Actuellement en recrutement Youtube1 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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