ELECTROPHYSIOLOGY Principes

COUPE TRANSVERSALE DU CERVEAU

Les structures nerveuses sont constituées de 2 types cellulaires: Les neurones et les cellules gliales. Astrocyte Soma axone Dendrites Neurone du cervelet Dendrites: réceptionnent l’information provenant des autres cellules par des récepteurs spécifiques aux neurotransmetteurs. L’activation des récepteurs induit un signal électrique. Soma: intégration des différents signaux et codage de l’information sous forme de potentiels d’action Axone: propagation des potentiels d’action et transmission de l’information à d’autres cellules par la libération de transmetteurs

La membrane plasmique -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 d’une bicouche lipidique et composée de phospholipides, cholestérol, et glycolipides Partie centrale hydrophobe Partie hydrophyle

Les protéines transmembranaires sont responsables de l’activité électrophysiologique des Cellules. Pompe Na/K. le Na est transporté vers l’exterieur et le K vers l’intérieur. Cette pompe nécessite l’hydrolyse de l’ATP en ADP. Elle permet de maintenir le gradient de concentration de Na et de K Canal « voltage dépendant » L’ouverture du canal dépend de Vm extra transmetteur Na K ATP ADP intra Récepteur-canal Le canal fait partie du récepteur. Il s’ouvre lorsque un transmetteur se fixe sur un site spécifique du récepteur Transporteur Les ions sont co-transportés avec un transmetteur 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

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

Composition ionique des milieux intra et extracellulaire -la répartition des ions de part et d’autre de la membrane d’un neurone est inégale [Na+]=14 [K+]=140 [Ca2+]= 10-4 [Cl-]=14 Intracell. (mM) [P-] = 125 Extracell. (mM) [Na+] = 140 [K+]= 3 [Ca2+]=1 [Cl-] = 144 [P-] = 0 P- =Molecules organiques chargé négativement (glut., Asp., Ac.Am., protéines…) mais également HCO3-, PO32-

Les solutions ioniques à l’intérieur et l’extérieur 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] 140 + 3 + 1= 144 Dans le milieu intracellulaire 14 + 140 +10-4 = 14 + P Cela implique que [P-] = 140 milliéquivalents

La pression osmotique exercée par les ions et les molécules est la même de part et d’autre de la membrane. Le nombre de particules en solution est la même de part et d’autre de la membrane [Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [P]i 140 +3+ 1+ 144 = 14 + 140 + 14 + 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

L’existence d’un gradient de concentration d’une espèce ionique de part et d’autre de la membrane entraîne l’existence d’un gradient électrique . Chaque espèce ionique tend à diffuser selon son gradient de concentration Membrane A B [K] = 140 [Na]=14 [Cl]=14 [Ca]=10-4 [HCO3] =140 [K] = 3 [Na] =140 [Cl] =144 [Ca] = 1 [Sucrose]=21 A B Canal sélectivement perméable au K

Conséquence du flux de K A devient plus négatif que B. Il y a un création d’un champ électrique (force électrostatique)qui va fréiner le flux de K. Il y a création d’une différence de potentiel A B + - +- + - + - + - + - - - - + + + + Electrique concentration L’équilibre est atteint quand le gradient électrique compense exactement le gradient de concentration

Pour cette valeur le flux net est nul. On définit un potentiel membranaire d’équilibre pour chaque ion par la loi de Nernst. Pour cette valeur le flux net est nul. Eion = RT/ZF ln[ion]e/ [ion]i Lorsqu’un 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 l’ion (+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 : EK = 58 log 3/140 = -96 mV Pour le Na: ENa = 58 log 140/14 = +58 mV Pour le Cl: ECl = -58 log144/14 (Z = -1) = -58 mV Pour le Ca: ECa = 29 Log 1/10-4 (Z = 2) = 116 mV Pour un canal Na/K: E = 29 log 140+3/140+14 (Z = 2 car 1+ du K et 1 + de Na) = -0.9 mV

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

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

Configuration whole-cell Le milieu intracellulaire est conditionné par la solution intra-pipette But: étudier l’activité électrophysiologique de l’ensemble des canaux et des récepteurs au niveau d’une 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 d’un récepteur-canal et déterminer particulièrement l’affinité du récepteur pour un agoniste

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

Dépolarisation = courant entrant 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 d’hyperpolarisation (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 V Vm + - Dépolarisation = courant entrant Hyperpolarisation = courant sortant

Depolarisation, hyperpolarisation On parle de dépolarisation et d’hyperpolarisation lorsque l’on 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 s’hyperpolarise. Lorsqu’elle se deplace vers des valeurs plus positives on parle de dépolarisation

Le potentiel de repos d’un neurone -80 Temps (sec) Potentiel (mV) Patch en whole cell 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 + - +- + - + - + - + - - - - + + + + -80 mV intra extra concentration électrique

Au potentiel de repos (-80 mV) le flux net( ) des différents ions est le suivant: Cas du Na+ (ENa=58 mV) Cas du K+ (EK = -96 mV) extra intra extra intra + - + - + - + - Cas du Cl- (Ecl- = -58 mV) Cas du Ca2+ ( EK = 116 mV) extra intra extra intra + - + - + - + - La valeur négative du potentiel membranaire de repos est essentiellement liée au flux de K qui amène Vm vers EK

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. C’est à dire que: INa + IK + Icl+ Ica + INaK= 0 Or INa = gNa(Vm-Ena) IK =gK(Vm-EK) ICl= gCl(Vm-ECl) Ica= gCa (Vm-Eca) I Na/K=gNaK(Vm –ENaK) Vm = gNaENa+gKEK+gClECl+gCaECa+ gNaKENaK/ gNa+gK+gCl+gCa+ gNaK Dans le cas d’une cellule Vm est essentiellement lié à l’influx des ions K et NaK à travers des canaux dit de fuite. Ce potentiel est environ de –80 mV pour les cellules corticales

La transmission synaptique Potentiel d’action présynaptique Libération de neurotransmetteurs Fixation sur des récepteurs postsynaptiques Flux ionique Signal électrique

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

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

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

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

L’intensité du courant qui traverse un canal ionique est fonction de la conductance du canal et du gradient electrochimique de l’ion .Le gradient electrochimique: = potentiel de membrane- potentiel d’équilibre de l’ion = (Vm- Eion) . La conductance caractérise la facilité avec laquelle les ions traversent le canal gion= 1/Resistance du canal L’unité de la conductance est le Siemens Si il y a plusieurs canaux pour le même ion . La conductance totale est Gion= gion N. P N: nb de canaux P: probabilité d’ouverture des canaux g: conductance élémentaire du canal pour l’ion L’intensité du courant qui traverse un canal est une adaptation de la loi d’Ohm: I = V/R iion= (Vm- Eion)/Rcanal Cela implique que Iion = (Vm-Eion)gion

Le sens du courant A - - - + - - - + - - ++ - -++ B I = gNP(0-(-96)) C Force electrostatique par rapport au K extra [K+]e =3 - - - + - - - + + + + - + + + - Gradient de concentration Flux net Vm = +58 mV intra [K+]i =140 - - ++ - -++ + + - - + + - - B I = gNP(0-(-96)) Vm = 0 mV C ++++ ++++ - - - - - - - - Vm = -96 mV ++++ ++++ - - - - - - - - D Vm = -120 mV

B - - - - - - - - A - - - + - - - + C - - ++ - -++ D [Na+]e = 140 mM Fo.Electro par rapport au Na. B extra - - - - - - - - + + + + + + + + [ Na] flux Vm = +100 mV A intra [Na+]i = 14mM - - - + - - - + + + + - + + + - Vm = +58mV C - - ++ - -++ + + - - + + - - Vm = 0 mV D ++++ ++++ Vm = -100 mV - - - - - - - -

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

B C Cas d’un canal perméable aux ionx Na et K Flux net K Na ---- ++++ Vm =+100 mV I=Ik +INa = gk(Vm-Ek) + gNa (Vm-ENa) ---+ ---+ Vm = +58mV I =Ik car Ina =0 +++- +++- B ++-- --++ --++ I = 0 Vm = 0 mV C +++- ---+ Vm = -40 mV ---- ++++ Vm=-96 mV I = INa car IK = 0 ---- ++++ Vm=-150 mV

Les potentiels postsynaptiques se propagent de façon décrémentielle Enregistrement 2 3 1 2 3 1

La propagation d’une réponse synaptique se réalise par déplacement de charges (répulsion-attraction) 1 3 2 - -- -- - + ++ ++ ++ + K Na 1: entrée de Na et sortie de K: Au potentiel de repos le flux net est entrant. L’entrée de Na charge la membrane et la dépolarise 2: En même temps l’augmentation 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 l’augmentation locale du gradient de concentration du K. Le nombre de d’ions K chargeant la membrane pour la dépolariser est réduit.

Les canaux voltage dépendant Ce sont des canaux qui s’ouvrent lors d’une variation de potentiel de membrane. Il existe des canaux K, Na et Ca

Activation / inactivation du canal Na +20 20 -40 -40 -110 -110 Établissement de la courbe d’inactivation Établissement de la courbe d’activation

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

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

Les canaux voltage dépendants sont responsables de la genèse de potentiels d’action

Propagation du potentiel d’action La propagation est rapide et non décrémentielle. Si la fibre est myélinisée, la propagation est de type de saltatoire