Chapitre I 2009-2010 ELECTROPHYSIOLOGIE DE L’AXONE.

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1 Chapitre I ELECTROPHYSIOLOGIE DE L’AXONE

2 Système nerveux = NEURONES (cellules nerveuses) Neuroglie (cellules nourricières et de soutien Neurones : Conduction des INFLUX NERVEUX (impulsions électriques) le long de leurs prolongements. Transmission à d'autres cellules grâce à des zones de contact = SYNAPSES

3 NERFS = Axones des neurones groupés en faisceaux (Système Nerveux Périphérique)

4 STRUCTURE DU NEURONE Structure du neurone (fonction spécifique) : Corps cellulaire : Synthèse protéique, Intégration des signaux captés par le neurone Dendrites : Réception des signaux en provenance des organes des sens ou d'axones d'autres neurones Axone : Conduction de l'influx du corps cellulaire vers les boutons terminaux (parfois entourés de myéline) Boutons synaptiques : Transmission des influx nerveux vers d'autres neurones ou cellules effectrices

5 STRUCTURE DU NEURONE L'influx se dirige vers corps cellulaire
Noyau Axone Dendrites Boutons synaptiques L'influx se dirige vers corps cellulaire Axone, l'influx s'éloigne du corps cellulaire

6 1- Pourquoi Intérieur chargé (-) / Extérieur ?
POTENTIEL DE MEMBRANE Cellule Nerveuse : Différence de potentiel électrique (ddp) de part et d'autre de sa membrane = Potentiel de membrane (Em) Hodking et Huxley (années 50) = Prix Nobel 1963 1- Pourquoi Intérieur chargé (-) / Extérieur ? 2- Quelle est l’origine de cette ddp (Em = - 70 mV) ?

7 THÉORIE IONIQUE DU POTENTIEL DE MEMBRANE
Origine de ddp entre 2 compartiments (interne et externe) = Perméabilité SÉLECTIVE de la membrane KCl 4 mM 120 mM 1 + - A B 1- Membrane perméable uniquement au K+ Galvanomètre = Mesure de ddp 2 K+ Cl- + - A B 2- Mouvement K+ : B → A (selon gradient chimique décroissant) - Pas de mouvement de Cl- Résultats : Accumulation de : Charge (+) dans A Charge (-) dans B = Naissance d’un gradient électrique

8 THÉORIE IONIQUE DU POTENTIEL DE MEMBRANE
3 - Passage continu de K+ : «A» progressivement plus (+) que «B» - Gradient électrique renforcé Favoriser Mouvement en sens inverse de K+ de A vers B (selon le gradient électrique) K+ Cl- + - 3 A B - Si flux de K+ de B vers A (selon le gradient de concentration) = flux de K+ A vers B (sens du gradient électrique) : Etat d'équilibre - Etat d'équilibre : Gradient Chimique = Gradient Electrique - ddp mesurée à l'état d'équilibre, pour un ion X, est nommée Potentiel d'équilibre de cet ion (EX)

9 POTENTIEL D’EQUILIBRE D’UN ION
Potentiel d'équilibre d'un ion Gradient électrique qui, s'opposant au Gradient chimique, permet de maintenir l'état d'équilibre. Calcul du Potentiel d’Equilibre = Equation de Nernst : EK = (RT/zF) x ln ([K]ext/[K]int) EK = potentiel d'équilibre de l'ion K+ (en Volts) R = constante des gaz parfaits (8,28 J/mol/°K) T = température absolue en °K (273 + température en °ّC) F = constante de Faraday (96000 Coulombs) z = valence de l'ion [K]ext et [K]int représentent respectivement les concentrations de K+ à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule. EK = - 85 mV ENa = + 60 mV

10 POTENTIEL DE MEMBRANE AU REPOS = Er
SI Perméabilité à un SEUL ion « X »: Er serait EGAL à EX MAIS, Membrane perméable à plusieurs ions (Na, K, Cl) DONC, Er dépend alors : - des Potentiels d’équilibre de chaque ion, - de la Perméabilité membranaire à ces ions. Pour le calcul Er : Equation de Nernst NON valable D’où, Equation de Goldman : Perméabilités relatives de la membrane aux différents ions : RT PNa .[Na]e + PK .[K]e + PCl .[Cl]i F PNa .[Na]i + PK .[K]i + PCl .[Cl]e Er = Ln P = Perméabilité, Z = +1

11 µélectrode connectée à une entrée de l’oscilloscope
MESURE DU POTENTIEL DE MEMBRANE Oscilloscope : enregistre ddp (Em) entre Int. et Ext de la cellule 1 électrode et 1 microélectrode (solution conductrice) µélectrode connectée à une entrée de l’oscilloscope Electrode (de référence) située dans le milieu extracellulaire Reliée à l’autre entrée de l'oscilloscope - Si microélectrode à l'extérieur : ddp = 0 mV. - Si microélectrode à l‘intérieur : ddp ≠ 0 Intérieur (-) / Extérieur ddp représente le Er ≈ -70 mV Adaptateur d’impédance Oscilloscope électrode de référence Microélectrode Fibre nerveuse + + + - - - Technique de Dérivation Intracellulaire

12 ORIGINE DU POTENTIEL DE REPOS
REPOS : Répartition INEGALE des 3 ions Na+ Cl- K+ Ext Na+ K+ Cl- Int Axone REPOS : Membrane perméable à K+, Na+, Cl- MAIS : PK+ ≈ 60 fois plus grande que PNa+ et PCl- D’où : K+ = Ion participant le + dans l'établissement de Er Par conséquent : Er PROCHE de EK (potentiel d'équilibre de K+) Er sensible aux variations [K+]ext

13 MAINTIEN GRADIENTS DE CONCENTRATION. COMMENT ?
- Transport actif = Pompe Na/K. - Transport Actif Primaire = Sortie 3 Na+ et Entrée 2 K+. - Energie nécessaire pour ce transport = l'hydrolyse de l'ATP ATP + H2O ADP + Pi + ENERGIE 2K+ K+ Pompe Na-K (Transports actifs) Canaux ioniques (VOC) Transports passifs Axone ATP ADP + Pi Mouvement des ions à travers la membrane de l'axone Na+ 3Na+

14 POTENTIEL D'ACTION DE L'AXONE

15 POTENTIEL D'ACTION DE L'AXONE
Décours du potentiel d’action Transmembranaire - Si Repos : Em stable (Er proche de EK) - Si Stimulation : Variation Brusque et Transitoire de Em (1) = Em s’éloigne de EK et S’approche de ENa (1) Puis revient à sa valeur de départ (2 et 3) Différentes phases du potentiel d'action TRANSMEMBRANAIRE d’un axone S 0 mV 2 ms EK = - 85 mV ENa = + 60 mV 1 2 3 Er ≈ - 75 mV

16 ORIGINE DU POTENTIEL D’ACTION
PA = Changement Brusque et Transitoire de Em : Donc de PNa et de PK - ↑ rapide, importante de PNa Dépolarisation = Phase 1 - PNa ↓ et PK ↑ Repolarisation = Phase 2 - PNa ≈ 0 et PK max Hyperpolarisation = Phase 3 S 0 mV 2 ms EK = - 85 mV ENa = + 60 mV 1 2 3 Er ≈ - 75 mV - PK ↓ et Em revient à Er - PK reste cependant élevée par rapport à la PNa

17 SEUIL ET LOI DE TOUT OU RIEN
- Si Stimulations Intensité Faible : Faible dépolarisation de Em (Réponse électrotonique RE) - Si Stimulation Intensité Élevée : RE augmente et atteint le Seuil de potentiel Potentiel d’action. - Si Stimulation + Forte : Amplitude PA (mV) CONSTANTE Donc : Amplitude PA Indépendante de l'intensité de stimulation PA Axone = obéit à la loi type de TOUT OU RIEN Seuil de potentiel Réponses électrotoniques PA Stimulation

18 SEUIL ET LOI DE TOUT OU RIEN
Si Stimulations Infraliminaires : Que Réponses électroniques Si Stimulations Supraliminaires : Naissance PA Seuil de Potentiel (ou seuil d'excitabilité) Valeur de Em à partir de laquelle se déclenche un PA Seuil de potentiel Réponses électrotoniques PA Stimulation Seuil de stimulation Stimulations infraliminaires Stimulations supraliminaires Seuil = Inversement Proportionnel au diamètre de la fibre - Réponses électroniques ne se propagent pas - PA se propage intégralement le long de la fibre

19 PÉRIODES RÉFRACTAIRES
Période Réfractaire (PR) = Phase d’Inexcitabilité de l’axone Mise en évidence : Technique du double stimulus Principe : Stimulation avec 2 chocs (Rapprochés ou Eloignés) Si 2 chocs très rapprochés : 1er stimulus er PA 2ème stimulus : PAS 2ème PA (Fibre en phase d'inexcitabilité absolue) S. supraliminaires PRA C’est la période réfractaire absolue (PRA) Durée PRA ≈ Durée PA Si membrane complètement dépolarisée : Inexcitable

20 PÉRIODES RÉFRACTAIRES
S. supraliminaires Si 2 chocs légèrement éloignés : 2ème stimulus ème PA à Amplitude + faible - Fibre en Période Réfractaire Relative (PRR) Restauration Progressive des Gradients électrochimiques S. supraliminaires PRR Si 2 chocs suffisamment espacés : 2ème choc ème PA normal PRA + PRR = PRT (Période Réfractaire Totale)

21 PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
PA en un point de la membrane ==> PA au point voisin Propagation du PA Propagation PA = Proche en proche - Vitesse constante - Amplitude constante Au point d’excitation : naissance d’un petit courant local Dépolariser la membrane voisine jusqu'à la valeur du seuil = Courant local

22 PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
Propagation de l'influx nerveux le long de l’axone Stimulation PA Courants locaux Même principe que la vague dans un stade

23 PROPAGATION DE L'INFLUX NERVEUX (PA)
Si fibres myélinisées (isolant des CL) : Propagation que dans nœuds de Ranvier = Propagation PA par Saut (Conduction Saltatoire) Vitesse de propagation : Plus rapide pour les fibres myélinisées (2 et 120 m/s) (fibres amyélinisées 0,5 et 2 m/s) Proportionnelle au diamètre de la fibre

24 ETUDE ÉLECTROPHYSIOLOGIQUE
En électrophysiologie : Perméabilité membranaire = Conductance (g) g = 1 / Résistance « g » = Mouvement d'un ion à travers un canal membranaire spécifique à cet ion 2 Conductances intervenant dans la génèse du PA de l’axone : Conductance sodique (gNa) Conductance potassique (gK)

25 COURANTS IONIQUES MEMBRANAIRES
Mouvement d’ions chargés à travers les canaux membranaires = Courants électriques de nature ionique Rappel Loi d'Ohm : V = R . I I = 1 / R . V On a : g = 1 / R d'où I = g . V Légende : I = courant ionique X (pA), g = conductance de l'ion X V = force électromotrice ou "driving force (V). V = Em – Ex Ex = Potentiel d’équilibre de X (V) Ix = g . (Em – Ex) Courant sodique : INa = gNa (Em - ENa) Courant potassique : IK = gK (Em - EK)

26 Canal Na : 2 systèmes Fermeture / Ouverture =
COURANT SODIQUE Canal Na : 2 systèmes Fermeture / Ouverture = Portes d'activation (m) et d'inactivation (h) Ouverture / Fermeture des portes Dépendent de Em Canal de type « VOC » (Voltage Openning chanel) gNa dépend de la valeur des portes d'activation et d'inactivation gNa = gNa . m . m . m . h gNa = gNa . m3 . h Légende : gNa : Conductance sodique de base (=1) m : Pourcentage d'ouverture de la porte d'activation (puissance 3 car on estime qu'il y a 3 portes d'activation m) h : Pourcentage d'ouverture de la porte d'inactivation

27 COMMENT CALCULE-T-ON LE COURANT SODIQUE ?
INa = gNa . m3 . h . (Em - ENa) 1- AU REPOS (Er) : Porte d'activation "m" fermée Porte d'inactivation "h" ouverte Canal désactivé Ext Int Membrane plasmique m h gNa fermée par «m» 2- STIMULATION : «m» s'ouvre RAPIDEMENT «h» se ferme LENTEMENT Canal activé Ext Int Membrane plasmique m h Na+ gNa Ouverte (activé)

28 ACTIVATION ET INACTIVATION DE COURANT SODIQUE
MAIS : "m" et "h" pas la même cinétique : "m" Rapide, "h" Lente par rapport à celle de la porte "m" Conséquence : Ouverture Rapide et Transitoire du canal Na 3- APRES STIMULATION : «m» ouverte, «h» se ferme gNa fermée par «h» Canal inactivé Ext Int Membrane plasmique m h Donc : gNa = 2 états de fermeture : Etat désactivé et Etat inactivé

29 ACTIVATION ET INACTIVATION DE COURANT SODIQUE
Différence entre les 2 états : Canal désactivé = Ouvrable Si Stimulation Mais, Canal inactivé = NON ouvrable après une dépolarisation Pour ouvrir un canal inactivé : Passage à l’état désactivé (lié à la repolarisation) Dépolarisation Canal activé Ext Int m h Na+ Canal inactivé Ext Int m h Canal désactivé Ext Int m h Stimulation Repolarisation PRA Période où le canal Na est Inactivé

30 COURBES D'ACTIVATION ET D'INACTIVATION
Portes « m » et « h » : Ouvrerture / Fermeture en fonction de Em Canal Na de type VOC (Voltage Operational Chanel) A chaque Em Degré (ou %) d'ouverture des portes « m » et « h » : Etat stationnaire D’où : Relation entre Etat stationnaire des portes en fonction de Em (Courbe d'activation notée m et Courbe d'inactivation notée h)

31 COURBES D'ACTIVATION ET D'INACTIVATION
Convention : Etat Stationnaire 1 = Ouverture totale du système Etat Stationnaire 0 = Fermeture totale du système Em (mV) 1 0.8 0.4 0.6 0.2 Degré d’ouverture -70 -60 -50 -40 -30 -20 m h

32 COURANT POTASSIQUE Canal K : 1 seule porte d'activation « s » - Ouverture / Fermeture de « s » : Réglées par Em (canal VOC) - Si membrane dépolarisée : Porte "s" s'ouvre et reste ouverte tant que la membrane est dépolarisée - Si membrane se repolarise : Porte "s" se ferme Equation du courant potassique IK : IK = gK . s . (Em - EK)

33 SCHÉMA ÉLECTRIQUE D'UNE MEMBRANE EXCITABLE
Membrane des cellules excitables assimilée à un Circuit électrique formé par une résistance et une capacité Résistance Canaux ioniques Capacité Bicouche lipidique Ensemble (R et C) associé à une Source de potentiel (Em) Repos : Capacité membranaire chargée (+) à l'extérieur et (-) à l'intérieur

34 SYNAPSE ET TRANSMISSION SYNAPTIQUE

35 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Synapse = point de « connexion » entre deux cellules, 1 au moins est un neurone. Fonction : Communication entre deux cellules voisines : Propagation PA de la 1ère cellule à la 2ème cellule Suivant la nature de la seconde cellule, on a : Synapse neuroneuronique Synapse neuromusculaire ou autre 1 mm3 de substance grise du cortex peut contenir 5 milliards de synapses.

36 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Synapse Neuro-Neuronique Neurone présynaptique Neurone postsynaptique Neurone présynaptique Neurone postsynaptique

37 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Synapse Neuro-Musculaire - Cellule post-synaptique = Cellule musculaire - Plus simple des synapses - C. musculaire : Innervée par UN seul axone (C. Présynaptique) - Zone de jonction = Plaque Motrice

38 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
- A Chaque fibre musculaire UNE seule plaque motrice - Un neurone innerve Plusieurs fibres musculaires - Ensemble Neurone - Fibres musculaires innervées Unité Motrice

39 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Anatomie de la synapse 1- Terminaison présynaptique 2- Avec des Vésicules Synaptiques (Ø 200 Å à 600 Å, contenant Neuromédiateur) 3- Espace Synaptique (ou fente) (200 Å) entre Membrane présynaptique et Membrane postsynaptique Membrane postsynaptique : Récepteur liant le Neuromédiateur Structure des synapses : Sens unique de l'influx dans les synapses Sens de propagation du PA : Elément présynaptique Elément post-synaptique

40 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE Jonction neuromusculaire
Bouton synaptique du neurone moteur Membrane du bouton synaptique Membrane de la cellule musculaire Qu'est-ce que c'est ? Cellule musculaire Jonction neuromusculaire Fente synaptique Fibres contractiles Vésicules synaptiques contenant l'acétylcholine

41 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Comment fonctionne la Synapse Neuro-Musculaire ? Liaison Neuromédiateur - Récepteur Modification temporaire et locale de la perméabilité de la membrane postsynaptique Axone Jonction neuromusculaire Cellule musculaire Comment PA de l’Axone est-il transmis sur la cellule musculaire ?

42 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
1- Arrivée du PA dans Bouton synaptique 2- Phénomène d’éxocytose des vésicules synaptiques Neuromédiateur de la plaque motrice = Acétylcholine (ACh) 3- Libération du neuromédiateur dans la Fente synaptique 4- Fixation ACh sur Récepteurs de la membrane postsynaptique 5- Ouverture d'un canal ionique Na+ couplé au récepteur Canal ionique Na+ de type « ROC » (Receptor Operating Channel) 6- Entrée Na dans la cellule postsynaptique 7- Courant Entrant Légère Dépolarisation de la membrane postsynaptique Potentiel de plaque motrice (ppm) 8- ppm atteint le seuil de potentiel de la fibre musculaire 9- Ouverture du canal Na type « VOC » 10- Naissance PA dans toute la cellule musculaire CONTRACTION (Chapitre suivant)

43 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Ouverture du canal à Na Si neurotransmetteur fixé sur le récepteur Fermeture du canal à Na Si neurotransmetteur se détache du récepteur

44 SYNAPSE et TRANSMISSION SYNAPTIQUE
Remarques ppm ≠ Réponse Electrotonique ppm ne se propage pas dans la cellule postsynaptique - ppm se trouve uniquement dans la plaque motrice car les canaux "ROC" ne se trouvent qu’à ce niveau - Fixation temporaire ACh sur son récepteur - ACh hydrolysé par une enzyme = Acéthylcholinetérase - Blocage de la transmission du PA au niveau de la plaque motrice : Inhibiteur compétitif de l'ACh (CURARE)

45 ACTIVITE ELECTRIQUE DU NERF
Activité électrique du NERF = Résultante de celle de ces AXONES Technique : Dérivation Extracellulaire (ou de surface) Principe : Nerf sur des électrodes de surface (voir TP) Enregistrement : PA de surface ou Electroneurogramme Adaptateur d’impédance Oscilloscope Electrode de surface Electrode de surface Nerf + + + - - - Technique de Dérivation Extracellulaire

46 ACTIVITE ELECTRIQUE DU NERF
- Si UNE Electrode Réceptrice R1 : Electroneurogramme Monophasique - Si DEUX Electrodes Réceptrices R1 & R2 : Electroneurogramme Biphasique Electroneurogramme Propagation de l’Onde de Négativité le long du nerf Selon Vitesse de propagation de ON, 3 groupes d’axones dans le nerf : Axones du groupe A : entre 15 et 20 m/s Axones du groupe B : entre 3 et 15 m/s Axones du groupe C : 0,5 et 2,5 m/s

47 FIN