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Dernière mise à jour : 07-Jan-2006 Nous sommes le 21-08-2008 ; il est 18:01 . |
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BGU 03, Chapitre 1 , Le neurone.
I\ Généralités. C’est un système de communication qui permet de mettre l’organisme en relation avec le monde extérieur. Le système nerveux peut être considéré comme un système de traitement de l’information. Il est capable, grâce à ses constituants (en grande partie les neurones), de créer un signal électrique porteur d’informations et de la transmettre. II\ Le neurone. Les neurones ne sont pas les seules cellules nerveuses. Les cellules gliales, qui s’intercalent entre les neurones, ont un rôle actif dans la régulation des mouvements ioniques.
Les neurones sont connectés entre eux (communication) par l’intermédiaire de synapses. Cette synapse est constituée par la terminaison d’un axone sur le soma d’un autre neurone ou sur une dendrite. Il existe aussi des synapses axo-axoniques. On a différentes classes de neurones :
Le fonctionnement est conditionné par la forme du neurone. Au niveau de la partie dendritique, on enregistre des potentiels locaux dont l’amplitude est modérée. Le neurone présente une régionalisation de ses fonctions qui est due aux propriétés de la membrane plasmique en ses différentes régions (en fonction de la présence de canaux membranaire [protéines] qui ont des propriétés particulières).
III\ Les propriétés du neurone. Il y a trois principales propriétés : - la capacité d’émettre un potentiel électrique – la conduction : conduire le spike sans diminuer son amplitude – transmission de l’information vers une autre cellule. Le neurone est capable d’émettre un potentiel électrique qui va correspondre à une variation du potentiel membranaire. Il peut être partiel (variation limitée d’un potentiel local), ou au contraire, maximal et donner un potentiel d'action : l’influx nerveux est le support de l’information.
Elle constitue une barrière entre les milieux intra et extracellulaire par sa nature : double couche (bicouche) lipidique dans laquelle sont incluses des protéines : c’est une mosaïque fluide.
Les protéines membranaires sont réparties entre ces lipides. Les lipides forment une barrière contre la diffusion des ions et des différents constituants alors que les protéines assurent les fonctions dynamiques en formant des canaux ioniques autorisant la perméabilité membranaire et l’activité enzymatique.
La capacité de la membrane est évaluée à 1µF/cm².
• Le transport passif des ions : selon le gradient électrochimique, on trouve des protéines qui traversent toute la bicouche (canaux axonique et récepteurs aux protéines G). D’autres sont périphériques : du coté cytoplasmique o, a les protéines G, ou, du côté de la fente synaptique (fente cellulaire), des protéines comme l’acétylcholine estérase.
Toutes les cellules présentent une différence de potentiel qui est expliquée par une inégalité de répartition des ions par rapport à la membrane. Les ions K+ sont prédominants dans le milieu intérieur alors que du côté extérieur, on trouve en quantité Na+, Ca2+, Cl-.
La répartition de ces ions obéie à deux contraintes majeures : Chaque espèce ionique et soumise à un gradient de concentration. Un ion donné tend à passer du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. Ce passage d’un milieu vers un milieu pauvre s’accompagne d’un déséquilibre électrique qui est à l’origine de l’apparition d’un gradient électrique.
Le potentiel électrique de l’ion est défini par concentrations initiales de l’on dans les deux compartiments.
Les concentrations ioniques peuvent varier d’un neurone à l’autre. L’électroneutralité n’est pas respectée mais à un niveau microscopique. La membrane se comporte comme un condensateur limité à la zone où ont lieu les échanges. Les transferts sont donc très réduits. Les concentrations sont faiblement perturbées. Ei = 58 x log([K+]ext/[K+]int) La membrane présente une perméabilité sélective pour chaque ion et le potentiel de repos de la membrane va être défini par l’équation de Goldman. Au repos, aucun des ions n’est à son potentiel d’équilibre : chaque ion est donc soumis à une force qui correspond à la différence entre le potentiel de repos et le potentiel d’équilibre de l’ion (Vm – Eion). I = g x (Vm – Eion) « g » est différent de la perméabilité membranaire. Quand tous les canaux sont ouverts pour un ion, « g » est indéfini. G = 1/R. « g » se mesure en siemens et il est de l’ordre de 10 à 200 ?s (la conductance est toujours positive). Au repos, cette membrane présente des canaux sélectifs pour chacun des ions.
Au repos, Na rentre et K sort. Ces mouvements sont dus au gradient électrochimique. Cependant, les concentrations ioniques de la cellule sont constantes et le potentiel de repos est très stable, ce qui implique que ces mouvements soient en permanence contrebalancés par un phénomène actif qui rejette les ions Na à l’extérieur et fait rentrer les ions K+ à l’intérieur. Ce phénomène actif lutte contre des forces physiques en consommant de l’énergie. C’est la pompe Na/K. Elle assure ces mouvements ioniques à contre courant en utilisant une grande quantité d’ATP fabriqué par la cellule. Cette pompe est, elle-même, électrogénique car 2 ions K+ sont récupérés contre 3 Na+ sortis. On a donc un courant positif sortant. C’est l’ensemble de ces phénomènes qui assurent l’équilibre du potentiel de repos (phénomènes actifs + passifs).
La somme des résistances transversales conditionne l’amplitude des variations membranaires. La capacité membranaire définit le décours (la forme) temporel des variations de potentiel.
Ces diverses propriétés conditionnent la forme et l’amplitude des potentiels locaux.
Cette résistance est définie par la présence de protéines transmembranaires qui définissent la perméabilité de la membrane au repos de certains ions (donc des canaux passifs).
Si on injecte un courant dépolarisant, on obtient des courbes symétriques par rapport à la droite de –60mV.
La variation est linéaire. I=f(V)=(1/R) x V
La capacité membranaire est due à la présence des lipides (sont isolants) dans la membrane. Ils vont conduire à l’accumulation de charges opposées de part et d’autre de la membrane.
On obtient une constante de temps pour chaque cellule (T) : T=R x C. Cette valeur représente le temps au bout duquel la variation de potentiel membranaire a atteint 63% de sa valeur.
Cette influence se montre sur la perte d’amplitude du potentiel et sur la vitesse de conduction.
Remarque : Les résistances longitudinales sont en série. On injecte un courant dépolarisant qui traverse la membrane en plusieurs endroits en empruntant les voies de plus faibles résistances. On observe alors une diminution de l’amplitude du courant quand on s’éloigne du point d’injection du courant.
La constante d’espace est la distance à partir du point d’injection du courant pour laquelle le potentiel membranaire a perdu 63% de sa valeur (0,1<
Comme la résistance longitudinale est inversement proportionnelle à la section de la fibre, plus la fibre est, plus la résistance est faible et donc, la vitesse de conduction s’en trouvera augmentée (c’est vrai pour les dendrites et les axones).
IV\ Le potentiel d’action.
Dans certaines conditions, la membrane est le siège de variations d’amplitude maximales et constantes : c’est le potentiel d'action.
En 1, on observe les propriétés passives de la membrane du neurone. Les expériences de voltage clamp consistent à imposer un saut de potentiel à la membrane. Ce saut est à la base d’un courant qu’on neutralise en injectant dans la cellule un courant de sens opposé. On maintient la membrane au potentiel imposé ; on définit la nature du courant apparu.
Le même ion ne peut pas à la fois sortir et entrer. A –20mV, Na à tendance à rentrer (à cause du gradient électrique). K+ va alors tendre à sortir. Pour étudier le Na, on utilise du TEA (qui bloque les canaux K+).
A +60mV, l’intérieur de la cellule est plus positif que le potentiel du Na : le courant s’inverse. C’est le potentiel d’inversion d’un courant qui donne une indication sur la nature de l’ion qui circule à travers la membrane. Pour étudier les canaux K+, on utilise la TTX (tétrodotoxine) qui bloque les canaux Na+.
Les canaux ne s’ouvrent qu’avec la dépolarisant de la membrane (V dépendant). Plus la dépolarisation croit, plus le courant s’amplifie : donc, entrée de K+. Toutefois, on n’a pas de potentiel d’inversion (il ne peut pas entre mis en évidence). Le fonctionnent des canaux K+ tend à repolariser la membrane. On remarque aussi que le courant observé ne s’annule pas avec le temps pour une différence de potentiel donnée. Ce sont ces deux courants qui se développent simultanément pendant le potentiel d'action. Le courant Na assure la phase de dépolarisation membranaire alors que le courant K+ assure la phase de repolarisation membranaire. Ces courants sont dus à l’augmentation transitoire de la conductance membranaire pour le sodium et le potassium.
Le courant K est appelé courant de la rectification retardée.
On impose un courant sur une portion (on étudie alors un seul canal).
Ce canal ne s’ouvre pas toutes les fois, ou, l’ouverture est aléatoire. Quand le canal s’ouvre, l’intensité du courant est toujours la même. La durée est aléatoire. Quand le canal s’ouvre, il s’ouvre sans latence. Quand il se referme, il ne se rouvre pas même si la stimulation persiste. L’ouverture d’un canal dépend de l’intensité de la stimulation (la probabilité d’ouverture augmente avec l’accroissement de l’intensité).
Fermé Na+ ouvert Inactivé La somme de ces comportements individuels explique l’inactivation spontanée des canaux Na (et du courant Na+). La rectification retardée.
Le courant est d’amplitude constante, l’ouverture est aléatoire. Si la dépolarisation augmente, il y a plus de chances d’ouverture. Quand on stimule un neurone avant le potentiel de seuil, on a juste une dépolarisation légère. Si le potentiel de seuil est dépassé, on a un pas. Ce potentiel de seuil est le seuil d’excitation des canaux voltage dépendant (pour les amorcer).
Le potentiel d'action n’est pas le seul potentiel présent dans le neurone.
Il faut une forte excitation pour ouvrir les canaux calciques. Le potentiel d'action calcique est déclenché par la mise en jeu de canaux sodium. La repolarisation membranaire est due à des canaux K+ voltage dépendant de la rectification retardée mais aussi à des canaux calciques, activés par le calcium. Ces canaux sont caractéristiques des mouvements calciques. Au cours du potentiel d'action, la concentration calcique intracellulaire augmente beaucoup. Le calcium est souvent à l’origine de déclenchement de voies métaboliques. La conduction du potentiel d'action se fait donc sans perte d’amplitude et est unidirectionnelle. Ici, plus l’axone est large, plus la conduction est rapide. Là, la myéline entoure la fibre. Sur les fibres myélinisées, la conduction est saltatoire et la vitesse de conduction s’en trouve augmentée. L’influx ne peut se reboucler qu’aux nœuds de Ranvier où sont présents de nombreux canaux voltage-dépendants : Le sens de progression du courant. La progression se fait du soma vers l’arborisation terminale. Le potentiel d'action ne peut pas remonter car les canaux voltage-dépendants situés en amont de la dépolarisation sont dans un état inactif.
V\ La transmission synaptique.
La jonction neuromusculaire : c’est une connexion entre une fibre motrice et une fibre musculaire : la zone de jonction est appelée « plaque motrice ». Expérience : on provoque une stimulation de l’axone et on enregistre les phénomènes électriques se passant au niveau de la plaque motrice.
Cas du curare : c’est un poison de la plaque motrice qui entraîne la paralysie par découplage de l’axone moteur avec le muscle. La première dépolarisation correspond à un potentiel post synaptique excitateur (PPSE) : c’est le potentiel de plaque motrice. On montre que ce potentiel local se propage de façon électrique.
En voltage-clamp, on va étudier les courants ioniques mis en œuvre. On prend une plaque motrice à un potentiel imposé. Si on bloque la membrane à –100mV et que l’on provoque une stimulation de l’axone moteur, on enregistre un fort courant rentrant.
Les courants entrants transportent des ions positifs : on a donc une dépolarisation. Le même résultat est obtenu si l’on injecte de l’acétylcholine dans la fente synaptique au lieu de stimuler l’axone moteur. Les canaux s’ouvrent : ils sont chimio-dépendants. Cette dépolarisation est limitée par la quantité de K+ sortant. Le courant créé par les canaux chimio-dépendants se propage et va stimuler des canaux voltage-dépendants, ce qui explique la seconde phase de la dépolarisation. Donc : le potentiel d'action arrive au niveau de la terminaison, les canaux voltage-dépendants s’ouvrent, du Ca2+ rentre et il y a libération de neurotransmetteurs. L’acétylcholine se fixe sur les récepteurs nicotiniques (liés à un canal cationique). L’activation de ces récepteurs entraîne un potentiel de plaque motrice qui déclenche un potentiel d'action sur la fibre musculaire par activation de canaux voltage-dépendants. Ces synapses sont uniquement excitatrices et elles fonctionnent avec un rapport 1/1 (réponse pour tous les potentiels d'action). Au niveau des synapses de l’encéphale, il existe des synapses excitatrices et des inhibitrices qui peuvent être de types différents en fonction de leur localisation.
1 : synapse axo-dendritique. Quand la synapse est excitatrice, elle pourra entraîner un PPSE (avec dépolarisation). Quand elle inhibitrice, elle pourra donner un PPSI (avec hyper polarisation). Le neurone va intégrer toutes ces informations (les potentiels d’action infraliminaires qui lui parviennent). Ses caractéristiques (valeur des constantes d’espace et de temps) vont définir les capacités de sommation spatiale et temporelle.
Si plusieurs potentiels post-synaptiques excitateurs apparaissent sur des branches dendritiques différentes, ils vont être conduits passivement jusqu’au niveau du cône axonique (baisse d’amplitude avec la distance).
La sommation temporelle concerne la sommation en un même point (d’une dendrite) de plusieurs PPS arrivant successivement : plus la constante de temps est élevée, plus la cellule pourra sommer de PPS.
Au niveau des synapses axo-axoniques, il peut encore y avoir modulation de l’information.
VI\ Les neurotransmetteurs. Il existe environ une centaine de neurotransmetteurs différents dans le système nerveux central.
- Acides aminés (glutamate, aspartate, gaba, glycine).
Certains nucléotides n’ont qu’un type d’action (ils sont rares) : les acides aminés. Le glutamate et l’aspartate sont excitateurs ; le gaba et la glycine sont présents chez les interneurones inhibiteurs.
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