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ELECTROPHYSIOLOGY
Principes
COUPE TRANSVERSALE DU CERVEAU
Les structures nerveuses sont constituées de 2 types cellulaires: Les neurones et les cellules gliales.
Soma
axone
Dendrites
Neurone du cerveletAstrocyte
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’actionAxone: propagation des potentiels d’action et transmission de l’information à d’autres cellules par la libération de transmetteurs
-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
La membrane plasmique
Les protéines transmembranaires sont responsables de l’activité électrophysiologique des Cellules.
Canal dit « de fuite »Le canal est toujours ouvertCes canaux sont essentiellement permeables au K ou permeables à la fois au Na et K
Canal « voltage dépendant »L’ouverture du canal dépend de Vm
Récepteur-canalLe canal fait partie du récepteur. Il s’ouvre lorsque un transmetteur se fixe sur un site spécifique du récepteur
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
Transporteur Les ions sont co-transportés avec un transmetteur
extra
intra transmetteur
NaK
ATP ADP
NaK
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
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-
[Na+]=14[K+]=140
[Ca2+]= 10-4
[Cl-]=14
Intracell. (mM)
[P-] = 125
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[Na] + [K] + 2[Ca] = [Cl]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]i140 +3+ 1+ 144 = 14 + 140 + 14 + P288 = 168 +PDonc [P]= 120 mMDonc 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
Canal sélectivement perméable au K
Membrane
[K] = 140
[Na]=14[Cl]=14[Ca]=10-4
[HCO3] =140
[K] = 3
[Na] =140[Cl] =144[Ca] = 1[Sucrose]=21
A BA B
Conséquence du flux de KA 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
+ - +- + --+ - + - ++ - + - ++ - +- + --+ - + - ++ - + - +
+ - +- + --+ - + - ++ - + - +
+ - +- + --+ - + - ++ - + - +
- -
- -
- -
- -
+ +
+ +
+
+ +
+ concentratio
n
Electrique
L’équilibre est atteint quand le gradient électrique compense exactement le gradient de concentration
A B
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 parfaitsT= tempéraure absolueZ= valence de l’ion (+1 cation monovalent; -1 anion monovalent)F= Constante de FaradayA 20°C: RT/F = 25 mV En base 10 avec Z = +1 RT/ZF= 58Pour le K : EK = 58 log 3/140
= -96 mV Pour le Na: ENa = 58 log 140/14 = +58 mVPour le Cl: ECl = -58 log144/14 (Z = -1) = -58 mVPour le Ca: ECa = 29 Log 1/10-4 (Z = 2) = 116 mVPour 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 inside-out
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
But: Etudier les propriétés d’un canal ionique ou d’un récepteur dans les conditions physiologiques (sans perturber le milieu intracellulaire).
Configuration cellule attachée
La face intracellulaire du canal baigne dans le milieu de superfusion
Configuration whole-cell
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 superfusionBut: étudier les propriétés d’un récepteur-canal et déterminer particulièrement l’affinité du récepteur pour un agoniste
Le milieu intracellulaire est conditionné par la solution intra-pipette
Les conséquences d’un influx d’ions à travers un canal peuvent-être analysés de 2 façons
-un changement de potentiel membranaire. Lorsque l’on suit uniquement les variations de potentiel de membrane: on est en courant imposé.
-la genèse d’un courant.Lorsque l’on mesure le courant on est en voltage imposé
V
0
Vm
+
-
Dépolarisation = courant entrant
Hyperpolarisation = courant sortant
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
Depolarisation, hyperpolarisationOn 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 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
0
-80
Temps (sec)
Potentiel(mV)
Patch en whole cell
+ - +- + --+ - + - ++ - + - ++ - +- + --+ - + - ++ - + - +
+ - +- + --+ - + - ++ - + - +
+ - +- + --+ - + - ++ - + - +
- -
- -
- -
- -
+ +
+ +
+
+ +
+
-80 mV0
intra extra
concentrationélectrique
Le potentiel de repos d’un neurone
Au potentiel de repos (-80 mV) le flux net( ) des différents ions est le suivant:
intraextra++
++
--
--
Cas du K+ (EK = -96 mV) Cas du Na+ (ENa=58 mV)
++
--
--
extra intra+
+
++
--
--
extra intra+
+
Cas du Cl- (Ecl- = -58 mV) Cas du Ca2+ ( EK = 116 mV)
++
--
--
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 ionsLe 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= 0Or 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
Glutamate
AMPARs NMDA Rs
Couplés à un canal cationique
GABA
GABAa GABAb
Couplé à un canal Cl Couplé indirectement au canal K via une protéine G
Transmission glutamatergique
En courant imposé
EPSP: excitatory postsynaptic potentialEPSC: excitatory postsynaptic current
En voltage imposé
50 msec
EK pA
EPSC
Vm-Vm
I
-I
0
Transmission GABAergique
IPSP: Inhibitory postsynaptic potentialIPSC: Inhibitory postsynaptic current
IPSC
-60 mV
V
I
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.
L’amplitude et la cinétique d’un courant synaptique
Le pulse de glutamate est appliqué 6 fois
fermé
ouvert
On peut estimer la cinétique d’une réponse synaptique par les propriétés d’ouverture et de fermeture d’un canal unique
Glu
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
on= 1/Resistance du canal
L’intensité du courant qui traverse un canal est une adaptation de la loi d’Ohm: I = V/R iion= (Vm- Eion)/RcanalCela implique que Iion = (Vm-Eion)ion
L’unité de la conductance est le Siemens
Si il y a plusieurs canaux pour le même ion . La conductance totale estGion= on N. PN: nb de canauxP: probabilité d’ouverture des canauxconductance élémentaire du canal pour l’ion
intra
- - ++ - -++
+ + - - + + - -
Vm = 0 mV
++++ ++++
- - - - - - - -
A
B
C
D
++++ ++++
- - - - - - - -
extra [K+]e =3
Vm = -96 mV
Vm = -120 mV
- - - + - - - +
+ + + - + + + - [K+]i =140
Force electrostatique par rapport au K
Gradient de concentrationFlux net
Vm = +58 mV
I = NP(0-(-96))
Le sens du courant
Vm = +100 mV
extra
intra
Vm = +58mV
- - - - - - - -
+ + + + + + + +
- - - + - - - +
+ + + - + + + -
- - ++ - -++
+ + - - + + - -
Vm = 0 mV
++++ ++++
- - - - - - - -
Vm = -100 mV
A
C
D
Fo.Electro par rapport au Na.[Na+]e = 140 mM
[Na+]i = 14mM
B [ Na]
flux
extra
intra
Vm = +58mV
- - - + - - - +
+ + + - + + + -
- - ++ - -++
+ + - - + + - -
Vm = 0 mV
A
B
C
D
++++ ++++
- - - - - - - -
[Cl]i =14
Vm = -58 mV
++++ ++++
- - - - - - - -
Vm = -100 mV
[Cl]i =144Fo.elec.par rapport au Cl
ICl = NP(0- (-58))
ICl = 0
ICl = NP(-100- (-58))
Cas d’un canal perméable aux ionx Na et K
Vm = +58mV
Vm = 0 mV
B
C
--------
++++++++
Vm =+100 mV
---+ ---+
+++- +++-
++-- --++
--++ --++
+++- +++-
---+ ---+
---- ----
++++ ++++
---- ----
++++ ++++
Vm = -40 mV
Vm=-96 mV
Vm=-150 mV
K NaFlux net
I=Ik +INa = gk(Vm-Ek) + gNa (Vm-ENa)
I =Ik car Ina =0
I = INa car IK = 0
I = 0
Les potentiels postsynaptiques se propagent de façon décrémentielle
Enregistrement
12 3
12 3
La propagation d’une réponse synaptique se réalise par déplacement de charges (répulsion-attraction)
+ ++
1
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.
K
++
2- -- --
++
3
+
Na
-
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
-40
-110
+20
Établissement de la courbe d’inactivation
-40
-110
20
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