2.1 Le potentiel de repos
La membrane plasmique possède une bicouche lipidique et de protéines ainsi que des canaux ioniques et la diérence des concentrations ioniques de part et d'autre de la membrane crée une pression osmotique ainsi qu'un gradient chimique. Certaines protéines régulent la diérence de concentrations ioniques : ce phénomène s'appelle le pompage actif. Lorsque la membrane n'est soumise à aucune excitation, un équilibre va s'instaurer entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Il est donc possible de mesurer une diérence de potentiel électrique appelé potentiel de repos dont la référence est le milieu extracellulaire. Le calcul du potentiel de repos se fait avec l'équation de Nernst :
Eion = RT zF ln(
[ion]ext
Figure 1.7 Diérentes morphologies de neu-rones excitateurs. (A) Neurone pyramidal de la couche L5 du cortex somatosensoriel chez le rat (B) Neurone pyramidal de la zone CA3 de l'hip-pocampe chez le rat [Gonzales et al., 2001] (C) Neurone pyramidal de la couche L2 du cortex ol-factif chez la souris. Illustration extraite de [Bek-kers, 2011].
Figure 1.8 Morphologie d'un neurone in-hibiteur (neurone étoilé) dans le cortex en-torhinal. Illustration extraite de Wikipédia.
Avec R la constante des gaz parfaits (8, 315J.K−1.mol−1), T la température absolue (Kelvin), z la valence de l'ion5, F la constante de Faraday (9, 648.104C) et [ion]ext,int la concentration de l'ion dans le milieu extracellaire (ext) et intracellulaire (int). L'équation 1.1 peut être simpli ée si z = +1 et à 20 degrés Celsius :
Eion= 58log([ion]ext [ion]int
) (1.2)
Ions Concentration ionique interne Concentration ionique externe Eion
N a+ 14 140 + 58
K+ 160 3 - 100
Ca2+ 10−4 1 + 232
Cl− 14 150 - 60
Table 1.1 Exemple de concentrations ioniques (en milliMole) dans les milieux interne et externe et potentiels d'équilibre correspondants (en milliV olt).
2.2 Le potentiel d'action
Génèse
La membrane plasmique possède de nombreux canaux ioniques dits voltage dépendants i.e., leur perméabilité dépend de la diérence de potentiel entre les milieux intracellulaire et extracellulaire. Selon cette diérence, il va y avoir génération d'un phénomène électrique appelé potentiel d'action (PA). Ce dernier est un évènement rapide (inférieur à 6ms) et de grande
Figure 1.9 Schéma de la membrane plasmique. Notez la présence de la bicouche lipidique constituée de canaux ioniques (Na+ et K+) et de la pompe active. Illustration extraite de [Saïghi, 2004].
plitude (valeur de pic à pic supérieur à 80 mV). La gure 1.10 explique les diérentes étapes pour la génèse de ce phénomène.
Si le neurone reçoit un stimulus su samment élevé, une dépolarisation de sa membrane a lieu jusqu'à atteindre une valeur seuil de déclenchement. Les canaux ioniques sodiques s'activent, i.e., ils s'ouvrent rapidement de manière à faire entrer les ions Na+ dans le milieu intracellulaire ( gure 1.10.A).
Même après que la valeur seuil soit atteinte, la dépolarisation continue. Le potentiel ne croît cependant pas jusqu'au potentiel d'équilibre du sodium car deux phénomènes vont entrer en action : la fermeture des canaux Na+ ( gure 1.10(C)) et l'ouverture des canaux K+ ( gure 1.10(C')), ce qui conduira à une repolarisation de la membrane cellulaire. La période de dé-croissance du potentiel d'action s'appelle la période réfractaire absolue puisqu'aucun potentiel d'action ne peut être généré (pour plus de détails sur les mécanismes et les états possibles des canaux ioniques, voir [University, 2016], chapitre 12.4).
La fermeture des canaux de potassium provoque une hyperpolarisation temporaire de la membrane ( gure 1.10.D). Cette période est appelée période réfractaire relative car un second potentiel d'action sera plus di cilement généré.
Dans la suite de ce mémoire, a n de faire référence au potentiel d'action et par anglicisme, nous utiliserons indiéremment le mot "spike" ou potentiel d'action.
Propagation le long de l'axone
Une fois le potentiel d'action généré, celui-ci va se propager le long de l'axone jusqu'à sa terminaison par des dynamiques des canaux ioniques.
A l'instant t = 1, la bre nerveuse reçoit un stimulus : un spike est généré. Il y a une inversion de la polarité membranaire : le gradient électrochimique fait entrer un nombre croissant d'ions N a+ dans le milieu intracellulaire. La proximité de charges positives et de charges négatives va créer des courants locaux qui vont se propager par diusion passive.
A l'instant t = 2, la forte dépolarisation membranaire nit par inactiver les canaux sodiques mais active les canaux de potassium. Les ions K+, plus nombreux à l'intérieur qu'à l'extérieur, quittent la bre nerveuse et permettent au potentiel de membrane de retrouver sa valeur initiale (les canaux sodiques demeurent inactivés).
Figure 1.10 Les mécanismes mis en jeu lors de la génération d'un potentiel d'action. Illustration extraite de [Saïghi, 2004].
qui va atteindre la valeur de déclenchement d'un spike : celui est donc propagé de proche en proche. Les canaux potassiques restent ouverts laissant sortir plus de potassium qu'il n'était entré de sodium ce qui va provoquer une hyperpolarisation membranaire : c'est la période réfractaire.
Figure 1.11 Mécanismes de propagation d'un potentiel d'action le long de l'axone. Nous avons vu précédemment que certains axones et bres nerveuses peuvent présenter des gaines de myéline (conduction saltatoire du potentiel d'action) ce qui aecte la vitesse de propa-gation axonale : elle peut aller jusqu'à 140m/s pour certains axones myélinisés alors qu'elle peut
descendre à 0,4m/s dans un axone non myélinisé [Zalc et al., 2008].
Un autre facteur important aectant la vitesse de propagation est le diamètre de l'axone. Plus ce dernier augmente, plus la vitesse augmente de manière linéaire pour les axones myélinisés [Swadlow and Waxman, 2012] [George et al., 2015]. Cela a été observé et con rmé par des études in vivo [Horowitz et al., 2015]. Dans le cas d'un axone non myélinisé, elle augmente de manière moins progressive puis de manière quasi-linéaire à partir d'un certain diamètre (>1µm).
Figure 1.12 Relation théorique entre la vitesse de propagation d'un potentiel d'action et le diamètre d'un axone myélinisé et non myélinisé. Illustration extraite de [Swadlow and Waxman, 2012].
La vitesse de propagation ne dépend pas seulement des propriétés morphologiques de l'axone mais également d'autres paramètres tels que la température, la constante de temps τ ou la constante spatiale λ.
La constante de temps indique à quelle vitesse la membrane se dépolarise ou s'hyperpolarise en réponse à un courant de stimulation. Plus la vitesse est faible, plus la réponse est rapide. Elle est égale au produit de la résistance de membrane Rm avec la capacité membranaire Cm.
La constante spatiale, quant à elle, indique jusqu'où le courant de dépolarisation se propage le long de la membrane. Plus cette constante est grande, plus le courant se propagera loin. Elle est égale à la racine carré du ratio entre la résistance de membrane vis-à-vis de la résistance interne (équations 1.3).
τ = RmCm λ =pRm/Ri v = λ/τ (1.3)
2.3 Activité synchrone d'une population neuronale
Le champ électrique d'un neurone unique est beaucoup trop faible pour être détecté par une électrode de surface. Cependant, en considérant une population de milliers d'individus et en supposant une activité synchrone i.e., les neurones émettent quasi-instantanément des spikes, leur contribution électrique s'additionne et cette même population peut générer un champ de potentiel su samment élevé pour qu'il soit détectable au niveau du scalp.
Ceci est le cas pour les populations du cortex cérébral qui sont organisées en colonnes cor-ticales (voir la section 1.2). Les neurones - notamment les neurones excitateurs - sont orientés perpendiculairement à la surface du cortex et, en raison de leurs morphologies génèrent, un champ électrique su samment élevé pour être détecté. Une école de pensée considèrent non pas le neu-rone comme l'entité fonctionnelle du cerveau mais la colonne corticale composée des diérentes couches et des diérents types de neurones.