La neurophysiologie

[Erwandine]

Bonjour
Bon je n'ai pas compris pourquoi n'importe quelle potentiel enregistré au niveau de la fibre nerveuse est du au ions na + et k+ comment ça peut changer la négativité interne d'une fibre nerveuse par deux ions positifs
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[Pterygoidien]

C'est un peu plus complexe que ça. Il y a aussi une question de distribution inégale et de perméabilité membranaire. En gros, on part du principe que le milieu extracellulaire a un potentiel nul, donc si le milieu intracellulaire a moins de charges positives que le milieu extracellulaire, le potentiel intracellulaire est négatif par rapport au milieu exctracellulaire. Lors d'un potentiel d'action, l'entrée d'ions Na+ provoque une entrée d'ions positifs qui rendent le milieu intracellulaire positif : au cours de la repolarisation, c'est un courant K+ sortant (avoir un cours de charges positives quittant la cellule revient, en quelques sortes, à avoir un courant de charges négatives rentrant dans la cellule).

Dans les faits, les propriétés électriques de la membrane sont plus complexe que ça : le principe d'électroneutralité stipule que les deux milieux sont neutres et possèdent un équilibre de charges positives et négatives. Le potentiel de repos résulte de la distribution asymétrique des ions monovalents d'une part, et des propriétés isolantes de la membrane envers ceux-ci, qui agit comme un condensateur : dès lors, chaque ion tend à exercer un potentiel électrique sur base de son potentiel électrochimique. L'ion pour lequel la membrane a la plus haute perméabilité est celui qui imposera le plus d'influence de son potentiel électrochimique sur le potentiel membranaire.
Si ces concepts ne vous sont pas familier mais que vous devez les étudier, j'ai écrit un petit fascicule de neurophysiologie que je peux poster ici si cela vous intéresse. C'est toutefois un fascicule à l'intention des étudiants de médecine principalement.

[Flyingbike]

C'est un peu plus complexe que ça. Il y a aussi une question de distribution inégale et de perméabilité membranaire. En gros, on part du principe que le milieu extracellulaire a un potentiel nul, donc si le milieu intracellulaire a moins de charges positives que le milieu extracellulaire, le potentiel intracellulaire est négatif par rapport au milieu exctracellulaire. Lors d'un potentiel d'action, l'entrée d'ions Na+ provoque une entrée d'ions positifs qui rendent le milieu intracellulaire positif : au cours de la repolarisation, c'est un courant K+ sortant (avoir un cours de charges positives quittant la cellule revient, en quelques sortes, à avoir un courant de charges négatives rentrant dans la cellule).

Dans les faits, les propriétés électriques de la membrane sont plus complexe que ça : le principe d'électroneutralité stipule que les deux milieux sont neutres et possèdent un équilibre de charges positives et négatives. Le potentiel de repos résulte de la distribution asymétrique des ions monovalents d'une part, et des propriétés isolantes de la membrane envers ceux-ci, qui agit comme un condensateur : dès lors, chaque ion tend à exercer un potentiel électrique sur base de son potentiel électrochimique. L'ion pour lequel la membrane a la plus haute perméabilité est celui qui imposera le plus d'influence de son potentiel électrochimique sur le potentiel membranaire.
Si ces concepts ne vous sont pas familier mais que vous devez les étudier, j'ai écrit un petit fascicule de neurophysiologie que je peux poster ici si cela vous intéresse. C'est toutefois un fascicule à l'intention des étudiants de médecine principalement.

Heureusement que tu es là ! On a eu quelques intervenants réguliers qui répondaient aux question neurophy/electrophy mais ils sont partis. Comme c'est un sujet qui revient souvent (pour lequel je suis totalement incompétent), c'est bien que ça ne tombe pas dans l'oubli par manque de réponses

[Pterygoidien]

Heureusement que tu es là ! On a eu quelques intervenants réguliers qui répondaient aux question neurophy/electrophy mais ils sont partis. Comme c'est un sujet qui revient souvent (pour lequel je suis totalement incompétent), c'est bien que ça ne tombe pas dans l'oubli par manque de réponses

Ahah, c'est toujours chouette de lire tes encouragements, Flyingbike.
C'est un sujet auquel j'aime tout particulièrement contribuer.

[A voir en vidéo sur Futura]

[myoper]

Ahah, c'est toujours chouette de lire tes encouragements, Flyingbike.
C'est un sujet auquel j'aime tout particulièrement contribuer.

J'en profite pour aplussoyer aussi moi aussi !
C'est vrai que ça manque...
Dans ce cas la, j'avais pas compris la question mais la réponse est claire !

[FinalSpark]

Merci beaucoup d'avoir pris le temps de répondre en détail à Erwandine!

Qu'est ce qui motivent les ions Na+ à continuer à rentrer une fois que le potentiel V a atteint 0?

[Pterygoidien]

Qu'est ce qui motivent les ions Na+ à continuer à rentrer une fois que le potentiel V a atteint 0?

Pourquoi est-ce qu'il n'y aurait plus de flux une fois le potentiel à 0 selon vous ?

[FinalSpark]

Bah, le champ électrique est nul à ce moment, pourquoi les ions continueraient à affluer, en particulier si vite? Je n'ai été capable de ne trouver aucune explication sur Internet sur ce point, c'est fou... (reste bien le gradient chimique, mais intuitivement le flux devrait etre bien plus lent)

[Pterygoidien]

Si vous n'avez pas trouvé d'explication, c'est parce que le raisonnement n'est malheureusement pas le bon
Je vous conseille une petite lecture d'un chapitre de mon fascicule de neurophysiologie sur le potentiel membranaire de repos. Les courants membranaires ne sont pas les mêmes que les courants électriques : les charges sont portées sur des espèces ioniques qui diffusent selon leur gradient électrochimique.

[Pterygoidien]

Il faut bien avoir en tête qu'on travaille dans un système fait de plusieurs ions monovalents (et bivalent pour le Ca2+) où l'on séquestre de chaque côté les ions pour constituer des gradients de concentration relativement importants. Dans les faits, un ion est à l'équilibre lorsque sa force électrique est de magnitude égale et de sens opposé à sa force chimique, et que les flux dans les deux sens se valent. On peut calculer le flux de la façon suivante :
J totale = J diffusion + J électrique = -D dC/dx - zuC dE/dx (ou -zu C. V).
Donc, si V=0, il reste toutefois le terme -D dC/dx. (Les démonstrations se trouvent dans l'appendice).
C'est donc une erreur de penser que, dans un système biologique, le mouvement des ions à travers la membrane est l'unique résultante d'un champ électrique (et d'un potentiel électrique). Les mouvements sont aussi influencés par la diffusion des espèces, à la base de courants ioniques, et les deux forces (chimique et électrique) sont du même ordre de grandeur.

[JPL]

Si vous n'avez pas trouvé d'explication, c'est parce que le raisonnement n'est malheureusement pas le bon
Je vous conseille une petite lecture d'un chapitre de mon fascicule de neurophysiologie sur le potentiel membranaire de repos. Les courants membranaires ne sont pas les mêmes que les courants électriques : les charges sont portées sur des espèces ioniques qui diffusent selon leur gradient électrochimique.

Source du document ? Je rappelle qu’on a juste le droit, pour un document sous copyright de citer de courts extraits dans le but d’étayer une argumentation.

[Pterygoidien]

Source du document ? Je rappelle qu’on a juste le droit, pour un document sous copyright de citer de courts extraits dans le but d’étayer une argumentation.

J'ai écrit ce fascicule. Je n'ai pas la propriété intellectuelle sur les images, mais elles sont mentionnées dans la bibliographie en annexe. Tout comme c'est le cas d'un PowerPoint.

[FinalSpark]

Ouh là, ca fait beaucoup! mais ce document a l'air super bien fait, merci!

Ce qui me génait c'est que je ne prenais pas en compte le gradient de concentration. Sans lui, il ne serait sans doute pas possible de depasser le potentiel nul. Je pense avoir produit un exemple simple ci-dessous qui aboutit à un gradient chimique nul pour le Sodium avec un overshoot (la différence de potentiel est représentée par une flèche à gauche).

Cependant, c'est sans doute un peu faux car selon Nernst, on ne peut pas sans doute pas avoir un gradient chimique nul car il doit s'établir un équilibre avec le force électrostatique.

La seule chose qui me chagrine encore un peu est que la "force" chimique ne semble reposer que sur le mouvement Brownien, comment peut-elle étre responsable d'une dépolarisation en quelques dizièmes de millisecondes!

[JPL]

Le potentiel d’action ne provient pas du passage des ions au travers de la membrane mais d’une différence de concentration en ions de part et d’autre de la membrane.

Certes pour la mettre en évidence il faut que la membrane devienne perméable à l’ion considéré (K⁺ ou Cl^- par exemple) et le passage des ions au travers de celle-ci n’est que la conséquence, pas la cause du phénomène.

[Erwandine]

Merci beaucoup ��
Du coup quand la membrane est en repos le milieu extracellulaire est moins électronégative que le milieu intracellulaire du coup la ddp membranaire est de l'ordre de -70 ma

[Pterygoidien]

Le potentiel d’action ne provient pas du passage des ions au travers de la membrane mais d’une différence de concentration en ions de part et d’autre de la membrane.

Je me permets d'apporter des précisions. Les passages d'ions affectent très peu les concentrations intracellulaire et extracellulaire des ions, de sorte que même de très faibles courants ioniques suffisent à affecter le potentiel transmembranaire. Dans le cas d'une cellule hypothétique qui n'est perméable qu'à un ion donné, tant que la perméabilité n'est pas nul, peut importe l'intensité des courants, le potentiel sera à la valeur du potentiel électrochimique de l'ion pour un gradient de concentration donné (qui sera la variable indépendante, fixe). Dans le cas d'un système monovalent, on doit prendre les perméabilités relatives, qui sont le reflet de la conductance (ou résistance) : ceux dont la conductance est la plus élevée (la perméabilité la plus élevée), donc dont les flux sont les plus importants, sont ceux qui contribuent le plus à l'établissement du voltage transmembranaire.
Donc on a la traditionnelle équation de Goldman-Hogdkin-Katz pour estimer le potentiel membranaire de repos en fonction des perméabilités relatives, mais on peut aussi calculer le potentiel membranaire à un moment donné avec le modèle de circuit électrique, où fait la somme du produit de la conductance fractionnelle de chaque ion (à un moment donné) par son potentiel électrochimique :



mais il faut bien comprendre qu'au repos, il n'y a pas de mouvement net : les mouvements des charges dans un sens sont exactement contrebalancés par les mouvements dans l'autre sens. Donc cet aspect là, vous avez tout à fait raison de dire que ce ne sont pas les mouvements en tant que tels qui établissent le potentiel (d'ailleurs, le mouvement des charges est plutôt la résultante d'un potentiel, électrique ou chimique). On peut faire l'analogie avec un diélectrique, où la membrane isolante va constituer un milieu isolant envers le champ électrique.

[Pterygoidien]

La seule chose qui me chagrine encore un peu est que la "force" chimique ne semble reposer que sur le mouvement Brownien, comment peut-elle étre responsable d'une dépolarisation en quelques dizièmes de millisecondes!

Pièce jointe 408275

Elle est du même ordre de grandeur. Il ne faut pas sous-estimer l'effet des mouvements browniens, stochastiques, à large échelle : plus les molécules sont nombreuses et concentrées, plus elles tendent à s'entre-choquer et établir diverses forces répulsives entre elles qui tendent à disperser les molécules dans le milieu jusqu'à l'homogénéiser (dans le milieu concentré, elles auront une fréquence de collisions élastique plus haute qui part du centre vers l'extérieur, une fois le gradient dispersés, les fréquences de collisions dans toutes les directions sont à peu près égales). C'est un phénomène purement passif, et exergonique (puisqu'il augmente l'entropie).

[FinalSpark]

Merci, même si je reconnais que je suis bluffé qu'un mouvement aléatoire soit aussi puissant que q.E.

Bon alors j'en profite pour demander qu'est-ce qui amène le canal Sodium à s'inactiver? Le temps? Le potentiel trop élevé?

[Pterygoidien]

L'inactivation, à distinguer de la fermerture, est automatique dans le cas des canaux sodiques voltages dépendant.
Encore une fois, il ne faut pas prendre en considération le mouvement aléatoire d'une molécule, mais bien la distribution statistique d'une population de molécules pour bien comprendre. Comme il l'est mis dans le fascicule, l'équilibre est atteint lorsque les deux forces pour un ion donné (chimique et physique) arrivent à égalité. On peut également formuler l'égalité sous forme de flux.

[FinalSpark]

Merci, oui c’est clair pour l’équilibre des flux, par contre je n’ai pas compris ce qui déclenche l’inactivation du canal.

[Pterygoidien]

L'inactivation est spontanée. Elle fait suite à l'ouverture du canal sodique. Elle suit donc juste un décours temporel. Le canal existe alors dans trois états : ouvert - inactivé - fermé. L'état inactivé ne peut que faire suite à l'ouverture du canal, et précéder l'état fermé. Il contribue à ce qu'on appelle la période réfractaire absolue.
Ce qui le provoque, c'est un segment du canal qui vient obturer la lumière à la suite d'un changement de conformation.
La durée d'ouverture (donc l'intervalle qui va de l'activation/ouverture du canal à son inactivation) peut toutefois être modulée, de sorte à accélérer l'inactivation ou la ralentir, mais ce ne sont pas les stimuli qui modulent la durée qui déclenchent l'inactivation : l'inactivation, lorsqu'elle existe dans un canal donné (voltage-dépendant), survient de façon automatique.

[FinalSpark]

Merci, c'est clair. Vraiment chouette d'avoir un expert à disposition.

Maintenant j'ai une question plus délicate. Le passage du potentiel d'action engendre normalement un pic négatif de tension lorsqu'il est mesuré de manière extra cellulaire. Or j'ai pu observer (par MEA CMOS) des pics extracellulaires positifs, et d'amplitude comparable aux pics négatifs.

La littérature est peu prolixe sur le sujet. Auriez-vous une explication?

[Pterygoidien]

Qu'entendez vous par pic négatif ? Le potentiel d'action est caractérisé par une phase d'upstroke (la "décharge"), où le potentiel transmembranaire devient positif (courant sodique entrant), puis retourne à sa valeur par repolarisation (courant potassique sortant). Maintenant, le potentiel se propage de proche en proche le long de l'axone non myélinisé sous la forme d'une onde (ou d'un "front") de dépolarisation : ce courant axial intracellulaire positif (qui revient à faire qu'on a un déplacement de charges positives dans le sens orthodromique, donc dans le sens de la propagation du potentiel d'action), est nécessaire accompagné d'un courant extracellulaire réciproque de sens opposé (antidromique).

Illustration tirée de Walter F. Boron, Emile L. Boulpaep - Medical Physiology, 2nd Edition - Elsevier, chapter 21 "Cardiac Electrophysiology and the Electrocardiogram", p.507

Maintenant si vous pouviez un peu élaborer ce que vous entendez par "pic", et peut être y ajouter une illustration, ça serait plus facile pour moi;

[FinalSpark]

Merci pour votre réponse.

Oui bien sur, c'est tout à fait clair, le pic de potentiel est positif si l'on fait une mesure intracellulaire.

Mais je fais une mesure de tension en utilisant un MEA (multi electrode array) qui fait une mesure entre 2 points extracellulaires, la tension est donc inversée. Mais cela c'est logique et ce n'est pas cette inversion-ci qui me pose problème mais une autre inversion...

Par exemple dans la photo ci-dessous, j'ai 5 sphéroides de neurones d'hippocampe de rat déposés à la surface d'un réseau de 4096 électrode. L'image montre en particulier les variations de voltage à travers le temps pour 3 électrodes. Les 2 premières sont normales et tout à fait conformes avec l'explication standard par canaux ioniques. La 3eme courbe est par contre inversée.



Ma question est:
Connaitriez-vous une raison qui pourrait conduire à une inversion du pic de potentiel extracellulaire? Par exemple, une mesure sur le soma et non sur l'axone?

PS: Au modérateur de me dire si je dois ouvrir un sujet séparé...

[Pterygoidien]

Les variations de potentiel sur une courbe entre deux électrodes exploratrices, ou il y a une électrode exploratrice et une électrode neutre ? La position de l'électrode est aussi importante par rapport à l'axe de propagation du potentiel d'action : si elle est le long d'un axe perpendiculaire à l'axe du neurone, alors elle enregistrera typiquement un tracé biphasique ou isoélectrique.
J'avais écrit ceci sur l'électrophysiologie cardiaque et l'ECG, mais c'est tout autant applicable à l'EEG.
j'y parle de l'impact de la position des électrodes sur le tracé.

[FinalSpark]

Merci. Il n'y a pas d'électrode exploratrice à différence de la figure 12 de votre document.

Les électrodes sont fixes, les cellules aussi. Les cellules sont deposées à la surface des électrodes, on pas de moyen de controler leurs positions respectives ou orientations. On mesure la variation de voltage au niveau de l'électrode, la référence électrique est prise à quelques mm plus loin dans le milieu.

Ci-dessous une photo montrant les neurospheres utilisées pour l'enregistrement.