neurones - Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

UNIVERSITÉ OUVERTE 2015-‐2016 Peut-‐on comprendre le fonc0onnement du cerveau ? Jean-‐Pierre Henry Laboratoire Ma1ère et Systèmes Complexes, Université Paris Diderot hAp://www.msc.univ-‐paris-‐diderot.fr/~henry/ Résumé du premier cours •  Le cerveau est un réseau de 100 milliards de cellules (neurones), connectées par des synapses •  Les neurones échangent de: 1. l’informa1on électrique, parcourant les neurones depuis les dendrites, jusqu’à l’extrémité de l’axone •  2. Informa1on chimique, entre les neurones (neurotransme2eurs), circulant entre l’axone et la cellule cible •  Le connectome est le schéma du câblage du réseau; le réseau comporte des centre de calcul locaux, reliés par des neurones à axone long myélinisés Cours 2 Le cerveau câblé 14 janvier 2016 L’informa1on circule sous forme électrique Origine, descrip1on Quelques rappels de physique •  Les phénomènes électriques sont dus à l’existence de par1cules portant des charges posi1ves ou néga1ves •  Dans les métaux, le courant correspond à la circula1on d’électrons, chargés néga:vement; en biologie, les charges sont portées par des ions: la dissolu1on du NaCl conduit à la sépara1on des ions Na+, ca:on et Cl-‐ anion •  Une diﬀérence de poten1el (Volt,V) fait bouger les ions: Si V>0, les ca1ons sont repoussés, les anions aerés •  Le courant électrique i est le nombre de charges transportées par unité de temps (Ampère, A) •  La diﬀérence de poten:el V= V1-‐V2 est liée à l’intensité du courant par la Loi d’Ohm: V= R x i où R est la résistance (Ohm,Ω); l’inverse de la résistance est la conductance γ « L’électricité animale » L’observa1on: Luigi Galvani •  La grenouille est disséquée avec la moelle épinière aAachée aux nerfs cruraux •  Un long ﬁl métallique sert d’antenne ( voir le site hAp://www.ampere.cnrs.fr/) •  Entre 1780 et 1790, Luigi Galvani, anatomiste bolognais, observe qu’une machine électrosta1que déclenche à distance la contrac1on des muscles d’une cuisse de grenouille « L’électricité animale » La corréla1on entre électricité et contrac1on •  Le même phénomène est observé lorsque la machine électrosta1que est remplacée par l’électricité atmosphérique (foudre), mais … « L’électricité animale » Une observa1on dérangeante Galvani conclura à l’existence d’une « électricité animale » Celle-‐ci se décharge au cours du contact métallique •  Les mêmes contrac1ons sont observées avec un crochet de cuivre dans la moelle et les cuisses sur une plaque de fer La controverse scien1ﬁque, source de progrès •  Ce fut le début d’une controverse de 10 ans avec le physicien Alessandro Volta, prônant « l’électricité métallique » •  Il remplaça la cuisse de grenouille par du carton mouillé par une solu1on saline et montra l’électrisa1on de son électromètre •  Selon lui, dans l’expérience de Galvani, la cuisse sert d’électromètre •  Mais, il existe bien une « électricité animale » détectée par l’électromètre de Volta Les conclusions de la controverse: Richesse de l’interface physique-‐biologie •  Un courant électrique a des eﬀets physiologiques: Les eﬀets physiologiques sont dus à l’interac1on entre l’électricité imposée et une « électricité animale » •  La controverse a bénéﬁcié à la physique puisqu’elle a permis la découverte de « l’électricité métallique » et celle des piles électriques L’origine de l’électricité animale: Le poten1el de repos L’axone géant du calmar •  Pour étudier les propriétés électriques, on u1lise des neurones isolés expérimentalement favorables •  Le calmar possède de très gros axones adaptés aux mesures électriques Le poten1el de repos: deux observa1ons •  1-‐Si on insère une électrode dans le neurone et on mesure la diﬀérence de poten1el avec le milieu extérieur, on note que l’intérieur est néga:f à -‐60 mV •  C’est le poten:el de repos •  2-‐Une analyse chimique montre une diﬀérence de composi:on entre les deux milieux •  L’intérieur est plus riche en ca1on potassium K+; l’extérieur en ca1on Na+ et anion Cl-‐ Origine de ces phénomènes électriques •  La plupart de ces phénomènes trouvent leur origine dans les propriétés des membranes qui limitent les neurones •  Toutes les membranes cellulaires comportent deux couches de lipides et elles sont imperméables aux ions •  Les neurones ont des protéines qui les traversent et permeAent le passage des ions: ce sont des canaux ioniques Le poten1el de repos •  La valeur du poten1el de repos dépend du rapport entre la concentra1on de K+ interne (ﬁxe) et la concentra1on de K+ du milieu •  Ce rapport est le gradient de concentra:on •  Le poten1el de repos est lié au gradient Résumé: poten1el de repos •  L’existence d’un poten1el de repos est due d’abord à une asymétrie dans la distribu:on des ions •  C’est un phénomène réclamant de l’énergie •  Il faut aussi des perméabilités sélec:ves aux ions: la membrane est perméable (faiblement) aux ions K+ •  Existence de canaux ioniques ouverts •  Toutes les cellules sont électriquement polarisées: ce n’est pas une propriété des neurones •  Quelle est la spéciﬁcité des neurones? le poten:el d’ac:on Le poten1el d’ac1on Une propriété des neurones Huxley et Hodgkin, Eccles Prix Nobel, 1963 Andrew Huxley 1917-‐2012 Le poten1el d’ac1on (1) •  On va implanter deux microélectrodes dans un neurone (niveau corps cellulaire) •  L’une (Record) va enregistrer la diﬀérence de poten1el entre le neurone et le bain en fonc1on du temps •  La seconde (S1mulate) va « injecter » du courant, soit ajouter des charges posi1ves au neurone (courant entrant, posi1f) soit en soustraire (courant sortant, néga1f) Le poten1el d’ac1on (2) •  Le neurone se comporte d’abord comme un circuit simple où la loi d’Ohm s’applique V = R x i •  Si j’applique un courant néga1f, la cellule devient plus néga1ve, durant le passage du courant: elle est hyperpolarisée •  Si j’applique un courant posi1f, la cellule est dépolarisée •  MAIS, quand la dépolarisa1on aAeint une valeur seuil, on En haut, courant injecté sous forme d’impulsions En bas, diﬀérence de poten1el mesurée autour du observe un phénomène poten1el de repos nouveau, le poten:el d’ac:on Le poten1el d’ac1on (3) •  La forma1on du poten1el d’ac1on requiert une dépolarisa:on locale (V devient moins néga1f) •  (Origine de ceAe dépolarisa1on ? ) •  Sa forma1on est associée avec l’ouverture de canaux Na+, puis K+ •  L’ouverture (et la fermeture) de certains canaux est régulée par la diﬀérence de poten1el (canaux dépendants du voltage) •  Le poten:el d’ac:on est un phénomène de tout ou rien, se formant au delà d’une dépolarisa:on seuil •  Sa forme est constante, quand les concentra1ons de Na+ et K+ sont ﬁxées Les canaux ioniques sensibles au poten1el sont des protéines spéciﬁques des neurones •  Ces canaux sont spéciﬁques pour certains ions •  Leur ouverture et leur fermeture dépendent de la diﬀérence de poten:el de part et d’autre de la membrane •  Le ﬂux ionique tend à diminuer l’asymétrie de distribu1on des ions: il faut bien séparer le poten1el (ouverture/fermeture) et le courant, dépendant de l’asymétrie Propaga1on du poten1el d’ac1on (1) •  L’axone est un milieu conducteur •  Si on injecte du courant en un point, les charges et la diﬀérence de poten1el avec le milieu se propagent •  Mais c’est un conducteur mal isolé et le courant « fuit » vers l’extérieur : la diﬀérence de poten:el s’a2énue rapidement Propaga1on du poten1el d’ac1on (2) •  Si la dépolarisa1on aAeint la valeur seuil, on observe un poten1el d’ac1on au niveau du point de s1mula1on •  Et alors on observe aussi le même poten:el tout le long de l’axone •  Propaga1on sans aﬀaiblissement Le poten1el d’ac1on se propage de A vers C, suivant l’ouverture des canaux Na+ Neurones myélinisés •  Des cellules (gliales) entourent l’axone et dépose des couches de myéline, une protéine riche en lipides formant un isolant électrique •  Le poten1el créé en A ne s’aﬀaiblit pas dans la zone gainée: la dépolarisa1on est conduite directement en B: conduc1on rapide Propaga1on du poten1el d’ac1on •  L’inﬂux nerveux (ou l’ac1va1on des neurones) correspond à la propaga:on d’un poten:el d’ac:on •  Le poten1el d’ac1on ne s’aAénue pas et se propage sans modiﬁca:on de forme •  L’informa1on portée par l’inﬂux est stéréotypée, elle n’est pas contenue dans la forme des signaux •  Seulement deux types de signaux: le poten:el de repos (modulable) et le poten:el d’ac:on (ﬁxe) Comment est modulé le poten1el de repos ? (à voir) Propaga1on du poten1el d’ac1on •  Si la forme du poten1el d’ac1on est invariable, sa vitesse de propaga:on varie •  Un axone moteur peut mesurer 1 mètre de long: ces axones sont myélinisés •  Une vitesse de 1 m/s correspond à 3,6 km/h et 100 m/s à 360 km/h •  La repolarisa1on (ouverture des canaux K+) introduit une période réfractaire, pendant laquelle un poten1el d’ac1on ne peut pas circuler (environ 5 ms) •  Cela signiﬁe qu’un train de s1mula1on ne peut pas dépasser 0,2 kHz, ce qui est ridicule par rapport à un ordinateur (3 gigaHz, soit plus d’un million de fois plus rapide!) Naissance et ﬁn du poten1el d’ac1on Que se passe-‐t-‐il aux deux bouts du neurone? Quand le poten1el arrive à l’extrémité présynap1que: Les canaux Ca2+ sensibles au poten1el •  Au niveau de la synapse qui commande l’axone géant ( jaune) de calmar, il y a de mul:ples canaux Ca2+ sur l’axone amont (présynap1que, rouge) •  À l’extérieur la concentra1on de Ca2+ est mM, à l’intérieur, plus faible de 4 ordres de grandeur •  Une dépolarisa1on induit un courant entrant, dû aux ionsCa2+ •  L’entrée de Ca2+ induit un poten1el d’ac1on sur le neurone aval L’arrivée du poten:el d’ac:on commande l’ouverture des canaux Ca2+ qui ini:e la neurotransmission L’ini1a1on du poten1el d’ac1on au niveau des dendrites post-‐synap1ques •  La neurotransmission implique la libéra1on du neurotransme2eur contenu dans les vésicules synap1ques (exocytose) •  Celui-‐ci diﬀuse dans la fente synap:que •  Il se lie à des récepteurs sur les dendrites (ou le corps cellulaire) •  Ces récepteurs sont des canaux qui vont modiﬁer la valeur du poten1el de repos (poten:el synap:que) Les récepteurs « ionotropes » des neurotransmeAeurs •  Ces récepteurs sont des canaux ioniques, oscillant entre état fermé (à gauche) et ouvert (à droite) •  C’est la liaison du neurotransmeAeur qui ouvre le canal; quand il se détache, le canal se ferme •  Selon sa nature, le canal accepte certains ions: Na+, Ca2+, K+, Cl-‐, qui vont entrer ou sor1r selon les diﬀérences de concentra:ons •  Ces mouvements d’ions vont modiﬁer le poten1el de repos Les récepteurs « ionotropes » des neurotransmeAeurs •  Les ions Na+, Ca2+ et Cl-‐ vont entrer •  Le poten1el de repos était de – 60 mV; l’entrée de charges posi1ves (Na+ et Ca2+) « dépolarise » le neurone (il devient moins néga1f) •  L’entrée de charges néga1ves Cl-‐ l’hyperpolarise (devient plus néga1f) •  La dépolarisa1on peut être suﬃsante pour déclencher un poten:el d’ac:on Un exemple: Le récepteur de l’AcétylCholine de la jonc1on neuromusculaire: •  La contrac1on musculaire est commandée par un nerf (T) qui fait une synapse avec le muscle: la jonc:on neuromusculaire •  Le neurotransmeAeur est l’acétylcholine (Ach), stockée dans les vésicules •  Le muscle (M) a des récepteurs de l’Ach sur sa membrane; il est polarisé •  La liaison de l ’ACh ouvre un canal permeAant l’entrée de Ca2+ qui déclenche la contrac1on Résumé sur les récepteurs canaux •  Un neurotransme2eur se lie aux récepteurs portés par la membrane du neurone cible •  Certains de ces récepteurs sont des canaux et la liaison du neurotransmeAeur les ouvre •  Selon la valeur du poten1el de repos et la spéciﬁcité du canal, le poten:el de repos va être modiﬁé •  Le récepteur de l’ACh a un eﬀet ac1vateur; le Glutamate est un autre neurotransmeAeur a eﬀet ac1vateur •  Le GABA est un neurotransmeAeur à eﬀet inhibiteur •  La varia1on du poten1el de repos (dépolarisa1on) peut induire un poten1el d’ac1on La connec1vité Les signaux électriques dans un réseau Somma1on des eﬀets des récepteurs (1) •  Plusieurs neurones peuvent faire des synapses avec le même neurone cible (couramment 10 000) •  Ils peuvent avoir des eﬀets diﬀérents: une synapse à glutamate (glutamatergique) tendra à dépolariser la cible • Une synapse GABA (GABAergique) tendra à l’hyperpolariser Somma1on des eﬀets des récepteurs (2) •  Au niveau du corps cellulaire du neurone cible, un poten1el d’ac1on sera enregistré si la somme algébrique des varia:ons de poten:el induites par les neurones aﬀérents amène le poten1el de repos au delà de la valeur seuil •  Pour être cumula1fs, les eﬀets doivent se produire en même temps (fenêtre d’une frac1on de seconde) L’importance de la connec1vité •  Une informa1on (poten1el d’ac1on) provenant d’un neurone A ne déclenche pas automa1quement un poten1el d’ac1on dans le neurone B qu’il contacte •  La dépolarisa1on de B peut être sub-‐liminale ou même A peut être inhibiteur; l’ac1va1on de B va requérir des condi1ons spa1ales et temporelles •  La connec1vité permet la construc1on de réseaux complexes, analogues aux circuits électriques existants en informa1que •  Comment peut-‐on repérer ces circuits dans un cerveau?Un système modèle: la tranche de cerveau L’ac1vité électrique de réseaux •  Pour mesurer l’ac1vité électrique de réseaux complexes, on u1lise des microélectrodes, souvent quatre mais parfois jusqu’à 100; elles sont à l’extérieur des cellules •  Chaque électrode enregistre des choses diﬀérentes •  Deux types de signaux: des pics rapides (rouges) et des « oscilla1ons » correspondant les uns, à des poten1els d’ac1on et les autres, aux ondes de l’EEG (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) L’ac1vité électrique de réseaux •  Les électrodes extracellulaires récupèrent toute l’ac1vité électrique environnante: plus de 100 neurones dans un rayon de 50 μm •  L’ac:vité lente est a2ribuée à la somme des varia:ons de poten:els de repos (excitateur ou inhibiteur) •  Électroniquement, on peut isoler les poten1els rapides (poten1els d’ac1on) et les ondes lentes (LFP, Local Field Poten1al, Poten:el du (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) Champ Local) L’ac1vité électrique du cortex •  On considère une tranche de cortex de souris (épaisseur 0,2 mm) contenant 140 000 neurones •  Après analyse de la forme et de la place des cellules, on étudie les propriétés électriques des cellules et on compose un système virtuel de l’ac1vité (Markram et al (2015) Cell,163, 456) •  A gauche, bleu: hyperpolarisé, rouge dépolarisé, blanc poten1el ac1on; au centre: ordonnée: posi1on dans la couche, abscisse, temps; à droite: ac1vité de certains neurones Réseau virtuel du cortex de souris: 140 000 neurones Un fonc1onnement coûteux Mais un coût bien u1le La maintenance du poten1el de repos, un phénomène coûteux •  Le neurone doit entretenir la répar::on asymétrique des ions •  Faible Na+ et fort K+ intérieurs •  Des pompes spécialisées vont u1liser l’énergie chimique de la cellule, ATP •  La pompe Na+/K+ va exporter les ions Na+ et importer les ions K+ La dépense augmente avec l’ac:vité neuronale Comment l’IRM est devenue fonc1onnelle •  Le fonc1onnement du cerveau est très couteux sur le plan énergé1que: 1g de cerveau consomme 20 fois plus d’énergie qu’un gramme de muscle! •  CeAe dépense couvre le fonc1onnement des diﬀérentes pompes: ioniques, neurotransmeAeurs,…
Elle est compensée par un apport nutri1f et une augmenta:on du ﬂux sanguin •  Ce changement est local: le ﬂux sanguin augmente au niveau des neurones qui travaillent Comment l’IRM est devenue fonc1onnelle •  Le sujet observe une ﬁgure géométrique et une aire postérieure du cerveau est au travail •  On note une augmenta1on de la consomma1on de glucose et de l’oxygène disponible •  Les deux s’expliquent par une augmenta1on locale du ﬂux sanguin Origine de la varia1on du signal IRM •  Quand l’hémoglobine du sang perd son oxygène, son fer inhibe le signal IRM: les vaisseaux apparaissent en sombre •  En présence d’oxygène pur, l’inhibi1on est levée et le contraste diminue •  Dans le cerveau au repos, l’hémoglobine est par:ellement désoxygénée •  Quand le cerveau s’ac1ve, la circula1on s’accélère localement et de l’hémoglobine oxygénée est disponible Dans ceAe technique, l’hémoglobine est agent de contraste L’imagerie fonc1onnelle du cerveau •  Dans l’imagerie fonc1onnelle, on fait deux images du cerveau: au repos et eﬀectuant une tâche •  Les résultats sont présentés sous forme de la diﬀérence entre les deux images, avec l’intensité de la diﬀérence en fausses couleurs (ME Raichle (2009) Trend Neurosc, 32, 118) Ce que nous avons appris: 1 •  Les phénomènes électriques du cerveau sont associés avec des mouvements d’ions à travers des canaux ioniques situés sur la membrane des neurones •  Les canaux Na+ et K+, ouverts par une varia1on de la diﬀérence de poten1el, sont situés sur l’axone et ils sont impliqués dans l’appari1on et la propaga1on de poten1els d’ac1on •  Les canaux Ca2+, aussi ouverts par une dépolarisa1on, sont situés à l’extrémité de l’axone (pré-‐synap1ques) et ils sont impliqués dans la libéra1on du neurotransmeAeur Ce que nous avons appris: 2 •  Du coté aval (post-‐syna1que), des canaux ouverts par la liaison du neurotransmeAeur modiﬁent le poten1el des dendrites (ou du corps cellulaire) •  Selon la nature du neurotransmeAeur, ces canaux (récepteurs) laissent passer des ions diﬀérents •  Les récepteurs de l’Ach et du Glutamate laissent passer les ca1ons, dépolarisent et sont ac1vateurs •  Les récepteurs du GABA conduisent les anions (Cl-‐), polarisent néga1vement et sont inhibiteurs Ce que nous avons appris: 3 •  La connec1vité, la manière dont plusieurs neurones se projeAent sur une cellule, u1lisent la somma:on algébrique des eﬀets électriques, excitateurs ou inhibiteurs •  Ces eﬀets 1ennent compte des condi1ons spa1ales et temporelles. Ils composent la complexité des réseaux •  La dépense énergé1que locale est à la base de l’IRM fonc1onnelle Prochain cours: Le fonc:onnement de la synapse 21 janvier 2016