neurones - Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

UNIVERSITÉ OUVERTE 2016 -‐ 2017 Où en est-‐on de la compréhension du cerveau ? Jean-‐Pierre Henry Laboratoire Ma1ère et Systèmes Complexes, Université Paris Diderot hAp://www.msc.univ-‐paris-‐diderot.fr/~henry/ L’hippocampe, Dessin de Camillo Golgi, 1873 Des sources écrites Cours 2 Le cerveau branché 17 janvier 2017 Résumé du cours précédent •  De mul1ples étapes séparent la sensa%on, fournie par les organes sensoriels, de la percep%on, qui implique une compréhension ac1ve de l’environnement •  Le cerveau est originellement un tube dont l’extrémité va se développer pour former les hémisphères cérébraux qui recouvrent les autres structures •  Le cerveau con1ent 100 milliards de neurones formant chacun en moyenne 1 000 synapses avec ses voisins •  Ce réseau permet une circula1on de l’informa1on, électrique à l’intérieur des neurones, chimique entre eux Résumé du cours précédent •  Le sens de ceAe circula1on est déﬁni: dans les neurones, elle va des dendrites vers l’axone •  Entre les neurones, le neurotransme<eur émis par l’axone va vers les récepteurs sur les dendrites •  Dans le cerveau, certaines régions sont organisées en réseaux bien structurés (ré1ne) •  Au cours du développement, l’établissement de synapses permet l’organisa1on de réseaux selon des lois de sélec1on •  Il existe une importante plas%cité des réseaux •  Peu de neurones apparaissent chez l’adulte (neurogénèse) et ils ne concernent que peu d’aires Plan du cours •  Origine de l’électricité animale: le poten1el de repos •  L’informa1on électrique: le poten1el d’ac1on •  Comment nait et comment se termine un poten1el d’ac1on •  La connec1vité: comment se composent les poten1els d’ac1on dans un réseau •  Cerveau et électricité: électroencéphalogramme et interface cerveau machine Origine de l’électricité animale Le poten1el de repos « 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 Du muscle de la grenouille à l’électroplaque de la torpille •  Dans l’expérience de Galvani, une s%mula%on électrique induit la contrac%on musculaire •  Il montre aussi que le muscle produit un courant électrique détectable avec un électromètre •  L’organe électrique de la Torpille est un empilement de cellules de type musculaire •  Quand elles sont s1mulées, elles déchargent en série, produisant jusqu’à quelques centaines de volts 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 amrés •  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’axone géant du calmar •  Pour étudier les propriétés électriques du système nerveux, 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 dépolarisa%on a<eint 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 La tétrodotoxine, un poison des canaux Na+ •  Le Fugu (tétrodon) est un poisson consommé au Japon, qui con1ent une toxine mortelle, la tétrodotoxine •  Dose létale: 25 mg per os, 0,5mg injec1on •  CeAe toxine bloque spéciﬁquement les canaux Na+ •  Elle est d’origine bactérienne 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’a<énue 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!) 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 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+ et l’entrée de Ca2+ qui ini%e la neurotransmission L’ini1a1on du poten1el d’ac1on au niveau des dendrites post-‐synap1ques •  La neurotransmission implique la libéra1on du neurotransme<eur 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 Modiﬁca1on du poten1el de repos Dépolarisa*on -‐> ac*va*on Na+ NT1 : Glutamate, Acétylcholine -‐ 60 mV Na+ Hyperpolarisa*on Cl-‐ NT2: GABA -‐ 60 mV Cl-‐ Résumé sur les récepteurs canaux •  Un neurotransme<eur 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 •  Les récepteurs du Glutamate et de l’Ach ont un eﬀet ac1vateur (entrée de ca1ons: Na+, Ca2+) •  Le GABA est un neurotransmeAeur à eﬀet inhibiteur (entrée de Cl-‐) •  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) Une synapse ne libère pas nécessairement assez de neurotransme<eur pour induire un poten%el d’ac%on •  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 cumula%fs, les eﬀets doivent se produire en même temps (fenêtre d’une frac%on de seconde) L’importance de la connec1vité •  Une informa1on (poten1el d’ac1on) provenant d’un neurone A ne déclenche pas automa%quement 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 connec%vité permet la construc%on de réseaux complexes, analogues aux circuits électriques existants en informa%que L’ac1vité électrique de réseaux •  Pour mesurer l’ac1vité électrique de réseaux complexes, on u1lise des microélectrodes; ici, une tétrode métallique (4 mesures simultanées). •  Chaque électrode enregistre des choses diﬀérentes •  Deux types de signaux: des pics rapides (rouges) correspondant à des poten1els d’ac1on et des « oscilla1ons », plus lentes (Figure: Karim Benchenane, ESPCI) L’ac1vité électrique de réseaux •  On u1lise des microsystèmes produits en silicone par nanofabrica1on •  8 1ges mesurant chacune à 8 hauteurs diﬀérentes: 64 mesures simultanées (Buzsaki G (2004) Nature Neurosc, 7, 446) 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 a<ribuée 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) Cerveau et électricité Encéphalogramme et interfaces cerveau-‐machine L’électroencéphalogramme •  Les varia1ons du poten1el de champ local du cortex sont détectées à travers la voute crânienne par l’électroencéphalogramme •  En général, ce sont des signaux très faibles (microvolts) et très bruyants •  Dans certains états comme le sommeil, des signaux clairs (ondes) sont visibles, impliquant une synchronisa1on des signaux locaux Le cerveau et le sommeil (1) •  Le sommeil est une succession de phases caractérisées physiologiquement •  Le sommeil sans mouvement oculaire (non REM) passe par 4 phases jusqu’au sommeil profond (EEG) •  A la ﬁn d’un cycle, on passe par une phase à mouvements oculaires rapides (REM), voisine de la conscience, mais avec une paralysie musculaire Le cerveau et le sommeil (2) •  Le traitement (Fourier) des signaux électriques permet de dis1nguer des régimes diﬀérents dans les EEG •  Veille et sommeil REM: ac1vité β: signaux rapides (15-‐60 Hz), faible amplitude (30 µV) •  Sommeil: stade 1: ondes θ (4-‐8Hz, 50-‐100µV); stade 2: signaux rapides (fuseaux, spindles, 10-‐12Hz, 50-‐150µV); stade 3 et 4: ondes δ (0,5-‐4 Hz, 100-‐150 µV) La synchronisa1on des réseaux •  Les rythmes lents du sommeil profond ont été mesurés directement sur des pa1ents épilep1ques •  Il n’y a pas de synchronie globale •  Les rythmes apparaissent dans des régions diﬀérentes du cerveau •  L’existence de rythmes indiquant des communica1ons entre les neurones est un phénomène important: mémoire, conscience (Nir et al (2011) Neuron, 70, 153) Interface Cerveau-‐Machine (1): Implanta1on d’électrodes intracérébrales •  Le pa1ent est tétraplégique •  Le disposi1f montré en a est implanté (l’échelle est indiquée) •  Le disposi1f comporte 96 électrodes (b), placées dans la zone contrôlant la motricité •  c) la ﬂèche montre l’implanta1on (Hochberg et al (2006) Nature 442, 164) Interface Cerveau-‐Machine (2): Implanta1on d’électrodes intracérébrales •  On suit l’ac1vité électrique individuelle des neurones implantés •  En haut: on demande au sujet de penser qu’il ouvre et ferme sa main; les 3 lignes mesurent l’ac1vité de 3 neurones •  En bas: on demande de déplacer sur l’ordinateur le point hors du carré; 5 neurones sont suivis; selon la tache, des neurones diﬀérents s’ac1vent Interface Cerveau-‐Machine (3) Implanta1on d’électrodes intracérébrales •  En haut, le technicien trace une courbe (rouge) et le pa1ent reproduit le tracé • En bas, il doit relier les points verts et éviter les rouges •  En pra1que, il peut ouvrir des e-‐
mails et jouer à des jeux vidéo •  Ces travaux préliminaires montrent qu’il est possible de déchiﬀrer les signaux électriques du cerveau •  Après ﬁltrage des ac1vités électriques, le pa1ent peut faire diﬀérentes ac1vités sur l’ordinateur Interface Cerveau-‐Machine (4) Développement de neuroprothèses •  Images IRMf •  Jaune: ﬂexion de doigt •  Rouge: prise de la main •  Bleu: haussement d’épaule •  Vert: pincement des lèvres •  Les deux carrés noirs correspondent aux électrodes •  Chez une pa1ente paralysée depuis 13 ans, on implante 2x96 électrodes (2 fois 4x4 mm) •  L’appren1ssage commence par suivre l’ac1vité neuronale quand le bras bouge avec 7 degrés de liberté •  Après extrac1on et développement d’algorithme, c’est la pa1ente est capable de manœuvrer le bras avec des mouvements naturels (Collinger et al (2013) The Lancet,381, 557) Interface Cerveau machine: Neuroprothèse Interface Cerveau machine: Neuroprothèse (Collinger et al (2013) The Lancet,381, 557) Interface cerveau-‐moëlle épinière •  L’objec1f est de pallier une rupture de la colonne vertébrale induisant une paralysie d’une paAe •  Le signal électrique dans l’aire motrice du cerveau est décodée et envoyé à un s1mulateur placé en épidural •  L’animal récupère une marche normale (Capogrosso et al (2016) Nature,539, 284) Contrôle d’un bras prosthé1que par EEG (Meng et al. (2017) Scien*ﬁc Reports, 6 , 1) Qu’avons nous appris? •  Les courants biologiques sont portés par des ions •  Les diﬀérences de poten1els sont générées par sépara1on des charges de part et d’autre de la membrane de la cellule: (Na+)i < (Na+)e; (K+)i > (K+)e •  C’est un phénomène qui consomme de l’énergie (pompe à Na+ ac%vée par l’ATP) •  Un neurone au repos est à un poten1el néga1f (-‐ 60 mV) par rapport au milieu car sa membrane a des canaux K+ ouverts •  La membrane comporte aussi des canaux Na+ et K+ sensibles au poten%el •  Une dépolarisa1on de la cellule au delà d’un seuil induit un poten%el d’ac%on Qu’avons nous appris? •  Les poten1els d‘ac1on sont les signaux circulants du système nerveux •  Leur forme est stéréotypée; ils se propagent à des vitesses diﬀérentes, sans amor1ssement •  A l’extrémité de l’axone, ils déclenchent la sor%e du neurotransme<eur •  Sur les dendrites et/ou le corps cellulaire, les neurotransme<eurs se ﬁxent sur des récepteurs •  Certains sont des canaux ioniques que les neurotransmeAeurs ouvrent •  Selon la nature des ions qui entrent le neurone est « hyperpolarisé » (entrée de Cl-‐) ou « dépolarisé » (entrée de ca1ons) Qu’avons nous appris? •  Quand plusieurs neurones excitent une même cellule, les eﬀets s’ajoutent algébriquement dans une fenêtre temporelle courte (Connec%vité) •  La complexité des réseaux rend la connec1vité très importante à déchiﬀrer •  L’analyse des signaux montre parfois l’existence d’une « synchronisa%on » des signaux électriques •  Pendant le sommeil profond, on voit des rythmes lents (0,5-‐4 Hz), détectables à travers le crâne: electroencéphalographie Qu’avons nous appris? •  Les signaux électriques du cerveau peuvent être récupérés avec des microélectrodes (opéra1on à crâne ouvert) •  Ils peuvent être décodés et u1lisés pour commander des ordinateurs ou des machines •  Ils peuvent aussi être récupérés sur un électroencéphalogramme •  L’avenir des interfaces cerveau-‐machine dépend des progrès technologiques Cours 3 Le cerveau chimique 24 janvier 2017