Diapositive 1

Frédérique Datiche
2006-07
La communication
nerveuse
Découverte de l’électricité animale
1780 : Galvani –
Hypothèse selon laquelle l’animal contient
de faible quantité d ’électricité
Après les années 60, utilisation de la microélectrode qui est
capable d’enregistrer l’activité électrique d’un neurone
CsGlu
« Patch-clamp »
Prix Nobel 1991
en voltage
(-60mV).
celluleimposé
entière
Diversité morphologique
Des types de neurones
Diversité en terme
d’informations échangées
entre neurones
Ex: arborisation dendritique
Permet l’intégration d’un grand
nombre de messages
Neurones
•
Conception classique des neurones : processeurs digitaux,
connexions cablées.
•
Conception moderne : population de cellules vivantes, capables de
traiter de l'information hautement diversifiée, utilisant une variété de
mécanismes de communication.
"These new paradigms have come to replace the simplistic image of
the hard-wired, computer-like brain, pre-programmed to add
inhibitions and excitations, with that of a huge society of living
neurons, in constant mutation, capable of simultaneously processing
highly diversified information, and to adapt, react and learn from it,
owing to the utilization of a variety of molecules and mechanisms,
extrasynaptic as well as synaptic.«
– Descarries & Fimbel, 2002.
5
Le « neurone type »
dendrites
axone
Arborisation
terminale
de l ’axone
- Présence ou non de gaine
*Pôle de réception
*Corps cellulaire
*Pôle effecteur
de myéline
A- Le potentiel d’action (PA)
= influx nerveux
= potentiel de
pointe
= « spike »
Cellules nerveuses: à l’origine de signaux électriques
Fondés sur des flux d’ions à travers la membrane plasmique
(perméabilité sélective à certains ions)
L’intérieur de la cellule a un potentiel de repos négatif
Le potentiel d’action rend le potentiel transmembranaire
momentanément positif
PA : Rôle dans le TRANSFERT d’informations
1- Composition ionique (en mM)
des milieux intra- et extracellulaires
Na+
K+
Cl-
Ca2+
EXT
140
5
147
1
INT
14
140
14
0.0001
EXT
K+
Na+
INT
K+
Na+
Au niveau de la membrane :
Les phénomènes électriques sont dus :
- Différences de concentration ionique
-perméabilité sélective
2 sortes de protéines
Pompes à ions :
transport actif à l’encontre du gradient, soit vers l’ext , soit vers l’int
Canaux ioniques :
permettent aux ions de franchir la membrane , selon leur gradient
de concentration
2- les canaux ioniques
phosphorylation
-Canaux ioniques ouverts
en permanence : contribution
au potentiel de repos
-Canaux ioniques qui s’ouvrent
ou se ferment
en réponse à un stimulus
neurotransmetteur
Voltage - gated
3- La POMPE Na / K / ATPase
Comment sont maintenus les gradients de concentration?
Ils sont maintenus par des pompes ioniques situées dans
la membrane cellulaire.
Ces pompes maintiennent les ions Na+ en dehors du
neurone et les ions K+ dans le secteur intracellulaire.
En consommant 1 ATP, elle fait sortir 3 ions Na+ de la
cellule et en même temps fait entrer 2 ions K+ à l’intérieur
et ceci contre le gradient de concentration, d’où la
dépense d’énergie.
4- Le potentiel d’équilibre d’un ion
Lorsque l’équilibre électrochimique
(pour un ion donné) est atteint,
Il existe une différence de potentiel électrique
de part et d’autre de la membrane
Cette ddp est le POTENTIEL d’EQUILIBRE de l’ION considéré (E ion)
Potentiel qui résulterait du passage d’une seule catégorie d’ion
À travers la membrane
Si la membrane était seulement perméable au Na+, le potentiel de membrane
Serait égal au potentiel d’équilibre ENa
Si la membrane était seulement perméable au K+, le potentiel de
membrane Serait égal au potentiel d’équilibre Ek
L’équation de NERNST permet de calculer sa valeur
E ion = RT ln
ZF
[ion] ext
[ion] int
R : constante des gaz parfaits
T : température absolue
Z : valence de l’ion (ex : +1 pour K+, et Na+; -1 pour Cl-; +2 pour Ca2+)
F : Faraday
À 20 °C , RT/F = 25 mV
5- Le potentiel de membrane
Microélectrode (pointe fine , de l’ordre du µm)
Remplie d’un liquide conducteur
Potentiel de repos : -70 mV
Ce potentiel est le résultat d’une différence de concentration
en ions de part et d’autre de la membrane et de la
perméabilité sélective de la membrane cellulaire en regard
de certains ions.
Le potentiel de membrane
potentiel trans-membranaire de repos
ext
+
int
-
La membrane
est polarisée
potentiel membranaire positif par rapport au PR
Si
DEPOLARISATION
PR
Si
potentiel membranaire plus négatif que le PR
HYPERPOLARISATION
Equilibre électrochimique dans un milieu à plusieurs ions
Équation de Goldman
potentiel de
membrane est la résultante des
Le
différences de concentration des
différents ions et de la plus ou moins
grande perméabilité qu’elle présente
à leur passage
Valeur moyenne :-70 à -90 mV
Le gradient électro-chimique (driving-force)
Pour traverser la membrane , un ion est soumis à un gradient électro-chimique =
Potentiel de membrane de la cellule – potentiel d’équilibre de l’ion considéré
Vm – E ion
6- génèse du potentiel d’action
Influx nerveux ou potentiel d’action
Variation transitoire du potentiel membranaire
Déclenché suite à une stimulation – Se propage au niveau de
l’axone
Tous les neurones n’ont pas le même seuil
Le PA se propage que dans un seul sens, ne diminue pas avec la
distance
Génèse et enregistrement d’un potentiel d’action
Électrode de référence
Microélectrode
d’enregistrement
Lorsqu'un axone se dépolarise, pour une
certaine valeur du potentiel de
membrane ("valeur seuil« ), une brusque
(environ 1 msec)
et ample inversion de la polarisation
membranaire apparaît
= On passe d'une valeur négative de - 50 mV
à une valeur positive de + 40 mV, soit une
variation de 90 mV (pic).
La phase de descente du PA est très rapide
(1 à 2 msec),
le potentiel de membrane revenant alors
vers son niveau initial.
à la fin de la phase de descente, le potentiel de
membrane atteint une valeur plus négative que
le niveau de son potentiel de repos
(l'axone s'hyperpolarise).
Le retour à la valeur de potentiel initial se fait
relativement plus
lentement (quelques msec).
Périodes réfractaires
Absolue : le neurone
ne peut répondre à une
nouvelle stimulation
Relative : le neurone
peut répondre à une
nouvelle stimulation si
supra - liminaire
Loi du tout ou rien
Pour qu’il y ait potentiel d’action, la dépolarisation au point
stimulé doit dépasser un certain seuil (~ - 40 à ~ - 50 mV ).
Le stimulus 1 (S1) est plus petit que S2 qui est plus petit que S3. Seul
S3 provoque une dépolarisation qui atteint le seuil du neurone.
Zone gâchette
Les potentiels d'action prennent
toujours naissance en un point de
l'axone appelé zone gâchette.
gâchette
La zone gâchette est généralement
située à la racine de l'axone, près
du corps cellulaire.
Si la polarité de la membrane du corps cellulaire
dépasse le seuil, alors la zone gâchette déclenche un
potentiel d'action qui se transmettra dans l'axone.
La fréquence des potentiels produits est plus grande
si le stimulus est fort.
conduction des PA
Phénomène électrique
rapide
Vitesse (mammifères) :
20 à 100m/s
Propagation sans atténuation
le long des axones
Propagation de proche en proche
Grâce aux COURANTS LOCAUX
Neurones myélinisés
Création successive du PA le long de l’axone qui vont s’éloigner du
site de l’excitation initiale.
•Dans ce cas, le PA se propage par conduction saltatoire.
Vitesse élevée jusqu’ à 120 m/s
B- Qu’est-ce qu’un potentiel électrotonique ?
Etude des courants transmembranaires
*On ajoute dans le milieu
extra-cellulaire une substance
modifiant
l’ouverture des canaux
* On injecte
un courant
à l’intérieur de la cellule
Potentiel électrotonique :
cas ou l’expérimentateur modifie le potentiel de membrane
1ère électrode enregistre le pot Mb (V)
2nde électrode
L’intérieur est rempli de KCl (conducteur)
+ fil d’argent chloruré connecté au générateur de courant
Application d’un courant + : les ions Cl- viennent se fixer sur le fil
= on crée dans l’électrode un excès de K+
par rapport aux ions Cl- libres
- Ions K+ en excès sortent ds le milieu intracell
- Excès de charges +
- Augmentation du gradient électro-chimique pour le K+
Courant +
Courant sortant de K+ égal au
Courant injecté par la pipette
dépolarisation
Électrode
permettant
d’imposer
le courant
Électrode
d’enregistrement
du potentiel
de membrane
Echelon de
Courant +
dépolarisation
Echelon de
Courant -
hyperpolarisation
Les réponses dépolarisantes ou hyperpolarisantes suite à
L’injection de courants à l’intérieur de la cellule sont appelées
Potentiels électrotoniques
= mode d’enregistrement « en courant imposé »
C-La synapse
synapse électrique
Dans la synapse électrique, les
membranes des deux neurones
sont reliées par des jonctions
communicantes,
parfois appelées également nexus.
Les ions se transmettent
donc d'une cellule à une autre,
ainsi que la dépolarisation
membranaire associée.
L'influx nerveux se transmet sans
intervention de
neurotransmetteur.
La SYNAPSE : étape de communication chimique
1 mm3 de substance grise du cortex peut contenir 5 milliards de synapses.
1 neurone peut présenter des centaines de synapses
Plasticité cérébrale:
Des milliards de milliards de synapses
Épines dendritiques
Les zones de contacts
Synaptiques peuvent
Se modifier
(via effet de l’environnement
Ou de l’activité nerveuse)
-axo-dendritiques
et
-axo-épineuses
-axo-somatiques
-axo-axoniques
Région pré-synaptique (axone)
Vésicule contenant
le neuromédiateur
Fente synaptique
Région post-synaptique
(soma, dendrite ou axone)
Récepteurs post-synaptiques :
Fixation du neuromédiateur
Dépolarisation de la membrane du bouton synaptique
Ouverture de canaux à Ca++ tensiodépendants
dans la membrane du bouton et entrée de Ca++
Libération par exocytose du
neurotransmetteur dans la fente synaptique
Le neurotransmetteur se fixe sur son récepteur
sur le neurone postsynaptique
La fixation du neurotransmetteur provoque
l’ouverture de canaux ioniques
La libération par exocytose
Cycle vésiculaire et leur Fusion induite par l’entrée de Ca2+
Récepteur IONOTROPE
Fixation du neuromédiateur
Ouverture du canal
Passage d’ions
Recepteurs
ionotropiques
Récepteurs METABOTROPES
- protéines ancrées dans la membrane
- couplée à la protéine G
-activation d ’un 2nd messager intra-cellulaire (AMPc...
-ouverture de canaux ioniques
Un neurotransmetteur ne peut faire effet que s'il se fixe
à son récepteur.
Il peut exister plusieurs récepteurs différents pour un
même neurotransmetteur..
Ex. Il y a 2 sortes de récepteurs à
l'acétylcholine:
• Les récepteurs nicotiniques
• Les récepteurs muscariniques
La muscarine (un substance toxique présente dans
certains champignons) n'agit que sur les récepteurs
muscariniques.
La nicotine du tabac n'agit que sur les récepteurs
nicotiniques.
Destinées du médiateur
L’action du NT est de très courte durée:
1.
Dégradation par enzymes
dans la fente synaptique.
2. Recaptage par des cellules
gliales ou par le bouton
synaptique.
3. Diffusion hors de la fente
synaptique
3
2
1
Chaque neurone reçoit des terminaisons PPSE et
des terminaisons PPSI
Ex. neurone moteur
S’il y a plus de
PPSE que de
PPSI le neurone
moteur est
dépolarisé audelà du seuil et
il y a influx.
S’il y a plus de PPSI que de PPSE le neurone moteur ne
se dépolarise pas jusqu’au seuil. Il n’y a pas d ’influx.
Sommation spatiale et
sommation temporelle
Purves et al., Life, Sinauer Associates, Inc. p. 788
Autorécepteur pré-synaptique
Pour être considéré comme un neurotransmetteur,
neurotransmetteur une
molécule doit répondre à plusieurs critères.
Elle doit être :
- produite à l'intérieur d'un neurone, retrouvée dans ses
boutons terminaux,
- relâchée à l'arrivée d'un potentiel d'action
- doit produire un effet sur le neurone post-synaptique.
- après libération, elle doit être désactivée rapidement
- son application expérimentale sur le neurone post-synaptique
doit avoir le même effet que lorsqu'elle est relâchée par un
neurone.
Neuromodulateurs :
- Intéraction avec des récepteurs
extra-synaptiques
- rôle dans la régulation synaptique
- peut ne pas avoir d ’effet propre
- parfois : diffusion à travers les
membranes
(NO, dérivés de l ’acide arachidonique..)
les grandes familles chimiques
- acétylcholine
-monoamines :
*catécholamines : dopamine, noradrénaline
*indolamine : 5-HT
*imidazolamine : histamine
-acides aminés :
*excitateur : glu, asp
*inhibiteur : GABA, glycine
-peptides:
peptides
*tachykinines : substance P
*opioïdes : dynorphine, enképhalines, b-endorphine
*neurohormones et facteurs de libération de neurohormones
neuropeptide Y, CCK, neurotensine, galanine etc….
-bases puriques : adénosine et leurs dérivés (ATP, GTP)
NEUROTRANSMETTEUR
FONCTION
PATHOLOGIES
ASSOCIEES
Acétylcholine
neurotransmetteur excitateur
très répandu qui déclenche la
contraction musculaire
maladie d'Alzheimer
Dopamine
contrôle du mouvement et de
la posture, module l'humeur.
maladie de Parkinson.
GABA
neurotransmetteur inhibiteur
très répandu, régule l'anxiété
crises d'épilepsie et maladie
d'Huntington.
Glutamate
excitateur majeur, associé à
l'apprentissage et la mémoire.
maladie d'Alzheimer
Noradrénaline
important pour l'attention, les
émotions, le sommeil, le rêve
et l'apprentissage.
troubles de l'humeur comme
la maniaco-dépression.
Sérotonine
régule le sommeil, l'humeur,
l'appétit et la douleur.
dépression
Cannabinoïdes endogènes :
anandamide
Années 90
(du sanskrit ananda : « félicité »)
2- arachidonyl glycérol
Identification des récepteurs cérébraux :
CB1 et CB2
Système d ’endocannabinoïdes
Serait impliqué dans la régulation de
différents processus:
-apprentissage
-prise alimentaire
-perception douloureuse
-coordination motrice
Ameri, A. , 1999. The effects of cannabinoids on the brain.
Progress in Neurobiology. 58:315-348
Monoxyde d’azote
le calcium se lie à la calmoduline qui active la NO-synthétase.
rôle exact
du NO …?
Action
sur l’élément
pré-synaptique
messager rétrograde
D-La jonction neuromusculaire
• Acétylcholine
Neurotransmetteur de nombreux neurones dans le SNC.
Neurotransmetteur des jonctions neuromusculaires.
1 cellule musculaire innervée par 1 seul motoneurone
1 motoneurone innerve plusieurs fibres musculaires
(mammifères : entre 20 et 500)
= UNITE MOTRICE
ensemble des fibres innervées par le même motoneurone
Contraction synchrone
Assure la posture etc…
La fibre musculaire striée: une cellule de très grande taille
Peut atteindre 30 cm chez l’Homme
-Attachée à l’os par ses extrémités
-entourée d’une lame basale
La fibre musculaire :
ensemble de cellules dont le cytoplasme a fusionné
(présence de nombreux noyaux)
Sarcoplasme (protéines contractiles)
sarcolème
-région conductrice
-région réceptrice de la commande nerveuse (1% de la mb)
Contient des canaux ioniques dont
l’ouverture dépend de la fixation d’ ACETYLCHOLINE
= zone de la mb appelée PLAQUE MOTRICE
= région post-synaptique de la JNM
Vue globale d'une jonction neuromusculaire.
neuromusculaire
1.Axone
2.Jonction
3.Fibre musculaire
4.Myofibrile
Vue détaillée d'une jonction.
1.Élément pre-synaptique
2.Sarcoplasme
3.Vésicules synaptiques
4.Mitochondrie
Si fixation d’Ach : variation lente du pot de membrane
(Pot de PLAQUE MOTRICE)
Dépolarisation locale
Va exciter la membrane conductrice
(excitable : modification de la perméabilité à certains ions)
-la dépolarisation parvient à proximité des citernes du reticulum
Endoplasmique – propagation dans les tubules transverses
-La dépolarisation arrivant dans les tubules augmente
la c° en Ca2+ cytoplasmique :
•Activation de canaux calciques voltage-dépendants dans la mb
du tubule transverse
*libération de Ca2+ à partir du reticulum endoplasmique
La Contraction musculaire
en l’absence de calcium, la myosine ne peut pas interagir avec l’actine car
ses sites de liaison sont occupés par une autre protéine, la troponine.
Le calcium qui arrive suite à un potentiel d’action musculaire va se fixer
sur la troponine :
1) exposer les sites d’interaction de la myosine
2 )modifier la forme d’une autre protéine, la tropomyosine,
qui va pour sa part libérer les sites de fixation spécifique
de la myosine présents sur la molécule d'actine.
E-Phénomène de potentialisation synaptique
Une région du cerveau : l’hippocampe
Bliss et Lomo, 1973
mise en évidence du phénomène de
POTENTIALISATION à LONG-TERME
Mécanisme de renforcement des connexions synaptiques
Recepteur NMDA au glutamate
Ions calcium
glutamate
Stimulation normale
PRE
ext
Mg 2+
POST
int
NMDA
AMPA
Na+
Transmission
synaptique
Stimulation tetanique
PRE
ext
Mg 2+
POST
int
NMDA
Ca2+
P
Structural changes
AMPA
Mécanisme cellulaire de la LTP
-propagation de l ’influx nerveux via la stimulation
du récepteur AMPA
-activation du récepteur NMDA (bloqué par Mg2+)
-entrée de Ca2+
-activation de KINASES (calmoduline kinase II, MAP kinases)
-phosphorylation des récepteurs
au glutamate (NMDA et AMPA)
On sait par exemple que les
récepteurs AMPA
vont être phosphorylés par la
PKA, leur permettant
de rester ouverts plus longtemps
suite à la fixation
de glutamate.
Ceci entraîne par conséquent une
plus grande
dépolarisation post-synaptique et
contribue
ainsi à l'établissement de la LTP.
-phosphorylation de facteurs de transcription
& activation génique
dendrite
Stimulus
Modifications
du
phénotype
modification du
cellulaire
protéines
phénotype cellulaire
ARNm
Cytoplasme
Facteur de
transcription
ADN
noyau
On peut dire que la LTP comporte au moins deux phases :
l'établissement (ou induction) qui dure environ une heure
le maintien qui peut perdurer durant plusieurs jours.
(nécessite la synthèse de protéine)
La Potentialisation à long terme
est une illustration de la plasticité cérébrale
On suppose qu ’elle pourrait
sous-tendre les phénomènes
d’apprentissage et de mémorisation
Differentes sortes d’epines dendritiques
Formation des epines dendritiques
Environnement normal
Augmentation des
Ramifications dendritiques
au niveau de certains
neurones de l ’hippocampe
Environnement enrichi