Stage de Pré-Rentrée UE3 Biophysique

Stage de Pré Rentrée 2011
Electrophysiologie
Séance préparée par Victor GATTO (ATM²)
ELECTROPHYSIOLOGIE
I. Electrocinétique (charges électriques se déplaçant dans un milieu
conducteur créant un courant électrique.)
I.1. L'intensité du courant
I.2. Résistance électrique
I.3. La loi des noeuds de Kirchoff
I.4 Résistance en série/parallèle, notion de résistance équivalente
II. Electrophysiologie (étude de l'électricité produite par les êtres vivants)
II.1. Dépolarisation/repolarisation des cellules excitables
II.2. Potentiel électrique crée à distance à par une cellule excitable
III. Electrocardiographie (enregistrement de l'activité électrique du coeur)
III.1. Les dérivations
III.2. La fréquence cardiaque
Ce cours d'électrophysiologie traité par Mr Faurous a fait l'objet d'une seule
question l'an dernier au concours parmi les 20 d'UE3-1, il n'est néanmoins pas à
négliger (comme n'importe quel cours) car il se pourrait qu'il y en ait plus cette
année!
I. Electrocinétique
I.1. Intensité du courant
L ’intensité i (en Ampère) correspond au nombre de charges (en Coulomb) qui
traversent une section droite de conducteur par unité de temps (en seconde).
I=dq/dt
L'intensité est mesurée avec un ampèremètre branché en série dans le circuit.
Le courant électrique va dans le sens des potentiels décroissants (convention).
C ’est l ’inverse du sens de déplacement des électrons.
Il existe deux types de courant:
-Le courant continu, intensité notée I constante au cours du temps.
-Le courant alternatif, intensité notée i varie selon une fonction sinusoïdale.
I.2. Résistance électrique
Elle est due au passage des électrons dans le conducteur. Ceux-ci se
heurtent aux électrons du conducteur qui les freinent. On a alors un
dégagement de chaleur et une limitation de l’intensité.
Si une portion de circuit ne consomme de l ’énergie électrique que par sa
résistance, alors la d.d.p. U (en Volt) et I (en Ampère) sont directement
proportionnelles et liéés par une constance de proportionnalité appelée
résistance, notée R et exprimée en Ohm (  ):
loi d ’Ohm: U=RI
Pour mesurer une tension on utilise un voltmètre branché en dérivation,
aux bornes du dipôle.
Remarque: Dans un circuit idéalement conducteur, c’est-à-dire sans
résistance, il n'y a pas de d.d.p.
Application biologique: Le passage de courant électrique d’origine externe
dans le corps s'appelle électrisation, si le sujet meurt alors c'est une
électrocution.
Quelques chiffres: - L ’intensité maximale tolérable est de 5 mA.
- On lâche prise dès 8 mA
- Au dessus de 10 mA on a des spasmes musculaires
- Au dessus de 50 mA il y a risque vital car fibrillation
ventriculaire
La résistance du corps est d ’environ 106 Ohm, elle n’est plus que de 103
Ohm si le corps est mouillé!
Origine de la résistance d'un fil conducteur:
Soit un fil conducteur cylindrique et homogène, de longueur L et de
surface de section S, sa résistance vaut alors :
•
R=ρ. L/S
ρ est un coefficient de proportionnalité qui dépend de la nature du
conducteur, et que l'on appelle résistivité.
•
Conséquence de la loi d'Ohm: L'effet Joule
Les chocs entre électrons libèrent de la chaleur (perte énergie électrique)
selon la loi suivante :
ΔQ (en Joule) = RI²ΔT
(principe du grille-pain)
I.QCM 1.
Soit un fil de cuivre de section S=10cm² et de longueur L=10m. La tension
aux bornes du fil est de 230V. En une seule seconde 6,25.1019 électrons
traversent le fil.
Parmi les propositions suivantes, lesquelles sont exactes?
a) L'intensité I est égale à 10A
b) La résistance R est égale à 2300 Ohm
c) La résistivité ρ est égale à 2,3. 10-2 ω.m-1
d) La puissance dissipée par effet Joule sous forme de chaleur est égale
à 2300W
e) Si un individu touche ce fil et la terre en même temps, il y a danger
de mort
f) Toutes les propositions précédentes sont fausses
I.3. Loi des noeuds de Kirchoff
Un point O est appelé noeud lorsque qu'au moins 2 fils conducteurs se
rencontrent en ce point:
- Il n'y a alors pas d'accumulation d'électricité en O,
-le nombre de charges qui arrivent en O (somme des intensités qui
arrivent) est égal au nombre de charges qui en repartent (somme des
intensités qui en repartent) dans le même intervalle de temps.
Sur le schéma ci-dessous, la relation suivante est vérifiée: Ia+Ib = Ic+Id
I.4. Résistance en série/parallèle,
notion de résistance équivalente
• Soit deux résistances R1 et R2 montées en série (c'est-à-dire l'une après l'autre) entre
deux points A et C d'un fil conducteur et soumise à une d.d.p Va-Vc, on appelle résistance
équivalente R la résistance qui mise à la place des précédentes entre A et C ne provoquent
pas de modification de l'intensité I.
On a dans ce cas :R=R1+R2
• Si maintenant on branche les résistances R1 et R2 en parallèle (c'est-à-dire l'une à côté de
l'autre) entre deux point A et B d’un conducteur soumis à une d.d.p Va-Vb.
On a dans ce cas: 1/R=1/R1+1/R2
L’intensité I du courant électrique se répartit en deux intensités I1 et I2 respectivement
dans les branches du circuit de résistances R1 et R2 de sorte que (loi de Kirchoff) I=I1+I2
II. Electrophysiologie
Toutes les cellules du corps humains sont polarisées, c'est-à-dire qu'il
existe une d.d.p. entre la face externe et la face interne de la membrane
cellulaire. La face externe est chargée positivement, la face interne
négativement.
II.1. Dépolarisation/repolarisation des
cellules excitables.
Dépolarisation: Il s’agit d’une inversion de polarité (due à une entrée d’ion
positifs dans le cellule). La d.d.p. Vint-Vext est alors transitoirement >0.
Certaines cellules dites excitables comme les cellules myocardiques, nerveuses
ou musculaires sont capables de se dépolariser sous l’effet d’un stimulus
d’intensité suffisante.
Dans ces conditions, après l’excitation, un front de dépolarisation (ou front
d’excitation), sépare la partie excitée et la partie au repos et se propage d’un bout à
l’autre de la cellule, jusqu’à ce que l’inversion de polarité ait gagné toute la
cellule.
Repolarisation: Il y a ensuite une repolarisation de la cellule : le front de
repolarisation (ou front de désexcitation) balaye la cellule d’un bout à l’autre et
celle-ci se retrouve ensuite dans son état initial de cellule polarisée au repos.
Dépolarisation
Repolarisation
II.2. Potentiel électrique produit à
distance par une cellule excitable
Cette partie est imagée mais la démonstration rigoureuse est trop complexe et trop longue
pour être traitée lors du SPR. Elle sera démontrée par le professeur pendant l'année, ou un
tuteur à la fin de la séance... Retenez pour l'instant le principe qui est la base des
enregistrement en électrophysiologie.
Un dipôle est constitué de deux charges +q et -q séparées d'une distance
L quelconque. On lui associe un moment dipolaire M.
Potentiel électrique crée à distance d'un dipôle: Soit un point P
quelconque de l'espace situé à distance de +q et -q.
Le potentiel en P dû au dipôle est égal à la somme des potentiels en P dus
à chacune des charges qui le constituent. Il est proportionnelle à la
projection du vecteur M sur l’axe OP.
Schéma d’un dipôle:
• Toute cellule en cours de dépolarisation ou de repolarisation produit, en
un point P situé à distance, un potentiel électrique analogue à celui d’un
dipôle dont le moment M a son origine au milieu du front de propagation
et est toujours orienté de la partie excitée vers la partie au repos.
• La valeur du vecteur M augmente jusqu’à atteindre sa valeur maximale à
mi-cellule et diminue ensuite pour s’annuler en fin de dé ou repolarisation.
Soient Vp le potentiel enregistré au point P, M le moment dipolaire, Up le
vecteur de direction OP.
On note:
- O le milieu du front de dépolarisation,
- d la distance OP et
- K/ε une constante.
Vp =
k Mcos(  ) k M .Up


d²
 d²
Le potentiel enregistré aura un signe qui dépend de l’ angle entre M et
U P.
La position de l'électrode P influera sur le signe du potentiel.
• Lorsque le front de dépolarisation se dirige vers une électrode placée en
P, le potentiel enregistré en P est positif.
• Lorsque le front de dépolarisation s’éloigne de P le potentiel enregistré
en P est négatif.
• C’est évidemment le contraire pour le front de repolarisation : lorsqu’il
s’approche de P le potentiel en P est négatif ; lorsqu’il s’éloigne de P le
potentiel en P est positif.
III. Electrocardiographie
On ne parlera pas durant cette séance d'une partie très importante qui est l'activité
électrique du coeur (son origine, ses variations, son interprétation, l'axe du coeur...). La
séance est trop courte pour tout traiter et pour la majorité d'entre vous il serait trop
difficile et inutile de tout assimiler maintenant. Les bases énoncées pendant toute cette
séance vous permettront de dégrossir le travail!
III.1. Les dérivations
• L'activité électrique du coeur est à l'origine d'une d.d.p. variant de façon cyclique
au cours du temps et qui peut être enregistrée entre deux points de l'organisme
correctement choisis.
• L'enregistrement de l'activité électrique du coeur constitue
l'électrocardiogramme (ECG).
• Le temps est mesuré horizontalement et la d.d.p. dans les dérivations est mesurée
verticalement.
On définit (et place les électrodes aux endroits indiqués sur ci-dessous):
Les 6 dérivations périphériques: D1, D2, D3, VR (électrode au poignet droit), VL (poignet
gauche), VF (cheville gauche) dont les électrodes sont réparties dans le plan frontal, aux
extrémités des membres.
– VR, VL et VF sont des dérivations unipolaires, on enregistre la d.d.p. électrique entre
une des trois électrodes précédentes et un point dont le potentiel reste nul à tout instant
appelé la borne centrale de Wilson.
VR+VL+VF = 0
Ces dérivations doivent être amplifiées par un facteur a=1,5 pour pouvoir être comparée
aux dérivations bipolaires (amplifiées de 3.)
On a donc aVF=1,5VF, aVL=1,5VL et aVR=1,5VR
– D1, D2 et D3 sont des dérivations bipolaires aussi appelées dérivations standard.
• D1 est la d.d.p. « poignet gauche moins poignet droit » ; D1 = VL – VR
• D2 est la d.d.p. « cheville gauche moins poignet droit » ; D2 = VF – VR
• D3 est la d.d.p. « cheville gauche moins poignet gauche » ; D3 = VF – VL
Conséquence: D1 + D3 = ( VL – VR ) + ( VF – VL ) =VF – VR= D2
III.QCM 2
Au cours d’une dépolarisation ventriculaire, vous obtenez les
enregistrements ECG, à un temps t, aVF = 1,5 mV et DIII = 0 mV,
Vous en déduisez :
A)DI =3mV B) VR = - 3 mV C) VL = 1,5 mV D) DII = 3 mV E) DI=2mV
F) Toutes les propositions précédentes sont fausses.
Les 6 dérivations précordiales: V1 à V6 dont les électrodes sont
réparties dans le plan transversal, sur le thorax, à hauteur du cœur.
En pratique, toute dérivation, qu’elle soit périphérique ou précordiale,
correspond à un point de vue à partir duquel on observe le cœur. Si l’on
joint ce point d’observation avec un point centré sur le cœur, on définit un
axe d’observation qui caractérise cette dérivation, et que l’on convient
d’orienter vers l’observateur.
Ce système d’axes, situés dans le plan frontal forme les 6 axes Bailey.
III.2 La fréquence cardiaque
La fréquence cardiaque: Elle fait partie des tous premiers paramètres à
observer, chez l'adulte.
• La fréquence cardiaque normale se situe entre 60 et 100 battements par
minute (bpm) avec une moyenne de 72 bpm.
• Au dessous de l'intervalle on parle de bradycardie et au dessus de
tachycardie.
Sur un ECG, un millimètre correspond à un petit carreau et vaut 0,04s.
La durée d’un cycle cardiaque correspond à n petits carreaux qui peuvent être
comptés sur l’intervalle RR, c'est-à-dire l’intervalle entre deux ondes R (les
ondes positives les mieux visibles).
Une minute correspond à 1 500 petits carreaux, par conséquent si la
valeur de n est stable, la fréquence cardiaque vaut f=1500/n bpm.
Si le cœur est régulier, le nombre de battements cardiaques par minute est
égal à 1500 divisé par le nombre de petits carreaux n qui séparent deux
ondes R successives.
Si l'on compte les grand carreaux (5mm) alors f=300/k bpm où k est le
nombre de grands carreaux entre deux ondes R.