Méthodes d`étude en électrophysiologie jusqu`à l`ECG

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Méthodes d’étude en électrophysiologie jusqu’à l’ECG
Notions de base : Forces, énergie, potentiel, électrostatique, électrocinétique et dipôle
électrique pouvant déboucher sur des techniques de mesure des potentiels électriques tels
que les potentiels imposés, l’électrophorèse et l’électrocardiogramme
La membrane cellulaire :
La membrane cellulaire agit comme un circuit électrique microscopique. Premièrement,
elle agit comme un condensateur qui peut être chargé électriquement de part et d’autre
puisqu’elle possède une grande surface conductrice et qu’elle est constituée de lipides (gras)
très imperméables aux charges électriques (un diélectrique isolant).
De plus, comme en électronique, la membrane cellulaire obéit à la loi d’Ohm (U=RxI) où le
voltage (U) est le produit de la résistance (R) et de l’intensité du courant électrique (I).
La tension, ou voltage, est formée par la différence entre la distribution des charges
électriques de part et d’autre de la membrane cellulaire. La source de cette différence de
répartition des charges électriques provient des pompes échangeuses d’ions.
Les courants électriques et les résistances, sont fournis par des protéines spéciales présentes
dans la membrane que l’on nomme canaux ioniques.
Cette différence de charges entre milieu extra et intra cellulaire aboutit à la création d’un
champ électrostatique qui interagit avec les échanges ioniques au travers de la membrane.
Le circuit électronique de la membrane
cellulaire:
La surface de la membrane cellulaire de lipides
agit comme un condensateur qui peut être
chargé selon les besoins du neurone.
Les canaux ioniques agissent comme des
résistances variables spécifiques à chaque ion,
tandis que les pompes échangeuses d'ions
agissent comme des chargeurs de batterie.

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I. Notion de charges électrostatiques
L’électrostatique est la partie de l’électricité qui traite des phénomènes où des charges
immobiles agissent. Lorsque les charges sont en mouvement, on parle d’électrocinétique.
Historique :
VIème siècle avt JC : les grecs avaient montré que l’ambre frotté attirait les corps légers
XVIIIème siècle : Coulomb (1736-1806) donne une explication quantitative
Expérience de base :
On frotte une tige en plastique (isolant) avec une peau puis on approche cette tige d’une
petite boule en aluminium (conducteur) suspendue à un fil de polyester (isolant).
– Au temps T0 : la tige n’est pas chargée et les charges + et – sont réparties en même
quantité sur la boule d’aluminium
– Au temps T1 : Après avoir frotté la tige, celle-ci se charge négativement et les charges
positives et négatives sur la boule d’aluminium se séparent. Les charges positives de
la boule sont attirées par les charges négatives de la tige et les charges négatives de la
boule sont repoussées par les charges négatives de la tige. La boule est alors
polarisée. C’est un dipôle.
– Au temps T2 : La boule est attirée par la tige.
 L’attraction de la boule vers la tige suppose une force d’attraction, cette force d’attraction
est plus forte quand la distance diminue. Si on éloigne la tige, la polarisation diminue en
même temps que la force d’attraction.
On a alors 2 cas :

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- Tige fortement chargée négativement (T2a)
- Tige faiblement chargée négativement (T2b)
Les charges ne disparaissent pas mais se déplacent et peuvent s’annuler.
Les charges sur le bâton sont immobiles du fait de la structure isolante du bâton sinon dans
tous les cas, il y aurait répulsion. Avec annulation des charges > 0 de la boule.
 Définition d'un isolant: matière qui ne permet pas aux charges de se déplacer

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Définition d'un supraconducteur: matière qui permet aux charges de se déplacer sans
contraintes.
Ex 1 : la MEG (magnétoencéphalographie) qui permet visualiser l’activité magnétique du
cerveau qui est négligeable par rapport au champ magnétique terrestre. On utilise des squids
qui permettent d’enregistrer des faibles variations de champ magnétique.
Ex 2 : l’électroencéphalographie qui est basée non pas sur le champ magnétique mais sur le
champ électrique.
 La loi de Coulomb:
Il existe 2 types de charges >0 (Protons) et <0 (électrons) de masse différentes notées + et –
- 2 charges de même signe se repoussent : répulsion
- 2 charges de signes différents s’attirent : attraction
L’intensité de la force entre 2 charges est proportionnelle à l’inverse du carré de la distance
séparant ces charges : I = 1/d²: plus la distance augmente, plus intensité est faible.
 Définition des charges électriques :
La charge spécifique d’une particule est fonction de sa masse : q/m
On détermine:
- La charge électrique qui est un multiple d’une charge élémentaire
avec e=1.6 10-19 C, (C) en Coulomb dans le SI
- La masse de l’électron (m=9,108 10-31 Kg)
- La masse du proton (m=1,673 10-27 Kg)
- La charge du proton (1,60210-19 C)
- La charge de l’électron (-1,60210-19 C)
Exemple de l’atome d’Hélium montrant notamment que les
électrons sont en orbite autour du noyau et que les protons font
partie du noyau.
 Définition de l’intensité du courant : variations de charges ou transport de charges par
unité de temps
I est en Ampère dans le SI : I=dq/dt
Les charges électriques se déplacent dans un circuit électrique
comme un fluide (air, eau) dans un tuyau.
Le débit représente la quantité de fluide (volume) qui passe
dans une section du tuyau pendant l'unité de temps. De même,

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l'intensité du courant représente le débit des charges électriques en un point du circuit
pendant l'unité de temps.
Pour mesurer un courant on utilise un ampèremètre.
II. Notion de force électrostatique
La force électrostatique ou l’interaction à distance entre 2 particules.
On évalue la force électrostatique exercée par une charge q1 située en un point M1 sur une
charge q2 située en un point M2. Les charges q1 et q2 étant de même signe et donc se
repoussent
 Loi de Coulomb (1785) :
 La charge q1 induit sur q2 une force
 La charge q2 induit sur q1 une force
 étant le vecteur unitaire de M1 vers M2
Ce qui est remarquable, c’est que F12=-F21
Soit: F12 = -F21 = 1/4πε0*q1*q2/d²U12
Avec :
d = distance de M1 à M2
K = 1/4πε0 = 9.109 SI
ε0 correspond à la permittivité diélectrique du vide = 8.85 10-12 F.m-1, donnée en farad dans le SI
Permittivité diélectrique : propriété d’un milieu à affaiblir les forces électrostatiques.
(Dépend du milieu)
La force est donc fonction de la charge et inversement proportionnel au carré de la distance
séparant les deux points M1 et M2.
Analogie entre la loi de la gravitation universelle et la loi de Coulomb pour la gravitation,
soit :
F12=q2*E1
Avec E1 correspondant au champ électrostatique