NEUROPHYSIO

Neurophysiologie

Pour le TD1

Développement

Introduction

Systèmes ventriculaires

CM 1

Axone

Cellule (SN)

Système nerveux

A connaître : Les trois sous-fonctions nécessaires pour répondre à ce stimulus : - capter l’information qui provient de l’environnement (systèmes sensoriels) - traiter l’information sensorielle pour en tirer une réponse/décision (systèmes associatifs) - contrôler la réponse et provoquer une réponse de l’organisme (systèmes moteurs/effecteurs)

Neurophysiologie

Pour le TD1

CM 2

Gec

Gradient électro-chimique

Canaux ionique

Flux passif

Transporteurs (ex : pompes)

énergie (ex : ATP)

Membrane

Flux actif

Flux actifs

Flux passifs

Les canaux

Transporteurs actifs

= F / P

Potentiel d'équilibre d'un ion

Formule à connaître

Flux passif passe à travers la membrane par l’intermédiaire de canaux ioniques qui laissent passer les ions permettant un flux dans le sens du gradient électrochimique.

Flux actif : les ions vont dans le sens opposé au gradient par l’intermédiaire de transporteurs qui utilisent de l’énergie (ATP)

LA PERMEABILITE La membrane est une bicouche lipidique étanche donc aucun ion ne peut passer Pour qu’il y ait perméabilité la bicouche doit être interrompue grâce à des protéines :

• - Les canaux qui permettent le transport passif des ions dans le sens du gradient électrochimique

• - Les transporteurs qui permettent un flux actif dans le sens opposé au gradient électrochimique.

Neurophysiologie

Pour le TD2

CM 3

Elément générale

Potentiel de membrane

Apprendre le graphique

Si Vi augmente ou Ve diminue alors on a une dépolarisationSi Vi diminue ou Ve augmente alors on a une repolarisation

Mécanisme du potentiel de repos

Calcul du potentiel d'équilibre

Schéma plus précis

1. Caractéristiques générales du message nerveux :

• Le message nerveux permet la contraction musculaire via les nerfs (ex: nerf sciatique).
• Il est électrique et peut atteindre une vitesse de 1 à 100 m/s.
• Le potentiel transmembranaire (Vm) est mesuré par des enregistrements intercellulaires avec microélectrodes (enregistre la différence de potentiel entre intérieur et extérieur de la cellule).

2. Potentiel de membrane (Vm) :

• Formule : Vm = Vi - Ve (Vi = potentiel intérieur, Ve = potentiel extérieur).
• Vm est négatif lorsque l’excès de charges est vers l’intérieur de la cellule.
• Potentiel de repos (PR) : Tous les neurones ont un potentiel de repos de -70 mV.

Calcul du potentiel d’équilibre :

• Utilisation de l’équation de Goldman-Hodgkin-Katz pour plusieurs ions.
• Permet de calculer le potentiel d'équilibre en fonction des rapports de perméabilités et des concentrations ioniques.

Neurophysiologie

Pour le TD2

CM 4

Déclenchement du potentiel d’action (PA) :

Rôle des canaux voltage-dépendants :

Chronologie des événements du PA :

Période réfractaire :

Propagation du PA le long de l’axone :

Transmission saltatoire dans les axones myélinisés :

Résumé de la propagation :

• Le PA nécessite un flux soudain et important de charges positives entrant dans la cellule (inversion de la polarisation), suivi d'un flux sortant pour repolariser la membrane.
• Ces flux sont dus à l'ouverture/fermeture des canaux inductibles, beaucoup plus nombreux que les canaux de fuite.

• Le PA se déplace uniquement sur l'axone car seuls les axones possèdent les canaux voltage-dépendants nécessaires.
• La dépolarisation se propage le long de l'axone en courants locaux, ce qui accélère la transmission du signal.

Dans l’encéphale il y a des noyaux sous-corticaux de SG : les noyaux gris centraux ou ganglions de la base, les noyaux de l’amygdale, les noyaux du télencéphale basal.

ENCEPHALE

INTRODUCTION

La neurophysiologie est l’étude du fonctionnement du système nerveux.La fonction globale du système nerveux d’un point de vue cellulaire est la circulation de l’information (comme le système hormonal, mais beaucoup plus rapide, la nature du signal et le destinataire sont différents). Au niveau de l’organisme, le système nerveux permet à l’organisme de répondre à un stimulus/une information de notre environnement.

- Le système ventriculaire est issu de la lumière du tube neural chez l'adulte.- Cette lumière devient 4 ventricules sans cellules dans le cerveau, déformés durant le développement.- Le 4ème ventricule, le moins déformé, est situé entre le tronc cérébral et le cervelet, en continuité avec le canal de l’épendyme.- Le 3ème ventricule se trouve au centre de l’encéphale, aligné avec l'axe de symétrie.- Les 1er et 2ème ventricules sont latéraux.

Système ventriculaire

Potentiel d'équilibre d'un ion

E (Ca2+) = +130 mV

E (Na+) = +75 mV

E (Cl-) = - 60 mV

E (K+) = - 85 mV

Potentielle de repos (-70 mV)

K+ equilibre

K+ entre

K+ sort

Na+ equilbre

Na+ entre

Na+ sort

Cl- equilbre

Cl- sort

Cl- entre

Ca2+ equilbre

Ca2+ entre

Ca2+ sort

- Potentiel d'équilibre d'un ion : correspond au potentiel de membrane où l'ion est à l'équilibre. - C'est la différence de charge entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane. - À ce potentiel, les forces chimiques et électriques qui agissent sur l'ion sont opposées et équilibrées. - Le gradient électrique est nul si la membrane n'est pas chargée et que les concentrations intra et extracellulaires sont égales.

Equation de Nernst :

Plus l’ion est chargé plus la force électrique sera forte Le potentiel d’équilibre dépend des concentrations intra et extra

Permet de déterminer l’importance de la force c’est-à-dire du gradient électrochimique qui attire l’ion Gec = Vm – E ion

- Le cervelet est une extension dorsale du métencéphale, représentant 1/10 de la masse cérébrale.- Il est organisé comme l'encéphale avec trois couches concentriques, contrairement à la moelle épinière.- Il est parfois qualifié de « mini cerveau ».- Les trois couches sont :Cortex : substance grise (SG).Régions sous-corticales : substance blanche (SB).Noyaux sous-corticaux : amas de substance grise (couche discontinue).

Cervelet

- Les neurones: - corps cellulaire (1) - axone (4) - Les cellules gliales: - oligodendrocytes (2) - astrocytes (5) - cellules microgliales (7)- Les capillaires sanguins (3) - Les cellules épendymaires (6)

Dans le SN, il existe deux grands types de cellules : les cellules gliales (la glie, à peu près autant quede neurones) et les neurones (environ 1011). Les cellules gliales sont : - les astrocytes : échange de molécules entre le sang et les neurones (nutriments et déchets), jouent un rôle dans l’étanchéité de la barrière hématoencéphalique - les cellules microgliales ou la microglie : rôle dans la défense immunitaire (même rôle que les macrophages) - les oligodendrocytes dans le SNC, équivalent des cellules de Schwann dans le SNP : forment la gaine de myéline autour des axones pour les protéger, les isoler et accélérer le signal électrique.

CELLULES (SN)

Rôle des canaux voltage-dépendants :

- Le PA résulte d'un changement brutal du flux ionique, provoqué par la variation rapide de perméabilité membranaire aux ions Na⁺ et K⁺. - Na⁺ : Très forte augmentation de la perméabilité pendant 1 ms, suivie d'une diminution rapide. - K⁺ : Augmentation de la perméabilité après celle de Na⁺, et elle dure jusqu'à la fin du PA. - Canaux Na⁺ : Trois états (fermé, ouvert, fermé inexcitable) avec une latence de 0,5 ms avant de devenir inexcitables. - Canaux K⁺ : Deux états (ouvert/fermé) avec une latence similaire pour s'ouvrir pendant la repolarisation.

- Le système nerveux central (SNC) est protégé par des structures osseuses : l’encéphale par le crâne et la moelle épinière par la colonne vertébrale.- Le système nerveux périphérique (SNP), composé des nerfs et récepteurs sensoriels, n'est pas protégé.- Il y a 12 paires de nerfs crâniens partant de l’encéphale pour innerver la partie supérieure du corps.- Il y a 31 paires de nerfs rachidiens partant de la colonne vertébrale pour innerver la partie inférieure du corps.- Le SNP inclut aussi les ganglions nerveux, où sont regroupés les corps cellulaires des neurones.

SYSTEME NERVEUX (SNC et SNP)

Transporteur actifs

Transporteurs actifs : déplacent les ions à l'encontre du gradient de concentration.- Pompes : exemple de la pompe Na+/K+ ATPase, qui expulse 3 Na+ et fait entrer 2 K+ en utilisant 1 ATP. Cette pompe maintient et amplifie le gradient des ions Na+ et K+, contribuant au potentiel de repos (faiblement, environ 1%).- Échangeurs d'ions : utilisent l'énergie d'un ion suivant son gradient pour en transporter un autre à contre-gradient (exemple : entrée de Na+ pour expulser Ca²⁺, Cl⁻, H⁺ ou faire entrer du glucose). L'énergie provient indirectement de l'ATP.- Dans les neurones, les canaux ioniques permettent un flux constant d'ions, nécessitant l'action des pompes pour maintenir les gradients. Le cerveau consomme ainsi 20% de l'énergie corporelle.

Flux Na+

Gec

P

=

Ge et Gc

[Na+]

Flux K+

Gec

P

=

Ge

Gc

[K+]

Pas de flux de charge

Mécanisme du potentiel de repos et Flux ioniques au repos :

- Dépend de deux facteurs : les gradients de concentration de K⁺ (intracellulaire) et de Na⁺ (extracellulaire), ainsi que de la perméabilité spécifique de la membrane à ces ions. - La membrane au repos est beaucoup plus perméable au K⁺ (25 à 75 fois plus) qu’au Na⁺.

Vm

[K+]

[Na+]

Ext

Int

||GNa+|| >> ||GK+||

PNa+ << PK+

Gradient de concentration :

Perméabilité :

||FNa+|| << ||FK+||

Conséquence

Flux :

- Les seuls canaux ouverts sont les canaux non inductibles (fuite). - L’équilibre est atteint car les flux de charge n’entraînent pas de changement de potentiel, même s'il y a des mouvements d’ions.

- Les axones se regroupent en faisceaux dans la substance blanche (SB) pour rejoindre des régions proches.- Les commissures sont des faisceaux d'axones reliant un hémisphère à l'autre.- La plus grosse et importante commissure est le corps calleux, qui relie l'hémisphère droit et l'hémisphère gauche.- En plus des commissures, des capsules relient différentes parties du même hémisphère.

AXONE

Gradient électrochimique

Gec = Ge + Gc

Gec = Gradientélectrochimique / Ge = Gradientélectronique / Gc = Gradientchimique

Potentiel de membrane : V𝑚 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝑒

Si Vm < 0

Ext

Int

K Na Cl Ca

Si Vm > 0

Ext

Int

K Na Cl Ca

Le gradient électrique : c’est la force qui attire les ions parce qu’ils sont chargés vers les charges opposées. Il faut qu’il ait une différence de charge entre les deux côtés de la membrane, on parle de potentielle transmembranaire.

Le gradient chimique : dépend de la différence de concentration des ions entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, une molécule va du milieu où elle est le plus concentré vers le milieu le moins concentré, l’intensité est d’autant plus forte que la différence est élevée

- Pendant cette période, la membrane est moins sensible aux stimulations, rendant la génération d’un nouveau PA difficile.- Hyperpolarisation rend plus difficile d'atteindre le seuil de dépolarisation.- Les canaux Na⁺ sont encore dans un état inexcitable, et les canaux K⁺ peuvent encore laisser passer des ions.

Période réfractaire :

La Moelle épinière

- La moelle épinière est une partie du tube neural qui a peu changé.- Elle conserve une organisation tubulaire et concentrique.- Elle est protégée par la colonne vertébrale.- Elle est composée de deux couches concentriques :- Substance grise (intérieure) : contient les corps cellulaires des neurones.- Substance blanche (extérieure) : contient les axones.- La substance blanche est riche en lipides, notamment la myéline, qui entoure et protège les axones.- Au centre se trouve le canal de l’épendyme, rempli de liquide céphalorachidien, représentant la lumière du tube neural.

- Les deux hémisphères cérébraux proviennent du développement du télencéphale, représentant 83 % de la masse de l’encéphale.- Le télencéphale est structuré en trois couches, comme le cervelet.- Les repliements du cortex sont appelés circonvolutions.- Trois circonvolutions importantes à connaître : le sillon central, la scissure latérale, le sillon pariéto-occipital.- Il existe quatre lobes principaux : frontal, temporal, pariétal, occipital.- D'autres lobes non visibles sur les schémas peuvent exister à cause des circonvolutions.

HEMISPHERE CEREBRAUX

Le diencéphale est la partie la plus centrale du cerveau, faite de trois structures importantes : le thalamus, l’hypothalamus l’épithalamus.

DIENCEPHALE

Formule à connaître

F = Gec x P

F = Flux / Gec = Gradientélectrochimique / P = Perméabilité

Gec = Ge + Gc

Gec = Gradientélectrochimique / Ge = Gradientélectronique / Gc = Gradientchimique

Vm = Vi - Ve

Vm = Potentiel de membrane / Vi = Potentiel électrique interne de la cellule / Ve= Potentiel électrique externe de la cellule

R = Constante des gaz parfaits / F = constante de Faraday (= 26.7 mV) Z = Charge de l'ion / T = Température (en Kelvin) /

Gec = Vm - Eion

Gec = Gradientélectrochimique / Vm = Potentiel de membrane / Eion = Tension électrique de l'ion

DEVELOPPEMENT DU SYSTEME NERVEUX

Lors du développement embryonnaire, trois feuillets se forment : ectoderme, mésoderme et endoderme.La neurulation, qui suit la gastrulation, met en place le système nerveux (SN) par invagination de l'ectoderme dorsal, formant un tube neural.Le système nerveux central (SNC) provient de ce tube neural, tandis que les crêtes neurales formées autour donneront le système nerveux périphérique (SNP).Le tube neural se courbe et forme trois puis cinq vésicules : télencéphale, diencéphale, mésencéphale, métencéphale et myélencéphale.Le télencéphale, qui se développe le plus, donnera les deux hémisphères cérébraux chez l'adulte.

3. Potentiel d’action (PA) :

- Déclenché lorsque le potentiel de membrane dépasse un certain seuil de -50mV (généralement +15 mV au-dessus du PR). - Phases du PA : 1. Dépolarisation : de -70 mV à +40 mV (inversion de polarisation). 2. Repolarisation : retour à -70 mV. 3. Hyperpolarisation : dépassement temporaire du PR (environ 5 mV en dessous). - Durée totale : environ 2 ms. - Le PA est un message stéréotypé (toujours le même en amplitude et en durée) qui se propage le long de l’axone.

Les canaux

- Méthode du patch clamp : permet d'enregistrer le flux à travers un seul canal ionique.- Les canaux traversent la membrane plusieurs fois et forment un port central.- Ce port agit comme un filtre, adapté à la taille et à la charge de l'ion.- La perméabilité est spécifique à chaque ion, donnant une perméabilité différentielle à la membrane.- Cette perméabilité dépend du nombre de canaux spécifiques ouverts pour cet ion.Types de canaux :- Canaux non inductibles (ou de fuite) : toujours ouverts, fonctionnent selon le gradient.- Canaux inductibles : changent de conformation, ouverts ou fermés, selon divers stimuli (voltage, ligand, température, ou étirement de la membrane).

Le tronc cérébral est l’entrée de l’encéphale, il correspond à l’intermédiaire entre l’encéphale et la moelle épinière. Il regroupe le mésencéphale, le pont et le bulbe rachidien. C’est le point de contrôle d’un grand nombre de fonction végétatives et le point de départ des nerfs crâniens.

Tronc cérébrale