Vidéo: Introduction à l'électrophysiologie des neurones

Les neurones sont les super-héros électriques de votre corps. Ils reçoivent, intègrent, génèrent, propagent et transmettent des signaux électriques qui font vibrer votre cerveau et bouger vos muscles. Mais voici la vérité choquante : toute cette capacité électrique repose sur de minuscules particules chargées appelées ions. Ce sont ces héros méconnus qui, en coulisses, pilotent l'activité bioélectrique qui maintient vos neurones en activité ainsi que votre corps et votre esprit en mouvement.

Pour comprendre comment ces signaux sont générés, nous devons d'abord décrire la structure et la fonction de la membrane cellulaire d'un neurone et son rôle dans les événements électrochimiques nécessaires au fonctionnement neuronal.

Bienvenue sur ce tutoriel sur les fondamentaux de l'électrophysiologie des neurones.

Alors, qu'entend-on exactement par électrophysiologie neuronale ? Eh bien, tout cela concerne les propriétés électriques des neurones, qui sont, comme nous le savons, les principales cellules du système nerveux. Nous allons découvrir ce qui provoque ces propriétés et ce qui arrive au neurone lorsque ces propriétés sont modifiées. Maîtriser ces concepts vous aidera ensuite à comprendre précisément comment les neurones reçoivent, génèrent, conduisent et transmettent des signaux, et comment tout cela contribue à leurs fonctions et à leurs comportements.

Toutes les cellules sont électriquement actives, ce qui signifie qu'elles utilisent des signaux électriques pour diverses fonctions et qu'elles obéissent toutes à la loi d'Ohm, définie comme “tension égale courant multiplié par résistance”. Dans le cas de la cellule, le courant désigne le flux ou le mouvement de particules chargées appelées ions, tandis que la résistance ou le contrôle du mouvement de ces ions, dans ce cas, est principalement lié à la membrane cellulaire.

Ce sont ces deux éléments qui sont fondamentalement responsables des propriétés électriques d'un neurone. Pour faire simple, la tension désigne la force nécessaire pour déplacer des particules chargées d'un endroit à un autre. Elle est principalement causée par les différences de concentration de particules chargées, comme les ions, à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Nous y reviendrons plus tard dans ce tutoriel.

Parlons maintenant des ions.

Les ions sont des atomes ou groupements d’atomes qui ont acquis une charge électrique nette positive ou négative. Cette charge résulte d'une quantité inégale de protons ou d'électrons dans leur composition. Les ions positifs sont appelés cations ; dans le cas des neurones, les cations dont on parle généralement sont le potassium, le sodium et le calcium. Les ions négatifs sont appelés anions, comme par exemple le chlorure.

Chimiquement, lorsque des ions sont placés dans une solution sans barrière physique les séparant, ils finissent par se répartir uniformément par diffusion, ce qui signifie que leur concentration dans la solution devient homogène.

Nous savons maintenant que les neurones, comme toutes les cellules, possèdent une barrière externe appelée membrane cellulaire, qui contrôle les échanges entre les environnements intracellulaire et extracellulaire du neurone.

La membrane cellulaire est constituée d'une bicouche phospholipidique. Ces phospholipides possèdent une tête polaire hydrophile et deux queues hydrocarbonées hydrophobes. De ce fait, seuls les gaz, les molécules hydrophobes ou liposolubles comme les stéroïdes, et les petites molécules polaires comme l'eau peuvent traverser la membrane cellulaire. Les molécules plus grosses comme les protéines ou les sucres ne peuvent pas la traverser passivement. Les particules chargées, comme les ions hydrophiles qui sont attirés par l'eau, ne peuvent traverser la membrane cellulaire sans assistance non plus.

La présence de la membrane cellulaire et son imperméabilité aux ions rendent donc le mouvement des ions par diffusion impossible, ce qui entraîne des concentrations ioniques différentes à l'intérieur et à l'extérieur du neurone.

Dans le cas d'un neurone, la concentration de sel, ou d'ions sodium, est élevée à l'extérieur, tandis que sa concentration est faible à l'intérieur. Inversement, la concentration d'ions potassium est élevée à l'intérieur du neurone, tandis que sa concentration est faible à l'extérieur.

Et lorsqu'une distribution inégale d'un ion comme celle-ci se produit, des gradients de concentration chimique entrent en jeu, ce qui signifie que les ions cherchent à se déplacer des zones de forte concentration vers les zones de faible concentration jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Mais, puisque les ions sont également des particules chargées qui peuvent être positives ou négatives, il faut également garder à l'esprit que les charges opposées s’attirent, ce qui peut entraîner la présence d’un gradient électrique.

Si l'on suppose qu'un côté d'une membrane est plus positif et l'autre plus négatif, un ion positif tend à se déplacer vers la zone négative et un ion négatif vers la zone positive jusqu'à ce qu'il y ait une répartition égale d'ions chargés positivement et négativement de chaque côté. Nous verrons bientôt que ces gradients chimiques et électriques peuvent se combiner pour former un gradient électrochimique qui contribue à la première propriété électrophysiologique des neurones que nous allons découvrir, appelée potentiel membranaire.

Pour être un peu plus précis, puisque les neurones sont un type de cellule excitable, nous allons appeler cela le potentiel de membrane au repos, ou potentiel de repos membranaire. Cela correspond aux différences de charges électriques à l'intérieur et à l'extérieur du neurone lorsqu'il est au repos, ou lorsqu'il ne reçoit ou ne transmet pas de signaux.

Alors, regardons notre neurone et concentrons-nous uniquement sur le potassium pour l’instant.

Voici la membrane cellulaire du neurone. Pour l'instant, supposons qu'elle soit électriquement neutre, ce qui signifie que la concentration globale d'ions chargés positivement et négativement est égale de part et d'autre de la membrane. Ajoutons maintenant une protéine transmembranaire appelée canal ionique, dont le pore permet le passage sélectif des ions entre les compartiments intra et extracellulaire. Puisque nous ne parlons que du potassium pour l'instant, nous considérerons uniquement ces canaux comme perméables au potassium.

Comme nous savons que le potassium existe en concentration plus élevée à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur, le potassium suivra son gradient de concentration des zones fortement concentrées aux zones faiblement concentrées. Les ions potassium, qui sont chargés positivement, quittent alors la cellule.

Ainsi, l'intérieur de la membrane cellulaire devient plus négatif que l'extérieur en raison de la perte d'ions potassium positifs vers l'environnement extracellulaire. Lorsque les ions potassium se déplacent vers les canaux ioniques, d'autres molécules chargées négativement, comme les protéines, tentent de les suivre, car le négatif est attiré par le positif. Cependant, la membrane cellulaire étant imperméable à ces composés, ceux-ci se concentrent à l'intérieur de la membrane cellulaire.

On observe donc une augmentation des ions positifs à l'extérieur de la membrane cellulaire et une accumulation de composés chargés négativement à l'intérieur. Cela crée un gradient électrique. Et comme les charges opposées s'attirent, certains ions potassium sont attirés à travers la membrane cellulaire, des zones plus positives vers les zones moins positives, dans la direction opposée à celle du gradient chimique.

Ces gradients, ou forces, qui attirent les ions potassium vers l'extérieur et vers l'intérieur du neurone s'équilibrent naturellement et s'annulent. Il n'y a donc aucun mouvement net d'ions en équilibre électrochimique. Autrement dit, pour chaque ion potassium quittant le neurone selon le gradient chimique, un autre est attiré vers l'intérieur par le gradient électrique. C'est à ce stade que l'on peut définir ce que l'on appelle le potentiel d'équilibre du potassium, aussi appelé potentiel de Nernst.

Le potentiel d'équilibre du potassium est d'environ -90 millivolts. Si la membrane cellulaire n'était perméable qu'au potassium, le potentiel de repos – c'est-à-dire la différence de potentiel électrique entre l'intérieur et l'extérieur du neurone – serait également de -90 millivolts. Mais en réalité, la membrane cellulaire du neurone est également perméable à d'autres ions.

Ajoutons donc maintenant un autre ion au mélange : le sodium.

Rappelez-vous que les ions sodium sont présents en plus forte concentration à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur. Ainsi, si des canaux ioniques pour le sodium, que l’on appelle canaux sodiques, sont présents, le sodium pénètre dans la cellule suivant son gradient chimique et ajoutant ainsi des charges positives à l'environnement intracellulaire. Comme le potassium, le sodium possède son propre potentiel d'équilibre, d'environ 60 millivolts.

En prenant en considération le potentiel d'équilibre des ions sodium et potassium, si tous deux peuvent traverser la membrane cellulaire en quantités égales, le potentiel de membrane au repos se situerait à mi-chemin entre les +60 et -90 millivolts. En pratique, ils ne peuvent pas vraiment se déplacer en quantités égales. Au repos, la membrane cellulaire d'un neurone est beaucoup plus perméable au potassium qu'au sodium. En fait, il y a environ 40 fois plus d'ions potassium traversant la membrane cellulaire que d'ions sodium, ce qui ne s’explique pas uniquement par le nombre de canaux, mais parce que ces canaux laissent beaucoup plus facilement passer le potassium que le sodium, selon leurs propriétés de sélectivité et la taille des ions. Cela signifie également que même si certains ions sodium positifs pénètrent dans le neurone, beaucoup plus d'ions potassium positifs le quittent.

Il en résulte un potentiel de repos plus proche du potentiel d'équilibre du potassium. Si l'on prend en compte le potentiel d'équilibre de tous les ions traversant la membrane cellulaire, comme le calcium et le chlorure, ainsi que leur perméabilité relative, on obtient un potentiel membranaire de repos d'environ -70 millivolts. Avec un tel potentiel membranaire, non nul, on peut dire que la membrane est polarisée.

Nous avons beaucoup parlé de la manière dont les gradients chimiques et électriques entraînent le mouvement des ions à travers la membrane cellulaire, mais il existe également un autre facteur que nous devons prendre en considération en ce qui concerne la concentration en ions, à savoir le transport actif.

Comme nous venons de le voir, le potentiel membranaire de la membrane cellulaire dépend des concentrations ioniques. Cependant, si elles sont maintenues au fil du temps, ces concentrations se dissipent passivement, ce qui entraîne une perte progressive du potentiel membranaire.

Pour éviter ce phénomène, des enzymes appelées ATPases sodium-potassium, communément appelées pompes sodium-potassium, compensent les pertes de sodium et de potassium dans les environnements extra et intracellulaire. Les ions sodium et potassium sont alors pompés contre leurs gradients de concentration en utilisant de l'énergie.

Pour chaque molécule d'ATP utilisée par la pompe, trois ions sodium quittent la cellule et deux ions potassium y entrent. On constate, une fois de plus, que le nombre d'ions positifs sortants est plus élevé que celui entrant (trois sortants et deux entrants), ce qui contribue à la négativité relative de l'environnement intracellulaire. Plus important encore, la pompe sodium-potassium maintient le gradient chimique global nécessaire au maintien du potentiel membranaire.

Récapitulons. Nous savons maintenant que la membrane cellulaire d'un neurone est polarisée, ce qui signifie qu'il existe des différences de charge électrique de part et d'autre de la membrane, principalement dues à la concentration et au mouvement des ions potassium et sodium. Ce sont ces différences qui définissent son potentiel de repos, dont la valeur est d'environ -70 millivolts.

Nous savons également que les neurones sont des cellules électriquement excitables, c'est-à-dire capables de générer et de propager des impulsions électriques. Un autre tutoriel sur les potentiels d'action nous apprendra que ce sont les variations du potentiel de membrane du neurone qui en sont responsables. Dans la suite de ce tutoriel, nous nous concentrerons sur les structures qui facilitent les variations de concentration ionique et de potentiel de membrane : les canaux ioniques.

Les canaux ioniques sont constitués de sous-unités transmembranaires qui s'assemblent pour former un pore et des structures accessoires. Le nombre de ces sous-unités varie selon les différentes sous-familles de canaux ioniques. En général, les canaux ioniques possèdent trois propriétés principales. Premièrement, ils facilitent la diffusion des ions. Comme nous l'avons vu précédemment, la bicouche phospholipidique de la membrane cellulaire inhibe activement le passage des molécules chargées à travers la membrane cellulaire. Les canaux ioniques permettent aux ions de les traverser passivement selon leurs gradients électrochimiques, sans consommer d'énergie.

La majorité des canaux ioniques sont hautement sélectifs, ce qui signifie qu'ils ne permettent qu'à des ions spécifiques de les traverser.

En raison de leur structure protéique unique, de nombreux types de canaux ioniques entretiennent un état fermé, ce qui empêche le passage des ions. Cependant, en réponse à divers stimuli, électriques, chimiques ou mécaniques, la structure du canal ionique peut changer, entraînant l'ouverture du pore et permettant ainsi le passage des ions.

Les modifications structurelles des canaux ioniques sont liées à des états fonctionnels spécifiques. Les canaux ioniques peuvent être classés comme étant activés, fermés ou inactivés. À l'état activé ou ouvert, les ions peuvent les traverser. À l'état fermé ou de repos, aucun ion ne peut passer. Cependant, l'introduction de stimuli spécifiques peut provoquer leur ouverture et leur activation. À l'état inactivé, les canaux ioniques ne permettent pas le passage des ions, mais ils ne peuvent pas non plus être activés, même exposés à des stimuli appropriés. Les états fonctionnels des canaux ioniques que nous venons d'évoquer sont régulés par divers stimuli.

Les canaux ioniques peuvent être classés en quatre principaux types, selon leur mode d'activation ou de désactivation et les stimuli spécifiques auxquels ils répondent.

Examinons maintenant chaque type de canal plus en détail. Commençons par les canaux ioniques de fuite. Ils restent constamment ouverts au passage des ions tout en conservant une sélectivité pour différents ions. Nous avons déjà rencontré les canaux ioniques de fuite plus tôt dans ce tutoriel, en étudiant les canaux sodiques et potassiques, qui contribuent au potentiel de repos de la membrane cellulaire.

Nous aborderons ensuite les canaux ioniques ligand-dépendants, que l’on appelle aussi récepteurs ionotropes. Ces canaux sont activés ou désactivés par un ligand. Les ligands sont des molécules qui se lient à un site spécifique appelé récepteur et qui fonctionnent généralement comme un signal pour initier un processus biologique. Dans le contexte des neurones, les ligands peuvent être une substance chimique, plus précisément un neurotransmetteur, qui se lie à un récepteur du canal ionique. Cette liaison induit l'ouverture ou la fermeture du pore du canal ionique pour permettre le passage ou non de certains ions.

Ensuite, nous avons les canaux ioniques voltage-dépendants, dits aussi tensiodépendants. Ces canaux réagissent aux variations de tension à travers la membrane cellulaire. Dans des circonstances normales, le potentiel de repos de la membrane cellulaire est négatif – rappelons qu'il se situe autour de -70 millivolts. Lorsque cette tension devient moins négative et atteint une valeur spécifique au canal voltage-dépendant, appelée seuil, le canal ionique s'ouvre et permet aux ions de traverser la membrane.

Dernier mais pas des moindres, il existe des canaux ioniques mécanosensibles. Leur ouverture résulte d'une distorsion physique de la membrane cellulaire du neurone, soit par étirement, soit par atteinte directe du cytosquelette. Cette force mécanique induit une modification de la structure du canal, entraînant l'ouverture de son pore. Ces canaux sont particulièrement importants dans les neurones sensoriels, responsables de la détection des stimuli mécaniques tels que le toucher, le son et les variations de pression.

Et voilà qui conclut le tutoriel d'aujourd'hui.

Nous vous avons présenté un premier aperçu de l'électrophysiologie des neurones et examiné l'influence des ions sur les propriétés électriques de la membrane cellulaire. Pour réviser ce contenu, consultez notre quiz et les autres ressources pédagogiques de notre unité sur ce sujet.

À la prochaine, et bonnes révisions !