Électrophysiologie Cardiaque : Potentiel d'Action et Conduction

La physiologie cardiovasculaire étudie le fonctionnement du cœur, des vaisseaux sanguins et du sang, essentiels au transport des substances vitales dans l'organisme. Ce domaine est structuré en plusieurs chapitres clés, dont l'électrophysiologie cardiaque, le cycle cardiaque, le débit cardiaque, la régulation de la pression artérielle, le système à basse pression, la circulation coronaire et la physiologie du sang.

Chapitre 1: Électrophysiologie cardiaque

L'électrophysiologie cardiaque se concentre sur les propriétés électriques du cœur qui régissent sa fonction de pompe. Elle aborde la coordination de l'activité cardiaque, les propriétés électriques intrinsèques des cellules cardiaques, l'influence du système nerveux autonome et les anomalies du rythme.

I- Coordination de la fonction cardiaque

Le cœur est une double pompe qui propulse le sang simultanément dans les circulations systémique et pulmonaire. Une contraction efficace nécessite une séquence précise : d'abord les oreillettes, puis les ventricules. La contraction est initiée par la dépolarisation de la membrane plasmique des cellules myocardiques. Les jonctions communicantes (gap junctions) assurent la propagation rapide des potentiels d'action d'une cellule à l'autre, garantissant que l'excitation initiale d'une cellule se propage à l'ensemble du cœur. Cette dépolarisation prend naissance dans le nœud sinusal (NSA) et se diffuse aux oreillettes, puis aux ventricules.

L'ensemble des phénomènes cardiaques entre deux contractions successives constitue le cycle cardiaque. Les événements électriques précèdent toujours les événements mécaniques. Le cycle comprend une phase d'activité (dépolarisation et contraction) appelée systole, et une phase de repos (repolarisation et relaxation) appelée diastole.

II- Propriétés électriques du cœur

Le myocarde est composé de trois types de cellules :

• Cellules contractiles : Les plus nombreuses, elles assurent la contraction.
• Cellules conductrices ou cardionectrices : Elles se dépolarisent spontanément et transmettent rapidement cette dépolarisation, formant le tissu de conduction.
• Cellules myoendocrines : Situées principalement dans les oreillettes, elles sécrètent des facteurs natriurétiques et régulent le bilan sodique.

A- Excitabilité

Toutes les cellules myocardiques sont excitables, répondant à une stimulation suffisante par une dépolarisation, souvent suivie d'une contraction. Cependant, leur comportement électrique varie selon leur localisation dans le cœur.

1- Polarisation: potentiel de membrane

Au repos, les cellules myocardiques sont polarisées, avec des charges positives à l'extérieur et négatives à l'intérieur. Le potentiel de repos transmembranaire est d'environ -80 mV pour une cellule ventriculaire, déterminé principalement par la conductance au potassium.

2- Activité électrique élémentaire: le potentiel d'action (PA)

Les variations de potentiel du PA dépendent de courants ioniques entrants (dépolarisants) et sortants (repolarisants) qui interviennent dans un ordre précis. Il existe deux types principaux de PA cardiaques :

• PA des cellules à dépolarisation rapide : Myocarde ventriculaire et auriculaire, faisceau de His, réseau de Purkinje.
• PA des cellules à dépolarisation lente (PA lent) : Nœuds sinusal et auriculoventriculaire.

2-1- PA des cellules à dépolarisation rapide

Le PA des cellules à dépolarisation rapide, comme les cellules contractiles ventriculaires, comporte quatre phases distinctes :

1. Phase 0 : Dépolarisation rapide
   • Une onde de dépolarisation atteint la cellule via les jonctions communicantes.
   • Ouverture des canaux Na⁺ voltage-dépendants, entraînant une entrée rapide de Na⁺.
   • Le potentiel de membrane s'inverse, atteignant +20 mV à +30 mV avant l'inactivation des canaux Na⁺.
   • L'activation du courant sodique (I_Na) est très rapide (environ 1 ms), l'inactivation est plus lente (10-15 ms).
2. Phase 1 : Début de la repolarisation (repolarisation initiale rapide)
   • Inactivation des canaux Na⁺.
   • La cellule commence à se repolariser grâce à un courant potassique transitoire sortant par l'ouverture des canaux K⁺ voltage-dépendants rapides.
3. Phase 2 : Plateau
   • Le plateau prolongé est dû à l'ouverture plus lente mais durable des canaux Ca²⁺ voltage-dépendants de type L (long lasting), également appelés récepteurs des dihydropyridines (DHPR).
   • Ces canaux s'activent durant les phases 0 et 1, permettant l'entrée de Ca²⁺ dans la cellule.
   • La régulation du courant calcique est influencée par l'accélération de la fréquence cardiaque et la stimulation β-adrénergique, qui augmentent l'entrée de calcium.
   • Les bloqueurs calciques (dihydropyridines, benzothiazépines, phénylalkylamines) inhibent ces canaux.
4. Phase 3 : Repolarisation rapide
   • Fermeture des canaux Ca²⁺ de type L.
   • Ouverture d'autres sous-types de canaux K⁺, entraînant une sortie rapide de K⁺ et le retour au potentiel de repos.
5. Phase 4 : Phase de repos électrique stable (diastole)
   • Le potentiel de repos est d'environ -80 mV pour les cellules ventriculaires.
   • Cette phase est caractérisée par la restauration de la répartition ionique normale grâce à l'échangeur Na⁺/Ca²⁺ et à la pompe Na⁺/K⁺.

Rôles de l'échangeur Na⁺/Ca²⁺ (NCX) et de la pompe Na⁺, K⁺ ATPase :

• Échangeur Na⁺/Ca²⁺ (NCX) : Transporte 3 Na⁺ contre 1 Ca²⁺.
  • Au début du PA : courant sortant (sortie de Na⁺, entrée de Ca²⁺).
  • Pendant le plateau : principalement courant entrant (entrée de Na⁺, sortie de Ca²⁺).
  • En diastole : courant entrant, participant au contrôle de la concentration calcique intracellulaire.
  • Son activité est modulée par les concentrations de Ca²⁺ et Na⁺ (intra et extracellulaires) et le pH intracellulaire.
• Pompe Na⁺, K⁺ ATPase : Transport actif de 2 K⁺ entrants contre 3 Na⁺ sortants, générant un courant sortant repolarisant. Elle intervient en fin de PA et tend à hyperpolariser la membrane, activée en cas de surcharge sodique intracellulaire.

Hétérogénéité électrophysiologique ventriculaire :

Les PA ventriculaires varient selon les sites d'enregistrement, en raison de l'hétérogénéité de distribution des canaux potassiques. Cette hétérogénéité existe entre les ventricules droit et gauche, l'apex et la base, et au sein de la paroi ventriculaire (épicarde, couches sous-épicardiques avec cellules M, endocarde). Une conséquence physiologique est le gradient de potentiel dans la paroi ventriculaire, contribuant à la formation des ondes T et U de l'électrocardiogramme.

3- Notion de période réfractaire

La contraction cardiaque débute juste après la dépolarisation. Pendant les phases 0 à 2 et une partie de la phase 3 (jusqu'à -50 mV), le muscle cardiaque est dans sa période réfractaire absolue (PRA) et ne peut être excité, quelle que soit l'intensité du stimulus. Il reste relativement réfractaire (PRR) jusqu'à la phase 4 pour des stimuli supraliminaires. Contrairement au muscle squelettique, le cœur ne peut pas subir de tétanos, ce qui serait fatal.

2-2- PA des cellules à dépolarisation lente

Le PA des cellules à dépolarisation lente (nœuds sinusal et auriculoventriculaire) ne comporte pas de phases 1 et 2. Il présente :

• Phase 4 : Potentiel de pacemaker (dépolarisation lente spontanée ou pré-potentiel)
  • Vers -65 mV, le courant K⁺ (I_K) diminue, activant les canaux "f" (funny) qui permettent le passage de Na⁺ et K⁺. L'entrée de Na⁺ l'emporte sur la sortie de K⁺, dépolarisant la membrane.
  • La fermeture des canaux "f" et l'ouverture des canaux calciques de type T (transitoires) et L (longue durée) contribuent à la suite du pré-potentiel.
• Phase 0 : Dépolarisation
  • Une fois le seuil (-45 mV) atteint, le courant calcique (I_Ca) entrant via les canaux calciques de type L déclenche le PA.
• Phase 3 : Repolarisation
  • Fermeture des canaux Ca²⁺ au pic du PA.
  • Ouverture des canaux K⁺, entraînant un courant I_R sortant et la repolarisation.

La dépolarisation lente diastolique (DDL) des cellules sinusales est caractéristique de l'automaticité cardiaque et régit le rythme. Elle dépend de deux mécanismes interdépendants :

• Le « membrane clock model » : une cascade d'ouverture de canaux ioniques membranaires.
• Le « calcium clock model » : les mouvements calciques intracellulaires via l'échangeur Na⁺/Ca²⁺.

Dans le nœud sinusal, durant la diastole, les canaux calciques du réticulum sarcoplasmique libèrent spontanément du calcium vers le cytosol. Cette augmentation de Ca²⁺ intracellulaire active l'échangeur Na⁺/Ca²⁺, créant un courant dépolarisant sodique qui participe à la fin de la DDL, représentant l'horloge calcique de l'automatisme.

B- Potentiel diastolique (de repos) et automatisme cardiaque

Le cœur bat spontanément même déconnecté de l'organisme, grâce à une dépolarisation cellulaire spontanée. Toutes les cellules du système de conduction sont automatiques et présentent une DDL. Cette DDL permet au potentiel membranaire d'atteindre spontanément le seuil de dépolarisation.

Plus la pente de la DDL est forte, plus le seuil est atteint rapidement, et plus la fréquence de décharge de la cellule est élevée. Les cellules du nœud sinusal ont l'automatisme le plus rapide (pente de DDL la plus forte), ce qui en fait le pacemaker physiologique ou vrai pacemaker. Les autres cellules automatiques sont des pacemakers latents avec des fréquences de décharge plus lentes.

C- Conduction

La conduction du PA d'une cellule à l'autre dépend de propriétés structurelles et fonctionnelles :

• Obstacles anatomiques.
• Géométrie et diamètre des cellules.
• Jonctions intercellulaires (gap junctions).
• Distribution et expression des canaux ioniques.

La conductance des gap junctions est un paramètre clé de la régulation de la conduction. Leur distribution hétérogène assure un couplage électrique complexe et une vitesse de propagation variable.

1- Dans les oreillettes

La dépolarisation du NSA se propage radialement dans les fibres musculaires auriculaires avec une vitesse de conduction (Vc) d'environ 0,3 m/s. Les faisceaux de conduction internodaux (antérieur, médian, postérieur) transmettent les impulsions au nœud auriculoventriculaire (NAV) avec une Vc de 1 m/s.

2- Dans le NAV

Le NAV ralentit la conduction, avec un temps de franchissement de 0,09 s. Ce ralentissement est crucial pour décaler la contraction des oreillettes et des ventricules, permettant un remplissage ventriculaire efficace. Il est dû :

• Au petit diamètre des cellules du NAV.
• À la rareté des jonctions communicantes.
• À la présence de connexines de type 45 et 30.2.

3- Dans les cellules du tissu de conduction His-Purkinje

La Vc est la plus élevée (3 à 5 m/s), atteignant 5 m/s dans les fibres de Purkinje, soit 150 fois plus rapide que dans le NAV. Cette rapidité assure une transmission quasi instantanée dans les ventricules et est liée :

• À la grande taille des fibres.
• À la grande perméabilité des jonctions entre cellules conductrices.
• À la présence significative de connexine de type 40.

Les fibres de Purkinje, ramifications du faisceau de His, cheminent sous l'endocarde et atteignent les cellules myocardiques. Le passage de l'impulsion entre le tronc commun du faisceau de His et les fibres de Purkinje dure environ 0,03 s.

4- Dans les cellules musculaires ventriculaires

L'impulsion se transmet des fibres de Purkinje aux cellules musculaires ventriculaires avec une Vc de 0,5 m/s. Elle passe de l'endocarde vers l'épicarde avec un décalage de 0,03 s, la contraction endocardique précédant celle de l'épicarde.

D- Couplage excitation-contraction (couplage électromécanique)

L'autoexcitation d'une cellule pacemaker entraîne la contraction synchrone de toutes les cellules du myocarde, qui fonctionne comme un syncytium fonctionnel.

Dans les cellules ventriculaires :

• Le courant I_CaL (entrée de Ca²⁺ extracellulaire par les canaux calciques de type L) maintient la dépolarisation du plateau du PA.
• Il déclenche la libération de calcium par le réticulum sarcoplasmique (RS) via le phénomène de « calcium-induced calcium release ».
• Le Ca²⁺ libéré dans le cytoplasme se fixe aux protéines contractiles, déclenchant la contraction. Les canaux calciques de type L sont donc centraux dans ce couplage.
• La fixation du Ca²⁺ externe sur les récepteurs à la ryanodine ouvre les canaux calciques du RS, libérant le Ca²⁺ du RS.
• Le Ca²⁺ intracellulaire est ensuite repompé dans le RS par la pompe Ca²⁺ ATPase du RS, permettant la relaxation des sarcomères et initiant la diastole cardiaque.

III- Influence du système nerveux autonome sur l'électrophysiologie cardiaque: contrôle de l'activité spontanée du nœud sinusal

En l'absence d'influence nerveuse ou hormonale, le NSA bat à environ 100 battements/min (fréquence de décharge inhérente). La stimulation parasympathique diminue la fréquence cardiaque (Fc), tandis que la stimulation sympathique l'augmente. Au repos, l'activité parasympathique prédomine, maintenant la Fc à environ 70 battements/min. Le système sympathique (accélérateur) et parasympathique (freinateur) modulent en permanence la fréquence de contraction (chronotropisme).

La région du nœud sinusal est richement innervée, avec une forte densité de récepteurs adrénergiques (β₁ et β₂) et muscariniques M₂. Le courant pacemaker I_Naf est la cible principale des neurotransmetteurs, tandis que le courant I_Ca,T y est insensible.

L'AMPc intracellulaire est au centre de la régulation de I_Naf. Une augmentation de l'AMPc majore le courant I_Naf, augmentant la pente de la DDL et accélérant le rythme cardiaque. Inversement, une diminution de l'AMPc ralentit le rythme.

• Les terminaisons nerveuses sympathiques libèrent la noradrénaline, qui augmente la concentration intracellulaire d'AMPc.
• Les terminaisons nerveuses parasympathiques libèrent l'acétylcholine, qui diminue la concentration intracellulaire d'AMPc.

Le courant I_CaL, qui contribue à la partie terminale du potentiel diastolique, est activé par les catécholamines, ce qui accélère le rythme cardiaque (accélération de la phase de dépolarisation, phase 0).

IV- Anomalies du rythme cardiaque

Chez un sujet normal, la contraction est déclenchée par le nœud sinusal (rythme sinusal normal). La fréquence diminue (bradycardie) pendant le sommeil et augmente (tachycardie) sous l'effet des émotions, de l'exercice, de la fièvre, etc.

Une dysfonction du NSA peut réduire ou supprimer la transmission des PA des oreillettes aux ventricules. Dans ce cas, les cellules automatiques du NAV, du faisceau de His et du réseau de Purkinje, n'étant plus entraînées par le NSA, commencent à générer des excitations à leur propre rythme inhérent, devenant ainsi les pacemakers des ventricules. Ce rythme est lent (25 à 40 battements/min).

Si le NAV est bloqué, la synchronisation avec les contractions auriculaires disparaît, ces dernières conservant le rythme normal et plus élevé du NSA. Le traitement des troubles sévères de la conduction auriculo-ventriculaire et d'autres rythmes anormaux est souvent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker artificiel qui stimule électriquement les cellules ventriculaires à un rythme normal.

Conclusion

Les contractions cardiaques sont contrôlées par une cascade régulée de signaux électriques initiés dans le NSA, se propageant au tissu musculaire auriculaire, puis au tissu de conduction, et enfin aux ventricules. La propagation du signal entre cellules se fait via les jonctions communicantes. La vitesse de propagation dépend des caractéristiques anatomiques et peut être modulée par l'influx nerveux.