Fonctionnement du neurone et potentiels d'action

Fonctionnement du Neurone

Cette fiche explore le mécanisme de fonctionnement des neurones, de la diffusion ionique à la propagation du potentiel d'action, en passant par la maintenance du potentiel de repos et les toxines affectant la signalisation neuronale.

Introduction : Le Neurone et sa Fonction

Le neurone est l'unité fonctionnelle du système nerveux, responsable de la transmission des informations. Pour comprendre comment il génère et propage un signal électrique, il faut d'abord s'intéresser aux mouvements des ions à travers sa membrane.

• Comment un signal électrique naît-il et se propage-t-il ?

• Qu'est-ce qu'un signal électrique et un courant électrique ?

• Le neurone est-il comparable à un câble électrique ?

• Comment les ions (atomes chargés) sont-ils responsables de l'information électrique ?

Perméabilité Membranaire et Transport

1. Transports Passifs

Les transports passifs ne nécessitent pas de dépense d'énergie de la part de la cellule. Ils suivent les gradients de concentration ou les gradients électriques.

a. La Diffusion

« Phénomène physique expliquant la dispersion d'une substance (soluté) dans un milieu (solvant), tendant à rendre homogènes les concentrations des espèces chimiques. Il s'agit d'un phénomène de transport irréversible où les substances migrent des régions les plus concentrées vers les moins concentrées. »

• La diffusion est proportionnelle à la concentration des molécules.

• Elle intervient constamment pour la diffusion des métabolites et macromolécules.

• C'est un processus irréversible qui tend vers l'homogénéisation.

b. Mouvement des Ions

Les ions sont des atomes ou molécules chargés positivement (cations) ou négativement (anions).

• En solution, le sel (chlorure de sodium, NaCl) se dissocie en Na⁺ et Cl⁻.

• Le transport passif des ions à travers la membrane se fait par diffusion simple (pour les molécules hydrophobes et petites molécules polaires non ionisées) ou diffusion facilitée (avec l'aide de protéines-canaux ou de protéines de transport pour les substances hydrophiles).

• Les mouvements ioniques sont influencés par les forces de diffusion (gradient de concentration) et les forces électriques (attraction/répulsion des charges).

• Il est crucial de maintenir l'électroneutralité : autant de charges positives que négatives dans chaque compartiment.

La mobilité des ions dépend de leur taille et de leur couche d'eau de fixation. Les canaux ioniques sont sélectifs ; par exemple, des sites électropositifs dans un canal laissent passer les anions et bloquent les cations.

2. Transports Actifs

Les transports actifs nécessitent une dépense d'énergie (ATP) pour déplacer les ions contre leur gradient de concentration.

• Ils sont assurés par des transporteurs spécifiques, souvent appelés pompes.

• Le blocage de l'énergie arrête immédiatement le transport.

La Pompe Na⁺/K⁺

• Cette pompe maintient une concentration intracellulaire de Na⁺ dix fois plus faible que la concentration extracellulaire.

• Elle est bloquée par des poisons métaboliques comme l'Ouabaïne et le Dinitrophénol.

• La pompe rejette 3 Na⁺ hors de la cellule et récupère 2 K⁺ à l'intérieur.

• Elle est électrogène : elle contribue à rendre l'intérieur de la cellule électronégatif.

• Elle est essentielle pour créer et maintenir les gradients de concentration ioniques.

La Polarisation Membranaire de Repos

Définitions Importantes

• Tension électrique (Volts) : différence de potentiel entre deux points, représente la "force" avec laquelle les électrons (ou ions) veulent se déplacer. Plus la tension est élevée, plus le désir de mouvement est grand.

• Intensité (Ampères) : quantité d'électrons (ou d'ions) se déplaçant par unité de temps. Plus l'intensité est élevée, plus le nombre d'électrons en mouvement est grand.

• Conductance : capacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique (inverse de la résistance). Pour les neurones, la conductance est proportionnelle au nombre de canaux ouverts.

Mise en Évidence de la Polarisation de Repos

Au repos, la membrane des cellules excitables est électriquement polarisée.

• Une différence de potentiel d'environ -60 à -70 millivolts (mV) est mesurée entre l'intérieur (négatif) et l'extérieur (positif) de la cellule.

• Cette polarisation membranaire de repos est stable tant que la cellule n'est pas excitée.

Signification de la Polarisation de Repos

La polarisation de repos est due à une répartition inégale des ions de part et d'autre de la membrane et à la perméabilité sélective de cette membrane (principalement aux ions K⁺ au repos).

• Concentrations ioniques (ex: Neurone de mammifère) :

  Ion	Intracellulaire (mM)	Extracellulaire (mM)
  Potassium (K⁺)	140	5
  Sodium (Na⁺)	5-15	145
  Chlorure (Cl⁻)	4-30	110
  Calcium (Ca²⁺)	0.0001	1-2

• Si la membrane n'était perméable qu'aux ions K⁺, leur sortie par diffusion créerait un champ électrique négatif à l'intérieur, s'opposant à leur sortie. L'équilibre atteint est le potentiel d'équilibre du K⁺ (E_K), autour de -84 mV.

• Le gradient ionique (différence de concentration) crée un gradient électrique. La différence entre ces deux gradients est appelée la driving force.

Équation de Nernst

L'équation de Nernst permet de calculer le potentiel d'équilibre d'un ion (E) pour lequel la force chimique et la force électrique s'équilibrent, c'est-à-dire que le flux net de cet ion à travers la membrane est nul.

$

• : Valence de l'ion (ex: +1 pour K⁺ et Na⁺, -1 pour Cl⁻)

• : concentration extracellulaire de l'ion X

• : concentration intracellulaire de l'ion X

Pour le neurone, on a : E_K = -84 mV et E_Na = +58 mV.

• Le potentiel de repos d'une membrane perméable à plusieurs ions (K⁺ et Na⁺) dépend de la conductance relative à chacun de ces ions.

• Au repos, les canaux de fuite K⁺ sont bien plus nombreux et ouverts que les canaux de fuite Na⁺.

• La conductance au K⁺ est très supérieure à celle du Na⁺.

• Par conséquent, le potentiel de membrane (Em) au repos est plus proche de E_K que de E_Na, se situant autour de -70 mV.

Maintien de la Polarisation Membranaire de Repos

Les canaux de fuite Na⁺ laissent entrer continuellement du Na⁺ et les canaux de fuite K⁺ laissent sortir continuellement du K⁺. Sans régulation, ces mouvements finiraient par équilibrer les concentrations et annuler le potentiel de membrane.

• La pompe Na⁺/K⁺ ATPase intervient pour contrer cette tendance :

  • Elle transporte activement 3 Na⁺ hors de la cellule et 2 K⁺ à l'intérieur.

  • Ce transport se fait contre les gradients de concentration et nécessite une grande quantité d'ATP (énergie).

• Cette pompe garantit le maintien des gradients ioniques et donc la stabilité du potentiel de repos à -70 mV.

Les Potentiels Locaux

Les potentiels locaux sont des variations transitoires du potentiel de membrane qui ne se propagent que sur de courtes distances de manière décrémentielle.

• Lors d'une stimulation (décharge électrique), une dépolarisation (le potentiel devient moins négatif) de faible amplitude se développe près de la zone stimulée.

• Si le potentiel devient plus négatif, on parle d'hyperpolarisation.

• Ces réponses sont graduées : leur amplitude est proportionnelle à l'intensité du stimulus.

• Elles peuvent être sommées dans le temps (sommation temporelle) ou dans l'espace (sommation spatiale).

• Cette propagation passive est appelée conduction électrotonique.

• L'efficacité de cette conduction influence la sommation spatiale des potentiels synaptiques et la propagation des potentiels d'action.

Le Potentiel d'Action (PA)

Le potentiel d'action est une inversion brusque et momentanée du potentiel de membrane, suivie d'une repolarisation puis d'une hyperpolarisation. C'est le signal nerveux qui se propage sans atténuation le long de l'axone.

1. Description

• Le PA est une inversion brusque et brève du potentiel membranaire,

atteignant +30 mV environ.

• Il n'est présent que dans l'axone et les terminaisons synaptiques.

• Il est caractérisé par une phase rapide de dépolarisation, suivie d'une repolarisation et d'une hyperpolarisation transitoire.

2. Comment Dépolariser une Membrane Neuronale ?

La dépolarisation est principalement due à l'entrée soudaine d'ions Na⁺ dans la cellule. Cela est rendu possible par l'ouverture de canaux sodiques voltage-dépendants (Na⁺ VD).

• Plus la conductance au sodium augmente, plus le potentiel membranaire se rapproche de E_Na (+58 mV).

• Si le potentiel électrotonique (local) atteint une valeur seuil (environ -40/-50 mV) au niveau du segment initial de l'axone, les canaux Na⁺ VD s'ouvrent massivement.

3. PA et Canaux Voltage-Dépendants (VD)

Contrairement aux canaux de fuite (qui sont ouverts en permanence au repos), les canaux VD s'ouvrent ou se ferment en fonction du potentiel membranaire.

• Les canaux Na⁺ VD et K⁺ VD sont essentiels pour la genèse du PA.

• Quand le potentiel atteint le seuil, les canaux Na⁺ VD s'ouvrent rapidement, entraînant un afflux de Na⁺ et une dépolarisation massive.

• Peu après, les canaux Na⁺ VD s'inactivent (se bouchent) et les canaux K⁺ VD s'ouvrent plus lentement.

• La sortie de K⁺ repolarise la membrane et entraîne une phase d'hyperpolarisation avant que le potentiel ne retourne à sa valeur de repos.

4. Décours Temporel du PA

1. Un potentiel électrotonique atteignant le seuil ouvre les canaux Na⁺ VD.

2. Les canaux Na⁺ VD s'ouvrent massivement, laissant entrer le Na⁺ et provoquant la rapide dépolarisation (phase ascendante du PA).

3. Le PA atteint son maximum. Les canaux Na⁺ VD commencent à s'inactiver. Les canaux K⁺ VD s'ouvrent (plus lentement).

4. Les canaux Na⁺ VD sont inactivés, bloquant l'entrée de Na⁺. La sortie massive de K⁺ par les canaux K⁺ VD repolarise la membrane (phase descendante).

5. La membrane s'hyperpolarise (plus négative que le potentiel de repos) car les canaux K⁺ VD restent ouverts un peu plus longtemps.

6. Les canaux Na⁺ VD et K⁺ VD se ferment, et la pompe Na⁺/K⁺ rétablit les concentrations ioniques, ramenant le potentiel de membrane à son état de repos.

5. La Période Réfractaire

C'est une période post-PA pendant laquelle il est difficile ou impossible de générer un nouveau PA.

• La Période Réfractaire Absolue (PRA) : aucun nouveau PA ne peut être déclenché, quelle que soit l'intensité du stimulus. Ceci est dû à l'inactivation des canaux Na⁺ VD.

• La Période Réfractaire Relative (PRR) : un stimulus plus intense que d'habitude peut déclencher un nouveau PA. Ceci est dû à l'hyperpolarisation et la conductance élevée au K⁺.

6. Le Seuil de Déclenchement du PA

« Valeur du potentiel de membrane, entre le niveau de repos et zéro, pour laquelle le courant entrant de Na⁺ est exactement égal au courant sortant de K⁺. Un léger excès de Na⁺ entrant suffit pour déclencher un PA. »

La Propagation du Potentiel d'Action

Le PA se propage de manière non décrémentielle (sans perte d'amplitude) et unidirectionnelle le long de l'axone.

1. Propagation Unidirectionnelle

La propagation est unidirectionnelle du corps cellulaire vers la terminaison axonique en raison de la période réfractaire. La région de l'axone qui vient de générer un PA est dans une période réfractaire et ne peut pas générer un nouveau PA immédiatement, forçant le signal à avancer.

2. Axones Myélinisés et Conduction Saltatoire

• La myéline est une gaine lipidique isolante autour de l'axone, interrompue par les nœuds de Ranvier.

• Dans les axones myélinisés, les canaux Na⁺ VD sont concentrés au niveau des nœuds de Ranvier.

• Le PA "saute" d'un nœud de Ranvier à l'autre, c'est la conduction saltatoire.

• Cette conduction est beaucoup plus rapide et plus économe en énergie que la conduction continue des axones amyélinisés.

• La vitesse de conduction d'une fibre nerveuse dépend de son diamètre et de la présence/absence de myéline.

Toxines de Canaux Ioniques

De nombreuses toxines affectent le fonctionnement des canaux ioniques, altérant ainsi la signalisation neuronale.

• Anesthésiques Locaux (Lidocaïne) : Bloquent les canaux Na⁺, empêchant la génération de PA.

• TTX (Tétrodotoxine, poisson-globe) et Saxitoxine (dinoflagellés) : Bloquent les canaux Na⁺, provoquant des paralysies et la mort.

• Toxines de Scorpion (α-toxine, β-toxine) : Modifient l'inactivation ou l'activation des canaux Na⁺, affectant la durée et le seuil des PA.

• Alcaloïdes Toxiques (Batrachotoxine, Aconitine) : Peuvent inhiber l'inactivation des canaux Na⁺ ou les ouvrir de manière anormale, entraînant une dépolarisation prolongée.

• Toxines Bloquant les Canaux K⁺ (Dendrotoxine, Apamine, Charybdotoxine) : Affectent la repolarisation et l'hyperpolarisation, prolongeant la durée des PA.

• Kainate (toxine d'algue) : Bloque certains récepteurs ionotropiques du glutamate.

Révision et Points Clés

• La polarisation de repos (-70mV) est due à l'inégale répartition des ions et à la perméabilité plus élevée de la membrane au K⁺ qu'au Na⁺ via les canaux de fuite.

• La pompe Na⁺/K⁺ maintient ces gradients ioniques en consommant de l'ATP.

• Les potentiels locaux sont gradués, décrémentiels et peuvent se sommer.

• Le potentiel d'action est un phénomène tout-ou-rien, non décrémentiel, généré par l'ouverture successive de canaux Na⁺ VD et K⁺ VD au-delà d'un seuil.

• Sa propagation est unidirectionnelle et peut être accélérée par la myéline (conduction saltatoire).

• Les toxines agissant sur les canaux ioniques peuvent perturber gravement le fonctionnement neuronal.