Résumé Adam M.Roumani ( électrophysiologie )

                                                                                              ELECTROPHYSIOLOGIE                                                                                

A-Membrane plasmique

La membrane plasmique est un système dynamique organisé. Il est composé principalement de lipides, de protéines

et d’un glycocalyx.

La membrane plasmique suit un modèle dit de la mosaïque fluide proposé par Singer & Nicholson. C’est une bicouche lipidique fluide où les protéines occupent différentes positions.

Elle peut être :

  • Perméable : concentration identique des solutés de part et d’autre.
  • Semi-perméable : passage d’eau et imperméable aux solutés.
  • Sélectivement perméable : perméable à certains solutés et imperméable à d’autres.

 B-Potentiel de repos :
En dehors de toute stimulation, toutes les cellules vivantes de l’organisme présentent un potentiel de repos de la membrane stable et constant. La face externe de la membrane est positive tandis que la face interne est négative.Potentiel de repos

Ce potentiel est la base de toute activité électrique cellulaire. Il a été mis en évidence par la technique suivante :

Mesure du PR :

Elle est faite grâce à une micropipette. Ce procédé ne met pas en contact direct les liquides intra et extracellulaires à cause des lésions minimes.

 

Par convention, le signe adopté est négatif car Em = Eint – Eext. Le potentiel transmembranaire est noté Em.

Bases physicochimiques du potentiel de repos :

Ionogramme normal

On note que la composition ionique de part et d’autre de la membrane plasmique est différente du point de vue des concentrations. Ces différences sont l’origine même de l’existence d’un potentiel de repos.

 

Milieu extracellulaire                                 Milieu intracellulaire
Na+ 142 10
K+ 4 140
Cl 103 4
Ca2+ 5 < 1
Mg2+ 3 58

 

Le potassium est donc caractéristique du milieu intracellulaire, tandis que le sodium est spécifique du milieu extracellulaire. Cette richesse en Na+ est maintenue grâce aux mécanismes de régulation physiologique de l’équilibre hydrosodé, sous l’action de plusieurs hormones, notamment l’ADH et l’aldostérone.

Perméabilité de la membrane

 

Mobilité ionique

Transport passif

(sans dépense d’énergie)

Transport actif

(avec dépense d’énergie)

Force de diffusion (gradient de concentration) Force électrostatique (gradient électrique) Pompe ionique

(contre gradient de concentration)

K+ MIC à MEC Retient à l’intérieur MEC à MIC
Na+ MEC à MIC MEC à MIC MIC à MEC
Cl MEC à MIC Retient à l’extérieur

 Ces forces permettent le maintien de la différence de répartition des ions entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Il y a très peu de canaux sodiques passifs sur la membrane plasmique. Le sodium aura toujours tendance à entrer dans la cellule, le potassium et le chlore restent en équilibre. C’est cette différence de perméabilité sera à l’origine du potentiel d’action.

Pompe ionique

C’est un mécanisme de transport actif qui maintient les concentrations ioniques constantes de part et d’autre de la membrane.

Les transports actifs du Na+ et du K+ sont couplés. L’on note aussi que les mouvements actifs (Na+, K+)

commandent le mouvement passif du Cl-.

Le mécanisme repose sur un système de transporteurs nécessitant l’énergie fournie par l’ATP. Il permet la sortie de 3 Na+ et l’entrée de 2 K+. Il est donc à l’origine d’un excès de charges positives à l’extérieur et ainsi d’une différence de potentiel.

Modifications expérimentales du potentiel membranaire

Des chercheurs ont tenté de modifier le potentiel de membrane de façon expérimentale, en ajoutant certains ions à l’intérieur ou à l’extérieur de la cellule :

  • Ions en concentration égale de part et d’autre : le potentiel de membrane est

 

  • Variation du potassium :
    • Dans le milieu extérieur : le potentiel de membrane change de manière stable selon
    • Dans le milieu intérieur : le potentiel de membrane change faiblement.
  • Variation du sodium :
    • Dans le milieu extérieur : le changement est
    • Dans le milieu intérieur : le changement est un peu plus conséquent.
  • Variation du chlore : le potentiel de membrane change mais reprend sa valeur initiale peu après.
  • Variation d’autres ions : ils interviennent dans la perméabilité de la membrane aux principaux ions mais sont impliqués faiblement dans la polarisation de la

Théories ioniques du potentiel membranaire :

Afin d’expliquer le potentiel membranaire, plusieurs théories ont été avancées :

Equation de Nernst :

Elle dit que seul l’ion K+ est diffusible et donc 𝐸𝐾+ = E𝑚 où EK+ est le potentiel d’équilibre calculé du K+.

Selon la relation de Nernst :

Cette théorie est refusée car il existe une différence entre les résultats expérimentaux et calculés.

Equilibre de Donnan

Selon Donnan, seuls K+ et Clsont diffusibles. On a :

[𝐾+]𝑒 × [𝐶𝑙]𝑒 = [𝐾+]𝑖 × [𝐶𝑙]𝑖.

Il y aurait donc une proportionnalité inverse des concentrations des ions K+ et Cl- de part et d’autre de la membrane, et leurs potentiels d’équilibres sont égaux.

MAIS :

  • L’effet d’une variation de la concentration de K+ n’est pas similaire à celui d’une variation de la concentration de Cl-.
  • La modification expérimentale de la concentration de Cl- n’entraine qu’un potentiel membranaire instable pendant une certaine période
  • On sait que la membrane est également perméable aux ions Na+.

Théorie d’Hodgkin et Huxley

Elle dit que les ions K+, Na+ et Cl sont diffusible mais ont des mobilités différentes. D’où le potentiel de repos est égal au potentiel membranaire calculé selon la relation de Goldman :

 

 

Mobilité ionique :

  • Plus un ion est petit, plus sa vitesse à travers la membrane sera petite car c’est sous forme solvatée (c’est-à- dire liée à l’eau) qu’ils se déplacent (Na+ fixe 8 H2O, plus rapide que K+ qui n’en fixe que 4).
  • Les ions Cl- se distribuent en fonction du potentiel membranaire (selon Goldman).
  • Les ions Na+ et K+ sont soumis à la pompe Na+/K+/ATPase qui agit en même temps sur les 2

 C-Conductivité de la membrane

Modèle électrique de la membrane :

Ce schéma ressemble à celui d’un câble coaxial qui serait formé :

  • D’un conducteur concentrique externe : le MEC.
  • D’un conducteur concentrique interne : le MIC.
  • D’une gaine isolante les séparant : la membrane plasmique.

Caractéristique intensité-tension membranaire :

En courant continu, elle n’obéit pas à la loi d’Ohm, c’est-à-dire que la courbe La courbe est coudée, elle ressemble à celle d’une diode.

La pente ΔEm/ΔI représente la résistance membranaire.

  • La pente est plus forte si l’anode est appliquée à la surface externe de la membrane à
  • La pente est moins forte si l’anode est appliquée à la surface interne à dépolarisation.


Electrotonus physique : 

Soit une fibre entière (axone de calmar) sur laquelle on applique à sa surface :

  • Deux électrodes polarisantes (A, B) à courant continu
  • Deux paires d’électrodes exploratrices (C, D) et (E, F) de part et d’autre de (A, B).

L’expérience met en évidence le passage d’un courant entre C et D et entre E et F à lors du p assage du courant appliqué entre A et B, il a emprunté plusieurs voies à travers la membrane.

 

L’électrotonus physique représente cette diffusion du courant électrique en dehors de l’espace inter-électrode.

 

Influence de l’électrotonus physique sur le potentiel membranaire

Sachant que la résistance membranaire n’est pas linéaire, et qu’elle est plus forte au niveau de l’anode : les variations des potentiels membranaires ne sont pas symétriques, pourquoi ?

  • Sous l’anode :

L’anode (comme son nom de l’indique pas) est une électrode positive. Placée à la surface, elle va positiver le milieu extracellulaire et donc aura tendance à hyperpolariser la membrane car le milieu extracellulaire sera encore plus positif que le milieu intracellulaire.

  • Sous la cathode :

L’anode (comme son nom de l’indique pas non plus…) est une électrode négative. Placée à la surface, elle va rendre le milieu extracellulaire un peu moins positif, ce qui aura tendance à dépolariser la membrane.

Constante d’espace et constante de temps

L’on montre que dans les segments extra-polaires, la variation du potentiel membranaire en fonction de la

distance aux électrodes mais aussi en fonction du temps est exponentielle. Les propriétés de câble de la fibre permettent de définir deux constantes :

  • Une constante d’espace : distance au bout de laquelle le potentiel membranaire atteint 37% de sa variation.
  • Une constante de temps : c’est le temps après lequel le potentiel membranaire atteint 63% de sa variation.

La structure en câble coaxial entraine le fait qu’une variation « locale » du potentiel membranaire peut être décelée à distance du point où elle a pris naissance. Mais il y a toujours une diminution de sa valeur. On dit qu’il y a décrément.

 D-Potentiel d’action

Définitions :

  • La dépolarisation est définie comme étant une diminution du potentiel membranaire. La face interne devenant moins négative.
  • L’hyperpolarisation est une augmentation du potentiel membranaire. La face interne devenant plus négative.
  • La dépolarisation accroit la probabilité de production d’influx nerveux tandis que l’hyperpolarisation la diminue.

Le potentiel d’action est une inversion du potentiel membranaire. Il passe par trois phases : dépolarisation, repolarisation, hyperpolarisation.

Le potentiel d’action fait suite à un stimulus supraliminaire.

 

Prépotentiel (1) :

Partie initiale (variation de E0)
Fait suite à l’application d’un échelon rectangulaire

Seuil (*) :

o  Intensité liminaire.

Dépolarisation (2) :

  • Ouverture des canaux Na+ voltage dépendants.
  • Diffusion des ions sodium vers le
  • Dépolarisation de la membrane (+30 mV).

Pic (3) :

o  Pic du potentiel d’action.

Repolarisation (4) :

  • Plus lente que la dépolarisation.
  • Ouverture lente des canaux K+ et fermeture rapide des canaux Na+ voltage dépendants.
  • Diffusion du K+ vers le
  • Diminution du

Hyperpolarisation (5) :

  • Fermeture lente des canaux K+.
  • Sortie excessive du K+.
  • La pompe Na+/K+/ATPase assure le retour de la membrane à son potentiel de

Lois d’excitation :

Seuil d’excitabilité

Ou rhéobase. C’est l’intensité-seuil d’un échelon rectangulaire.

Loi du tout ou rien

Dans le cas d’une fibre isolée, il n’y a pas d’état intermédiaire entre la présence d’un potentiel d’action ou son absence. C’est la loi du tout ou rien. Un fois déclenché, le potentiel d’action est toujours égal à lui-même quelle que soit l’intensité de la stimulation.

Dans le cas d’un nerf entier, le potentiel d’action augmente suivant l’intensité du stimulus. Ce fait est expliqué par le recrutement progressif de plusieurs fibres nerveuses qui n’ont pas le même seuil.

 

Influence du courant sur le seuil :

Vitesse d’installation

  • On observe un phénomène d’adaptation : plus la vitesse d’installation du courant est faible, plus l’intensité seuil est élevée. Il faut imaginer la vitesse d’installation comme le bouton « volume » des

anciennes radios. L’on peut soit tourner le bouton très vite pour arriver au maximum, soit au contraire le tourner très lentement.

  • La constante d’accommodation est le temps mis par un courant de pente limite pour atteindre la rhéobase. Elle est caractéristique de chaque type de fibre :
    • Elevée (mauvaise accommodation) chez les fibres
    • Faible chez les fibres nerveuses ou musculaires

Sens du courant

    • Quelle que soit la forme du courant appliqué, le seuil est plus faible à l’établissement du courant qu’à sa rupture.
    • La loi polaire dit qu’en stimulation bipolaire, la stimulation nait à la cathode au moment de l’établissement du courant, et à l’anode au moment de la

Durée du stimulus

    • Lorsque l’on fait varier la durée de stimulation des ondes rectangulaires, l’on arrive à deux observations :
      • Pour une durée supérieure à D0, l’intensité seuil sera toujours égale à la rhéobase.
      • Pour une durée inférieure à D0, plus D < D0, plus l’intensité seuil sera
    • La chronaxie est la durée nécessaire pour stimuler une cellule nerveuse avec un courant électrique d’intensité égale au double de la rhéobase.

Fréquence si courant alternatif

    • Basses fréquences : plus la vitesse d’installation est faible, plus le seuil est élevé.
    • Hautes fréquences : plus la durée de l’alternance est courte, plus le seuil est élevé.

Périodes réfractaires

    • Au moment de la production d’un potentiel d’action, les canaux Na+ étant ouverts, le neurone est incapable de répondre à un autre stimulus quelle que soit son intensité. Le seuil est infini. Cette période est appelée période réfractaire absolue.
    • Après repolarisation, quand les canaux Na+ sont fermés et les canais K+ toujours ouverts, le seul d’excitabilité de l’axone est très élevé. Un stimulus d’intensité égale à la rhéobase n’aurait aucun effet.

Toutefois, une stimulation d’une intensité extrêmement grande serait capable de forcer les canaux Na+ à se rouvrir et ainsi produire un second PA. Cette période est appelée période réfractaire relative.

Substances modifiant la perméabilité membranaire :

  • Diminution de la concentration du calcium ionique extracellulaire : elle augmente la perméabilité

membranaire au sodium, ce qui va diminuer le seuil d’excitation, produisant ainsi un potentiel d’action : c’est la tétanie hypocalcémique.

  • Augmentation de la concentration du calcium ionique extracellulaire : elle induit une diminution de la perméabilité membranaire au sodium, et donc une augmentation du seuil d’excitabilité. Le calcium se fixe sur certains sites des canaux Na+ voltage dépendants et empêche sa pénétration.
  • Anesthésiques locaux et tétrodotoxine TTX (MEC) : absence de propagation du PA du fait de l’arrêt de l’entrée du
  • Tétraéthylammonium TEA (MEC et MIC) : elle réduit de manière importante la perméabilité membranaire

au potassium, ce qui va produire un allongement de la pointe du PA et arrêt de sa propagation. Propagation de la pointe du potentiel d’action :

 

Mise en évidence

Quelle que soit la position de la microélectrode A, l’on recueille un potentiel d’action d’autant plus retardé que l’on est loin du point de stimulation. Ce potentiel d’action se dirige dans les deux sens : il peut se diriger vers le corpuscule nerveux terminal, l’on parle de propagation orthodromique, ou vers le corps cellulaire, et l’on parlera alors de propagation antidromique.

La loi du tout ou rien reste valable et la propagation se fait sans décrément en fonction de la distance.

Célérité

𝐶 = 𝑑/t , son unité est le m/s.

Si l’on connait le temps mis par une pointe pour se déplacer d’une distance d d’un point à un autre, l’on peut calculer C qui constitue sa vitesse de propagation. Elle dépend de deux paramètres :

  • Le diamètre de la fibre : plus celui-ci est élevé, plus la vitesse l’est.
  • La myélinisation : les fibres myélinisées sont plus rapides que les non myélinisées.

Mécanisme dans le cas d’une fibre myélinisée

Le PA se propage (« saute ») de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier. La conduction est dite saltatoire. Ce mécanisme est beaucoup plus rapide que la propagation continue sur une fibre non myélinisée.

La gaine de myéline joue le rôle d’un isolant ce qui empêche une décroissance accrue du courant entre deux nœuds de Ranvier.

Mécanisme dans le cas d’une fibre nerveuse non-myélinisée

La propagation se fait grace aux courants locaux : le PA s’autopropage de proche en proche de la zone d’excitation.

Mécanisme dans le cas d’un nerf entier

Le potentiel d’action est la somme des potentiels d’action de l’ensemble des fibres dont le diamètre et la structure diffèrent. Ils ont donc une vitesse différente.

Afin de séparer les différents potentiels liés à chaque fibre, il faut un stimulus assez fort pour les activer toutes, et l’enregistrement se fait à différentes distances du point de stimulation. La composition en fibres d’un nerf entier est obtenue en jouant à la fois sur les célérités et les seuils d’excitabilité.

Adam . Roumani