i. Principes
fondamentaux en électricité
L’organisme
humain est neutre dans son ensemble, il possède alors le même nombre de charges
positives et négatives. Cependant, elles ne sont pas toutes réparties
équitablement. En effet, certaines charges prédominent selon l’endroit observé,
ce qui est notamment le cas entre les milieux intra et extracellulaires :
la cellule est dite polarisée, ou
chargée. C’est donc cette séparation des charges qui est alors à l’origine du
voltage mesuré entre le cytoplasme et le liquide extracellulaire.
Définitions : Voltage, Courant et
Résistance
D’après le manuel
Pearson, sacré « bible » d’anatomie et de physiologie humaine :
« La mesure de l’énergie potentielle produite par une séparation de
charges est appelée voltage, exprimée en volts. Le voltage se mesure toujours
entre deux points de charges différentes ; on l’appelle différence de
potentiel, ou simplement potentiel. Plus la différence de charge entre deux
points est grande, plus le voltage est élevé. Le déplacement, ou flux des
charges est appelé courant ; il peut servir à accomplir un travail,
comme alimenter un outil électrique. La quantité de charges qui se déplacent
entre deux points dépend de deux facteurs : le voltage et la résistance.
La résistance étant l’opposition au flux des charges, exercée par des
substances que doit traverser le courant. » La relation entre le voltage,
le courant et la résistance est donnée par la loi d’Ohm :
On constate alors
que le courant est directement proportionnel au voltage : plus le voltage
(différence de potentiel) est élevé, plus le courant est intense ; et plus
la résistance est élevée, plus le courant est faible. Appliquée à notre domaine
d’étude, on peut dire que le flux d’ions (courant) est égal à la différence de
potentiel (vol-tage) divisé par la résistance au flux ionique de la membrane
cellulaire (résistance).
Contrairement aux
courants électriques observables dans les lignes à haute tension (par exemple) qui
relèvent d’un mouvement d’électrons libres, les courants électriques de
l’organisme résultent de la circulation d’ions positifs et négatifs (charges) à
travers la membrane plasmique de la cellule.
Conductivité électrique
Une autre notion
fondamentale à la compréhension de l’activité électrique cérébrale est celle de
la conductivité électrique. Elle est déterminée
par l’aptitude d’un milieu (ici, la membrane plasmique) à laisser les charges
électriques se déplacer librement, soit, à permettre le passage du courant
électrique. Dans le domaine de la neuro-physiologie, la conductivité
électrique, ou conductance, est définie comme étant l’inverse de la résistance
(1/R), exprimée en Siemens par mètre carré (S/m2).
La conductance
est une caractéristique clé de la membrane plasmique, car elle détermine la
facilité qu’ont les espèces chargées à la traverser. De ce fait, c’est un
indicateur de l‘amplitude du courant pouvant passer à travers cette membrane.
Cette capacité régit donc les échanges électriques sous forme ionique entre les
milieux intra et extracellulaires. La conductance diffère selon l’ion visant à
traverser la membrane, et donc est, de ce fait, en grande partie responsable de
l’inégale répar-tition des charges de part et d’autre de la membrane.
ii. Transport
membranaire neuronal
Le transport membranaire est défini comme
étant le passage d'une molécule ou d'un ion à travers une membrane plasmique,
soit, son passage du cytoplasme au milieu extracellulaire, ou vice versa. Il existe
pour cela plusieurs types de transports membranaires.
Transport
passif
Le transport
passif est un transport qui se fait sans consommation d'énergie, il se fait
donc le long de son gradient chimique et le long de son gradient électrique[2].
La diffusion
La diffusion
n'est possible que si les solutions sont séparées par une membrane perméable.
La diffusion est le passage d’ions ou de molécules dans le sens des
concentrations fortes vers les concentrations faibles.
La diffusion
simple : c’est à dire que les éléments peuvent
traverser librement et sans intervention la membrane plasmique de la cellule.
La diffusion
facilitée : dans le cas où les
éléments ne peuvent pas traverser la membrane plasmique seuls, la diffusion se
fait alors par le biais de protéines transmembranaires de transport.
Transport
actif
En
biologie, le transport actif désigne le passage d'un ion ou d'une molécule à
travers une membrane contre son gradient de concentration : d'un compartiment
peu concentré vers un compartiment concentré. Le
transport actif permet ainsi le maintien de concentrations chimiques
différentes de part et d'autre de la membrane. Il y a donc nécessité de fournir
de l'énergie car ce transport n'est pas spontané.
Des protéines transmembranaires de transport actif (spécifiques
aux molécules qu’elles transportent) spécialisées assurent alors le passage de
certains éléments à travers la membrane. Celles-ci reconnaissent les
molécules/ions auxquels elles sont spécifiques et leurs permettent de traverser
la membrane, sans quoi, ces éléments resteraient confinés d’un côté de la
membrane, soit à cause de la présence de la bicouche phospholipidique qui leur
est imperméable, soit parce qu'il s'agit d'un mouvement contre leur gradient de
concentration.
Transport actif
primaire : est observé lorsque
le processus de transport utilise de l'énergie chimique produit par exemple,
par l'hydrolyse d'un nucléotide triphosphate comme l'adénosine triphosphate
(ATP)[3].
Transport
actif secondaire : lui,
implique l'utilisation d'un gradient électrochimique[4]
déjà présent comme moteur du transport d’éléments.
Il y a trois principales classes de protéines
transmembranaires de transport :
Les canaux :
Pores permettant le mouvement passif d'ions (alors appelés canaux ioniques) ou de molécules de petite taille. Ceux-ci ont une capacité de transport d'environ 107 à 108 molécules/sec. Il existe de nombreux différents canaux différents, dont deux en particulier (voir page suivante) ;
Les canaux ligand-dépendants : qui
s’ouvrent lorsqu’un ligand[5]
approprié se lie à eux.
Les canaux voltage–dépendant : qui
s’ouvrent et se ferment en réponse à des modifications de voltage (potentiel
membranaire) des deux côtés de la membrane cellulaire.
Les pompes :
Ont une capacité de tran-sport actif d'environ 102 à 103 ions/sec.
Ce sont typiquement des protéines qui hydrolysent l'ATP et qui sont donc
qualifi-ées d'ATPases : ce sont des protéines de transport actif primaire.
Assurent un transport actif secondaire ont une capacité
de transport d’en-viron 102
à 104 molécules/sec.
Ce transport nécessite la constitution préalable d'un gradient ionique (par une
pompe). Ce sont des protéines de transport actif secondaire.
Exocytose
L'exocytose
est le mécanisme via lequel la cellule libère des biomolécules (trop larges
pour emprun-ter des protéines transmembranaires de transport) en grande
quantité à travers sa membrane. La sécrétion de ces molécules s’opère lorsque
des petits compartiments contenus dans le cytoplasme, appelés vésicules,
fusionnent avec la membrane plasmique et que leur contenu se libère dans le
milieu extracellulaire. Un exemple de ceci est l’expulsion de neurotransmetteurs[6],
ou neuromédia-teurs, en destination d’un neurone cible afin de lui transmettre
une « information ». Le neurotransmetteur est alors libre d’agir sur
le neurone postsynaptique, et garantis la propagation du signal.
iii. Potentiel d’équilibre
Comme vu précédemment, l’origine du potentiel membranaire
est due à la différence de composition électrochimique entre le milieu
intracellulaire et le milieu extra-cellulaire. C'est pourquoi il existe pour
chacun des composés ioniques dont la concentration varie entre ces deux
milieux, un idéal de stabilisation ou, potentiel d’équilibre ionique.
Le potentiel d’équilibre d’un ion
est la valeur
en volts de la différence de potentiel entre le milieu intracellulaire et
extracellulaire pour laquelle il n’y a pas de flux de l’ion considéré : le
gradient de concentration oppose exactement le gradient électrique.
Soit, lorsqu’un ion positif diffuse le long de son gradient
chimique, il entraîne avec lui une accumulation de charges positives de l’autre
côté de la membrane. Cette agglomération de charges va à terme contrer le
gradient chimique car plus la diffusion est importante, l’agglomération l’est
aussi. Puisque l’ion et l‘agglomérat ont la même charge : ils s’opposent,
et ainsi cette compensation exacte des deux gradients entraîne l’arrêt total du
mouvement d’ions ; le flux à travers la membrane est inexistant. Chaque
type d’ion va alors rechercher ce potentiel d’équilibre afin de se stabiliser
de part et d’autre de la membrane plasmique.
L’équation de Nernst nous permet alors de calculer le
potentiel d’équilibre d’un ion :
VEq. est le potentiel d’équilibre de l’ion [X] en volts.
R est la constante universelle des
gaz parfaits, (8.314472 J/mol/K).
T est la température corporelle en
Kelvins (37.6 + 273.15).
z est la charge de l’ion [X] (exemple : Na+
=
1 et Cl-
=
-1).
F est la constante de Faraday, qui
est égale à 96485 C/mol.
ln est le logarithme népérien (ou
logarithme naturel).
[X]out/in est la concentration extra/intra-cellulaire
de l’ion [X] en mmol/L.
Ion
|
Concentration intracellulaire (mmol/L)
|
Concentration extracellulaire (mmol/L)
|
Rapport
Ext/Int
|
Potentiel d'équilibre d'après l'équation de Nernst
|
Na+
|
15
|
150
|
10
|
VEq.Na+ »
+ 61.6 mV
|
K+
|
150
|
5.5
|
3.67x10-2
|
VEq.K + »
- 88.5 mV
|
Ca2+
|
10-4
|
1.8
|
18 000
|
VEq.Ca2+ »
+ 131.2 mV
|
Cl-
|
10
|
125
|
12.5
|
VEq.Cl- »
- 67.6 mV
|
iv. Potentiel de repos
Définition
Présent dans
chaque cellule de l'organisme à l’état non excité par un flux électrique, un
potentiel de repos membranaire s'observe. En d’autres termes, cela correspond à
la différence de potentiel (relativement statique) qui existe de part et
d'autre de la membrane d’une cellule en situation physiologique de repos. Par
ailleurs, il est judicieux de préciser que le potentiel de repos n’existe qu’à
travers la membrane ; autrement dit, les solutions se trouvant à
l’intérieur et à l’extérieur de la membrane restent électriquement neutres.
La différence de potentiel entre deux points se mesure à
l’aide d’un voltmètre. En introduisant une électrode de mesure à l'intérieur de
la cellule et une électrode de référence à l’extérieur de la cellule, on
constate une différence de potentiel :
la
face interne de la membrane est négative par rapport l’électrode référentiel. Le
potentiel de repos d’une membrane cellulaire neuronale se situe typiquement à
-70mV (millivolts, soit 70x10-3 V). Intuitivement,
cette valeur ne nous parle pas vraiment, mais une différente approche permet de
mieux apprécier cette donnée. En effet, sachant que la membrane plasmique d’une
cellule a épaisseur d’environ 7nm (milliardième de mètre, soit 7x10-9 m), on a une
différence de potentiel de :
Cela correspond à un champ électrique de 10 millions de
volts par mètre, alors que le champ électrique[8]
généré par une ligne haute tension est habituellement entre 10 et 15 mille
volts par mètre. Les neurones du corps humain renferment alors une immense
énergie potentielle, déployée lors de la production des signaux électriques.
Equation de Goldman-Hodgkin-Katz (GHK)
Nous avons vu que
le potentiel d’équilibre régit la direction de la diffusion de chaque ion à
travers une membrane plasmique. Dans un modèle minimaliste où il n’y a qu’un
ion de part et d’autre de la membrane, cet ion diffusera tout simplement le
long de son gradient électrochimique jusqu’à atteindre son potentiel
d’équilibre. Or, ces conditions sont en réalité irréalisables, puisque le
cytoplasme et le milieu extra-cellulaire sont composés de nombreux ions, tous
répartis à des concentrations différentes, et donc ayant des potentiels
d’équilibre distincts.
L’équation GHK
modélise alors l’état d’équilibre de la cellule au repos. En d’autres termes,
cette formule permet d’établir un « compromis ionique » des espèces
présentes dans les milieux intra et extracellulaires. L’équation se base sur
les principes suivants : les ions sont inégalement répartis de part et d’autre
de la membrane cellulaire, et la membrane n’a pas la même perméabilité (donc
conduc-tance) vis à vis des ions. A noter d’ailleurs que la perméabilité
membranaire à un ion de la cellule correspond, et est donc proportionnelle, au
nombre de ses canaux ioniques ouverts. La bicouche phospholipidique en
elle-même étant si peu perméable aux ions, l’absence de canaux ouverts signifie
une imperméabilité de la membrane à cette espèce.
La grande
majorité des canaux ioniques transmembranaires neuronaux étant de natu-res
sodiques Na+, potassiques K+, et chloriques Cl-,
l’équation suivante est représen-tative du potentiel de repos d’une cellule cérébrale.
Vm est la valeur en volts du
potentiel de repos.
R est la constante universelle des
gaz parfaits, (8.314472 J/mol/K).
T est la température en Kelvins (°C + 273.15).
F est la constante de Faraday, qui
est égale à 96485 C/mol.
ln est le logarithme népérien (ou
logarithme naturel).
P(K,
Na, Cl) est
la perméabilité membranaire (sans unité) des ions K+, Na+
et Cl- de la cellule au repos : K+ =
1, Na+ =
0.05 et Cl- =
0.45
[X]o est la concentration
extracellulaire de l’ion [X] en mol/L.
[X]i est la concentration
intracellulaire de l’ion [X] en mol/L.
On remarque que le terme de l’équation contentant l’ion Cl-
est inversé par rapport aux autres. En effet, contrairement aux autres ions, où
la concentration extracellulaire est
divisée par la concentration intracellulaire,
le chlorure rapporte la concentration intra/extra. Ceci s’explique par le fait que
cette équation dérive de celle de Nernst, et qu’ici, le terme « z »,
de « (RxT)
/ (Fxz) »
déterminant la charge de l’ion n’y figure pas. Les ions ayant des charges
négatives voient alors leurs rapports extra/intra inversés afin de pallier ce
manque de données chez la formule de Goldman-Hodgkin-Katz (ceci étant dû
aux propriétés du logarithme népérien).
Vm = [(RxT)/F] x ln [( 1x5.5 + 0.05x150
+ 0.45x9 ) / ( 1x150 + 0.05x15 + 0.45x125 )]
K+ Na+ Cl- K+ Na+ Cl-
Vm » -67mV
On obtient alors
un résultat proche de -70mV, la valeur mesurée empiriquement. Ce léger décalage
provient de la présence d’autres espèces chargées dans le cytoplasme, dont
notamment les protéines anioniques[9].
Nous remarquons d’après cette équation, que les contributions ioniques au
potentiel de repos sont relatives. En effet, plus la perméabilité d’un ion est
grande, plus ce dernier a d’influence au niveau du potentiel, et vice versa. Ceci
est aisément observable, puisque le potentiel de repos est bien plus proche des
potentiels d’équilibre des ions K+ et Cl- que du Na+
car leurs perméabilités sont considérablement
supérieures. Tous les ions cherchant à atteindre leurs potentiels d’équilibre
distincts, ce potentiel de repos leur offre un état de stabilité
d’ensemble ; une homéostasie prenant en compte toutes les contributions
ioniques afin de garder la cellule dans l’environnement le moins contraignant
possible.
Maintient du
Potentiel de Repos
A l’état de
repos, la membrane plasmique est imperméable aux protéines anioniques, très
légèrement perméable aux ions sodium (de coefficient
0.05), puis environ 9 et 20 fois plus perméable (respectivement) aux
ions chlorure et potassium. Ces perme-abilités de repos sont liées aux
propriétés des canaux ioniques transmembranaires de transports passifs,
majoritairement fermés aux ions Na+,
et bien plus ouverts aux ions K+ et Cl-. Il s'opère ainsi
une faible entrée de Na+ vers
l'intérieur de la cellule la long de son gradient électrochimique, alors que
l'on observe parallèlement une sortie plus marquée d’ions K+ qui
suit elle aussi son gradient électrochimique. En revanche, le potentiel d’équilibre
du chlorure étant égal au potentiel de repos à 2.4 mV près, le flux de cet ion
est faible. Ainsi, les charges de part et d’autre de la membrane au potentiel
de repos s’expliquent principalement par la diffusion inégale de ces deux types
d'ions : sortie de la cellule d’un nombre trop élevée d’ions K+
non com-pensables par la rentrée d’ions Na+.
Ceci entrainant une accumulation de charges positives à l'extérieur tandis que
s’effectue une diminution de charges positives à l’intérieur de la cellule. Ce
phénomène, couplé de la présence de protéines anioniques de charges négatives
au sein du cytoplasme de la cellule est en partie responsable de la création du
potentiel de repos membranaire.
Mais
alors, puisqu’il ya toujours une certaine quantité d’ions Na+ et d’ions K+ qui traversent la membrane
cellulaire, on pourrait penser que leurs concentrations respectives à terme s’égaliseraient.
Afin de corriger cette égalisation, et de maintenir le potentiel de repos ainsi
que la concentration des ces deux ions de part et d’autre de la membrane, il
existe une protéine transmembranaire, appelée pompe sodium-potassium, ou bien Na+/K+ ATPase. Cette
« pompe », actionnée grâce l’énergie gé-nérée par l’hydrolyse de
l’ATP éjecte des ions Na+ du cytoplasme, tout en reçu-pérant
des ions K+. De ce fait, la pompe Na+/K+ ATPase aide à la stabilisation
du potentiel de repos en maintenant les gra-dients de concentration des ions
sodium et ions potassium.
v. Notion de « Driving Force »
Driving force et
potentiel d’équilibre
Le driving force est une notion
fondamentale à comprendre avant de procéder à la véritable quantification de
l’activité électrique cérébrale chez l’Homme. En effet, le potentiel
d’équilibre indique la valeur en voltage que chaque ion, selon qu’il soit à
l’intérieur ou à l’extérieur de la cellule, va chercher à atteindre par
diffusion. De ce fait, nous pouvons en déduire que l’écart entre la valeur du
potentiel membranaire et le potentiel d’équilibre de l’ion en question est
révélateur de l’amplitude d’énergie potentielle, dite driving force (VDf),
que renferme une cellule au regard de cet ion :
VDf = Potentiel membranaire VEm –
Potentiel
ionique d’équilibre VEq.Ion
Pour des ions
positifs (inversement pour les ions négatifs), lorsque VDf > 0,
l’ion sort de la cellule et lorsque
VDf < 0,
l’ion entre dans la cellule.
Pour illustrer
ceci, prenons en exemple les ions K+
et Na+ au repos :
Le driving force
au repos du potassium est faible : -70 - (-88.5) =
+18.5 mV. En d’autres termes, il y a peu de pression exercée sur la membrane
plasmique de la part des ions K+
dans le but d’atteindre le milieu extracellulaire puisque le potentiel de repos
est proche du potentiel d’équilibre de K+ :
il est déjà quasiment stabilisé.
En revanche, le
driving force au repos du sodium est fort : -131.6 mV. Le potentiel
d’équilibre de l’ion Na+
est très distinct du potentiel de repos de la cellule, il y a donc une forte
pression de la part de ces ions sur la membrane plasmique afin d’accéder au
cytoplasme et se stabiliser. Dans ce cas, on peut parler de réserve d’énergie
potentielle, puisque l’ouverture des canaux à sodium engendrerait un flux très
important d’ions sodium, entrainant un courant électrique à travers la membra-ne,
précurseur de l’influx nerveux.
Driving force et
courant
Intensité du courant (I) = Conductance ionique de
la membrane (gion) x VDf
L’intensité du
courant traversant une membrane plasmique est définie par cette relation. Ainsi,
plus une membrane est perméable (en termes électriques), et plus le driving
force de l’ion est grand, plus le courant qui traversera la membrane sera
important. Cette formule modélise concrètement la valeur de l’activité
électrique cérébrale en fonction du potentiel membranaire et de la conductivité
électrique de membrane, permettant aux neurophysiologistes de quantifier cette
activité. En effet, connaissant la conductance des ions majoritairement à
l’origine du potentiel mem-branaire (gk+
=
3.7 S/m2 et gna+ =
0.2 S/m2), je quantifie :
I =
3.7 (S/m2) x 18.5x10-3 (V) + 0.2 (S/m2) x |-131.6x10-3|
(V)
I =
0.09477 A/m2
La valeur totale,
et à tout instant, du courant traversant une membrane neuronale au repos est
d’environ 0.09477 A/m2, une valeur réellement impressionnante, que
nous approfondirons par la suite.
[1]
Le courant, de symbole A, exprimé en Ampères, indique la valeur de l’intensité
électrique totale, associée au nombre de charges, traversant la membrane
plasmique, le tout par seconde. Par exemple, le courant maximal dans une prise
électrique autorisé en Europe est de 16 Ampères.
[2]
Lorsqu’un élément chimique se trouve à des concentrations différentes de part
et d’autre d’une membrane plasmique, cette variation est appelée gradient
chimique (ou de concentration) : l’élément passe d’une région de
concentration forte vers une région de concentration faible. Par ailleurs, le
transfert d’un élément chargé vers une région également dotée d’une charge
électrique répond à un gradient électrique. Par exemple, sachant que deux
charges de même nature se repoussent (et que deux charges opposées s’attirent),
un élément positif diffusera plus fortement vers un compartiment négatif que
positif.
[3]
L'hydrolyse d'une substance est sa
décomposition par l'eau grâce aux ions H3O+ et HO- provenant de la
dissociation de l'eau. Cette décomposition entraîne la rupture de liaisons
entre atomes (ici entre groupes phosphores de l’ATP) qui dégage de l’énergie,
utilisable par la cellule.
[4]
Le gradient électrochimique est le gradient qui prend en compte le gradient
électrique et chimique.
[5]
En biologie, un ligand est une molécule qui se lie de manière réversible sur
une cible (ici une protéine transmembranaire) afin d’accomplir son rôle
fonctionnel (ici, une transmission de signal).
[6]
Un neurotransmetteur est un composé chimique libéré par un neurone
présynaptique : le neurone placé avant la synapse ; agissant sur le
neurone postsynaptique : celui placé après la synapse, qui est chargé de
propager l’influx nerveux du neurone présynaptique ; par exemple, en
agissant comme un ligand qui ouvre des canaux ioniques.
[7]
Le symbole « ½ »
répété avant et après une valeur signifie que l’on ne tient pas compte du signe
«-» ou «+» de celle-ci, on ne prend que la valeur absolue, qui ici est de 70mV.
[8]
Le champ électrique, mesuré en V/m est tout simplement le champ créé par des
particules chargées, il détermine en quelque sorte la force électrique exercée
(à distance) en tout point par une charge électrique du champ. Il indique
l’intensité de la force électrique produite par les particules chargées d’un
milieu.
[9]
En biologie, une protéine anionique est définie comme étant n’importe quelle
protéine portant une charge négative.
