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Les changements potentiels des neurones en dessous du seuil peuvent-ils véhiculer des informations ?

Les changements potentiels des neurones en dessous du seuil peuvent-ils véhiculer des informations ?


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En neurosciences, nous apprenons que lorsque le potentiel membranaire d'un neurone atteint un seuil (généralement autour de -55mV), il "pics" : c'est-à-dire qu'il propage activement un signal. J'ai deux questions liées à ce sujet :

  1. La zone d'initiation des pointes est généralement (par exemple pour les mammifères) au niveau de la butte axonale - à partir de là, le potentiel d'action est activement (ouverture des canaux ioniques…) se propagent à travers l'axone. Mais que se passe-t-il alors à et après la synapse (chimique) ? Est-ce que la propagation après la synapse vers la cellule postsynaptique passif?

  2. Les nouvelles techniques d'imagerie (par exemple, l'imagerie calcique) peuvent capturer des changements sous le seuil du potentiel membranaire. En quoi ces potentiels sous-seuils sont-ils pertinents pour le traitement de l'information ? Sont-ils propagés aux cellules postsynaptiques, quoique de nouveau seulement dans un passif manière?


Ce type de conduction passive (sous-seuil) est appelé conduction électrotonique. Lorsqu'un potentiel d'action atteint la borne axonale (bouton pré-synaptique), il induit un potentiel post-synaptique (PSP), via une synapse chimique ou électrique. Maintenant, s'il y a une génération d'EPSP (c'est-à-dire excitatrice), alors dans le neurone post-synaptique, il y aura un potentiel électrotonique, qui se déplacera vers la « butte axonale ».

Jusqu'à la butte axonale, la conduction est principalement électrotonique et nous avons donc besoin de ce type de conduction pour générer réellement un potentiel d'action.

En neurosciences théoriques, cette conduction électrotonique le long des dendrites est calculée en utilisant la théorie des câbles. Il finira par s'éteindre avec la distance comme$-$

$V(x)={V_o}, e^{-frac{x}{sqrt{r_m/r_i}}}$ ; notations standard utilisées.

réf article : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780123971791000178

Par conséquent, nous pouvons conclure que pour la transmission d'informations, les potentiels sous-seuils sont extrêmement importants.


Les synapses électriques (jonctions Gap) peuvent générer du courant vers d'autres cellules sans émission de pointe. Il est prouvé que cette interaction sous le seuil a des implications fonctionnelles dans l'activité neuronale (par exemple, la rétine).


Conférence 22 : Neurones, potentiel d'action et optogénétique

Le professeur Martin commence sa conférence sur la signalisation électrique en parlant des neurones, suivis des potentiels d'action, des synapses et de l'optogénétique.

Instructeur: Adam Martin

Conférence 1 : Bienvenue Introduction.

Conférence 2 : Liaison chimique.

Conférence 3: Structures d'Am.

Conférence 4 : Enzymes et méta.

Conférence 5 : Glucides an.

Conférence 9 : Remode de la chromatine.

Conférence 11 : Cellules, le Simpl.

Conférence 16 : ADN recombinant.

Conférence 17 : Génomes et ADN.

Conférence 18 : SNPs et Humain .

Conférence 19 : Cell Traffickin.

Conférence 20 : Signalisation cellulaire .

Conférence 21 : Signalisation cellulaire .

Conférence 22 : Neurones, Action.

Conférence 23 : Cycle cellulaire et .

Conférence 24 : Cellules souches, Apo.

Conférence 27 : Visualiser Lif.

Conférence 28 : Visualiser Lif.

Conférence 29 : Cell Imaging Te.

Conférence 32 : Maladie infectieuse.

Conférence 33 : Bactéries et An.

Conférence 34 : Virus et fourmis.

Conférence 35 : Reproduction Cl.

ADAM MARTIN : Très bien, commençons. Je commence donc par cette vidéo ici. Ce qui se passe ici, c'est qu'il y a cette souris, et vous voyez qu'il y a comme ce câble à fibre optique qui entre dans son cerveau. Et la souris dort en ce moment. Et maintenant, les chercheurs éclairent son cerveau, une région spécifique du cerveau, pour activer des neurones spécifiques afin de tester s'ils fonctionnent en éveil.

Et ici, vous voyez que la souris va se réveiller. Ça y va. Il est réveillé maintenant. Donc, pour la conférence d'aujourd'hui, nous allons travailler à comprendre comment fonctionne cette expérience. Et nous allons parler du fonctionnement des neurones et de la façon dont les chercheurs sont capables de contrôler cette fonction afin de modifier le comportement - dans ce cas, l'éveil de cette souris.

OK, donc cela va impliquer un type particulier de cellule dans notre corps, qui est le neurone. Et les neurones sont des cellules hautement spécialisées qui ont pour fonction de transmettre des informations d'une partie du corps à une autre. Et donc les neurones sont des cellules hautement polarisées, que vous pouvez voir ici. Sur la gauche de ce neurone, vous voyez cette tonnelle de protubérances, appelées dendrites. Et puis de ce côté du corps cellulaire, vous voyez une seule extension, qui est un axone, puis le terminus de l'axone ici.

Et cette cellule nerveuse transmet des informations dans une seule direction. Il transmettra des informations de ce côté à ce côté. Et ces neurones sont capables de communiquer entre eux. Et ils communiquent aux extrémités du neurone, appelées synapses, sur lesquelles je reviendrai et dont je parlerai plus tard dans la conférence. Ainsi, les neurones pourraient faire des synapses de ce côté et aussi faire des synapses de ce côté avec d'autres neurones.

Donc pour commencer à déballer la fonction de ce neurone - et je dois souligner que ce flux d'informations peut se produire sur de très longues distances, n'est-ce pas ? Votre nerf sciatique s'étend de la base de votre colonne vertébrale jusqu'à votre pied, d'accord ? Cet axone fait donc un mètre de long. C'est donc une distance extrêmement longue pour transmettre des informations le long d'une seule cellule.

Et donc nous allons passer de la réflexion sur la façon dont les signaux sont transmis dans des cellules individuelles, et cela fera évoluer la signalisation électrique. Ensuite, nous parlerons des synapses et de la façon dont les synapses fonctionnent pour communiquer entre les neurones. Et cela va impliquer aussi une sorte de compréhension du fonctionnement de certains antidépresseurs, comme le Prozac. Et puis nous terminerons en parlant de la façon dont les chercheurs ont fait cette expérience pour réveiller la souris.

Et tout commence par quelque chose dont je vous ai parlé au début du semestre, à savoir que la membrane plasmique sépare des compartiments distincts à l'extérieur de la cellule du cytoplasme. Et il y a des concentrations d'ions distinctes de chaque côté de cette frontière. Nous commençons donc maintenant à parler d'une seule cellule neuronale. Et nous allons parler d'un type de signal appelé potentiel d'action. Oh c'est vrai.

Nous allons donc parler d'un potentiel d'action. Et ce qu'est un potentiel d'action, c'est un signal électrique qui parcourt la longueur du neurone. Donc ce potentiel d'action, je vais abréger cet AP. Donc, quand je parle d'AP, je ne parle pas de placement avancé, mais de potentiel d'action, d'accord ? Il s'agit donc d'un signal électrique qui parcourt la longueur de l'axone et du neurone.

Et donc, pour qu'un signal électrique se propage, nous avons besoin d'une sorte de propriété électrique de la cellule qui permet cela. Et donc je vous ai montré ou je vous ai dit plus tôt dans le semestre comment les ions sodium sont concentrés à l'extérieur de la cellule et les ions potassium sont concentrés à l'intérieur. Vous voyez, voici le gradient de sodium ici, le gradient de potassium ici. Et maintenant, je vais vous dire comment cela se fait, parce que ce n'est pas favorisé du point de vue thermodynamique, n'est-ce pas ?

Ces ions préféreraient, par diffusion, être des concentrations égales des deux côtés de cette membrane plasmique, ce qui signifie que la cellule pour déplacer cet équilibre doit dépenser de l'énergie pour mettre en place cette situation. Et donc dans la membrane plasmique de la cellule, il y a une protéine. C'est une protéine membranaire intégrale et se trouve à l'intérieur de la membrane plasmique. Voici donc la membrane plasmique.

Et cette protéine membranaire intégrale est appelée ATPase sodium potassium. Il va donc avoir une sous-unité qui hydrolyse l'ATP en ADP. Et la protéine utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour pomper les ions sodium vers le haut de leur gradient de concentration. Les ions sodium sortent donc de la cellule. Et cela va à contre-courant du flux que le sodium aimerait normalement prendre, qui serait en aval.

Et il pompe des ions potassium dans le cytoplasme de telle sorte qu'il y a une concentration plus élevée d'ions potassium dans le cytoplasme, OK ? Donc, ces neurones dépensent énormément - un quart de leur ATP est utilisé en pompant des ions comme celui-ci, de sorte qu'il y a des gradients d'ions à travers la membrane plasmique.

Maintenant, si un ion sodium était pompé pour chaque ion potassium pompé, il n'y aurait aucune différence de charge entre l'extérieur et le cytoplasme. Mais ce qui se passe dans la membrane plasmique, c'est qu'en plus de l'ATPase sodium potassium, d'autres canaux sont présents. Il existe des canaux sodiques. Ceux-ci sont pour la plupart fermés, mais certains canaux potassiques fuient. Et ils font fuir du potassium du cytoplasme vers l'exoplasme, OK ?

Et si vous avez des charges positives sortant de la cellule, alors l'intérieur de la membrane va avoir une charge négative nette. Et l'extérieur de la membrane va avoir une charge positive nette. Et cette charge à travers la membrane, où vous avez le positif à l'extérieur et le moins à l'intérieur-- je devrais étiqueter cet extérieur, et c'est le cytoplasme.

Cette différence de tension est connue sous le nom de potentiel de membrane. Il s'agit donc d'un potentiel membranaire. Et c'est un potentiel électrique à travers la membrane. Si vous êtes ingénieur électricien, vous pouvez considérer la membrane plasmique comme un condensateur, d'accord ? Donc, cette membrane plasmique maintient cette différence de charge à travers elle. Et donc il y a une tension à travers la membrane. Et à l'état de repos, le potentiel de repos de la cellule est négatif de 70 millivolts.

Donc, si la cellule n'est pas stimulée par quelque chose comme un neurotransmetteur, le potentiel de repos est négatif de 70 millivolts, où l'intérieur est négatif et l'extérieur est positif, d'accord ? Alors maintenant, je veux juste définir quelques termes qui vont nous être utiles lorsque nous parlons de potentiels d'action. Donc, quand il y a ce potentiel intérieur négatif, un potentiel intérieur négatif est appelé polarisé. Donc c'est polarisé parce qu'il y a une polarité à travers cette membrane, où un côté est positif et l'autre est négatif, OK ?

Donc polarisé se réfère à s'il y a un potentiel intérieur négatif. Donc l'état de repos du côté est qu'il y a un polarisé - c'est polarisé. Cependant, la cellule peut perdre cette polarité et ne pas avoir de différentiel de charge, ou elle peut basculer et être positive à l'intérieur. Et quand cela se produit, s'il y a un potentiel intérieur nul ou positif, on parle de dépolarisation.

Quelqu'un a-t-il une idée de la façon dont la cellule renverserait le potentiel? Que devrait-il se passer dans la membrane plasmique pour renverser ce potentiel et dépolariser la cellule ? Oui, Stéphane ?

PUBLIC : Vous pourriez ouvrir les canaux ioniques.

ADAM MARTIN : Alors Stephen a suggéré d'ouvrir les canaux ioniques. Quels canaux ioniques ouvririez-vous ?

PUBLIC : Les canaux sodiques.

ADAM MARTIN : Oui. Alors Stephen a suggéré que si vous les ouvrez, cela va dépolariser la cellule. Parce que rappelez-vous, le sodium est élevé à l'extérieur, ici. Et donc si vous ouvrez ces canaux, des ions positifs vont entrer. Et cela va rendre cela moins négatif et cela moins positif, d'accord ?

C'est donc la situation ici, où ces canaux sodium s'ouvrent, et les canaux sodium -- ou les ions sodium qui se précipitent vont créer une dépolarisation, où vous inversez maintenant le potentiel. Et il y a une plus grande charge positive à l'intérieur de la membrane plasmique. Tout le monde voit comment ? Parce que les ions sodium vont juste aller en aval. Ils sont plus concentrés ici. Donc, juste en ouvrant ces canaux, la cellule n'a pas à faire de travail pour le faire. Le sodium va simplement descendre son gradient dans le cytoplasme.

Donc ce qu'est un potentiel d'action, c'est une dépolarisation transitoire de la cellule nerveuse. Ainsi, le potentiel d'action, ou PA, est une dépolarisation transitoire du neurone, ce qui signifie qu'il ne se dépolarise pas et reste dépolarisé, mais qu'il se dépolarise puis revient à la polarité de repos. Et donc ce que vous voyez lorsque vous mesurez la tension à travers la membrane plasmique dans un neurone, vous voyez qu'il peut augmenter et se dépolariser, mais ensuite il est rapidement restauré à son état de repos, d'accord ? C'est donc un processus transitoire.

Lorsque nous pensons au neurone à une résolution plus élevée, ce que vous allez voir, ce n'est pas seulement qu'il est transitoire, mais c'est aussi une onde progressive qui se propage sur toute la longueur de la cellule. C'est donc aussi une vague itinérante. Et une chose que vous pouvez remarquer à propos de ces neurones, ou des potentiels d'action ici, c'est qu'ils se dépolarisent tous dans la même mesure. Donc, ils se dépolarisent tous à ce positif de 50 millivolts.

Et donc cela illustre une propriété clé des neurones, en ce que le niveau d'activité d'un neurone n'est pas déterminé par la taille de ce potentiel d'action. Ce potentiel d'action est un événement tout ou rien. Ça arrive ou ça n'arrive pas. Et quand cela arrive, il se dépolarise au même niveau. Le potentiel d'action est donc tout ou rien. Vous pouvez le considérer comme un signal binaire.

Et par conséquent, la façon dont les neurones codent en quelque sorte l'ampleur de l'activation ne passe pas par le niveau de dépolarisation d'un seul potentiel d'action, mais il est capable de distinguer différentes fréquences de potentiels d'action qui se propagent le long du neurone. Ainsi, la force du signal, dans ce cas, est liée à la fréquence de déclenchement des potentiels d'action.

Alors maintenant, nous allons expliquer comment une cellule nerveuse déclenche un potentiel d'action et comment elle se propage sur toute la longueur de la cellule, n'est-ce pas ? Dans le cas du nerf sciatique, cela doit se produire sur un mètre entier, d'accord ? C'est une très longue distance pour propager ce changement de signal électrique, au moins pour une cellule. Et donc nous allons parler du mécanisme. Et je vais commencer par le commencement, quand ce potentiel d'action s'amorce.

Nous allons donc commencer par l'initiation du potentiel d'action. Alors, comment se fait-il que cette cellule nerveuse commence à se dépolariser au niveau des dendrites ? Parce qu'il va y avoir un autre neurone ici, qui va communiquer avec ce neurone ici pour lui dire de commencer à se dépolariser. Il le fait à l'emplacement connu sous le nom de synapse, qui est essentiellement une sorte de connexion entre les deux neurones.

Et la façon dont ce processus est initié est similaire au type de signalisation que vous avez vu dans les dernières conférences, où vous avez un ligand et un récepteur, d'accord ? Dans ce cas, le ligand sera ce qu'on appelle un neurotransmetteur, qui est une petite molécule. Et je vous en montrerai quelques-uns plus tard. Et le récepteur va être un récepteur qui se lie à ce ligand.

Mais dans ce cas, plutôt que d'être quelque chose comme un récepteur couplé à une protéine G ou un récepteur tyrosine kinase, le récepteur va être un canal ionique, d'accord ? Le récepteur sera donc un canal ionique. Et donc vous voyez un exemple dans la diapositive ici, où voici un récepteur. Et ces récepteurs sont ce qu'on appelle des canaux ioniques ligand-dépendants. Dans ce cas, c'est un canal sodium.

Donc ça va être... qu'il soit ouvert ou non dépend de la présence du ligand. Donc, si nous prenons un neurotransmetteur comme la sérotonine, s'il n'est pas lié au récepteur, le récepteur est fermé. Mais si la sérotonine se lie au récepteur, elle ouvre le canal, qui peut sélectivement laisser entrer un type d'ion - dans ce cas, le sodium. Dans ce cas, c'est un canal d'activation, car laisser entrer du sodium va dépolariser la cellule, d'accord ?

Donc, cette liaison au récepteur de ligand utilise un ligand-dépendant, il y a un canal sodium dépendant du ligand. Et c'est ce canal sodique ligand-dépendant qui déclenche la dépolarisation. C'est comme ça qu'on renverse le premier domino, n'est-ce pas ? Mais alors il doit y avoir un mécanisme pour propager cela le long d'une très longue cellule.

Et donc je vais vous dire que cela implique un type de mécanisme de signalisation différent de ce à quoi vous avez l'habitude de penser, car cela implique un type différent de canal ionique. Et ça s'appelle un voltage gated. Et je vais abréger voltage gated juste VG. Et dans ce cas, ce sera un canal sodium.

Alors, qu'est-ce qu'un canal sodium voltage-dépendant ? Il s'agit ici d'un canal sodium voltage-dépendant. Et vous pouvez voir, à l'état de repos de la cellule, ce canal est fermé. Et il est fermé à cause de cette structure de tige rouge qui est chargée positivement. C'est une hélice alpha chargée positivement qui fait partie de cette protéine et est incrustée dans la membrane. Mais cette hélice alpha est positionnée vers le cytoplasme, car elle est chargée positivement. Et la face cytosolique de la membrane plasmique est chargée négativement, OK ?

Et la confirmation de cette protéine dépend alors de la charge à travers cette membrane. Car lorsqu'il y a dépolarisation, cela décale la position de cette hélice alpha, de sorte qu'elle remonte maintenant vers la face extérieure de la membrane plasmique. Et ça ouvre le canal, qui laisse entrer les ions sodium, OK ? Encore une fois, les ions sodium ici, ils se précipitent toujours en aval. Ce sont des gradients de concentration.

Ainsi, dans ce cas, l'ouverture ou la fermeture de ce canal ne dépend pas de la présence d'un ligand, mais du potentiel membranaire à travers la membrane plasmique. Donc ces canaux sodiques voltage-dépendants sont ouverts par dépolarisation.

Et puis la question devient, si vous ouvrez ces canaux à la toute fin du neurone, comment faire en sorte que ce signal électrique se déplace de manière unidirectionnelle le long du neurone ? Alors, qu'est-ce qui conduit à l'unidirectionnalité ? Qui a assisté à un événement sportif ces derniers temps ? OK bien. Vous connaissez la vague ?

Alors on va faire la vague. Une fois que vous vous êtes levé, vous allez être fatigué et vous allez devoir vous asseoir un moment. Je vais être un ligand-- je suis un canal sodique ligand-dépendant, donc je vais commencer les choses, d'accord ? Êtes-vous prêt? D'accord, on y va. OK, c'est fondamentalement un potentiel d'action.

Donc, la façon dont c'était unidirectionnel, c'est qu'une fois que vous vous êtes levé et que vous avez fait la vague, vous vous êtes ensuite assis et vous avez cessé de faire quoi que ce soit. Et donc ces canaux sodium voltage-dépendants ont une propriété similaire. Si nous regardons l'étape suivante, le canal sodique est ouvert par dépolarisation. Et vous voyez qu'il y a ce segment de boule de chaîne de la protéine. Vous voyez cette boule jaune ?

Une fois que le canal sodium s'ouvre, au bout d'environ une milliseconde, cette bille se colle dans le pore du canal et le bloque, d'accord ? Donc, ces canaux sodium s'ouvrent pour laisser entrer les ions sodium, mais ils sont immédiatement inactivés après environ une milliseconde, d'accord ? Et donc cela permet l'unidirectionnalité. C'est donc ce que j'appellerai l'inactivation des canaux sodiques voltage-dépendants.

Et comment cela favorise une onde progressive de dépolarisation, c'est que si l'on considère un potentiel d'action se déplaçant le long de cet axone de gauche à droite et si les canaux sodiques dans la zone verte sont actuellement ouverts, il venait de la gauche, ce qui signifie que tout le sodium les canaux à gauche de cette zone verte vont être désactivés. Donc parce qu'ils sont inactivés ici, il n'y aura plus de dépolarisation vers la gauche, mais la dépolarisation devra se déplacer vers la droite.Et vous obtenez essentiellement cette vague itinérante. Et ça va dans une direction, parce que si ça vient de quelque part, ce qui est toujours le cas, alors là d'où ça vient, tous ces canaux sodium, les canaux sodium voltage-dépendants vont être fermés.

Cela lui permet donc de se déplacer dans une seule direction le long du neurone. De plus, une fois que le potentiel d'action atteint la fin du neurone, il ne se réfléchit pas dans l'autre sens dans le neurone. Cela ne peut aller que dans un sens. Cela fournit donc l'unidirectionnalité. C'est donc cette période inactive ou réfractaire du canal sodique voltage-dépendant qui empêche le potentiel d'action de reculer.

Maintenant, si vous regardez ces potentiels d'action dans la cellule, vous voyez qu'ils se produisent, mais vous ne vous contentez pas de vous dépolariser et de rester dépolarisé. Le corps cellulaire se dépolarise puis se repolarise très rapidement. Il y a donc une oscillation. Il doit donc y avoir un moyen de mettre fin au potentiel d'action. Il y a donc une terminaison ou une repolarisation de la cellule.

Il doit donc y avoir un moyen pour cette cellule nerveuse de restaurer rapidement le potentiel membranaire. Et je veux que vous réfléchissiez quelques secondes au type de canal que vous pourriez ouvrir pour rétablir cette polarité. De quel ion avez-vous besoin pour circuler d'où à où afin d'obtenir une charge négative nette à l'intérieur ? Tu fais?

PUBLIC : Vous devez déplacer les ions sodium de l'intérieur vers l'extérieur.

ADAM MARTIN : OK, vous pouvez pomper les ions sodium, et c'est tout à fait exact. Cela nécessitera donc de déplacer les ions sodium vers le haut d'un gradient de concentration, ce qui prendra de l'énergie et sera lent. Y a-t-il donc une autre option dont nous pourrions profiter ici pour nous repolariser ? Rachel ?

PUBLIC : Déplacer les ions potassium.

ADAM MARTIN : Rachel a donc suggéré de déplacer les ions potassium vers l'extérieur, c'est ainsi que cela se fait. Alors rappelez-vous, le potassium est élevé dans le cytoplasme, faible dans l'exoplasme. Et donc, si vous avez un canal potassique voltage-dépendant, cela va provoquer un afflux d'ions positifs hors de la cellule. Et cela pourra restaurer le potentiel négatif net à l'intérieur de la cellule.

Cette terminaison ou repolarisation est donc le résultat de l'ouverture de voltage-dépendants, dans ce cas, non pas des canaux sodiques, mais des canaux potassiques. Quand pensez-vous que ceux-ci doivent s'ouvrir par rapport au canal sodium ? Devraient-ils s'ouvrir juste avec le canal sodique ? Carmen fait non de la tête. Voulez-vous expliquer votre logique?

PUBLIC : Eh bien, je veux dire, ils portent tous les deux la même charge, donc ils finissent par sortir en même temps [INAUDIBLE].

ADAM MARTIN : Exactement. Donc ce que Carmen a dit, c'est que s'ils s'ouvrent simultanément, vous avez du sodium qui s'écoule. Vous avez du potassium qui s'écoule. Et cela ne va pas nécessairement changer la charge. Alors, quand ces canaux devraient-ils s'ouvrir par rapport aux canaux sodiques ? Ouais, Carmen ?

PUBLIC : Lorsqu'il atteint ce potentiel [INAUDIBLE].

ADAM MARTIN : Donc après la dépolarisation, oui. Donc ça doit être retardé par rapport aux canaux sodium, OK ? Cela doit donc être retardé par rapport aux canaux sodium voltage-dépendants. Parce que si vous pensez à cette onde progressive de dépolarisation, la dépolarisation va être élevée là où les canaux sodiques ne font qu'entrer. Et ensuite, vous auriez des ions potassium pompés et repolarisant essentiellement la cellule.

Tout le monde voit comment vous obtenez en quelque sorte une dépolarisation avec l'arrivée de sodium, puis après cela, vous vous repolarisez avec le potassium qui est pompé, n'est-ce pas ? Donc ici, vous avez un pic, et vous terminez le cycle. Il peut même devenir hyperpolarisé, où il devient encore plus négatif qu'il ne le fait normalement. Et puis il revient finalement à ce potentiel de repos d'environ moins 60 ou moins 70 millivolts.

OK, donc ça doit arriver vite. Et je veux vous parler d'un processus ou d'une propriété des neurones et d'une autre cellule utile qui permet à cela d'aller extrêmement vite. Et c'est qu'il y a ces cellules gliales dans votre corps et votre cerveau qui s'enroulent autour des axones des neurones et fonctionnent essentiellement comme du ruban électrique pour les neurones, d'accord ? Donc ce sont ces... il y a une isolation électrique autour des axones de ces neurones. Et cela est fourni par un autre type de cellule spécialisée appelée cellule gliale. C'est donc par une cellule gliale.

Et voici deux exemples de cellules gliales. Il existe des oligodendrocytes -- et vous pouvez voir comment la cellule étend les processus qui s'enroulent autour des axones de ces deux neurones. Voici une cellule de Schwann ici, qui, encore une fois, s'enroule autour de l'axone. Et ces cellules forment essentiellement ce qu'on appelle une gaine de myéline. Ils forment donc une gaine de myéline autour des axones. Et cela isole la membrane plasmique de l'axone de telle sorte que--donc voici un axone.

Vous avez des cellules gliales qui sont enroulées autour, et cela se forme en quelque sorte comme des perles sur une ficelle. Et il y a donc ces espaces entre la gaine de myéline qui sont connus sous le nom de nœuds de Ranvier. Il y a donc ces nœuds de Ranvier, qui sont des lacunes dans la gaine de myéline. Et ces nœuds remplissent une fonction importante pour le neurone, car là où l'axone est enveloppé, la membrane est électriquement isolée.

Et donc les ions sodium - ou les canaux sodium et les canaux potassium, les voltage-dépendants, se localisent sur ces nœuds. Et lorsque le potentiel d'action se déplace le long de l'axone, parce que ces régions où se trouve la gaine de myéline sont isolées électriquement, le potentiel axonal ne se déplace pas simplement en continu, mais saute de nœud en nœud, de sorte que vous ouvrez simplement les canaux sodiques à ces nœuds. Et cela permet au potentiel d'action de voyager environ 100 fois plus vite le long de l'axone. Et c'est ce qui permet à vos neurones de transmettre si rapidement ces signaux électriques de la base de votre colonne vertébrale à votre pied.

Vous obtenez donc une augmentation de la vitesse car le potentiel d'action saute de nœud en nœud. Et l'une des raisons importantes d'évoquer cela est qu'il existe une maladie humaine importante qui affecte l'isolation électrique de la gaine de myéline ici, et c'est la sclérose en plaques.

Nous allons donc déballer la sclérose en plaques dans quelques conférences. Il s'agit d'une maladie auto-immune. Et donc nous allons parler de l'immunité plus tard dans le semestre, et nous parlerons de la façon dont cela se produit. Mais pour l'instant, je veux juste souligner que la sclérose en plaques survient lorsque le système immunitaire attaque cette gaine de myéline.

Ainsi, dans la sclérose en plaques, la gaine de myéline est endommagée. Et si vous endommagez cette isolation électrique, vous ralentissez considérablement ces potentiels d'action, ce qui a un impact significatif sur l'influx nerveux dans le cerveau et dans tout le corps. Et c'est pourquoi la sclérose en plaques est une maladie si dévastatrice.

Très bien, je vais commencer à bouger maintenant pour considérer plus d'un neurone. Donc, jusqu'à présent, nous avons juste parlé de la façon dont un signal électrique est envoyé le long d'une cellule. Et maintenant, nous allons commencer à penser à plusieurs neurones et à la façon dont ils se connectent et à la façon dont les neurones intègrent les informations de plusieurs autres neurones pour décider d'envoyer ou non un potentiel d'action.

Et donc si nous considérons cette connexion ici, il y a une synapse ici. Voici une cellule qui envoie des informations et une cellule qui reçoit ces informations. Lorsque nous considérons une synapse, donc si nous considérons une synapse, il y a une cellule qui envoie le signal, qui s'appelle la présynapse. Il s'agit de la cellule émettrice. Et il y a une cellule postsynaptique.

Mais vous pouvez avoir plus d'un neurone qui envoie un signal à un neurone à un moment donné, n'est-ce pas ? Donc ici, vous avez un neurone qui envoie un signal à cette synapse, mais vous pourriez avoir un autre neurone qui envoie un signal à une synapse sur cette partie de la cellule. Et vous pourriez avoir un autre signal entrant ici. Et donc ce neurone devra alors décider de déclencher ou non un potentiel d'action dans son axone.

Et la façon dont le neurone décide de cela est d'intégrer les signaux. Il y a donc un processus d'intégration du signal. Et ce qui est important pour l'intégration du signal dans un neurone, c'est si oui ou non le corps cellulaire - si la tension augmente au-dessus d'un certain potentiel de seuil. Donc, si le corps de la cellule n'augmente pas - si la tension n'augmente pas au-dessus de ce potentiel, il n'y aura pas de potentiel d'action déclenché. Mais si la tension augmente au-dessus du potentiel de seuil, elle déclenche le potentiel d'action et envoie un signal à un neurone ou un muscle en aval ou à une autre cellule.

Donc ici, c'est le potentiel seuil dans le corps cellulaire qui détermine si oui ou non un potentiel d'action est envoyé dans l'axone. Et il existe différents types de signaux que les cellules nerveuses peuvent envoyer. Il existe donc différents types de signaux. Les signaux peuvent être excitateurs, ce qui signifie qu'ils auront tendance à dépolariser le neurone. Il y a donc des signaux excitateurs, qui se traduisent par une dépolarisation.

Par exemple, avec la sérotonine, cela ouvre le canal sodique, et cela entraîne une dépolarisation, donc c'est un signal excitateur. Mais il existe d'autres types de signaux qui se lient à différents types de récepteurs inhibiteurs. Quel pourrait être un type de récepteur qui inhiberait ce processus d'envoi d'un potentiel d'action ? Que pourrait être un récepteur inhibiteur pour réduire le risque que ce potentiel d'action soit déclenché ?

Et si je vous disais que c'est un canal ionique ? À quel ion pensez-vous qu'il pourrait passer ? Tu fais?

ADAM MARTIN : Potassium. Udo a tout à fait raison, non ? S'il passe le potassium, alors il va rendre l'intérieur plus négatif. Et c'est ce qu'on appelle l'hyperpolarisation. Ainsi, les récepteurs qui entraînent une hyperpolarisation auraient un effet inhibiteur sur ce processus.

Et rappelez-vous, si vous êtes hyperpolarisant, alors vous pourriez faire baisser cela et vous éloigner encore plus de ce potentiel de seuil, n'est-ce pas ? Et si vous avez un signal d'activation et un signal d'inhibition, ils pourraient s'annuler, car l'un se dépolarisera et l'autre s'hyperpolarisera. C'est donc ainsi qu'un neurone est capable d'intégrer des signaux provenant de différents neurones. Et cela influence si oui ou non il enverra le signal à une cellule en aval.

OK, donc maintenant nous nous concentrons sur ce qu'est la communication entre un neurone et un autre. Et cela tourne autour de cette chose qui s'appelle la synapse, qui est essentiellement l'écart entre la terminaison axonale d'un neurone et les dendrites d'un neurone postsynaptique. Et donc, la façon dont plusieurs neurones communiquent entre eux se fait via un type de signal connu sous le nom de neurotransmetteur. Et c'est ce qui déclenche le signal.

Il y a donc un processus d'initiation du signal au niveau de la synapse. Initiation. Et cela implique que le neurone présynaptique sécrète un neurotransmetteur. Ainsi, le signal, dans ce cas, les signaux entre les neurones sont appelés neurotransmetteurs. Et comme vous le voyez sur la diapositive, ce sont des exemples de neurotransmetteurs. Ils sont souvent dérivés d'acides aminés et ce sont donc de petites molécules. Ce ne sont pas les protéines que vous voyez souvent avec les ligands des récepteurs tyrosine kinase. Il s'agit d'une classe de signal différente.

Ainsi, un exemple est la sérotonine. Et si vous les regardez, nous trouverons de la sérotonine ici. Le voilà. Ici, vous pouvez voir que c'est un dérivé du tryptophane. C'est donc une petite molécule, et elle est capable de se lier à un récepteur sur la cellule postsynaptique et d'induire une dépolarisation.

Et donc les neurones sont - la façon dont ils communiquent est - les neurones sont un cas où la chance favorise les préparés. Les neurones sont totalement préparés à s'envoyer des signaux. Ils ont tout prêt à l'emploi lorsqu'ils reçoivent un message en amont, et ils sont prêts à envoyer des signaux à la cellule suivante. Et c'est parce que si nous regardons la synapse avant un potentiel d'action, tout est prêt à partir. La cellule a un neurotransmetteur, et il est emballé dans ces vésicules, et il est attaché à la membrane plasmique, prêt à être libéré.

Ainsi, avant le potentiel d'action, il existe des vésicules remplies de neurotransmetteurs qui sont amarrées à la membrane plasmique. J'abrège la membrane plasmique PM, juste pour ne pas avoir à l'écrire, d'accord ? Ceux-ci contiennent donc des neurotransmetteurs, n'est-ce pas ? Mais vous voyez dans cette vésicule amarrée, le neurotransmetteur est en rouge, et il ne peut pas sortir si cette vésicule ne fusionne pas avec la membrane plasmique. Ceux-ci contiennent donc des neurotransmetteurs.

Mais à ce stade, les vésicules n'ont pas fusionné. Mais la vésicule n'est pas fusionnée. Quand doivent-ils fusionner ? Dans ce système de signalisation des neurones entre eux, quand la vésicule doit-elle fusionner avec la membrane plasmique ? Qu'est-ce qui devrait déclencher le processus de fusion ? Oui, Miles ?

PUBLIC : Donc après l'axone [INAUDIBLE] quand il est temps pour le [INAUDIBLE] c'est quand les vésicules fusionnent.

ADAM MARTIN : Oui, donc Miles a tout à fait raison. Si nous considérons mon diagramme ici, il y a un potentiel d'action voyageant le long de cet axone. Lorsqu'il atteint l'extrémité axonale, cela devrait être le signal pour que ces vésicules fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent le neurotransmetteur. C'est donc l'arrivée du potentiel d'action, non ?

Alors rappelez-vous, dans ce cas, la sérotonine va être en bleu. Si la sérotonine est à l'intérieur de ma vésicule ici, elle devra s'exocytoser. Et maintenant, la sérotonine va être à l'extérieur de la cellule, prête à se lier au récepteur.

Très bien, comme Miles l'a souligné, vous avez un potentiel d'action. La fusion doit être déclenchée par le potentiel d'action. Pour fusionner, il doit y avoir un signal à l'intérieur du cytoplasme pour dire aux vésicules de fusionner. Ce signal est une augmentation de la concentration en ions calcium. Et puis lorsque la concentration en calcium augmente dans le cytoplasme, cela déclenche la fusion de ces vésicules. Et quand vous obtenez la fusion, c'est l'exocytose, et la sérotonine est maintenant à l'extérieur de la cellule, où elle peut traverser la fente synaptique et se lier à un récepteur sur le neurone postsynaptique.

Donc, cette fusion se produit lorsque le neurotransmetteur est libéré. Le neurotransmetteur est publié ici. Et la façon dont cette augmentation du calcium doit se produire, lorsque le potentiel d'action arrive à l'extrémité axonale. Donc, quand il arrive dans l'extrémité axonale, il y a dépolarisation de cette partie de la cellule. Il existe donc un type spécial de protéine appelé canal calcique voltage-dépendant.

Tous ces canaux sont très sélectifs pour différents ions. Ainsi, un canal sodium voltage-dépendant ne laisse pas entrer tous les ions à l'extérieur de la cellule. Il est sélectif au sodium. Et dans ce cas, ce canal calcique voltage-dépendant va juste laisser entrer le calcium. Et puis il y a un mécanisme qui relie l'entrée du calcium à la fusion des vésicules. Et cela va être montré ici.

Ce que vous voyez sur cette vésicule synaptique amarrée est cette protéine de liaison au calcium appelée synaptotagmine qui est présente sur la vésicule. Ainsi, lorsque le calcium pénètre dans le cytoplasme, cette protéine se lie au calcium et active la machinerie de fusion de telle sorte que la membrane plasmique de la vésicule fusionne - ou la membrane de la vésicule fusionne avec la membrane plasmique de la cellule, libérant ainsi le neurotransmetteur dans la fente synaptique.

C'est donc ce qui déclenche le signal. Maintenant, vous savez probablement que ces neurones ne sont pas actifs ou allumés tout le temps. Donc quelque chose doit mettre fin au signal, généralement assez rapidement. Alors maintenant, je veux en parler. Donc, comme toutes les voies de signalisation, la signalisation est inutile si vous pouvez simplement l'activer. Vous devez pouvoir l'activer et le désactiver pour que les systèmes biologiques fonctionnent correctement, n'est-ce pas ? Et c'est le cas des neurones.

Si vous allumez simplement un neurone et que vous n'avez aucun moyen de le désactiver à nouveau, alors c'est plutôt inutile. Et donc nous devons avoir un moyen de désactiver le signal. Et si l'on considère la synapse, il s'agit ici du neurone présynaptique. Je vais dessiner un neurone postsynaptique ici. Et le neurotransmetteur est libéré par le neurone présynaptique vers le neurone postsynaptique ici. Le neurotransmetteur est libéré dans la fente synaptique.

Ainsi, le type de région extracellulaire entre ces deux neurones s'appelle la fente synaptique. Alors maintenant, la cellule vient de déverser toute une cargaison de neurotransmetteurs dans la fente synaptique, n'est-ce pas ? Comment va-t-il désactiver cela? Qu'est-ce que ça doit faire ? Ouais, Stéphane ?

PUBLIC : Il pourrait absorber le-- reprendre dans le [INAUDIBLE].

ADAM MARTIN : Stephen a tout à fait raison. Ce que Stephen a suggéré est, y a-t-il un moyen pour le neurone présynaptique de réabsorber ce neurotransmetteur et, ainsi, de le recycler ? Il pourrait donc soit le réabsorber, soit dégrader le neurotransmetteur. Processus différent pour différents neurotransmetteurs. Pour la sérotonine, il existe des canaux qui sont présents dans la membrane plasmique et qui assurent la recapture de la sérotonine.

Donc, vous avez des canaux qui sont fondamentalement - une fois que le neurotransmetteur est libéré, il aspire le neurotransmetteur dans la cellule présynaptique de sorte qu'il puisse ensuite réutiliser le neurotransmetteur plus tard. Et donc, ce processus de recapture met en évidence un processus très important qui a été utilisé par les sociétés pharmaceutiques pour créer des antidépresseurs. Ainsi, les antidépresseurs comme le Prozac et le Zoloft affectent ce processus de recapture. Et ce que cela fait, c'est qu'il maintient le neurotransmetteur dans la fente synaptique plus longtemps, de sorte qu'il améliore la signalisation.

Et donc l'idée derrière ces médicaments est que si vous souffrez de dépression à cause d'un manque de sérotonine, vous pouvez le sauver en empêchant la recapture rapide du neurotransmetteur dans la cellule après la stimulation de la synapse et la libération du neurotransmetteur. Et donc le Prozac, le Zoloft, c'est une classe de médicaments connus sous le nom d'inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine.

C'est une sorte de bouchée. Il s'agit d'ISRS abrégés. Mais la façon dont ils fonctionnent est de laisser le neurotransmetteur dans la fente synaptique plus longtemps afin d'améliorer la signalisation, même si vous avez de faibles niveaux de neurotransmetteur pour commencer.

Je tiens également à souligner que si nous regardons ce schéma ici, la vésicule synaptique fusionne, puis cela libère le neurotransmetteur. Mais toute la machinerie de cette vésicule est recyclée par endocytose de manière à pouvoir être réutilisée, d'accord ? Les cellules sont donc vraiment douées pour recycler des trucs. S'il s'agit en quelque sorte de la membrane, vous endocytosez et vous pourrez ensuite l'utiliser à nouveau plus tard, d'accord ?

Et donc il y a recyclage non seulement du neurotransmetteur, mais aussi de toute la machinerie sur les vésicules synaptiques qui sont responsables de l'événement de fusion. Très bien, maintenant je veux terminer en vous disant simplement comment fonctionne cette expérience, où nous sommes capables d'activer des neurones spécifiques dans un cerveau et cela amène l'animal à se réveiller en quelque sorte. Donc dans un neurone normal, c'est donc la dernière partie, l'optogénétique. Et je vais passer par là très vite.

Mais normalement, vous avez besoin d'un neurotransmetteur pour induire la dépolarisation. Mais qu'est-ce que l'optogénétique, c'est une approche pour contrôler l'activité d'une cellule avec de la lumière, d'accord ? Donc dans ce cas, nous allons avoir une dépolarisation induisant la lumière. Et la façon dont cela se fait est qu'il y a une protéine découverte à partir d'algues photosynthétiques qui réagit à la lumière, et c'est un canal sodium.Et cette protéine est appelée channelrhodopsin, spécifiquement ChR2. Et c'est une protéine sensible à la lumière où la lumière induit l'ouverture des canaux sodiques.

Donc ça va dépolariser la cellule. Et ce que vous pouvez faire, c'est que si vous avez un gène dont vous savez qu'il est spécifiquement exprimé dans un certain type de neurone, vous pouvez prendre la région du promoteur et de l'amplificateur de ce gène et le relier à ce composant unique, la channelrhodopsine, ce cadre de lecture ouvert. , en utilisant la technologie de l'ADN recombinant. Et si cela s'exprime spécifiquement dans les neurones que vous essayez de tester, vous pouvez alors éclairer le cerveau de l'organisme et activer, spécifiquement, ce type de neurone. Et cela permet de tester la fonction du neurone dans le comportement d'un organisme.

Donc, dans ce cas, cette souris, la lumière est projetée dans son cerveau, et ils testent un type spécifique de neurone qui est impliqué dans l'éveil de la souris, et elle se réveille. Oh, ça ne joue pas. Donc ici, c'est l'activité cérébrale en haut et l'activité musculaire en bas. Alors tu vas voir la lumière. Il y a la lumière. Tu le vois? Lumière entrant dans le cerveau.

Ils induisent de la lumière à cette fréquence pendant un certain temps. Et puis ils vont attendre et voir quand la souris se réveillera. Et ça va se réveiller tout de suite. Ça y va. Il s'est réveillé. Vous voyez maintenant que son activité musculaire se poursuit, d'accord ?

Vous pouvez donc tester la fonction de cellules nerveuses spécifiques en utilisant cette approche, et c'est parce que vous avez un canal sodique sensible à la lumière. J'ai donc fini pour aujourd'hui. Passe un bon weekend. Je te vois lundi.


Contenu

Cellules non dopantes, cellules dopantes et leur mesure

Toutes les cellules du système nerveux ne produisent pas le type de pointe qui définit la portée des modèles de neurones à pointe. Par exemple, les cellules ciliées cochléaires, les cellules réceptrices rétiniennes et les cellules bipolaires rétiniennes ne présentent pas de pic. De plus, de nombreuses cellules du système nerveux ne sont pas classées comme des neurones mais plutôt comme des cellules gliales.

L'activité neuronale peut être mesurée avec différentes techniques expérimentales. La technique de mesure « Cellule entière », qui capture l'activité de pointe d'un seul neurone et produit des potentiels d'action de pleine amplitude.

Avec les techniques de mesure extracellulaire, une électrode (ou un réseau de plusieurs électrodes) est située dans l'espace extracellulaire. Les pointes, souvent provenant de plusieurs sources de pointe, en fonction de la taille de l'électrode et de sa proximité avec les sources, peuvent être identifiées avec des techniques de traitement du signal. La mesure extracellulaire présente plusieurs avantages : 1) Est plus facile à obtenir expérimentalement 2) Est robuste et dure plus longtemps 3) Peut refléter l'effet dominant, en particulier lorsqu'elle est effectuée dans une région anatomique avec de nombreuses cellules similaires.

Présentation des modèles de neurones

Les modèles de neurones peuvent être divisés en deux catégories selon les unités physiques de l'interface du modèle. Chaque catégorie pourrait être subdivisée en fonction du niveau d'abstraction/de détail :

    – Ces modèles produisent une prédiction de la tension de sortie de la membrane en fonction de la stimulation électrique donnée en courant ou en tension d'entrée. Les différents modèles de cette catégorie diffèrent par la relation fonctionnelle exacte entre le courant d'entrée et la tension de sortie et par le niveau de détails. Certains modèles de cette catégorie ne prédisent que le moment d'apparition du pic de sortie (également connu sous le nom de « potentiel d'action »), d'autres modèles sont plus détaillés et tiennent compte des processus sous-cellulaires. Les modèles de cette catégorie peuvent être déterministes ou probabilistes. stimulus ou modèles de neurones d'entrée pharmacologiques - Les modèles de cette catégorie relient le stimulus d'entrée, qui peut être pharmacologique ou naturel, à la probabilité d'un événement de pointe. L'étage d'entrée de ces modèles n'est pas électrique, mais comporte plutôt des unités de concentration pharmacologiques (chimiques), ou des unités physiques qui caractérisent un stimulus externe tel que la lumière, le son ou d'autres formes de pression physique. De plus, l'étage de sortie représente la probabilité d'un événement de pointe et non une tension électrique.

Bien qu'il ne soit pas inhabituel en science et en ingénierie d'avoir plusieurs modèles descriptifs pour différents niveaux d'abstraction/de détail, le nombre de modèles de neurones biologiques différents, parfois contradictoires, est exceptionnellement élevé. Cette situation est en partie le résultat des nombreux paramètres expérimentaux différents, et de la difficulté de séparer les propriétés intrinsèques d'un seul neurone des effets de mesures et des interactions de nombreuses cellules (effets de réseau). Pour accélérer la convergence vers une théorie unifiée, nous listons plusieurs modèles dans chaque catégorie, et le cas échéant, également des références à des expériences de support.

Objectifs des modèles de neurones

À terme, les modèles de neurones biologiques visent à expliquer les mécanismes sous-jacents au fonctionnement du système nerveux. La modélisation aide à analyser les données expérimentales et à répondre à des questions telles que : Comment les pointes d'un neurone sont-elles liées à la stimulation sensorielle ou à l'activité motrice comme les mouvements des bras ? Quel est le code neuronal utilisé par le système nerveux ? Les modèles sont également importants dans le contexte de la restauration de la fonctionnalité cérébrale perdue grâce à des dispositifs neuroprothétiques.

Les modèles de cette catégorie décrivent la relation entre les courants membranaires neuronaux à l'étage d'entrée et la tension membranaire à l'étage de sortie. Cette catégorie comprend des modèles d'intégration et de tir (généralisés) et des modèles biophysiques inspirés des travaux de Hodgkin-Huxley au début des années 1950 en utilisant une configuration expérimentale qui perforait la membrane cellulaire et permettait de forcer une tension/un courant membranaire spécifique. [2] [3] [4] [5]

La plupart des interfaces neuronales électriques modernes appliquent une stimulation électrique extracellulaire pour éviter la perforation de la membrane qui peut entraîner la mort cellulaire et des lésions tissulaires. Par conséquent, il n'est pas clair dans quelle mesure les modèles de neurones électriques tiennent pour la stimulation extracellulaire (voir par exemple [6]).

Hodgkin–Huxley Modifier

Preuves expérimentales soutenant le modèle
Propriété du modèle H&H Les références
La forme d'une pointe individuelle [2] [3] [4] [5]
L'identité des ions impliqués [2] [3] [4] [5]
Vitesse de pointe à travers l'axone [2]

Le modèle Hodgkin-Huxley (modèle H&H) [2] [3] [4] [5] est un modèle de la relation entre le flux de courants ioniques à travers la membrane cellulaire neuronale et la tension membranaire de la cellule. [2] [3] [4] [5] Il s'agit d'un ensemble d'équations différentielles non linéaires décrivant le comportement des canaux ioniques qui imprègnent la membrane cellulaire de l'axone géant du calmar. Hodgkin et Huxley ont reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine 1963 pour ce travail.

Nous notons la relation tension-courant, avec plusieurs courants dépendants de la tension chargeant la membrane cellulaire de la capacité Cm

L'équation ci-dessus est la dérivée temporelle de la loi de la capacité, Q = CV où le changement de la charge totale doit être expliqué comme la somme des courants. Chaque courant est donné par

g(t,V) est la conductance, ou résistance inverse, qui peut être étendue en fonction de sa conductance maximale g et les fractions d'activation et d'inactivation m et h , respectivement, qui déterminent le nombre d'ions pouvant traverser les canaux membranaires disponibles. Cette expansion est donnée par

et nos fractions suivent la cinétique du premier ordre

avec une dynamique similaire pour h , où nous pouvons utiliser soit ?? et m ou ?? et ?? pour définir nos fractions de portes.

Le modèle Hodgkin-Huxley peut être étendu pour inclure des courants ioniques supplémentaires. Typiquement, ceux-ci incluent les courants d'entrée Ca 2+ et Na + entrants, ainsi que plusieurs variétés de courants sortants K +, y compris un courant de « fuite ».

Le résultat final peut être au petit bout 20 paramètres que l'on doit estimer ou mesurer pour un modèle précis. Dans un modèle d'un système complexe de neurones, l'intégration numérique des équations est coûteuse en temps de calcul. Des simplifications minutieuses du modèle Hodgkin-Huxley sont donc nécessaires.

Le modèle peut être réduit à deux dimensions grâce aux relations dynamiques qui peuvent être établies entre les variables de déclenchement. [7] il est également possible de l'étendre pour prendre en compte l'évolution des concentrations (considérées fixes dans le modèle d'origine). [8] [9]

Parfait Intégrer-et-tirer Modifier

L'un des premiers modèles de neurone est le modèle parfait d'intégration et de tir (également appelé intégration et tir sans fuite), étudié pour la première fois en 1907 par Louis Lapicque. [10] Un neurone est représenté par sa tension membranaire V qui évolue dans le temps lors de la stimulation avec un courant d'entrée Ce) selon

qui est juste la dérivée temporelle de la loi de capacité, Q = CV . Lorsqu'un courant d'entrée est appliqué, la tension de la membrane augmente avec le temps jusqu'à atteindre un seuil constant Ve , auquel point un pic de fonction delta se produit et la tension est réinitialisée à son potentiel de repos, après quoi le modèle continue de fonctionner. Les fréquence de tir du modèle augmente donc linéairement sans limite à mesure que le courant d'entrée augmente.

Le modèle peut être rendu plus précis en introduisant une période réfractaire tréf qui limite la fréquence de décharge d'un neurone en l'empêchant de se déclencher pendant cette période. Pour une entrée constante je(t)=je la tension de seuil est atteinte après un temps d'intégration tentier=CVthr/I après repartir de zéro. Après une réinitialisation, la période réfractaire introduit un temps mort de sorte que le temps total jusqu'à la prochaine cuisson est tréf+tentier . La fréquence de tir est l'inverse de l'intervalle total entre les pointes (y compris le temps mort). La fréquence d'amorçage en fonction d'un courant d'entrée constant est donc

Un inconvénient de ce modèle est qu'il ne décrit ni l'adaptation ni la fuite. Si le modèle reçoit une courte impulsion de courant inférieure au seuil à un moment donné, il conservera cette augmentation de tension pour toujours - jusqu'à ce qu'une autre entrée le déclenche plus tard. Cette caractéristique n'est clairement pas en accord avec le comportement neuronal observé. Les extensions suivantes rendent le modèle d'intégration et de feu plus plausible d'un point de vue biologique.

Fuite d'intégration et de tir Modifier

Le modèle d'intégration et de feu avec fuite qui remonte à Louis Lapicque, [10] contient, par rapport au modèle d'intégration et de feu sans fuite, un terme de « fuite » dans l'équation du potentiel membranaire, reflétant la diffusion des ions à travers la membrane. L'équation du modèle ressemble à [1]

Vm est la tension à travers la membrane cellulaire et Rm est la résistance membranaire. (Le modèle d'intégration et de tir sans fuite est récupéré dans la limite Rm à l'infini, c'est-à-dire si la membrane est un isolant parfait). L'équation du modèle est valide pour une entrée arbitraire dépendant du temps jusqu'à un seuil Ve est atteint par la suite, le potentiel de membrane est réinitialisé.

Pour une entrée constante, l'entrée minimale pour atteindre le seuil est jee = Ve / Rm . En supposant une remise à zéro, la fréquence de tir ressemble donc à

qui converge pour les grands courants d'entrée vers le modèle sans fuite précédent avec période réfractaire. [11] Le modèle peut également être utilisé pour les neurones inhibiteurs. [12] [13]

Le plus gros inconvénient du neurone Leaky d'intégration et de déclenchement est qu'il ne contient pas d'adaptation neuronale, de sorte qu'il ne peut pas décrire un train de pointes mesuré expérimentalement en réponse à un courant d'entrée constant. [14] Cet inconvénient est supprimé dans les modèles d'intégration et de tir généralisés qui contiennent également une ou plusieurs variables d'adaptation et sont capables de prédire les temps de pointe des neurones corticaux sous injection de courant avec un degré élevé de précision. [15] [16] [17]

Intégrer et tirer adaptatif

Preuves expérimentales soutenant le modèle
Modèle de modèle adaptatif d'intégration et de tir Les références
Tension inférieure au seuil pour le courant d'entrée dépendant du temps [16] [17]
Temps d'allumage pour le courant d'entrée dépendant du temps [16] [17]
Modèles de tir en réponse à l'entrée de courant de pas [18] [19] [20]

L'adaptation neuronale fait référence au fait que même en présence d'une injection de courant constant dans le soma, les intervalles entre les pics de sortie augmentent. Un modèle de neurone adaptatif d'intégration et de déclenchement combine l'intégration de fuite de tension V avec une ou plusieurs variables d'adaptation wk (voir chapitre 6.1. dans le manuel Neuronal Dynamics [21] )

Les neurones d'intégration et de déclenchement avec une ou plusieurs variables d'adaptation peuvent expliquer une variété de modèles de déclenchement neuronaux en réponse à une stimulation constante, y compris l'adaptation, l'éclatement et l'éclatement initial. [18] [19] [20] De plus, les neurones adaptatifs d'intégration et de feu avec plusieurs variables d'adaptation sont capables de prédire les temps de pointe des neurones corticaux sous injection de courant dépendant du temps dans le soma. [16] [17]

Intégrer et tirer par ordre fractionnaire Modifier

Les progrès récents dans le calcul fractionnaire computationnel et théorique ont conduit à une nouvelle forme de modèle, appelée intégration et tir à fuite d'ordre fractionnaire. [23] [24] Un avantage de ce modèle est qu'il peut capturer les effets d'adaptation avec une seule variable. Le modèle a la forme suivante [24]

Une fois que la tension atteint le seuil, elle est réinitialisée. L'intégration fractionnelle a été utilisée pour tenir compte de l'adaptation neuronale dans les données expérimentales. [23]

« Intégrer et tirer exponentiel » et « intégrer et tirer exponentiel adaptatif » Modifier

Preuves expérimentales soutenant le modèle
Intégrer et tirer exponentiel adaptatif Les références
La relation courant-tension sous-seuil [25]
Modèles de tir en réponse à l'entrée de courant de pas [20]
Réfractarité et adaptation [26]

Dans le modèle exponentiel d'intégration et d'incendie, [27] la génération de pointes est exponentielle, suivant l'équation :

Dans le neurone exponentiel adaptatif d'intégration et de déclenchement [26] la non-linéarité exponentielle ci-dessus de l'équation de tension est combinée avec une variable d'adaptation w

w désigne le courant d'adaptation avec l'échelle de temps τ . Les paramètres importants du modèle sont la valeur de réinitialisation de la tension Vr , le seuil intrinsèque V T > , les constantes de temps τ et τ m > ainsi que les paramètres de couplage une et b . Le modèle d'intégration et d'incendie exponentiel adaptatif hérite de la non-linéarité de tension dérivée expérimentalement [25] du modèle d'intégration et d'incendie exponentiel. Mais au-delà de ce modèle, il peut également rendre compte d'une variété de modèles de décharge neuronale en réponse à une stimulation constante, y compris l'adaptation, l'éclatement et l'éclatement initial. [20] Cependant, l'adaptation étant sous forme de courant, une hyperpolarisation aberrante peut apparaître. Ce problème a été résolu en l'exprimant comme une conductance. [29]

Les modèles de cette catégorie sont des modèles d'intégration et de tir généralisés qui incluent un certain niveau de stochasticité. Les neurones corticaux dans les expériences répondent de manière fiable à une entrée dépendante du temps, bien qu'avec un faible degré de variations entre un essai et le suivant si le même stimulus est répété. [30] [31] La stochasticité dans les neurones a deux sources importantes. Premièrement, même dans une expérience très contrôlée où le courant d'entrée est injecté directement dans le soma, les canaux ioniques s'ouvrent et se ferment de manière stochastique [32] et ce bruit de canal conduit à une petite variabilité de la valeur exacte du potentiel de membrane et de la synchronisation exacte. de pointes de sortie. Deuxièmement, pour un neurone intégré dans un réseau cortical, il est difficile de contrôler l'entrée exacte car la plupart des entrées proviennent de neurones non observés ailleurs dans le cerveau. [21]

La stochasticité a été introduite dans les modèles de neurones à pointes sous deux formes fondamentalement différentes : soit (i) un entrée bruyante courant est ajouté à l'équation différentielle du modèle neuronal [33] ou (ii) le processus de la génération de pointes est bruyante. [34] Dans les deux cas, la théorie mathématique peut être développée pour le temps continu, qui est ensuite, si souhaité pour l'utilisation dans des simulations informatiques, transformé en un modèle à temps discret.

La relation entre le bruit dans les modèles de neurones et la variabilité des trains de pointes et des codes neuronaux est discutée dans Neural Coding et au chapitre 7 du manuel Neuronal Dynamics. [21]

Modèle d'entrée bruyant (bruit diffusif) Modifier

Un neurone intégré dans un réseau reçoit des pics d'entrée d'autres neurones. Étant donné que les temps d'arrivée des pics ne sont pas contrôlés par un expérimentateur, ils peuvent être considérés comme stochastiques. Ainsi un modèle d'intégration et de tir (potentiellement non linéaire) avec non-linéarité f(v) reçoit deux entrées : une entrée I ( t ) contrôlée par les expérimentateurs et un courant d'entrée bruité I noise ( t )