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+Ingénierie des systèmes
humains GTS501 – TP9
Objectifs de la séance :
- Rappel sur les neurones
- Rappel sur les potentiels d’action
- Rappel sur l’électroencéphalogramme
- Applications d’ingénierie
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+Neurones
Cellule du système nerveux : Transfert d’information Envoi de commandes
Composantes : Soma (corps cellulaire) Axones Dendrites
Bear, Connors, Paradiso
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+Soma (corps cellulaire)
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+Soma (corps cellulaire) Forme ronde (~20 μm de Ø)
Contient un liquide appelé cytosol : Riche en Na+ et K+
Contient aussi un noyau et des organelles : REG (réticulum endoplasmique
granuleux (rugueux)) REL (réticulum endoplasmique
lisse) Ribosomes Appareil de Golgi Mitochondries
Cytoplasme = tout le soma sans le noyau
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+Soma - Rôles
Noyau : contient chromosomes ADN
REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés
REL : régulation des concentrations internes de Ca+
Ribosomes : décodent l’info de l’ARNm pour permettre la synthèse des protéines
Appareil de Golgi : triage des protéines
Mitochondries : respiration cellulaire ATP
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+Dendrites
Structure d’arbre
Servent d’antenne (réception de l’influx)
Couvertes de synapses : Côté post-synaptique
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+Axones
« Fil conducteur » (transmission de l’influx)
Longueur de 1 mm à 1 m
La terminaison de l’axone forme une synapse sur les dendrites (ou le soma) : Côté pré-synaptique
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+Théorie générale
Caractéristiques d’un signal électrique Fréquence = nombre de cycle par
unité de temps : Se mesure souvent en Hertz
(cycle/s)
Période (durée) = temps nécessaire pour effectuer un cycle : C’est l’inverse de la fréquence
Amplitude = distance verticale entre deux extrémités d’une onde
1s
Fréquence
Période
Amplitude
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+Potentiel d’action (influx nerveux)Le potentiel d’action :
Permet le transfert d’information (influx nerveux) La durée et l’amplitude qui caractérisent le potentiel d’action
restent constantes C’est la fréquence (nombre de potentiel/unité de temps)
qui change Le potentiel n’est pas atténué à travers la transmission
Contrairement au potentiel gradué Fréquence et patron contiennent l’information
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+Potentiel d’action Courbe de potentiel d’action (mauve) :
1. Membrane de la cellule est à -70 mV au repos
2. Dépolarisation de la membrane jusqu’à 30 mV
3. Repolarisation de la membrane
4. Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70 mV)
Durée : environ 2 ms Amplitude : +30 - (-70) mV = 100mV
Durée : 2 ms
Amplitude : 100 mV
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+Potentiel d’action : ce qu’il y a sur la membrane d’un axone
2 types de canal ionique Canal à sodium (Na+) Canal à potassium (K+)
Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Sert à redistribuer les ions dans la phase
d’hyperpolarisation
Vidéo action_potential et influx_nerveux
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+Potentiel d’action : les 6 étapes détaillées1) Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane
est davantage perméable au K+.
2) Arrivé d’un neuro-transmetteur dans la fente synaptique ouverture momentané des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué
3) Si seuil atteint ouverture des canaux à Na+ voltage-dépendants, influx de Na+ = Potentiel d’action
4) Fermeture des canaux à Na+ voltage-dépendants. Les canaux à Na+ voltage-dépendants ne peuvent pas être réactivés (période réfractaire)
5) Ouverture des canaux à K+ voltage-dépendants = hyperpolarisation
6) Les canaux à K+ restent ouverts et les canaux à Na+ restent fermés. Pendant tout ce temps, la pompe à Na+/K+ rétablit la différence de potentiel du repos.
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+Électroencéphalogramme
Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (24) placés sur le scalpe (cuir chevelu) Enregistre l’activité d’une population de neurones du cortex
cérébral Mesure la différence de potentiel entre chaque électrode et une
électrode de référence Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour
diagnostiquer l’épilepsie.
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+Électroencéphalogramme
Bear, Connors, Paradiso
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+Électroencéphalogramme (EEG)
Sert à mesurer des différences de potentiel d’action entre diverses aires du cerveau
Amplitude du signal dépend de la synchronisation
Enregistrements classés par rythmes selon leur fréquence
Rythmes associés à différents états (du plus actif vers le moins actif)
Beta (15-25 Hz) : cortex actif Alpha (8-13 Hz) : état éveillé mais au repos Theta (4-7 Hz) : certaines phases du sommeil Delta (< 4 Hz): sommeil profond
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+Électroencéphalogramme
Épilepsie Crise : décharges torrentielles
et rythmiques de groupes de neurones cérébraux
Crée un “spike and wave” facilement visible à l’EEG
Autres pathologies (ex. tumeurs) Resultent généralement en une asymmétrie dans
la lecture de l’EEG
http://www.neuro.mcg.edu
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+
Quelques applications d’ingénierie
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+Quelques applications d’ingénierie Brain computer interfaces (BCI)
Interfaçage entre le système nerveux et un système informatisé
Utilisation de signaux enregistrés à la surface du crâne (EEG) ou en périphérie du cortex (électrodes implantés)
Utilisations multiples, plus couramment pour les patients atteints du “syndrôme de verrouillage”
Syndrôme de verrouillage: Cause : lésion d’une partie de la voie efférente (motrice)
qui empêche l’influx nerveux de se rendre du cerveau aux muscles
Conséquence : incapacité de bouger (parler, mobilier les membres du corps (paralysie presque totale))
Rupture de la voie efférente
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+Quelques applications d’ingénierie BCI utilisant EEG
Enregistre signaux lors de tâches prédéfinies Établissement de patrons représentatifs Corrélation entre le patron et le signal enregistré Si le coefficient dépasse un seuil de confiance, l’action est
déclanchée.
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+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’interface BCI avec EEG
Kennedy et al. 2000
Wolpaw et al. 2003
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+Quelques applications d’ingénierie Exemple de contrôle utilisant l’EEG
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+Quelques applications d’ingénierieJonathan Wolpaw, pionnier des
interfaces EEG
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Quelques applications d’ingénierie Électrodes implantées dans le cortex
Matrice de 10x10 électrodes Longueur d’environs 1.5 mm Enregistre plus de 100 cellules
simultanément Utilise les “spikes” d’une durée
de 50 à 70 ms
Black et al. 2003
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Quelques applications d’ingénierie Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI
Electrode implantée chez un singe dans le cortex moteur : région contrôlant le bras
Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras aptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible
Black et al. 2003
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+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’implant dans le cortex humain
Projet BrainGate 2 humains implantés Propriété plastique du cortex Youtube 1 et 2
www.cyberkineticsinc.com
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+Bibliographie
Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain.
Talwar, S. K. et al. Rat navigation guided by remote control.. Nature, 417, 37 - 38, (2002).
http://brownalumnimagazine.com/storydetail.cfm?ID=370
Wolpaw et al.
Kennedy et al.
Black et al.
Marieb
Le grand dictionnaire terminologique
www.youtube.com
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