GTS501 - Ingénierie des systèmes humains, labo #8 :
Neurones et potentiel d’action
Plan de la séanceRappel :
NeuronesPotentiels d’actionElectroencéphalogramme
Applications d’ingénierieRésultats des 3 premiers quiz
NeuronesCellule du système nerveux :
Transfert d’informationEnvoi de commandes
Composantes :Soma (corps cellulaire)AxonesDendrites
Bear, Connors, Paradiso
Soma (corps cellulaire)
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
Soma - RôlesNoyau : contient chromosomes ADNREG : synthèse des protéines grâce aux
ribosomes qui y sont accrochésREL : régulation des concentrations internes
de Ca+Ribosomes : décodent l’info de l’ARNm pour
permettre la synthèse des protéinesAppareil de Golgi : triage des protéinesMitochondries : respiration cellulaire ATP
DendritesStructure d’arbreServent d’antenne (réception de l’influx)Couvertes de synapses :
Côté post-synaptique
Axones« Fil conducteur » (transmission de l’influx)Longueur de 1 mm à 1 mLa terminaison de l’axone forme une synapse
sur les dendrites (ou le soma) :Côté pré-synaptique
Théorie généraleCaractéristiques d’un
signal électriqueFréquence = 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
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 changeLe potentiel n’est pas atténué à travers la
transmission Contrairement au potentiel gradué
Fréquence et patron contiennent l’information
Potentiel d’action Courbe de potentiel d’action (mauve) :
1. Membrane de la cellule est à -70 mV au repos2. Dépolarisation de la membrane jusqu’à 30 mV3. Repolarisation de la membrane4. Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70
mV) Durée : environ 2 ms Amplitude : +30 - (-70) mV = 100mV
Durée : 2 ms
Amplitude : 100 mV
Potentiel d’action : ce qu’il y a sur la membrane d’un axone2 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 1 et 2
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.
ÉlectroencéphalogrammeElectroencéphalogramme (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.
Électroencéphalogramme
Bear, Connors, Paradiso
Électroencéphalogramme (EEG)Sert à mesurer des différences de potentiel
d’action entre diverses aires du cerveauAmplitude du signal dépend de la
synchronisationEnregistrements 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
ÉlectroencéphalogrammeÉpilepsie
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
Quelques applications d’ingénierie
Quelques applications d’ingénierieBrain 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
Quelques applications d’ingénierieBCI utilisant EEG
Enregistre signaux lors de tâches prédéfiniesÉtablissement de patrons représentatifsCorrélation entre le patron et le signal
enregistréSi le coefficient dépasse un seuil de confiance,
l’action est déclanchée.
Quelques applications d’ingénierieExemple d’interface BCI avec EEG
Kennedy et al. 2000
Wolpaw et al. 2003
Quelques applications d’ingénierieExemple de contrôle utilisant l’EEG
Quelques applications d’ingénierieJonathan Wolpaw, pionnier des interfaces
EEG
Quelques applications d’ingénierieÉlectrodes implantées
dans le cortexMatrice de 10x10 électrodesLongueur d’environs 1.5 mmEnregistre plus de 100
cellules simultanémentUtilise les “spikes” d’une
durée de 50 à 70 msBlack et al. 2003
Quelques applications d’ingénierieExemple 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 aptiqueRécompensé lorsqu’il atteint la cible
Black et al. 2003
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
BibliographieBear, 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=37
0Wolpaw et al.Kennedy et al.Black et al.MariebLe grand dictionnaire terminologiquewww.youtube.com
Questions?