Potentiel d'action: le message des neurones

Le potentiel d'action est un phénomène électrique ou chimique à court terme qui se produit dans les neurones de notre cerveau. On peut dire que c'est le message qui sera transmis aux autres neurones.

Il est produit dans le corps de la cellule (noyau), également appelé soma. Il traverse l'axone entier (extension du neurone, semblable à un câble) jusqu'à son extrémité, appelée bouton terminal.

Les potentiels d'action dans un axone donné ont toujours la même durée et la même intensité. Si l'axone se ramifie dans d'autres extensions, le potentiel d'action est divisé mais son intensité n'est pas réduite.

Lorsque le potentiel d'action atteint les boutons terminaux du neurone, il sécrète des substances chimiques appelées neurotransmetteurs. Ces substances excitent ou inhibent le neurone qui les reçoit, pouvant générer un potentiel d'action dans ledit neurone.

Une grande partie de ce que l'on sait sur les potentiels d'action des neurones provient d'expériences réalisées avec des axones de calmars géants. Il est facile à étudier en raison de sa taille, puisqu'il s'étend de la tête à la queue. Ils servent pour que l'animal puisse bouger.

Potentiel de membrane neuronale

Les neurones ont à l'intérieur des charges électriques différentes de celles à l'extérieur. Cette différence s'appelle potentiel de membrane .

Lorsqu'un neurone est au potentiel de repos, cela signifie que sa charge électrique n'est pas altérée par les potentiels synaptiques excitateurs ou inhibiteurs.

En revanche, lorsque d’autres potentiels l’influencent, le potentiel de la membrane peut être réduit. Ceci est connu comme dépolarisation .

Ou, au contraire, lorsque le potentiel de membrane augmente par rapport à son potentiel normal, un phénomène appelé hyperpolarisation se produit.

Lorsqu'une inversion très rapide du potentiel de membrane se produit soudainement, un potentiel d'action est donné. Cela consiste en une brève impulsion électrique, qui est traduite dans le message qui traverse l'axone du neurone. Il commence dans le corps de la cellule et atteint les boutons du terminal.

Il est important de noter que pour qu'un potentiel d'action se produise, les modifications électriques doivent atteindre un seuil, appelé seuil d'excitation . C'est la valeur du potentiel de membrane qu'il faut nécessairement atteindre pour que le potentiel d'action se produise.

Potentiels d'action et modifications du niveau des ions

Dans des conditions normales, le neurone est préparé à recevoir du sodium (Na +) à l'intérieur. Cependant, sa membrane n'est pas très perméable à cet ion.

En outre, il possède les "transporteurs sodium-potassium" bien connus, une protéine présente dans la membrane cellulaire qui est responsable de l’élimination de ses ions sodium et de l’introduction d’ions potassium dans celle-ci. En particulier, pour chaque 3 ions de sodium extraits, entrez deux potassium.

Ces transporteurs maintiennent un faible niveau de sodium dans la cellule. Si la perméabilité de la cellule augmentait et qu'une quantité plus importante de sodium y entrait soudainement, le potentiel de membrane changerait radicalement. Apparemment, c'est ce qui déclenche un potentiel d'action.

En particulier, la perméabilité de la membrane au sodium serait augmentée, les pénétrant à l'intérieur du neurone. Cela permettrait en même temps aux ions potassium de quitter la cellule.

Comment se produisent ces changements de perméabilité?

Les cellules ont intégré dans leur membrane de nombreuses protéines appelées canaux ioniques . Celles-ci ont des ouvertures à travers lesquelles les ions peuvent entrer ou sortir des cellules, bien qu'ils ne soient pas toujours ouverts. Les canaux sont fermés ou ouverts en fonction de certains événements.

Il existe plusieurs types de canaux ioniques, et chacun d’entre eux est généralement spécialisé dans la commande de certains types d’ions exclusivement.

Par exemple, un canal sodique ouvert peut laisser passer plus de 100 millions d'ions par seconde.

Comment les potentiels d'action sont-ils produits?

Les neurones transmettent des informations par voie électrochimique. Cela signifie que les produits chimiques produisent des signaux électriques.

Ces produits chimiques ont une charge électrique, c'est pourquoi ils s'appellent des ions. Les plus importants dans le système nerveux sont le sodium et le potassium, qui ont une charge positive. En plus du calcium (2 charges positives) et du chlore (une charge négative).

Changements dans le potentiel de membrane

La première étape pour qu'un potentiel d'action se produise est un changement du potentiel de membrane de la cellule. Ce changement doit dépasser le seuil d'éveil.

En particulier, il y a une réduction du potentiel de la membrane, appelée dépolarisation.

Ouverture des canaux sodiques

En conséquence, les canaux sodiques intégrés dans la membrane s’ouvrent, permettant ainsi au sodium d’entrer massivement dans le neurone. Celles-ci sont entraînées par des forces de diffusion et de pression électrostatiques.

Comme les ions sodium sont chargés positivement, ils produisent un changement rapide du potentiel de la membrane.

Ouverture des canaux potassiques

La membrane axonale possède à la fois des canaux sodiques et potassiques. Cependant, ces derniers s'ouvrent plus tard, car ils sont moins sensibles. C'est-à-dire qu'ils ont besoin d'un niveau de dépolarisation plus élevé pour s'ouvrir et c'est pourquoi ils s'ouvrent plus tard.

Fermeture des canaux sodiques

Il arrive un moment où le potentiel d'action atteint sa valeur maximale. Après cette période, les canaux sodiques sont bloqués et fermés.

Ils ne peuvent plus être ouverts jusqu'à ce que la membrane atteigne à nouveau le potentiel de repos. En conséquence, plus de sodium ne peut entrer dans le neurone.

Fermeture des canaux potassiques

Cependant, les canaux potassiques restent ouverts. Cela permet aux ions potassium de circuler à travers la cellule.

En raison de la diffusion et de la pression électrostatique, l’intérieur de l’axone étant chargé positivement, les ions potassium sont expulsés de la cellule.

Ainsi, le potentiel de membrane retrouve sa valeur habituelle. Petit à petit, les canaux potassiques se ferment.

Cette sortie de cations fait que le potentiel de membrane retrouve sa valeur normale. Lorsque cela se produit, les canaux potassiques commencent à se refermer.

Au moment où le potentiel de membrane atteint sa valeur normale, les canaux potassiques se ferment complètement. Un peu plus tard, les canaux sodiques sont réactivés, préparant une nouvelle dépolarisation pour les ouvrir.

Enfin, les transporteurs de sodium-potassium sécrètent le sodium qui était entré et récupèrent le potassium qui était parti plus tôt.

Comment l'information est-elle propagée par l'axone?

L'axone consiste en une partie du neurone, une extension de ce dernier semblable à un câble. Ils peuvent être très longs pour permettre aux neurones physiquement éloignés de se connecter et d’envoyer des informations.

Le potentiel d'action se propage le long de l'axone et atteint les boutons du terminal pour envoyer des messages à la cellule suivante.

Si nous mesurions l'intensité du potentiel d'action de différentes zones de l'axone, nous constaterions que son intensité reste la même dans toutes les zones.

Loi du tout ou rien

Cela se produit parce que la conduction axonale obéit à une loi fondamentale: la loi du tout ou rien. C'est-à-dire qu'un potentiel d'action est donné ou non donné. Une fois qu'il commence, il voyage à travers l'extrême axone, en maintenant toujours la même taille, n'augmente pas ou ne diminue pas. De plus, si un axone se sépare, le potentiel d'action est divisé, mais sa taille est maintenue.

Les potentiels d'action commencent à la fin de l'axone qui est attaché au soma du neurone. Normalement, ils voyagent généralement dans une seule direction.

Potentiels d'action et de comportement

À ce stade, il est possible que vous vous demandiez: si le potentiel d'action est un processus du tout ou rien, comment se produisent certains comportements, tels que la contraction musculaire, qui peuvent varier entre différents niveaux d'intensité? Cela se produit à cause de la loi de fréquence.

Loi de fréquence

Qu'est-ce qui se passe, c'est qu'un potentiel d'action unique ne fournit pas d'informations directement. Au lieu de cela, les informations sont déterminées par la fréquence de décharge ou le taux de déclenchement d'un axone. C'est-à-dire la fréquence à laquelle les potentiels d'action se produisent. Ceci est connu sous le nom de "loi de fréquence".

Ainsi, une fréquence élevée de potentiels d'action entraînerait une contraction musculaire très intense.

La même chose arrive avec la perception. Par exemple, un stimulus visuel très brillant, pour être capturé, doit produire un "taux de déclenchement" élevé dans les axones attachés aux yeux. De cette manière, la fréquence des potentiels d'action reflète l'intensité d'un stimulus physique.

Par conséquent, la loi du tout ou rien est complétée par la loi de la fréquence.

Autres formes d'échange d'informations

Les potentiels d'action ne sont pas les seuls types de signaux électriques qui se produisent dans les neurones. Par exemple, l'envoi d'informations via une synapse donne une petite impulsion électrique à la membrane du neurone qui reçoit les données.

À certaines occasions, une légère dépolarisation trop faible pour produire un potentiel d'action peut légèrement modifier le potentiel de la membrane.

Cependant, cette altération est réduite au fur et à mesure qu'elle passe dans l'axone. Dans ce type de transmission d'informations, ni les canaux sodiques ni les canaux potassiques ne sont ouverts ou fermés.

Ainsi, l'axone agit comme un câble sous-marin. À mesure que le signal est transmis par lui, son amplitude diminue. Ceci est connu sous le nom de conduction décroissante, et cela se produit en raison des caractéristiques de l'axone.

Potentiels d'action et myéline

Les axones de presque tous les mammifères sont recouverts de myéline. C'est-à-dire qu'ils ont des segments entourés d'une substance qui permet la conduction nerveuse, ce qui le rend plus rapide. La myéline s'enroule autour de l'axone sans laisser le liquide extracellulaire l'atteindre.

La myéline est produite dans le système nerveux central par des cellules appelées oligodendrocytes. Alors que, dans le système nerveux périphérique, il est produit par les cellules de Schwann.

Les segments de myéline, appelés gaines de myéline, sont divisés par des zones non couvertes de l'axone. Ces zones sont appelées nodules de Ranvier et sont en contact avec le liquide extracellulaire.

Le potentiel d'action est transmis différemment dans un axone non myélinisé (qui n'est pas recouvert de myéline) par rapport à un axone myélinisé.

Le potentiel d'action peut traverser la membrane axonale recouverte de myéline en raison des propriétés du câble. De la sorte, l’axone conduit le changement électrique de l’endroit où le potentiel d’action se produit au prochain nodule de Ranvier.

Ce changement est légèrement réduit, mais il est suffisamment intense pour provoquer un potentiel d’action dans le noeud suivant. Ensuite, ce potentiel est à nouveau déclenché ou répété dans chaque nodule de Ranvier, transporté dans toute la zone myélinisée jusqu'au nodule suivant.

Ce type de conduction des potentiels d’action est appelé conduction de la saltation. Son nom vient du latin "saltare", qui signifie "danser". Le concept est parce que l'impulsion semble sauter d'un nodule à l'autre.

Avantages de la conduction saltatoire pour transmettre les potentiels d'action

Ce type de conduite a ses avantages. Tout d'abord, économiser de l'énergie. Les transporteurs sodiques-potassiques dépensent beaucoup d’énergie pour extraire le sodium en excès de l’axone pendant leur potentiel d’action.

Ces transporteurs de sodium-potassium sont situés dans des régions de l'axone non recouvertes de myéline. Cependant, dans un axone myélinisé, le sodium ne peut pénétrer que dans les nodules de Ranvier. Par conséquent, beaucoup moins de sodium entre et pour cette raison, moins de sodium doit être pompé à l'extérieur. Les transporteurs sodium-potassium doivent donc travailler moins.

Un autre avantage de la myéline est sa rapidité. Un potentiel d'action est entraîné plus rapidement dans un axone myélinisé, puisque l'impulsion "saute" d'un nodule à un autre, sans avoir à passer par tout l'axone.

Cette augmentation de la vitesse amène les animaux à penser et à réagir plus rapidement. D'autres êtres vivants, tels que les calmars, ont des axones sans myéline qui prennent de la vitesse en raison d'une augmentation de leur taille. Les axones du calmar ont un grand diamètre (environ 500 µm), ce qui leur permet de se déplacer plus rapidement (environ 35 mètres par seconde).

Cependant, à cette même vitesse, les potentiels d'action dans les axones des chats se déplacent, bien qu'ils n'aient qu'un diamètre de 6 µm. Ce qui se passe, c'est que ces axones contiennent de la myéline.

Un axone myélinisé peut conduire à des potentiels d'action à une vitesse d'environ 432 kilomètres par heure, avec un diamètre de 20 μm.