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?