COURS 2013 Le cerveau, une boite noire qui s ouvre - 1- Les composants et les messages échangés

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1 COURS 2013 Le cerveau, une boite noire qui s ouvre - 1- Les composants et les messages échangés Jean- Pierre Henry Laboratoire MaBère et Systèmes Complexes hep:// paris- diderot.fr/~henry/

2 Cours 1 IntroducBon Le neurone, composant de base Aspects anatomiques Aspects foncbonnels La signalisabon électrique ÉnergéBque; comparaison avec les ordinateurs

3 IntroducBon «ceee parbe de moi qui pense ce que je dis, qui fait réflexion sur tout et sur elle- même et ne se connaît non plus que le reste» PASCAL, cité par Bernard Alliez, Neurochirurgie Marseille Peut- on «connaître» le cerveau?

4 Du moins a- t- on essayé depuis longtemps! Crâne préhistorique portant des signes de trépanabon Les bords arrondis indiquent un début de récupérabon, indiquant que l opérabon a été faite sur un sujet vivant Mais ça s accélère!

5 Deux résultats récents: 1- Real- Time VisualizaBon of Neuronal AcBvity during PercepBon On ublise des larves de Danio (Zebrafish) L acbvité neuronale est suivie par la détecbon du Ca 2+ intracellulaire à l aide d une sonde protéique Par manipulabon génébque, la sonde est exprimée dans les neurones du tectum opbque (Muto et al (2013) Current Biol, 23, 1)

6 1- Real- Time VisualizaBon of Neuronal AcBvity during PercepBon

7 Deux résultats récents: 2- High- performance neuroprosthebc control by an individual with tetraplegia Chez une pabente paralysée depuis 13 ans, on implante 2x96 électrodes (2 fois 4x4 mm) L apprenbssage commence par suivre l acbvité neuronale quand le bras bouge avec 7 degrés de liberté Puis, après 13 semaines d apprenbssage, la pabente est capable de manœuvrer le bras avec des mouvements naturels Collinger et al (Déc 2012) The Lancet

8 2- High- performance neuroprosthebc control by an individual with tetraplegia Pour voir la pabente manger une barre de chocolat:hep://videoserver.upmc.com/ iphone- src/bciselffeedingipad.mp4

9 L actualité Lundi 28 janvier 2013 : Le Human Brain Project gagne la compébbon du plus grand fonds scienbfique européen La Commission européenne a officiellement désigné le Human Brain Project (HBP) comme l un de ses deux projets FET Flagship. Le HBP regroupera les scienbfiques de tout le conbnent autour de l un des plus grands défis de la science contemporaine: comprendre le cerveau humain. Mardi 22 janvier 2013: OPEN VIBE2 : un projet français d envergure sur les interfaces cerveau- ordinateur appliquées aux jeux vidéo (Inria, Inserm, CEA, GIPSA- Lab) ((hep://openvibe.inria.fr) Jeudi 7 mars 2013: The Brain AcBvity Map. Projet américain de type Séquençage du Génome, annoncé dans Science

10 Le neurone, composant principal Aspects anatomiques Aspects foncbonnels

11 Morphologie des neurones 1- Microscopie opbque Cellule de Purkinje, cervelet Première descripbon par Ramon y Cajal ( ), prix Nobel en 1906, après colorabon argenbque (Golgi) C est une cellule très ramifiée, de formes très variable Elle est «polarisée», avec deux sortes de prolongements (neurites) L axone est en général plus gros et plus long, les dendrites (δενδροσ, arbre) sont plus ramifiés Il n y a pas de conbnuité entre les cellules, mais une apposibon étroite (synapse)

12 Morphologie des neurones 2- Microscopie électronique Certains axones sont myélinisés (mabère blanche, cellule gliale) La terminaison de l axone se caractérise par les vésicules synapbques)

13 Anatomie: Nombre de neurones du cerveau (Changeux, Décembre 2009) Chez l homme, le nombre de neurones est esbmé à 10 à 100 milliards ( ) Autres types cellulaires: les cellules gliales, peut- être 3 fois plus nombreuses Un neurone peut être contacté par de nombreuses dendrites, à L énormité de ces chiffres rend difficile la lecture des circuits neuronaux Mais, parfois l organisabon est claire (Ramon y Cajal)

14 Anatomie et génébque (Changeux 2009)

15 Méthodes d imagerie des neurones Technique Brainbow (1) On va exprimer dans les neurones (et seulement là) la protéine GFP (verte) mais aussi une variante rouge et une bleue Les cellules expriment les 3 protéines au hasard et à des taux variables Le résultat est un spectre de couleur très large, couvrant toutes les couleurs de l arc en ciel (Rainbow) (Livet et al (2007) Nature, 450, 56)

16 Méthodes d imagerie des neurones Technique Brainbow (3) Les animaux manipulés expriment les 3 protéines colorées Coupes du cervelet montrant 341 axones et 93 neurones; la qualité permet des reconstrucbons détaillées (à droite)

17 Méthodes d imagerie des neurones Technique Brainbow (4) Souris recombinante : les coupes expriment plus de 160 couleurs différentes, mais la couleur ne correspond pas à un type cellulaire précis a) axones de nerf moteur, b) neurones et axones dans le tronc cérébral; c) neurones dans l hippocampe

18 Anatomie des fibres myélinisées: Diffusion Tensor Imaging C est une version parbculière de MRI (MagneBc Resonance Imaging) Les molécules d eau diffusent différemment le long des gaines de myéline qui entourent la «mabère blanche»

19 Anatomie des fibres myélinisées C est un travail énorme: La méthode ne montre pas des fibres (Millions de fibres), mais des paquets; variabons individuelles dues au développement (Guvara et al (2012) NeuroImage, 61, 1083)

20 Anatomie structurale: microscopie électronique La technique consiste à reconsbtuer tous les contacts neuronaux par des coupes sériées analysées en microscopie électronique Exemple: contact d une cellule amacrine (noire) avec des cellules ganglionnaires de différentes orientabons dans la rébne (Denk et al (2012) Nature Rev Neurosc, 13, 351)

21 Le neurone: du morphologique au foncbonnel Le neurone permet la circulabon de l informabon, avec ses composantes électrique et chimique L entrée se fait par les dendrites avec apparibon d un courant électrique qui se propage le long de l axone A l extrémité, libérabon du neurotransmeeeur contenu dans les vésicules synapbques Celui- ci en se combinant avec des récepteurs localisés sur sur les dendrites (ou le corps cellulaire) déclenche l apparibon d un potenbel électrique

22 Un exemple simple de circuit neuronal: Réflexe tendineux de la jambe (1)

23 Un exemple simple de circuit neuronal: Réflexe tendineux de la jambe (2) Sur la figure de droite est notée l acbvité des neurones: les barres correspondent au passage d un courant; il y a une acbvité de repos Le coup de marteau augmente l acbvité électrique du neurone sensoriel et du neurone moteur du muscle extenseur Il diminue celle de l interneurone de la moelle épinière et du motoneurone du muscle fléchisseur

24 IntroducBon Le neurone, composant de base Aspects anatomiques Aspects foncbonnels La signalisabon électrique ÉnergéBque; comparaison avec les ordinateurs

25 Le potenbel de repos (1) La membrane du neurone est «percée» de canaux (trous) spécifique d un ion; hypothèse: KCl des 2 côtés, canal spécifique de K + On mesure le voltage entre les 2 comparbments Si la concentrabon en KCl est la même des 2 côtés, V=0 Si [KCl] 1 > [KCl] 2, K + tend à passer de 1 vers 2, V 1 devient négabf

26 Le potenbel de repos (2) L axone géant du calmar Pour étudier les propriétés électriques, on ublise des neurones isolés expérimentalement favorables Les invertébrés sont ublisés Le calmar possède de très gros axones adaptés aux mesures électriques

27 Le potenbel de repos (3) Chez le calmar (et de manière générale), la concentrabon de K + est plus forte à l intérieur et celles de Na + et Cl - plus fortes à l extérieur CeEe dissymétrie a pour résultat un potenbel négabf de 60 mv à l intérieur, par rapport au milieu

28 Le potenbel de repos (4) La valeur du potenbel de repos dépend du rapport entre la concentrabon de K + interne (fixe) et la concentrabon de K + du milieu Ce rapport est le gradient de concentra4on Le potenbel de repos est lié au gradient

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30 Le potenbel d acbon Une propriété des neurones Huxley et Hodgkin, Prix Nobel, 1963 Andrew Huxley

31 Le potenbel d acbon (1) On va implanter deux microélectrodes dans un neurone (niveau corps cellulaire) L une (Record) va enregistrer la différence de potenbel entre le neurone est le bain La seconde (SBmulate) va «injecter» du courant, soit ajouter des charges posibves au neurone (courant entrant, posibf) soit en soustraire (courant sortant, négabf)

32 Le potenbel d acbon (2) Le neurone se comporte d abord comme un circuit simple où la loi d Ohm s applique V = R x i Si j applique un courant négabf, la cellule devient plus négabve, durant le passage du courant: elle est hyperpolarisée Si j applique un courant posibf, la cellule est dépolarisée MAIS, quand la dépolarisabon aeeint une valeur seuil, on observe un phénomène nouveau, le poten4el d ac4on

33 Le potenbel d acbon (3) Jusqu ici, nous avons considéré que la membrane n était perméable qu aux ions K + (canal K + de repos) Si la membrane n était perméable qu aux ions Na + (canal Na + ), on aurait une situabon symétrique Le comparbment interne serait à + 60 mv Seuls les ions pour lesquels il y a une perméabilité comptent Si la membrane est perméable aux deux ions, potenbel intermédiaire

34 Le potenbel d acbon (4) Le poten4el d ac4on est dû à des changements transitoires des perméabilités Des canaux Na + et K + vont s ouvrir et se fermer La dépolarisabon ouvre des canaux Na + et le potenbel devient posibf CeEe ouverture est transitoire Des canaux K + nouveaux vont s ouvrir: retour vers le potenbel de repos

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36 Le potenbel d acbon (5) Le potenbel d acbon requiert une dépolarisabon locale (V devient moins négabf) Origine de ceee dépolarisabon? (à expliquer) Sa formabon est associée avec l ouverture de canaux Na +, puis K + L ouverture (et la fermeture) de certains canaux est régulée par la différence de potenbel (canaux dépendants du voltage) (à expliquer) Le potenbel d acbon est un phénomène de tout ou rien, se formant au delà d une dépolarisabon seuil Sa forme est constante, quand les concentrabons de Na + et K + sont fixées

37 PropagaBon du potenbel d acbon (1) L axone est un milieu conducteur Si on injecte du courant en un point, la différence de potenbel avec le milieu se propage Mais c est un conducteur mal isolé et le courant «fuit» vers l extérieur : la différence de potenbel s aeénue rapidement

38 PropagaBon du potenbel d acbon (2) Si la dépolarisabon aeeint la valeur seuil, on observe un potenbel d acbon au niveau du point de sbmulabon Mais on observe aussi le même potenbel tout le long de l axone PropagaBon sans affaiblissement

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40 PropagaBon du potenbel d acbon (3) L influx nerveux (ou l acbvabon des neurones) correspond à la propagabon d un potenbel d acbon Le potenbel d acbon ne s aeénue pas et se propage sans modificabon de forme L informabon portée par l influx est stéréotypée, elle n est pas contenue dans la forme des signaux Seulement deux types de signaux: le potenbel de repos (modulable) et le potenbel d acbon (fixe) Comment est modulé le potenbel de repos? (à voir)

41 PropagaBon du potenbel d acbon (4) Si la forme du potenbel d acbon est invariable, sa vitesse de propagabon varie Un axone moteur peut mesurer 1 mètre de long: ces axones sont myélinisés Une vitesse de 1 m/s correspond à 3,6 km/h et 100 m/s à 360 km/h La repolarisabon (ouverture des canaux K + ) introduit une période réfractaire, pendant laquelle un potenbel d acbon ne peut pas circuler (environ 5 ms) Cela signifie qu un train de sbmulabon ne peut pas dépasser 0,2 khz (200 potenbels/s), ce qui est ridicule par rapport à un ordinateur (3 gigahz, soit plus d un million de fois plus rapide!)

42 Quelques données sur les canaux ioniques Le potenbel d acbon a été défini par Hodgkin et Huxley ( ) comme résultant de variabons de conductance; ils ignoraient l existence des canaux ioniques Le potenbel d acbon est expliqué par l existence de canaux ioniques spécifiques des ions Na + et K + dont l ouverture dépend du potenbel Il existe une autre famille de canaux dont l ouverture dépend de la liaison de «ligands»

43 Le «patch- clamp», une méthode d étude des canaux ionique E Neher et B Sakmann Prix Nobel 1991 CeEe technique permet d enregistrer l acbvité d un seul canal Une fine pipeee est posée sur la membrane cellulaire et une légère succion établit un contact étroit verre- membrane La pipeee conbent un milieu ionique et elle est établie à un potenbel fixe par rapport au milieu Les ions détectés par un courant ne peuvent passer que par un canal

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45 Les canaux Na + (1) Au bout de la pipeee, on a un fragment de membrane qui ne conbent que des canaux Na + Le potenbel est maintenu à 80 mv, aucune acbvité On monte le potenbel au delà du seuil pendant 15 s (A) On enregistre des déflecbons vers le bas; courant associé avec l ouverture d un canal unique L ouverture est rapide après le changement de potenbel, mais elle ne dure pas: inac4va4on (B) Moyenne des ouvertures (C)

46 Les canaux Na + (2) Si on fait la somme de toutes les ouvertures des canaux Na +, on a la parbcipabon de ces ions au potenbel d acbon (D) En variant la valeur du potenbel auquel on fait le saut, on a la probabilité d ouverture du canal en foncbon du potenbel A 60 mv, potenbel de repos, le canal est fermé; le potenbel doit monter à 40 mv pour que l ouverture commence

47 Les canaux K + (1) La même expérience est faite avec un fragment contenant des canaux K + Quand la membrane est dépolarisée, des déflecbons dans l autre sens indiquent l ouverture des canaux K + (B) En (C), on a la moyenne des évènements Il faut remarquer que l ouverture est plus lente que pour le Na + et il n y a pas d inacbvabon

48 Les canaux K + (2) Comme précédemment, la courbe (D) est la somme de tous les canaux K + et elle représente leur contribubon au potenbel d acbon La courbe (E) représente la probabilité d ouverture des canaux À 60 mv, ces canaux sont fermés et commencent à s acbver à 40 mv La structure atomique de canaux K + est connue à l échelle atomique (R McKinnon, Prix Nobel de Chimie 2003)

49 Comment naissent les potenbels d acbon? Les canaux ioniques acbvés par des ligands

50 Les canaux acbvés par des ligands Les canaux Na + et K + responsables des potenbels d acbon sont présents sur l axone et sur les dendrites Les canaux acbvés par les ligands sont principalement présents sur les corps cellulaires et les dendrites Les ligands acbfs sont les neurotransmeeeurs qui assurent la transmission chimique de l axone (pré- synapbque) vers la dendrite ou le corps cellulaire du neurone cible (post- synapbque) L arrivée du potenbel d acbon à l extrémité de l axone déclenche la sorbe du neurotransmeeeur stocké dans les vésicules synapbque (exocytose) La liaison du ligand sur le canal (récepteur) l ouvre: permet un passage spécifique d ions Remarque: tous les récepteurs de neurotransmeeeurs ne sont pas des canaux (cours 2)

51 Vue générale de la synapse Observer la présence de récepteurs des transmeeeurs figurés par des canaux sur le neurone cible

52 Les canaux acbvés par des ligands Le neurotransmeeeur (vert) se lie sur un site du récepteur- canal, accessible de l extérieur du neurone CeEe liaison ouvre le canal, permeeant le passage d ions qui vont modifier le potenbel de repos du neurone L effet sera «dépolarisant» ou «hyperpolarisant» selon la spécificité du canal (anion ou cabon) et selon la valeur du potenbel de repos

53 Un exemple: la joncbon neuromusculaire (1) Le récepteur Ach (nicobnique) de la torpille est le premier récepteur purifié (Changeux, 1975) La joncbon neuromusculaire est une synapse dont le transmeeeur est l acétylcholine (Ach) Celle- ci doit produire un potenbel d acbon dans le muscle pour déclencher la contracbon On applique la technique patch- clamp à un fragment de membrane du muscle au niveau de la synapse L addibon d Ach produit de brefs courants entrants (influx de Na + )

54 Un exemple: la joncbon neuromusculaire (2) L arrivée de l Ach produit des ouvertures presque synchrones des canaux Le courant dépend du nombre de canaux ouverts L ouverture de tous les canaux (supérieurs à ) produit un courant suffisant pour dépolariser la membrane au- dessus du seuil On observe un potenbel d acbon (c)

55 Un exemple de récepteur canal hyperpolarisant: le récepteur GABA A (1) Composé comme le récepteur ACh nicobnique de 5 sous- unités, ce récepteur a un canal central conduisant les anions, ouvert après liaison du GABA Dans les condibons ordinaires, il y a plus de Cl - à l extérieur de la cellule L entrée des charges négabves va hyperpolariser la membrane Ce récepteur est aussi une cible pharmacologique: benzodiazépines, barbiturates,

56 Un exemple de récepteur canal hyperpolarisant: le récepteur GABA A (2) Un neurone B est sbmulé régulièrement; on voit des trains de potenbels d acbon Un neurone A contenant du GABA contacte B; la sbmulabon de A libère du GABA qui se fixe sur les récepteurs de B; le potenbel d acbon est inhibé

57 Résumé sur les récepteurs canaux Un neurotransmeeeur se lie aux récepteurs portés par la membrane du neurone cible Certains de ces récepteurs sont des canaux et la liaison du neurotransmeeeur les ouvre Selon la valeur du potenbel de repos et la spécificité du canal, le potenbel de repos va être modifié Le récepteur de l Ach nicobnique et les récepteurs du glutamate de type NMDA et AMPA sont acbvateurs Les récepteurs GABA de type A et C sont inhibiteurs

58 Récepteurs canaux et potenbel d acbon En (A), une synapse libère du glutamate, l ouverture du canal et le passage du Na + monte le potenbel de repos (courbe jaune); quand celui- ci aeeint le seuil, un potenbel d acbon apparaît En (B), libérabon de GABA, on s éloigne du seuil

59 Effet de sommabon des potenbels de repos Qu arrive- t- il quand la cellule possède plusieurs synapses (jusqu à ) et que plusieurs récepteurs canaux s ouvrent simultanément? Les variabons du potenbel d acbon se somment algébriquement

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61 Quelques conclusions L informabon traversant un neurone est électrique Elle a la forme d un potenbel d acbon «stéréotypé» Le potenbel d acbon nait à la base de l axone et se propage vers la terminaison L inducbon du potenbel d acbon dépend de variabons du potenbel de repos Celles- ci sont induites par les synapses des neurones afférents (ou des récepteurs sensoriels) La mulbplicité des synapses permet l intégrabon des signaux électriques Il existe une intégrabon chimique des signaux (cours 2)

62 IntroducBon Le neurone, composant de base Aspects anatomiques Aspects foncbonnels La signalisabon électrique ÉnergéBque; comparaison avec les ordinateurs

63 La maintenance du potenbel de repos, un phénomène couteux Le neurone doit entretenir la réparbbon asymétrique des ions Faible Na + et fort K + intérieurs Des pompes spécialisées vont ubliser l énergie chimique de la cellule, ATP La pompe Na + /K + va exporter les ions Na + et importer les ions K +

64 La dépense énergébque croît pendant l acbvité neuronale (1) La libérabon des neurotransmeeeurs (cours 2), la régénérabon des potenbels de repos, et d autres phénomènes augmentent la dépense A poids égal, le cerveau consomme 20 fois plus d ATP que le muscle La réalisabon d une tâche implique une dépense dans une zone déterminée du cerveau Le cerveau s adapte en augmentant sa microcirculabon dans la zone acbvée ObservaBons anciennes: Angelo Mosso (19 ème siècle): augmentabon pulsabons sanguines pendant calculs; Walter K. (1928) : bruit occipitaux associé avec la vision

65 La dépense énergébque croît pendant l acbvité neuronale (2) Un sujet réalise une tâche: observabon visuelle Par la technique PET (Positron Emission Tomography), on mesure différents paramètres et on effectue la différence avant et pendant la tâche On observe des variabons dans la zone occipitale du cortex La circulabon sanguine, l ublisabon du glucose et la teneure en oxygène augmentent (ME Raichle (2009) Trend Neurosc, 32, 118)

66 L Imagerie foncbonnelle par Résonance MagnéBque (IRMf) (1) L IRM image les Bssus nerveux Le fer de l hémoglobine desoxygénée (globules bleus) interfère avec le signal RMN On voit la circulabon contrastée en noir (en haut) Dans O 2 pur, l hémoglobine est oxygénée, la circulabon n est plus visible L augmentabon de circulabon pendant l acbvabon neuronale donne le même effet (paradoxe) Technique: BOLD: Blood Oxygen- Level Dependent Paul Lauterbur and Peter Mansfield, Prix Nobel 2003 (ME Raichle (2009) Trend Neurosc, 32, 118)

67 L imagerie foncbonnelle du cerveau Les méthodes d imagerie foncbonnelles (PET et surtout firm) permeeent de cerner une zone impliquée dans la réalisabon d une tâche (cours 4 et 5) (ME Raichle (2009) Trend Neurosc, 32, 118)

68 L Imagerie par Résonance MagnéBque foncbonnelle (IRMf) (2) CeEe technique est maintenant de prabque courante Elle permet de rejoindre la psychologie cognibve et les neurosciences La résolubon dans l imagerie cérébrale correspond à quelques millions de neurones «C est vouloir connaître les fleurs d un jardin en observant les zones arrosées» L Cohen

69 Cerveau et ordinateur Une comparaison sauvage!

70 Comparaison des performances (1) Le cerveau possède de l ordre de (100 milliards) de neurones; nous supposons que chacun a, en moyenne, 10 synapses acbves, soit un total de synapses Un neurone fait jusqu à 100 opérabons/s (100 Hz) Au total, si tout marche ensemble, le cerveau fait ( milliards) d opérabons/s! Un ordinateur traite 64 à 128 opérabons simultanément (64 à 128 bits) à une vitesse de 3 GigaHz (3 milliards d opérabons/s) L ordinateur traite 64 x 3 x 10 9 = opérabons/s, soit 200 milliards d opérabons/s Avantage au cerveau, mais pas de KO!

71 Comparaison des performances (2) Pour comprendre où est vraiment la différence Le cerveau reconnaît une image complexe en 100 ms (0,1 s) Sa vitesse de travail étant de 100 Hz, il a accompli seulement 10 opérabons dans chacun des nombreux circuits impliqués L ordinateur sera obligé de faire beaucoup plus d opérabons à la suite les unes des autres Le cerveau fonc4onne sur un mode massivement parallèle

72 Prochains cours Mercredi 27 mars. Cours 1: Introduc4on; le neurone et les signaux électriques échangés Mercredi 10 avril. Cours 2: Les signaux chimiques et les réseaux neuronaux; comment l informabon circule dans les réseaux; bases cellulaires de la mémoire Mercredi 24 avril. Cours 3: L informa4on sensorielle; comment l informabon entre dans le cerveau et comment elle est traitée Mercredi 15 mai. Cours 4: Comment les neurosciences abordent les fonc4ons complexes (1); les méthodes d étude; la cognibon, la mémoire, l empathie, les émobons, la conscience Mercredi 29 mai. Cours 5: Comment les neurosciences abordent les fonc4ons complexes (1); les méthodes d étude; la cognibon, la mémoire, l empathie, les émobons, la conscience

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