NEUROPHYSIOLOGIE. Fabrice DUPRAT Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire Université de Nice Sophia-Antipolis Janvier 2003

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1 NEUROPHYSIOLOGIE Fabrice DUPRAT Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire Université de Nice Sophia-Antipolis Janvier

2 PLAN DU COURS I) MORPHOLOGIE DES NEURONES polarité des neurones II) CROISSANCE DES NEURONES Cônes de croissance III) GENESE DU POTENTIEL D'ACTION PA en current-clamp,la rétine, cellule ciliée IV) TRANSMISSION DU SIGNAL DANS UN NEURONE théorie du cable, potentiel électrotonique, propagation saltatoire, gliales, périodes réfractaires V) TRANSMISSION DU SIGNAL ENTRE DEUX CELLULES synapses chimiques, épine dendritique, plaque motrice, neurotransmetteurs, synapse électrique VI) INTEGRATION DES SIGNAUX RECUS seuil de déclenchement, sommations temporelle et spatiale, intégration des signaux VII) CIRCUITS NEURONAUX arc réflexe, racine dorsale, l hippocampe VIII) PLASTICITE SYNAPTIQUE Hebb, LTP dans l'hippocampe, mécanismes, mobilité des récepteurs et des épines dendritiques, roles IX) HISTORIQUE 2

3 I) MORPHOLOGIE DES NEURONES 3

4 Morphologies variées Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 4

5 Polarité des neurones Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 5

6 Neurones multipolaires Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 6

7 Photos de neurones multipolaires Cellule pyramidale du CA1 de l hippocampe Cellule de Purkinje du cervelet (Golgi Stain.) 7

8 II) CROISSANCE DES NEURONES 8

9 Cônes de croissance Jontes et al. (2000), Nature Neuroscience 3-2 9

10 Croissance neuronale Wichterle et al. (1997), Neuron 18 10

11 III) GENESE DU POTENTIEL D'ACTION 11

12 Potentiel d action en current-clamp Courants: Potentiel (mv) Na 2+ K E Na 0-40 seuil E repos -80 E K Temps (ms) 12

13 Exemple 1: la rétine Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 13

14 Cônes et bâtonnets 14

15 Cellule ciliée de l'oreille interne 8 µm Epithélium de l oreille interne de grenouille Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 15

16 IV) TRANSMISSION DU SIGNAL DANS UN NEURONE 16

17 Théorie du cable 1850 Externe Interne R m R axiale C m 17

18 Potentiel électrotonique Amplitude (mv) Constante d'espace (0,1 à 1 mm) Distance 18

19 Propagation saltatoire Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 19

20 Cellules gliales Neurones sur un tapis de cellules gliales 20

21 Propagation bidirectionnelle Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 21

22 Période réfractaire 22

23 Périodes réfractaires 23

24 V) TRANSMISSION DU SIGNAL ENTRE DEUX CELLULES 24

25 Coupe d'une synapse chimique 25

26 Epine dendritique Epine dendritique de neurone pyramidal d hippocampe Microscopie électronique (cryofracture) 26

27 Plaque motrice 27

28 Synapses chimiques Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 1) Arrivée d'un PA (dépolarisation) sur le neurone présynaptique 2) Activation des canaux Ca 2+ V-dpt 3) Entrée de Ca 2+ 4) Fusion des vésicules avec la membrane présynaptique 5) Diffusion du transmetteur dans la fente synaptique 6) Fixation sur les récepteurs postsynaptiques 7) Entrée d'ions -> hyperpolarisation, dépolarisation, contraction 28

29 Neurotransmetteurs Agonistes Récepteurs Ions Effets ACh nach cations + Glu kainate Ca 2+, Na + + AMPA Ca 2+, Na + + NMDA Ca 2+, Na + + GABA GABA A Cl - - Glycine Glycine Cl

30 Synapse électrique Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 30

31 VI) INTEGRATION DES SIGNAUX RECUS 31

32 Seuil de déclenchement d un PA Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 32

33 Sommation spatiale Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 33

34 Sommation temporelle Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 34

35 Sommation temporelle et spatiale Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 35

36 Intégration des signaux Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 36

37 Récapitulatif sur la transmission du signal électrique 10 s Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill 37

38 Récapitulatif sur la propagation des signaux électriques 38

39 VII) CIRCUITS NEURONAUX 39

40 Arc réflexe Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 40

41 Racine dorsale Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill 41

42 Structure de l hippocampe CA1 CA2 Schaffer collateral commisural Subiculum Perforant Path CA3 Mossy Fibres CA4 Dentate Gyrus Lateral Medial 42

43 VIII) PLASTICITE SYNAPTIQUE 43

44 Le postulat de Hebb Lorsque l'axone d'une cellule A est suffisament proche d'une cellule B pour l'exciter et qu'elle le fait de façon répétitive et continue, des mécanismes de croissance ou des variations métaboliques apparaissent dans l'une ou les deux cellules, entrainant une augmentation de la réponse de la cellule B pour une même stimulation provenant de la cellule A 44

45 Mécanismes de la plasticité synaptique? Mécanismes présynaptiques: Variation de la quantité de transmetteur libérée Mécanismes postsynaptiques: Variation du nombre de récepteurs-canaux synaptiques Variation de la probabilité d'ouverture Variation de la conductance Mécanisme synaptique: Variation du nombre de synapses actives 45

46 Stimulation LTP dans l'hippocampe Electrode externe Patch clamp (cellule entière) Electrode interne CA1 Schaffer collateral commisural Patch Electrode Clamp Epsc interne externe epsp, fepsp ipsp 50 pa 51 mv ms 46

47 La découverte de la LTP (Long Term Potentiation) Enregistrement de potentiels de champ Stimulation 100 Hz, 1 s Perforant Path Mossy Fibres Dentate Gyrus Entorhinal Cortex Bliss & Lomo (1973) J. Physiol 232; Bliss & Gardner-Medwin (1973) J. Physiol 232;

48 Entrée de Ca 2+ lors de la stimulation haute fréquence 20 µm Synaptic current Calcium transient 100 Hz, 1 s Bliss & Collingridge, (1993) Nature 361; (data from : Alford et al, (1993) J. Physiol. 469; ) 48

49 Mécanismes de la plasticité synaptique Stimulations répétées AMPA P Glu Mg 2+ AMPA NMDA P Dépolarisation Ca 2+ CaMKII Ca 2+ CaM Effets génomiques mglu PLC IP 3 Ca 2+ 49

50 Mobilité des récepteurs AMPA entre cytosol et membrane Insertion Internalisation 50

51 Mobilité des récepteurs AMPA sur la membrane Bille AMPAr Ac Membrane Photorelargage de Ca 2+ Borgdorff & Choquet (2002), Nature 417(6889) 51

52 Mécanismes de la plasticité synaptique Lüscher et al Nature neuroscience 3(6) 52

53 Mobilité des épines dendritiques 40x 100x Fischer et al. 1998, Neuron 20 53

54 Roles de la plasticité synaptique dans le SNC Physiologie Dévelopement Apprentissages et mémoire Récupération d'une lésion Neuropathologie Epilepsie Mort neuronale aigue (e.g. trauma, arrêt circulatoire) Neurodégénérescences (e.g. Alzheimer, Parkinson, Huntington) Dépendance à une drogue 54

55 IX) HISTORIQUE 1855 KELVIN: Propagation d un signal électrique dans le premier cable transatlantique (théorie du cable) HERMANN: "La propagation de l excitation est une autostimulation de l axone par des courants entrants qui se propagent passivement d une région excitée vers une région voisine au repos. Application à l axone de la théorie du cable." 1909 LUCAS, 1912 ADRIAN: Concept du tout ou rien dans l excitabilité des muscles et des nerfs ERLANGER-GASSER: Enregistrement de potentiels d actions sur des axones HEBB: Postulat sur la plasticité synaptique COLE-CURTIS: Montre que la perméabilité de la membrane augmente lors du potentiel d action KANDEL: Prix Nobel de Médecine pour ces travaux sur l'aplysie. 55