Neurobiologie & Neurophysiologie - Chapitre 4. Le potentiel d’action

Chapitre 4. Le potentiel d’action

Le potentiel d’action est une modification soudaine, brève, locale et de haute amplitude du potentiel électrique de la membrane.
C'est la réponse à la stimulation excitatrice des cellules excitables (neurones, cellules musculaires, certaines cellules endocriniennes).
Rôles biologiques du neurone: collecte, intégration, distribution de l’information.
Le potentiel d’action indique que l’information collectée et intégrée par le neurone l’a excité.
Il enclenche une réponse de distribution de cette information.
Étapes du potentiel d’action :
- Dépolarisation : de -70 mV à +40 mV
- Hyperpolarisation : en dessous de -70 mV
- Retour au potentiel de repos : -70 mV

4.1. Canaux voltage-dépendants

Au repos, le potentiel de membrane est stable autour du potentiel de repos.
Hyperpolarisation : la différence de charges électriques entre l’extérieur et l’intérieur devient plus grande (ex. –80mV).
Dépolarisation : la différence de charges électriques entre l’extérieur et l’intérieur diminue (ex. –60mV).
Production du potentiel d’action liée aux flux successifs de $Na^+$ et de $K^+$ via des canaux voltage-dépendants.
Canaux sodiques et potassiques voltage-dépendants présents à partir du hile et le long de l’axone.
Absents au niveau du soma et des dendrites.
Axones non myélinisés : canaux présents tout le long.
Axones myélinisés : canaux présents aux nœuds de Ranvier et à la terminaison axonale.
Ouverture des canaux sodiques et potassiques à une dépolarisation de -40mV.
Canaux sodiques s’ouvrent plus rapidement que les canaux potassiques.
Après environ 1 milliseconde, les canaux sodiques s’inactivent.
Inactivation réalisée par un système de couvercle à la face cytoplasmique du canal ionique.
États du canal sodique voltage-dépendant :
- Fermé : seuil d’ouverture de –40mV non atteint.
- Ouvert : en réponse à la dépolarisation, dès –40mV (durée de quelques millisecondes).
- Inactivé : quelques millisecondes de plus que l'ouverture.
Les canaux potassiques s’ouvrent plus tardivement, avec une durée d’ouverture plus longue (quelques dizaines de millisecondes).

Déroulement du potentiel d'action

Débute avec l’ouverture du canal sodique voltage-dépendant à -40 mV (seuil d'ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants et seuil du potentiel d’action).
Le sodium entre dans la cellule suivant son gradient chimique (et électrique), ce qui change le potentiel de membrane jusqu’à +40 mV.
Après quelques millisecondes, le canal sodique est inactivé et reste imperméable au sodium pendant plusieurs millisecondes.
Séquence ouverture-inactivation-déblocage en réponse à la dépolarisation.
L’ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants est une condition nécessaire et suffisante pour produire le potentiel d’action.
Simultanément à l’inactivation des canaux sodiques, les canaux potassiques voltage-dépendants s’ouvrent (tardivement).
Le potassium sort de la cellule, suivant son gradient chimique mais en allant contre son gradient électrique, repolarisant la membrane.
La membrane est hyperpolarisée au-delà du potentiel de repos.
Fin de l'inactivation des canaux sodiques voltage-dépendants durant l'hyperpolarisation.
Les canaux potassiques voltage-dépendants se referment.
Les ions diffusent librement, le potentiel rejoint le potentiel de repos par diffusion des ions dans les compartiments liquidiens.

4.2. Phénomène du tout ou rien

Le potentiel d’action a une amplitude et une durée fixes pour un neurone, si le potentiel de membrane atteint –40 mV.
Stimulation : intégration des informations reçues par le neurone
Si l’amplitude de la dépolarisation atteint au moins le seuil de dépolarisation, un potentiel d’action est produit, qui a toujours la même amplitude (‘tout’).
Si l’amplitude de la dépolarisation est inférieure à –40 mV, aucun potentiel d’action n’est produit (‘rien’).

4.3. Période réfractaire

L’hyperpolarisation amène le potentiel de membrane plus loin du seuil de –40 mV, empêchant la production immédiate d’un nouveau potentiel d’action.
- Période réfractaire absolue : canaux sodiques inactivés, aucun potentiel d’action ne peut être produit.
- Période réfractaire relative : les canaux sodiques voltage-dépendants s’ouvriraient si le seuil était atteint, mais une plus forte stimulation dépolarisante est nécessaire.

4.4. Trains de potentiels d’action

Si la stimulation est maintenue, des potentiels d’action multiples peuvent être produits, si le seuil de dépolarisation est atteint.
Stimulation n’atteignant pas le seuil : aucun potentiel d’action produit.
Stimulation permettant de passer du potentiel de repos au seuil de dépolarisation : un nouveau potentiel d’action après la période réfractaire relative.
Trains rythmiques de potentiels d’action à une fréquence fixe, déterminée par la durée totale du potentiel d’action.
Stimulation plus forte : le seuil de dépolarisation peut être atteint plus tôt, pendant la période réfractaire relative, produisant des potentiels d’action à une fréquence plus élevée.
La fréquence maximale limitée par la période réfractaire absolue (peut atteindre plusieurs centaines de hertz).
La production de trains de potentiels d’action dont la fréquence reflète l’intensité de la stimulation permet un codage temporel du message du neurone.

4.5. Propagation du potentiel d’action le long de l’axone

Le potentiel d’action est produit localement au niveau du hile.
Il se propage le long de l’axone sans atténuation d’amplitude (production successive de nouveaux potentiels d'action).

4.5.1. Réponse électrotonique

La dépolarisation ne concerne pas seulement la différence entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, mais aussi entre l’intérieur de la cellule à cet endroit et l’intérieur de la cellule dans les régions adjacentes.
La dépolarisation peut se transmettre le long de l’axone par diffusion des ions.
Propagation d’une modification du potentiel par diffusion des ions le long de la membrane : réponse électrotonique (s’atténue avec la distance).
Au niveau de l’axone, la dépolarisation de grande amplitude liée à l’entrée de $Na^+$ provoque l’ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants et la production d’un potentiel d’action.
Vitesse de propagation d’autant plus élevée que le diamètre de l’axone est grand.
La propagation du potentiel d’action se fait du hile vers la terminaison de l’axone et non en sens inverse à cause de la période réfractaire.

4.5.2. Conduction saltatoire

Myélinisation des axones (oligodendrocytes dans le système nerveux central et cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique) assure l’isolation de la membrane, sauf aux nœuds de Ranvier.
La membrane de l’axone au niveau des portions myélinisées ne contient pas de canaux voltage-dépendants.
Les canaux sodiques et potassiques voltage-dépendants sont particulièrement abondants au niveau des nœuds de Ranvier.
L’isolation fournie par la myéline est chimique (membrane n’est pas en contact avec le liquide extracellulaire) et électrique (ions ne sont pas attirés).
La réponse électronique se propage rapidement au niveau des portions myélinisées de l’axone.
Les potentiels d’action semblent ‘sauter’ d’un nœud de Ranvier au suivant : c’est la conduction saltatoire (‘par sauts’).
La grande vitesse de propagation du potentiel d'action le long des axones myélinisés permet une transmission précise et synchrone.
Dans les voies de la douleur, les neurones ne sont pas myélinisés, l’information est transmise de manière moins précise et synchrone, et plus diffuse.

4.6. Potentiel d’action cardiaque

Les cardiomyocytes produisent des potentiels d’action en réponse à la dépolarisation d’un petit groupe de cellules pacemaker (= donneuses de rythme) qui forment le nœud sinusal situé dans l’oreillette droite.

4.6.1. Cellules pacemaker

La membrane des cellules pacemaker contient des canaux ioniques HCN (Hyperpolarisation-activated).
Ces canaux sont sensibles à l’hyperpolarisation de la membrane et sont principalement empruntés par le sodium.
L’hyperpolarisation qui suit le potentiel d’action induit l’ouverture des canaux HCN des cellules pacemaker.
Entrée de $Na^+$ qui dépolarise la membrane (If ou « funny current », le drôle de courant, ou courant pacemaker).
La dépolarisation amène le potentiel de membrane jusqu’au seuil d’ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants, ce qui induit la production d’un potentiel d’action.
La fréquence des potentiels d’action ainsi produits est généralement comprise entre 60 et 100 par minute.
L’ouverture des canaux HCN peut être modulée par la concentration intracellulaire en AMP cyclique (AMPc).

4.6.2. Potentiel d’action des cardiomyocytes

Les cellules cardiaques sont liées électriquement par des jonctions communicantes.
La dépolarisation du potentiel d’action des cellules pacemaker dépolarise la membrane d’autres cardiomyocytes.
Lorsque le potentiel de leur membrane atteint le seuil d’ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants, un potentiel d’action y est produit.
Les canaux sodiques sont rapidement inactivés et les canaux potassiques voltage-dépendants s’ouvrent.
La repolarisation est amorcée et les canaux calciques voltage-dépendants s’ouvrent.
Le $K^+$ quitte la cellule, le $Ca^{++}$ y entre, les courants potassique et calcique en sens opposés se compensent, de sorte que le potentiel de membrane reste à peu près stable (plateau).
À la fermeture des canaux calciques, la membrane se repolarise assez rapidement.
Il n’y a pas d’hyperpolarisation à la fin du processus : le potentiel de membrane rejoint le potentiel de repos par diffusion des ions $K^+$ .
Une nouvelle dépolarisation entraîne la production d’un nouveau potentiel d’action.

4.7. Potentiel d’action des cellules endocrines sécrétant l’insuline

Cellules bêta des îlots de Langerhans dans le pancréas
La production et l’effet du potentiel d'action dans ces cellules sont liée à la glycémie
Glycémie augmente → les cellules bêta captent le glucose par des transporteurs spécifiques.
Le glucose est métabolisé par respiration cellulaire dans les mitochondries → production d’ATP.
L’ATP bloque des canaux potassiques de fuite (canaux KATP).
Fermeture des canaux KATP empêche la sortie de $K^+$ , ce qui augmente la positivité → dépolarisation de la membrane cellulaire.
La dépolarisation de la membrane atteint le seuil nécessaire pour l’ouverture de canaux calciques voltage-dépendants (similaires au canaux calciques présents dans les cardiomyocytes) → entrée massive de $Ca^{++}$ → potentiel d’action.
L'augmentation de la concentration de calcium intracellulaire déclenche la fusion des vésicules de sécrétion contenant l’insuline avec la membrane cellulaire, entraînant l’exocytose de l'insuline hors de la cellule bêta dans la circulation sanguine.
L’insuline libérée peut alors agir sur les cellules cibles dans tout le corps, en favorisant l'absorption du glucose par les cellules et en abaissant ainsi la glycémie.
Après une durée fixe, les canaux calciques voltage-dépendants se referment → repolarisation.
La réouverture des canaux KATP contribue aussi à la repolarisation.
Pas d’hyperpolarisation après la repolarisation ni de période réfractaire absolue.
Il peut y avoir une période de résistance à une nouvelle stimulation en raison de la réduction de la concentration intracellulaire de calcium.