Le cerveau humain est un réseau électrique complexe, où les neurones communiquent grâce à des signaux électriques et chimiques. L’électrophysiologie est la discipline qui étudie ces signaux, en particulier les potentiels d’action et la transmission synaptique.
Ces phénomènes sont au cœur de toutes les fonctions cérébrales, de la perception sensorielle à la cognition, en passant par le contrôle moteur et la régulation des émotions. Comprendre l’électrophysiologie est donc essentiel pour décoder le fonctionnement du cerveau normal et pathologique.
Les potentiels d’action : signal électrique fondamental
1. Définition et origine
Le potentiel d’action est un signal électrique transitoire, généré par un neurone lorsqu’il est suffisamment stimulé. Il permet de transmettre l’information sur de longues distances, des dendrites jusqu’aux terminaisons axonales.
Ce signal repose sur le mouvement des ions à travers la membrane neuronale, principalement le sodium (Na⁺) et le potassium (K⁺).
2. Étapes du potentiel d’action
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Polarisation au repos : la membrane neuronale est polarisée avec un potentiel de repos d’environ -70 mV, maintenu par la pompe Na⁺/K⁺ ATPase.
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Dépolarisation : un stimulus excitateur ouvre les canaux sodium voltage-dépendants, provoquant l’entrée massive de Na⁺ et l’inversion temporaire du potentiel.
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Repolarisation : fermeture des canaux sodium et ouverture des canaux potassium, permettant la sortie de K⁺ et le retour du potentiel vers la valeur de repos.
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Hyperpolarisation : la membrane devient temporairement plus négative que le potentiel de repos, rendant le neurone moins excitable.
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Retour au repos : la pompe Na⁺/K⁺ ATPase rétablit la concentration ionique initiale, préparant le neurone pour un nouveau potentiel d’action.
3. Caractéristiques clés
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Tout ou rien : un potentiel d’action se déclenche uniquement si le seuil est atteint (~-55 mV).
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Propagation : se déplace le long de l’axone sans diminution d’amplitude.
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Codage de l’information : la fréquence et le motif des potentiels d’action transmettent des informations codées au cerveau.
Transmission synaptique : passer du signal électrique au signal chimique
1. Types de synapses
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Synapses électriques : les ions passent directement d’un neurone à l’autre via des jonctions gap, permettant une transmission rapide et bidirectionnelle.
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Synapses chimiques : la majorité des synapses cérébrales utilisent des neurotransmetteurs, molécules chimiques libérées par le neurone présynaptique pour activer le neurone postsynaptique.
2. Mécanisme de la transmission synaptique chimique
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Arrivée du potentiel d’action à la terminaison axonale.
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Ouverture des canaux calciques voltage-dépendants : entrée de Ca²⁺ dans le neurone présynaptique.
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Libération des neurotransmetteurs (glutamate, GABA, dopamine, sérotonine, etc.) par exocytose dans la fente synaptique.
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Activation des récepteurs postsynaptiques : canaux ioniques ou protéines couplées aux seconds messagers modulent le potentiel de membrane du neurone postsynaptique.
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Élimination du neurotransmetteur : recaptage par le neurone présynaptique, dégradation enzymatique ou diffusion, pour préparer la synapse à un nouveau signal.
3. Types de potentiels postsynaptiques
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Potentiels excitateur postsynaptique (EPSP) : dépolarisation qui favorise le déclenchement d’un nouveau potentiel d’action.
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Potentiels inhibiteur postsynaptique (IPSP) : hyperpolarisation qui diminue la probabilité de déclenchement.
La somme de ces potentiels détermine si le neurone postsynaptique atteindra le seuil d’excitation et générera un potentiel d’action.
Rôle dans les fonctions cérébrales
L’électrophysiologie est essentielle pour :
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Apprentissage et mémoire : la plasticité synaptique dépend de la fréquence et de la force des potentiels d’action.
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Perception sensorielle : conversion des signaux électriques en perception consciente.
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Mouvement volontaire : transmission rapide des potentiels d’action vers les muscles.
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Régulation des émotions et de l’humeur : intégration synaptique des circuits limbique et cortical.
Implications pathologiques
Un dysfonctionnement de la transmission électrique ou synaptique peut entraîner :
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Épilepsie : hyperexcitabilité neuronale et déclenchement de crises électriques.
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Maladies neurodégénératives : perturbation de la communication synaptique dans Alzheimer, Parkinson et Huntington.
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Troubles psychiatriques : dépression, anxiété et schizophrénie liés à des déséquilibres neurotransmetteurs.
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Neuropathies périphériques : altération des potentiels d’action dans les nerfs moteurs et sensitifs.
Techniques d’étude en électrophysiologie
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Patch-clamp : mesure des courants ioniques à l’échelle d’un canal ionique.
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Électroencéphalogramme (EEG) : enregistre l’activité électrique globale du cerveau.
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Potentiels évoqués : évaluation des réponses électriques à des stimuli sensoriels.
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Microélectrodes intracellulaires : enregistrement des potentiels d’action individuels dans les neurones.
Conclusion : le langage électrique du cerveau
Les potentiels d’action et la transmission synaptique constituent le langage fondamental du cerveau.
Grâce à eux, les neurones peuvent communiquer rapidement et précisément, coordonner les fonctions corporelles et permettre l’apprentissage, la mémoire et la cognition.
Comprendre l’électrophysiologie ouvre la voie à mieux diagnostiquer et traiter les maladies neurologiques, optimiser la stimulation cérébrale et concevoir des thérapies ciblées pour restaurer la fonction neuronale.