Cours_3_Electrophysi..

Les communications cellulaires au sein du cerveau
Méthodes d’étude - deuxième partie -: l’électrophysiologie
Les neurones sont des cellules excitables qui
transmettent et propagent des signaux électriques
Ils reçoivent simultanément des milliers
d’informations activant des récepteurs-canaux
et/ou des récepteurs liés aux protéines G. Ils
doivent intégrer tous ces messages et générer, en
réponse, un signal simple : le potentiel d’action (PA).
L. Hodgkin, A. Huxley, J. C. Eccles 1963 " PA et
synapses "
E. Neher et B. Sakmann 1991 " Patch-Clamp "

Influx nerveux (PA)
dans le neurone présynaptique
Dépolarisation de la membrane
du bouton synaptique
Augmentation de la concentration
de calcium intracellulaire
Libération par exocytose du
neurotransmetteur dans la fente synaptique
La fixation du neurotransmetteur provoque
l’ouverture de canaux ioniques directement
(récepteurs ionotropes)
ou via l’activation de seconds messagers
(récepteurs métabotropes)
Dépolarisation/hyperpolarisation de la
membrane post-synaptique
Génèse d’un influx nerveux (PA)
PPSI
AMPA
PPSE
GABA A
Signal
résultant
AMPA
NMDA
Neurotransmetteur excitateur → PPSE
(potentiel postsynaptique excitateur)
Neurotransmetteur inhibiteur → PPSI
(potentiel postsynaptique inhibiteur)
aa1 1
GABA B B

Influx nerveux (PA)
dans le neurone présynaptique
Dépolarisation de la membrane
du bouton synaptique
Augmentation de la concentration
de calcium intracellulaire
Libération par exocytose du
neurotransmetteur dans la fente synaptique
La fixation du neurotransmetteur provoque
l’ouverture de canaux ioniques directement
(récepteurs ionotropes)
ou via l’activation de seconds messagers
(récepteurs métabotropes)
Dépolarisation/hyperpolarisation de la
membrane post-synaptique
Génèse d’un influx nerveux (PA)
Variations
du potentiel membranaire
Exocytose du
neurotransmetteur
Flux ioniques
Variations
du potentiel membranaire

Magnétoencéphalographie (MEG)
Electroencéphalographie (EEG)
Ampérométrie
Voltamétrie
Patch-clamp (s)
Extracellulaire
(Potentiel de champ – Single-unit)
Intracellulaire
Patch-clamp
Variations
du potentiel membranaire
Exocytose du
neurotransmetteur
Flux ioniques
Variations
du potentiel membranaire

Magnétoencéphalographie (MEG)
Electroencéphalographie (EEG)
Ampérométrie
Voltamétrie
Extracellulaire
(Potentiel de champ – Single-unit)
Intracellulaire
Patch-clamp (s)
MACROSCOPIQUE
Non invasif
Organisme / organe entier
Microscopique
Multicellulaire
Microscopique
Unicellulaire / Moléculaire

Electrophysiologie "fonctionnelle"
L'électroencéphalographie (EEG) est une mesure directe de l'activité électrique du cerveau
en appliquant des électrodes sur le cuir chevelu. On amplifie le signal 10 6 fois. L'EEG est peu
précise spatialement mais elle offre une bonne résolution temporelle. L’EEG est utilisée pour
le diagnostic en neurologie, notamment pour l’épilepsie, conjointement avec d’autres
techniques d’investigation et d'imagerie médicale (scanner, IRM).
La magnétoencéphalographie (MEG) est une technique de mesure des champs magnétiques
induits par l'activité électrique des neurones du cerveau. Le principal domaine d'application
de la MEG est le diagnostic pré-opératoire en épilepsie. Sa résolution spatiale est bien
meilleure que celle de l’EEG mais sa mise en œuvre est plus lourde. Elle sert au diagnostic
précoce et au suivi de pathologies neurodégénératives (comme la maladie de Parkinson ou la
maladie d'Alzheimer) et à l'étude des conséquences d'un traumatisme crânien ou d'une
ischémie cérébrale transitoire.

EEG
Eveil
Sommeil léger
Sommeil paradoxal (REM sleep)
Sommeil profond
Mort cérébrale
MEG
Résolution spatiale ≈ 2 mm – Résolution temporelle ≈ 1 milliseconde

Ampérométrie - Voltampérométrie
L’ampérométrie et la voltampérométrie cyclique permettent de caractériser en temps réel l’exocytose
des neurotransmetteurs oxydables, comme les catécholamines (adrénaline, noradrénaline, dopamine)
ou les indolamines (sérotonine). Une tension électrique constante (ampérométrie) ou cyclique
(voltampérométrie) est appliquée entre une électrode de mesure et une électrode de référence, et le
courant d’oxydo-réduction des molécules libérées est mesuré.
La résolution temporelle (< 1 ms) et la sensibilité de la méthode (quelques milliers de molécules)
permettent de détecter non seulement l’activité sécrétrice d’une cellule mais aussi la libération du
contenu d’une vésicule unique de sécrétion.

Neurone dopaminergique
Courant d’oxydation de molécules de dopamine
Jaffe et al, J.Neurosci. 18(10):3548–3553 (1998)
Cellule chromaffine stimulée par 40 µM de nicotine
(sécrétion de catécholamines)
Jaffe et al, J.Neurosci. 18(10):3548–3553 (1998)

Exocytose mesurée par patch-clamp
Courants postsynaptiques miniatures (mEPSCs)
glutamatergiques (AMPA)
Courants postsynaptiques évoqués
(EPSCs)
glutamatergiques (AMPA)
Congar et al, J. Neurophysiol 87: 1046–1056 (2002)

Electrophysiologie cellulaire : quelques rappels
Il existe une différence de potentiel entre les 2 faces de la membrane
extérieur
intérieur
Mb
Différence de potentiel
entre la face interne et la face
externe de la membrane, V m(Vi –Ve)
Potentiel de membrane /
Potentiel de repos membranaire

Na+
K+
Ca 2+
Cl-
[ ] ext (mM) [ ] int (mM) E (mV)
140
5
1
147
14
140
< 10 -4
14
+ 58
-83
+ 135
-59
Le passage des ions à travers la membrane se fait au niveau de protéines
transmembranaires spécialisées : les canaux ioniques, les pompes et les échangeurs.
Équation de Nernst :
Permet de calculer le potentiel
d’équilibre d’un ion
à25°c :
RT C
Ex = ln
z F C
x
C
Ex ≈58log
C
xe
xi
xe
xi
R : cte des gaz parfaits
T : température absolue en Kelvin
z : valence de l’ion
F : cte de Faraday

Pour traverser la membrane, un ion est soumis à un gradient électrochimique
(driving-force) qui dépend de la différence entre le potentiel de membrane
(Vm) de la cellule et le potentiel d’équilibre de l’ion considéré (E ion ).
Par convention, le courant est positif (sortant) quand un cation sort de la
cellule et est négatif (entrant) quand le cation y entre.
C’est l’inverse s’il s’agit d’un anion (Cl- ).
POTENTIEL
D'EQUILIBRE
E K = - 87 mV
E Na = + 60 mV
E Ca = + 120 mV
E Cl = - 61 mV
(+ et – s’attirent; + et + ou – et – se repoussent)
GRADIENT
ELECTRO-CHIMIQUE
Vm - E K = -60 - (-87) = + 27 mV
Vm - E Na = -60 - (+60) = - 120 mV
Vm - E Ca = -60 - (+120) = - 180 mV
Vm - E Cl = -60 - (-61) = + 1 mV
FLUX D’IONS
SORTANT
ENTRANT
ENTRANT
ÉQUILIBRE /
ENTRANT
si dépolarisation
COURANT
SORTANT (hyperpolarisant)
ENTRANT (dépolarisant)
ENTRANT (dépolarisant)
SORTANT
si dépolarisation
(→ hyperpolarisant)
Glutamate
Glutamate
GABA

Le potassium externe élevé de la cochlée
(oreille interne)
Na +
K +
Cl -
Composition ionique (mM)
La périlymphe L'endolymphe
154
3
128
Rampe vestibulaire
Rampe tympanique
Equilibre ionique particulier
1
161
131
cochlée
Dépolarisation par entrée de potassium
Le chlore élevé dans les neurones olfactifs
et bas dans le mucus
l’AMPc ouvre un canal Na + /Ca 2+ .
L’entrée des ions provoque une
dépolarisation.
Qui est amplifiée par la sortie d’ions Cl -
(ouverture de canaux chlore grâce au
Ca 2+ ).
Les cellules olfactives ont une
concentration en chlore élevée (69 mM
contre 55 dans le mucus) (E Cl = -5mV)
→ à -60 mV, le courant chlore est
entrant (dépolarisant/excitateur).

Courant en pA
300
200
100
0
-100
-200
-300
Le courant global correspond à la somme des flux d’ions empruntant
tous les types de canaux de la membrane.
Courant global enregistré sur un neurone suite à une stimulation électrique.
Courant entrant (Glutamate)
(Na + , Ca 2+ )
Courant sortant (GABA)
(Cl - ,K + )
0 50 100 150 200 250 300
temps en ms

L’électrophysiologie cellulaire
Extracellulaire
Enregistrement de cellules unitaires (single unit)
ou
Enregistrement de l’activité électrique d’un groupe de cellules (potentiel de champ)
L’électrode d’enregistrement, plutôt grosse, est placée à l’extérieur des cellulles
→ potentiels récepteurs, potentiels d’actions et courants synaptiques
Intracellulaire
Enregistrement d’une seule cellule
Si les techniques d'enregistrement intracellulaire classique permet d'analyser les
courants macroscopiques, elle n'autorise pas un niveau de résolution suffisant pour l'étude
du fonctionnement des canaux ioniques individuels.
L’électrode, très fine et résistante, est plantée dans la cellule
→ propriétés macroscopiques des conductances, courants ioniques transmembranaires
Patch-Clamp
Enregistrement d’une cellule / d’un ou plusieurs canaux
Cette technique permet l'enregistrement de signaux électriques à partir d'un fragment de
membrane ou d'une cellule entière, au travers d’un contact très résistant (gigaohms).
L’électrode, plus grosse, est collées sur la membrane qui est conservé (étude de canaux
unitaires) ou perforée (étude de la cellule entière)
→ propriétés macroscopiques et microscopiques des conductances, et canaux ioniques

Enregistrements extracellulaires - Enregistrements intracellulaires
V
Intra / Patch
Mesure de potentiel ou de
courants transmembranaires
extra
V
Potentiels de champs
Selon la distance,
l’amplitude des potentiels varie

Extracellulaire
Enregistrement de l’activité électrique synchronisée d’un groupe de cellules
(ERG, EOG, enregistrement de nerf gustatif, potentiel de champ)
ou
Enregistrement de cellules unitaires (single unit)
ou multi-unitaires (tétrodes)
L’électrode d’enregistrement, plutôt grosse (verre ou métal),
est placée à l’extérieur des cellulles
→ potentiels récepteurs - potentiels d’actions – courants synaptiques

Electro-rétinogramme (ERG)
ERG / Nerf gustatifs
Enregistrements de nerfs gustatifs
Chorde du tympan (2/3 ant. de la langue)
Glossopharyngien (1/3 post. de la langue)
Danilova et al. BMC Neuroscience (2003)

Imagerie et Electrophysiologie de l’Olfaction l Olfaction
350
300
250
200
150
100
1 42 83 124 165 206 247 288 329 370 411 452 493 534 575 616 657 698

EOG (Muqueuse olfactive)
Lacroix et al, J. Neuroendoc. 20: 1176-1190 (2008)
Electrophysiologie de l’Olfaction l Olfaction
Single unit (Bulbe olfactif)
ElectroOlfactoGramme (EOG)
Enregistrement unitaire
Duchamp-Viret et al, Science 284: 2171-2174 (1999)

"Single unit"
bulbe olfactif et comportement
Luo and Katz, Science 299: 1196-1201 (2003)

Synthèse de nouveaux récepteurs
AMPA
Potentiation synaptique à long terme (PLT / LTP)
Activation prolongée
Augmentation de la quantité de
neurotransmetteur libéré

Intracellulaire
Enregistrement d’une seule cellule
Si les techniques d'enregistrement intracellulaire classique permet d'analyser les
courants macroscopiques, elle n'autorise pas un niveau de résolution suffisant pour
l'étude du fonctionnement des canaux ioniques individuels.
L’électrode, très fine et résistante, est plantée dans la cellule
→ propriétés macroscopiques des conductances, courants ioniques
transmembranaires

Propriétés intrinsèques des neurones et codage
Courant imposé

Le patch-clamp (Neher et Sackmann 1976)

Canal unique et réponse globale.
L’intensité du courant i pour un ion
traversant un canal ionique est
appelé courant élémentaire:
Le courant macroscopique pour cet ion est la somme des courants
des canaux présents.
I ion = N. Po. i ion
Voltage imposé

Courbe I/V
Relation courant-voltage
hyperpolarisation dépolarisation
Loi d’Ohm
Courant
sortant
Courant
entrant
V = R I
La pente de la droite donne la
conductance G:
G = 1 / R
I ion = g ion (V m –V ion )

Courant
sortant
Courant
entrant
Rectification
Lorsque le canal est inhibé/bloqué à certains
potentiels membranaires, la relation I/V
n’est plus linéaire, on parle de rectification.
Rectification dans le sens entrant (inward)
courants entrants > courants sortants
Rectification dans le sens sortant (outward)
courants entrants < courants sortants

Courants synaptiques glutamatergiques ionotropiques (whole-cell)

Courants glutamatergiques AMPA (whole-cell + RT-PCR)
GluR2 + / pas de rectification
Imperméables au calcium
Bochet et al, Neuron 12: 383–388 (1994)
GluR2 - / rectification entrante
Perméables au calcium

Courants glutamatergiques NMDA (whole-cell)

Récepteurs glutamatergiques métabotropes (mGluRs)

Contrôle sans CP-AMPA
Courants glutamatergiques mixtes AMPA et mGluR I
sans CP-AMPA
ni mGluR
Contrôle sans CP-AMPA
Topolnik et al, J. Neurosci. 25(4): 990–1001 (2005)
sans CP-AMPA
ni mGluR

Courants synaptiques glutamatergiques mixtes AMPA et mGluR I
Stimulation Faible
sans
NMDA
sans
CP-AMPA
• Petite amplitude
• Cinétique rapide
• Transient de Ca 2+ indépendant de NMDA
dépendant de l’activité de CP-AMPA
Stimulation Forte (Tétanique)
sans
CP-AMPA
sans
mGluR
• Plus grande amplitude
• Cinétique plus lente
• Transient de Ca 2+ indépendant de NMDA
dépendant de l’activité de CP-AMPA et de mGluR

Courants synaptiques GABAergiques ionotropiques : GABA A
Zhainazarov et al, J Neurophysiol 77: 2235-2251 (1997)
Cibles des barbituriques, des benzodiazepines,
de l’alcool, des anesthésiques, des stéroides et
de certains hypnotiques (Zolpidem/Stilnox)

Courants synaptiques GABAergiques métabotropiques : GABA B
2,5 mM K + ext
E K+ théorique ≈ -100 mV
6,8 mM K + ext
E K+ théorique ≈ -75 mV
Otis et al, J. Physiol 463: 391–407 (1993)