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Fabrice DUPRATInstitut de Pharmacologie Moléculaire et CellulaireUniversité de Nice Sophia-Antipolis Janvier 2003
NEUROPHYSIOLOGIE
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PLAN DU COURSI) MORPHOLOGIE DES NEURONESpolarité des neuronesII) CROISSANCE DES NEURONESCônes de croissanceIII) GENESE DU POTENTIEL D'ACTIONPA en current-clamp,la rétine, cellule ciliéeIV) TRANSMISSION DU SIGNAL DANS UN NEURONEthéorie du cable, potentiel électrotonique, propagation saltatoire, gliales,périodes réfractairesV) TRANSMISSION DU SIGNAL ENTRE DEUX CELLULESsynapses chimiques, épine dendritique, plaque motrice, neurotransmetteurs, synapse électriqueVI) INTEGRATION DES SIGNAUX RECUSseuil de déclenchement, sommations temporelle et spatiale, intégration des signauxVII) CIRCUITS NEURONAUXarc réflexe, racine dorsale, l’hippocampeVIII) PLASTICITE SYNAPTIQUEHebb, LTP dans l'hippocampe, mécanismes, mobilité des récepteurs et des épines dendritiques, rolesIX) HISTORIQUE
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I) MORPHOLOGIE DES NEURONES
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Morphologies variées
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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Polarité des neurones
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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Neurones multipolaires
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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7Cellule de Purkinje du cervelet (Golgi Stain.)
Cellule pyramidale du CA1 de l’hippocampe
Photos de neurones multipolaires
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II) CROISSANCE DES NEURONES
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Cônes de croissance
Jontes et al. (2000), Nature Neuroscience 3-2
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Croissance neuronale
Wichterle et al. (1997), Neuron 18
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III) GENESE DU POTENTIEL D'ACTION
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Potentiel d’action en current-clamp
Courants:
Na2+ K+
Temps (ms)
ENa
EK
Erepos
seuil
Potentiel (mV)
0
+40
-40
-80
1 2 3 4 5 6
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Exemple 1: la rétine
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Cônes et bâtonnets
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Cellule ciliée de l'oreille interne
Epithélium de l’oreille interne de grenouille
8 µm
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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IV) TRANSMISSION DU SIGNALDANS UN NEURONE
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Théorie du cable
RaxialeInterne
Rm Cm
Externe
1850
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Potentiel électrotonique
Amplitude (mV)
Distance
Constante d'espace (0,1 à 1 mm)
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Propagation saltatoire
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Cellules gliales
Neurones sur un tapis de cellules gliales
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Propagation bidirectionnelle
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Période réfractaire
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Périodes réfractaires
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V) TRANSMISSION DU SIGNALENTRE DEUX CELLULES
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Coupe d'une synapse chimique
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Epine dendritique de neurone pyramidal d ’hippocampeMicroscopie électronique (cryofracture)
Epine dendritique
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Plaque motrice
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Synapses chimiques
1) Arrivée d'un PA (dépolarisation) sur le neurone présynaptique2) Activation des canaux Ca2+ V-dpt3) Entrée de Ca2+
4) Fusion des vésicules avec la membrane présynaptique5) Diffusion du transmetteur dans la fente synaptique6) Fixation sur les récepteurs postsynaptiques7) Entrée d'ions -> hyperpolarisation, dépolarisation, contraction
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Neurotransmetteurs
Agonistes Récepteurs Ions Effets
ACh nACh cations +
Glu kainate Ca2+, Na+ +AMPA Ca2+, Na+ +NMDA Ca2+, Na+ +
GABA GABAA Cl- -Glycine Glycine Cl- -
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Synapse électrique
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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VI) INTEGRATION DES SIGNAUX RECUS
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Seuil de déclenchement d’un PA
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Sommation spatiale
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Sommation temporelle
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Sommation temporelle et spatiale
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Intégration des signaux
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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Récapitulatif sur la transmission du signal électrique
10 s
Kandel "Principles of neural science", Mc Graw Hill
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Récapitulatif sur la propagation des signaux électriques
http://laxmi.nuc.ucla.edu:8888/Libraries/Animations
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VII) CIRCUITS NEURONAUX
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Arc réflexe
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Racine dorsale
Seeley "Anatomy & Physiology", Mc Graw-Hill
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Schaffer collateralSchaffer collateral
commisuralcommisural
Dentate Dentate GyrusGyrus
Lateral
Medial
Perforant Path
CA1CA1
CA2CA2
CA3CA3
SubiculumSubiculum
CA4CA4Mossy FibresMossy Fibres
Structure de l’hippocampe
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VIII) PLASTICITE SYNAPTIQUE
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44
“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 deuxcellules, entrainant une augmentation de la réponse de la cellule B pour unemême stimulation provenant de la cellule A”
Le postulat de Hebb
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45
Mécanismes de la plasticité synaptique ?
• Variation du nombre de récepteurs-canaux synaptiques• Variation de la probabilité d'ouverture• Variation de la conductance
Mécanismes postsynaptiques:
• Variation de la quantité de transmetteur libérée
Mécanismes présynaptiques:
• Variation du nombre de synapses actives
Mécanisme synaptique:
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46
CA1CA1
Stimulation
Schaffer collateralSchaffer collateral
commisuralcommisural
Electrode externe
Patch clamp (cellule entière)Electrode interne
LTP dans l'hippocampe
Electrode interneepsp, ipsp
5 mV50 ms
Electrode externefepsp
1 mV20 ms
Patch ClampEpsc
50 pA
200 ms
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Dentate Dentate GyrusGyrus
Perforant Path
Mossy FibresMossy Fibres
Stimulation100 Hz, 1 s
Enregistrement de potentiels de champ
Entorhinal Cortex
Bliss & Lomo (1973) J. Physiol 232; 331-356
Bliss & Gardner-Medwin (1973) J. Physiol 232; 357-374
La découverte de la LTP (Long Term Potentiation)
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Bliss & Collingridge, (1993) Nature 361; 31-39(data from : Alford et al, (1993) J. Physiol. 469; 693-716)
Synaptic current
Calcium transient
100 Hz, 1 s
20 µm
Entrée de Ca2+ lors de la stimulation haute fréquence
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Mécanismes de la plasticité synaptique
Stimulationsrépétées
Glu
Ca2+
Ca2+NMDACa2+
Mg2+
CaMKII
CaM
AMPA P
PAMPA
Dépolarisation
mGlu
PLC
IP3
Effetsgénomiques
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Mobilité des récepteurs AMPA entre cytosol et membrane
Insertion Internalisation
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Mobilité des récepteurs AMPA sur la membrane
MembraneAMPAr Ac
Bille
Photorelargage de Ca2+
Borgdorff & Choquet (2002), Nature 417(6889)
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Mécanismes de la plasticité synaptique
Lüscher et al. 2000 Nature neuroscience 3(6)
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40x
Mobilité des épines dendritiques
100xFischer et al. 1998, Neuron 20
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PhysiologiePhysiologie
DévelopementDévelopement
ApprentissagesApprentissages et et mémoiremémoire
RécupérationRécupération d'uned'une lésionlésion
NeuropathologieNeuropathologie
EpilepsieEpilepsie
Mort Mort neuronaleneuronale aigueaigue (e.g. trauma, (e.g. trauma, arrêtarrêt circulatoirecirculatoire))
Neurodégénérescences Neurodégénérescences (e.g. Alzheimer, Parkinson, Huntington)(e.g. Alzheimer, Parkinson, Huntington)
Dépendance Dépendance à à une une droguedrogue
Roles de la plasticité synaptique dans le SNC
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IX) HISTORIQUE
1855 KELVIN: Propagation d’un signal électrique dans le premier cable transatlantique (théorie du cable).
1905 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.1922-1927 ERLANGER-GASSER: Enregistrement de potentiels d’actions sur des axones.1949 HEBB: Postulat sur la plasticité synaptique.1938-1939 COLE-CURTIS: Montre que la perméabilité de la membrane augmente lors du potentiel d’action.2000 KANDEL: Prix Nobel de Médecine pour ces travaux sur l'aplysie.