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Comment un changement de potentiel à travers la membrane d'un neurone se transforme-t-il en un signal qui est envoyé dans l'axone ?

Comment un changement de potentiel à travers la membrane d'un neurone se transforme-t-il en un signal qui est envoyé dans l'axone ?


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je comprends

  1. Comment un signal se propage dans l'axone.

  2. Comment le potentiel membranaire d'un neurone change au cours de son "déclenchement".

Mais je ne comprends pas comment physiquement le changement du potentiel membranaire déclenche le signal dans l'axone.

Un stimulus provoque l'ouverture des canaux sodium voltage-dépendants et l'afflux d'ions sodium. Cela crée une densité de charge positive à l'intérieur de la cellule et une densité de charge négative à l'extérieur. Cette différence est par définition une différence de potentiel. Les portes de potassium sensibles à cette différence s'ouvrent alors, les ions potassium se précipitent, ce qui inverse à nouveau la polarité de l'intérieur et de l'extérieur de telle sorte qu'une densité de charge positive à l'extérieur de la cellule et une densité de charge négative à l'intérieur.

Mais comment cela conduit-il réellement au signal qui se propage dans l'axone ? Quelqu'un peut-il expliquer?


Comme vous l'avez souligné, le sodium à mesure que le sodium pénètre dans la cellule se dépolarise (devient plus positif). Rappelez-vous que les portes de sodium s'ouvrent plus la tension est positive, ce qui à son tour ouvre plus de portes de sodium. Si un patch de membrane neurale est dépolarisé, la charge diffuse dans les patchs voisins de membrane neurale. Cela ouvrira les canaux sodiques du patch membranaire à proximité. Maintenant, une fois que suffisamment de canaux sodium s'ouvrent, le neurone déclenche un potentiel d'action, à ce stade, les canaux potassium s'ouvrent et le potassium sort de la cellule en la repolarisant (la rendant plus négative). De plus, les portes de sodium se ferment à des tensions positives, ce qui repolarise davantage le neurone et empêche la rétropropagation.

La clé est donc l'afflux des ions sodium diffusant dans l'axone et provoquant une dépolarisation en aval de l'axone.

Je trouve ce site instructif, ainsi que cette photo :

Mise à jour : Au fur et à mesure que la tension s'accumule dans le soma, la charge se déverse dans l'axone Hillock (une zone à forte concentration de portes de sodium et de potassium). les portes de sodium s'ouvriront et déclencheront le potentiel d'action. Ensuite, le potentiel d'action descend dans l'axone comme décrit ci-dessus

Une métaphore utile est le soma, et par extension l'Axon Hillock, résume l'entrée synaptique des dendrites, et encore une fois, s'il dépasse le seuil, les portes de sodium s'ouvrent, sinon, elles reviennent lentement au repos.

L'entrée synaptique peut être excitatrice (provoquer une dépolarisation) ou inhibitrice (hyper polarisation) selon le type de récepteurs et de canaux dans les dendrites, mais en général, ces changements de tension dans la dendrite se diffusent dans le soma et finissent par atteindre la butte axonale.


Comment un changement de potentiel à travers la membrane d'un neurone se transforme-t-il en un signal qui est envoyé dans l'axone ? - La biologie

Maintenant que nous connaissons les structures de base du neurone et le rôle que ces structures jouent dans la communication neuronale, examinons de plus près le signal lui-même : comment il se déplace dans le neurone puis passe au neurone suivant, où le processus est répété.

Nous commençons par la membrane neuronale. Les neurone existe dans un environnement fluide - il est entouré de liquide extracellulaire et contient du liquide intracellulaire (c'est-à-dire le cytoplasme). La membrane neuronale maintient ces deux fluides séparés - un rôle essentiel car le signal électrique qui traverse le neurone dépend du fait que les fluides intra- et extracellulaires sont électriquement différents. Cette différence de charge à travers la membrane, appelée potentiel membranaire, fournit de l'énergie pour le signal.

La charge électrique des fluides est causée par des molécules chargées (ions) dissoutes dans le fluide. La nature semi-perméable de la membrane neuronale restreint quelque peu le mouvement de ces molécules chargées et, par conséquent, certaines des particules chargées ont tendance à se concentrer davantage à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule.

Entre les signaux, le potentiel de la membrane neuronale est maintenu dans un état de préparation, appelé le potentiel de repos. Comme un élastique tendu et attendant de passer à l'action, les ions s'alignent de chaque côté de la membrane cellulaire, prêts à traverser la membrane lorsque le neurone s'active et que la membrane ouvre ses portes (c'est-à-dire une pompe sodium-potassium qui permet le mouvement des ions à travers la membrane). Les ions dans les zones à forte concentration sont prêts à se déplacer vers les zones à faible concentration, et les ions positifs sont prêts à se déplacer vers les zones à charge négative.

Au repos, le sodium (Na + ) est à des concentrations plus élevées à l'extérieur de la cellule, il aura donc tendance à se déplacer dans la cellule. Le potassium (K + ), en revanche, est plus concentré à l'intérieur de la cellule et aura tendance à sortir de la cellule (Figure 1). De plus, l'intérieur de la cellule est légèrement chargé négativement par rapport à l'extérieur. Cela fournit une force supplémentaire sur le sodium, l'amenant à se déplacer dans la cellule.

Figure 1. Au potentiel de repos, Na + (pentagones bleus) est plus fortement concentré à l'extérieur de la cellule dans le liquide extracellulaire (indiqué en bleu), tandis que K + (carrés violets) est plus fortement concentré près de la membrane dans le cytoplasme ou le liquide intracellulaire. D'autres molécules, telles que les ions chlorure (cercles jaunes) et les protéines chargées négativement (carrés bruns), contribuent à une charge nette positive dans le liquide extracellulaire et à une charge nette négative dans le liquide intracellulaire.

A partir de cet état de potentiel de repos, le neurone reçoit un signal et son état change brutalement (Figure 2). Lorsqu'un neurone reçoit des signaux au niveau des dendrites - dus aux neurotransmetteurs d'un neurone adjacent se liant à ses récepteurs - de petits pores, ou portes, s'ouvrent sur la membrane neuronale, permettant aux ions Na +, propulsés par les différences de charge et de concentration, de se déplacer dans le cellule. Avec cet afflux d'ions positifs, la charge interne de la cellule devient plus positive. Si cette charge atteint un certain niveau, appelé le seuil d'excitation, le neurone devient actif et le potentiel d'action commence. Ce processus par lequel la charge de la cellule devient positive ou moins négative est appelé dépolarisation.

De nombreux pores supplémentaires s'ouvrent, provoquant un afflux massif d'ions Na + et un énorme pic positif du potentiel membranaire, le potentiel d'action maximal. Au sommet du pic, les portes de sodium se ferment et les portes de potassium s'ouvrent. Au fur et à mesure que les ions potassium chargés positivement partent, la cellule commence rapidement à se repolariser. Au début, il hyperpolarise, devenant légèrement plus négatif que le potentiel de repos, puis il se stabilise, revenant au potentiel de repos.

Figure 2. Pendant le potentiel d'action, la charge électrique à travers la membrane change considérablement.

Ce pic positif constitue le potentiel d'action: le signal électrique qui se déplace généralement du corps cellulaire le long de l'axone jusqu'aux terminaisons axonales. Le signal électrique descend l'axone comme une onde à chaque point, certains des ions sodium qui pénètrent dans la cellule diffusent vers la section suivante de l'axone, augmentant la charge au-delà du seuil d'excitation et déclenchant un nouvel afflux d'ions sodium. Le potentiel d'action se déplace tout le long de l'axone jusqu'aux boutons terminaux.

Regarde ça

Le processus de communication neuronale est expliqué dans la vidéo suivante.

Le potentiel d'action est un Tout ou rien phénomène. En termes simples, cela signifie qu'un signal entrant provenant d'un autre neurone est soit suffisant, soit insuffisant pour atteindre le seuil d'excitation. Il n'y a pas d'entre-deux, et il n'y a pas de possibilité de désactiver un potentiel d'action une fois qu'il a commencé. Pensez-y comme envoyer un e-mail ou un message texte. Vous pouvez penser à l'envoyer tout ce que vous voulez, mais le message n'est pas envoyé tant que vous n'avez pas appuyé sur le bouton d'envoi. De plus, une fois que vous envoyez le message, il n'y a plus moyen de l'arrêter.

Parce que c'est tout ou rien, le potentiel d'action est recréé, ou propagé, à sa pleine puissance à chaque point le long de l'axone. Tout comme la mèche allumée d'un pétard, il ne s'efface pas lorsqu'il descend dans l'axone. C'est cette propriété du tout ou rien qui explique le fait que votre cerveau perçoive une blessure à une partie éloignée du corps comme votre orteil aussi douloureuse qu'une blessure à votre nez.

Comme indiqué précédemment, lorsque le potentiel d'action arrive au bouton terminal, les vésicules synaptiques libèrent leurs neurotransmetteurs dans le fente synaptique. Les neurotransmetteurs traversent la synapse et se lient aux récepteurs des dendrites du neurone adjacent, et le processus se répète dans le nouveau neurone (en supposant que le signal est suffisamment fort pour déclencher un potentiel d'action). Une fois le signal délivré, les neurotransmetteurs en excès dans la fente synaptique s'éloignent, sont décomposés en fragments inactifs ou sont réabsorbés dans un processus appelé recapture. Reprise implique que le neurotransmetteur soit renvoyé dans le neurone qui l'a libéré, afin d'effacer la synapse (Figure 3). L'effacement de la synapse sert à la fois à fournir un état clair « activé » et « désactivé » entre les signaux et à réguler la production de neurotransmetteur (les vésicules synaptiques complètes fournissent des signaux indiquant qu'aucun neurotransmetteur supplémentaire n'a besoin d'être produit).

figure 3. La recapture consiste à déplacer un neurotransmetteur de la synapse vers l'axone terminal d'où il a été libéré.

La communication neuronale est souvent appelée événement électrochimique. Le mouvement du potentiel d'action le long de l'axone est un événement électrique, et le mouvement du neurotransmetteur à travers l'espace synaptique représente la partie chimique du processus.

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Regardez la vidéo suivante pour voir comment les neurones communiquent dans le corps.


Neurones

Les psychologues qui s'efforcent de comprendre l'esprit humain peuvent étudier les système nerveux. Apprendre comment les cellules et les organes (comme le cerveau) fonctionnent nous aide à comprendre la base biologique de la psychologie humaine. Le système nerveux est composé de deux types de cellules de base : les cellules gliales (également appelées glies) et les neurones. Cellules gliales, qui sont dix fois plus nombreux que les neurones, sont traditionnellement censés jouer un rôle de soutien aux neurones, à la fois physiquement et métaboliquement. Les cellules gliales fournissent l'échafaudage sur lequel le système nerveux est construit, aident les neurones à s'aligner étroitement les uns avec les autres pour permettre la communication neuronale, fournissent une isolation aux neurones, transportent les nutriments et les déchets et médient les réponses immunitaires. Neurones, d'autre part, servent de processeurs d'informations interconnectés qui sont essentiels pour toutes les tâches du système nerveux. Cette section décrit brièvement la structure et la fonction des neurones.


Résumé du chapitre

Dans ce chapitre, vous avez découvert le système nerveux humain. Concrètement, vous avez appris que :

  • Le système nerveux est le système d'organes qui coordonne toutes les actions volontaires et involontaires du corps en transmettant des signaux vers et depuis différentes parties du corps. Il a deux divisions principales, le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP).
  • Le SNC comprend le cerveau et la moelle épinière.
  • Le SNP se compose principalement de nerfs qui relient le SNC au reste du corps. Il a deux divisions principales : le système nerveux somatique et le système nerveux autonome. Le système somatique contrôle les activités qui sont sous contrôle volontaire. Le système autonome contrôle les activités qui sont involontaires.
  • Le système nerveux autonome est en outre divisé en la division sympathique, qui contrôle la réponse de combat ou de fuite, la division parasympathique, qui contrôle la plupart des réponses involontaires de routine et la division entérique, qui assure le contrôle local des processus digestifs.
  • Les signaux envoyés par le système nerveux sont des signaux électriques appelés impulsions nerveuses. Ils sont transmis par des cellules spéciales, électriquement excitables, appelées neurones, qui sont l'un des deux principaux types de cellules du système nerveux.
  • Les cellules gliales sont l'autre type majeur de cellules du système nerveux. Il existe de nombreux types de cellules gliales et elles ont de nombreuses fonctions spécifiques. En général, les cellules gliales fonctionnent pour soutenir, protéger et nourrir les neurones.
  • Les principales parties d'un neurone comprennent le corps cellulaire, les dendrites et l'axone. Le corps cellulaire contient le noyau. Les dendrites reçoivent des impulsions nerveuses d'autres cellules et l'axone transmet des impulsions nerveuses à d'autres cellules au niveau des terminaisons axonales. Une synapse est une jonction membranaire complexe à l'extrémité d'une terminaison axonale qui transmet des signaux à une autre cellule.
  • Les axones sont souvent enveloppés dans une gaine de myéline électriquement isolante, qui est produite par les cellules gliales. Des impulsions électriques appelées potentiels d'action se produisent dans des espaces dans la gaine de myéline, appelés nœuds de Ranvier, qui accélèrent la conduction des impulsions nerveuses le long de l'axone.
  • La neurogenèse, ou la formation de nouveaux neurones par division cellulaire, peut se produire dans un cerveau humain mature, mais seulement dans une mesure limitée.
  • Le tissu nerveux du cerveau et de la moelle épinière est constitué de matière grise, qui contient principalement les corps cellulaires des neurones et de matière blanche, qui contient principalement les axones myélinisés des neurones. Les nerfs du système nerveux périphérique sont constitués de longs faisceaux d'axones myélinisés qui s'étendent dans tout le corps.
  • Il existe des centaines de types de neurones dans le système nerveux humain, mais beaucoup peuvent être classés en fonction de la direction dans laquelle ils transportent l'influx nerveux. Les neurones sensoriels transportent les impulsions nerveuses du corps vers le système nerveux central, les neurones moteurs les transportent du système nerveux central vers le corps, et les interneurones les transportent souvent entre les neurones sensoriels et moteurs.
  • Une impulsion nerveuse est un phénomène électrique qui se produit en raison d'une différence de charge électrique à travers la membrane plasmique d'un neurone.
  • La pompe sodium-potassium maintient un gradient électrique à travers la membrane plasmique d'un neurone lorsqu'il ne transmet pas activement une impulsion nerveuse. Ce gradient est appelé potentiel de repos du neurone.
  • Un potentiel d'action est une inversion soudaine du gradient électrique à travers la membrane plasmique d'un neurone au repos. Il commence lorsque le neurone reçoit un signal chimique d'une autre cellule ou d'un autre type de stimulus. Le potentiel d'action se déplace rapidement dans l'axone des neurones sous forme de courant électrique.
  • Une impulsion nerveuse est transmise à une autre cellule au niveau d'une synapse électrique ou chimique. Au niveau d'une synapse chimique, les substances chimiques des neurotransmetteurs sont libérées de la cellule présynaptique dans la fente synaptique entre les cellules. Les produits chimiques traversent la fente jusqu'à la cellule postsynaptique et se lient aux récepteurs intégrés dans sa membrane.
  • Il existe de nombreux types de neurotransmetteurs. Leurs effets sur la cellule postsynaptique dépendent généralement du type de récepteur auquel ils se lient. Les effets peuvent être excitateurs, inhibiteurs ou modulateurs de manières plus complexes. Des troubles physiques et mentaux peuvent survenir s'il y a des problèmes avec les neurotransmetteurs ou leurs récepteurs.
  • Le SNC comprend le cerveau et la moelle épinière. Il est physiquement protégé par les os, les méninges et le liquide céphalo-rachidien. Il est protégé chimiquement par la barrière hémato-encéphalique.
  • Le cerveau est le centre de contrôle du système nerveux et de tout l'organisme. Le cerveau utilise une proportion relativement importante de l'énergie du corps, principalement sous forme de glucose.
  • Le cerveau est divisé en trois parties principales, chacune ayant des fonctions différentes : le tronc cérébral, le cervelet et le cerveau. Le cerveau est encore divisé en hémisphères gauche et droit. Chaque hémisphère a quatre lobes : frontal, pariétal, temporal et occipital. Chaque lobe est associé à des sens spécifiques ou à d'autres fonctions.
  • Le cerveau a une fine couche externe appelée cortex cérébral. Ses nombreux plis lui confèrent une grande surface. C'est là que la plupart des traitements d'informations ont lieu.
  • Les structures internes du cerveau comprennent l'hypothalamus, qui contrôle le système endocrinien via l'hypophyse et le thalamus, qui a plusieurs fonctions involontaires.
  • La moelle épinière est un faisceau tubulaire de tissus nerveux qui s'étend de la tête au milieu du dos jusqu'au bassin. Il fonctionne principalement pour connecter le cerveau avec le SNP. Il contrôle également certaines réponses rapides appelées réflexes sans intervention du cerveau.
  • Une lésion de la moelle épinière peut entraîner une paralysie (perte de sensation et de mouvement) du corps en dessous du niveau de la lésion, car les impulsions nerveuses ne peuvent plus voyager de haut en bas de la moelle épinière au-delà de ce point.
  • Le SNP se compose de tout le tissu nerveux qui se trouve à l'extérieur du SNC. Sa fonction principale est de connecter le SNC au reste de l'organisme.
  • Les tissus qui composent le SNP sont les nerfs et les ganglions. Les ganglions agissent comme des points relais pour les messages transmis par les nerfs. Les nerfs sont classés comme sensoriels, moteurs ou un mélange des deux.
  • Le SNP n'est pas aussi bien protégé physiquement ou chimiquement que le SNC, il est donc plus sujet aux blessures et aux maladies. Les problèmes de SNP comprennent les blessures causées par le diabète, le zona et l'empoisonnement aux métaux lourds. Deux troubles du SNP sont le syndrome de Guillain-Barré et la maladie de Charcot-Marie-Tooth.
  • Le corps humain possède deux grands types de sens, les sens spéciaux et les sens généraux. Les sens spéciaux ont des organes sensoriels spécialisés et comprennent la vision (yeux), l'ouïe (oreilles), l'équilibre (oreilles), le goût (langue) et l'odorat (voies nasales). Les sens généraux sont tous associés au toucher et manquent d'organes sensoriels particuliers. Les récepteurs tactiles sont présents dans tout le corps, mais particulièrement dans la peau.
  • Tous les sens dépendent des cellules réceptrices sensorielles pour détecter les stimuli sensoriels et les transformer en influx nerveux. Les types de récepteurs sensoriels comprennent les mécanorécepteurs (forces mécaniques), les thermorécepteurs (température), les nocicepteurs (douleur), les photorécepteurs (lumière) et les chimiorécepteurs (produits chimiques).
  • Le toucher comprend la capacité de détecter la pression, les vibrations, la température, la douleur et d'autres stimuli tactiles. La peau comprend plusieurs types différents de cellules réceptrices du toucher.
  • La vision est la capacité de percevoir la lumière et de voir. L'œil est l'organe sensoriel spécial qui recueille et focalise la lumière, forme des images et les transforme en influx nerveux. Les nerfs optiques envoient des informations des yeux au cerveau, qui traite les informations visuelles et nous « dit » ce que nous voyons.
  • Les problèmes de vision courants comprennent la myopie (myopie), l'hypermétropie (hypermétropie) et la presbytie (diminution de la vision de près liée à l'âge).
  • L'ouïe est la capacité de percevoir les ondes sonores, et l'oreille est l'organe qui perçoit le son. Il transforme les ondes sonores en vibrations qui déclenchent l'influx nerveux, qui se rend au cerveau par le nerf auditif. Le cerveau traite l'information et nous « dit » ce que nous entendons.
  • L'oreille est également l'organe responsable du sens de l'équilibre, c'est-à-dire la capacité de ressentir et de maintenir une position corporelle appropriée. Les oreilles envoient des impulsions sur la position de la tête au cerveau, qui envoie des messages aux muscles squelettiques via le système nerveux périphérique. Les muscles réagissent en se contractant pour maintenir l'équilibre.
  • Le goût et l'odorat sont tous deux des capacités à détecter les produits chimiques. Les récepteurs du goût dans les papilles gustatives de la langue détectent les produits chimiques dans les aliments et les récepteurs olfactifs dans les voies nasales détectent les produits chimiques dans l'air. Le sens de l'odorat contribue de manière significative au sens du goût.
  • Les drogues psychoactives sont des substances qui modifient le fonctionnement du cerveau et entraînent des altérations de l'humeur, de la pensée, de la perception et/ou du comportement. Ils comprennent des médicaments sur ordonnance tels que des analgésiques opioïdes, des substances légales telles que la nicotine et l'alcool, et des drogues illégales telles que le LSD et l'héroïne.
  • Les psychotropes sont divisés en différentes classes selon leurs effets pharmacologiques. Ils comprennent les stimulants, les dépresseurs, les anxiolytiques, les euphorisants, les hallucinogènes et les empathogènes. De nombreux médicaments psychoactifs ont des effets multiples et peuvent donc être classés dans plusieurs classes.
  • Les psychotropes produisent généralement leurs effets en affectant la chimie du cerveau. Généralement, ils agissent soit comme des agonistes, qui augmentent l'activité de neurotransmetteurs particuliers, soit comme des antagonistes, qui diminuent l'activité de neurotransmetteurs particuliers.
  • Les drogues psychoactives sont utilisées à diverses fins, notamment médicales, rituelles et récréatives.
  • L'abus de drogues psychoactives peut entraîner une dépendance, c'est-à-dire l'usage compulsif d'une drogue malgré des conséquences négatives. L'utilisation prolongée d'une drogue provoquant une dépendance peut entraîner une dépendance physique ou psychologique à la drogue. La réadaptation implique généralement une psychothérapie et parfois l'utilisation temporaire d'autres drogues psychoactives.

En plus du système nerveux, il existe un autre système du corps qui est important pour coordonner et réguler de nombreuses fonctions différentes et le système endocrinien. Vous en apprendrez plus sur le système endocrinien dans le prochain chapitre.


Comparaison des tiges et des cônes : netteté et sensibilité

Maintenant que nous avons discuté de la façon dont la lumière excite les cellules de la vision pour générer une impulsion nerveuse et comment différentes cellules coniques nous permettent de différencier les couleurs, la question demeure : pourquoi les cellules bâtonnets sont-elles plus sensibles à de petites quantités de lumière, et pourquoi les cellules coniques fournissent-elles une images? La réponse réside dans la capacité du cerveau à cartographier les images en fonction de l'emplacement des cellules photoréceptrices qui envoient les impulsions nerveuses au cerveau (rappelez-vous la figure 2). Le cerveau n'a pas de contact direct avec les cellules photoréceptrices, mais reçoit des informations via un nerf optique intermédiaire. Ainsi, notre capacité à visualiser des images dépend du cerveau qui détermine l'emplacement de la cellule photoréceptrice qui transmet une impulsion à une fibre nerveuse donnée.

Chaque cellule conique se connecte à une fibre nerveuse différente, de sorte que le cerveau est capable de déterminer avec précision l'emplacement du stimulus visuel. Ainsi, les cellules coniques fournissent des images visuelles très nettes. Les bâtonnets, cependant, peuvent partager une fibre nerveuse avec jusqu'à 10 000 autres bâtonnets. Lorsque le cerveau reçoit une impulsion d'une telle fibre nerveuse, il n'a aucun moyen de déterminer à partir de laquelle de ces 10 000 cellules l'impulsion provient. Le cerveau ne peut donc pas distinguer l'emplacement précis de la cellule tige envoyant une impulsion électrique, de sorte que l'image n'est pas aussi nette que celle fournie par les cônes. D'autre part, parce que les signaux des bâtonnets sont regroupés et ne se propagent pas entre autant de fibres nerveuses, les bâtonnets offrent une plus grande sensibilité à une très faible réponse lumineuse, comme cela se produit dans une très faible lumière.


Comment un changement de potentiel à travers la membrane d'un neurone se transforme-t-il en un signal qui est envoyé dans l'axone ? - La biologie

Le système nerveux est composé de milliards de cellules spécialisées appelées neurones. Une communication efficace entre ces cellules est cruciale pour le fonctionnement normal des systèmes nerveux central et périphérique. Dans cette section, nous étudierons la manière dont la morphologie et la biochimie uniques des neurones rendent une telle communication possible.

Le corps cellulaire, ou soma, d'un neurone est comme celui de toute autre cellule, contenant des mitochondries, des ribosomes, un noyau et d'autres organites essentiels. Cependant, à partir de la membrane cellulaire, s'étend un système de branches dendritiques qui servent de sites récepteurs pour les informations envoyées par d'autres neurones. Si les dendrites reçoivent un signal suffisamment fort d'une cellule nerveuse voisine, ou de plusieurs cellules nerveuses voisines, le potentiel électrique au repos de la membrane de la cellule réceptrice se dépolarise. En se régénérant, ce signal électrique se déplace le long de l'axone de la cellule, une extension spécialisée du corps cellulaire qui va de quelques centaines de micromètres dans certaines cellules nerveuses à plus d'un mètre de longueur dans d'autres. Cette vague de dépolarisation le long de l'axone est appelée potentiel d'action. La plupart des axones sont recouverts de myéline, une substance grasse qui sert d'isolant et augmente ainsi considérablement la vitesse d'un potentiel d'action. Entre chaque gaine de myéline se trouve une partie exposée de l'axone appelée nœud de Ranvier. C'est dans ces zones non isolées que le flux réel d'ions le long de l'axone a lieu.

L'extrémité de l'axone se ramifie en plusieurs terminaux. Chaque axone terminal est hautement spécialisé pour transmettre des potentiels d'action aux neurones adjacents, ou aux tissus cibles, dans la voie neurale. Certaines cellules communiquent cette information via des synapses électriques. Dans de tels cas, le potentiel d'action se déplace simplement d'une cellule à l'autre à travers des canaux spécialisés, appelés jonctions communicantes, qui relient les deux cellules.

Cependant, la plupart des cellules communiquent via des synapses chimiques. Ces cellules sont séparées par un espace appelé fente synaptique et ne peuvent donc pas transmettre directement les potentiels d'action. Au lieu de cela, des produits chimiques appelés neurotransmetteurs sont utilisés pour communiquer le signal d'une cellule à l'autre. Certains neurotransmetteurs sont excitateurs et dépolarisent la cellule suivante, augmentant la probabilité qu'un potentiel d'action soit déclenché. D'autres sont inhibiteurs, provoquant une hyperpolarisation de la membrane de la cellule suivante, diminuant ainsi la probabilité que le prochain neurone déclenche un potentiel d'action.

Le processus par lequel ces informations sont communiquées est appelé transmission synaptique et peut être décomposé en quatre étapes. Premièrement, le neurotransmetteur doit être synthétisé et stocké dans des vésicules de sorte que lorsqu'un potentiel d'action arrive à la terminaison nerveuse, la cellule soit prête à le transmettre au neurone suivant. Ensuite, lorsqu'un potentiel d'action arrive au terminal, le neurotransmetteur doit être libéré rapidement et efficacement du terminal et dans la fente synaptique. Le neurotransmetteur doit alors être reconnu par des récepteurs sélectifs sur la cellule postsynaptique afin qu'il puisse transmettre le signal et initier un autre potentiel d'action. Ou, dans certains cas, les récepteurs agissent pour bloquer les signaux d'autres neurones se connectant également à ce neurone postsynaptique. Après sa reconnaissance par le récepteur, le neurotransmetteur doit être inactivé afin qu'il n'occupe pas en permanence les sites récepteurs de la cellule postsynaptique. L'inactivation du neurotransmetteur évite une stimulation constante de la cellule postsynaptique, tout en libérant les sites récepteurs afin qu'ils puissent recevoir des molécules de neurotransmetteur supplémentaires, en cas d'apparition d'un autre potentiel d'action.

La plupart des neurotransmetteurs sont spécifiques au type d'informations qu'ils sont utilisés pour transmettre. Par conséquent, un certain neurotransmetteur peut être plus concentré dans une zone du cerveau que dans une autre. De plus, le même neurotransmetteur peut provoquer une variété de réponses différentes en fonction du type de tissu ciblé et des autres neurotransmetteurs, le cas échéant, qui sont co-libérés. Le rôle intégral des neurotransmetteurs sur le fonctionnement normal du cerveau montre clairement comment un déséquilibre dans l'un de ces produits chimiques pourrait très probablement avoir de graves implications cliniques pour un individu. Qu'il soit dû à la génétique, à la consommation de drogues, au processus de vieillissement ou à d'autres causes diverses, un dysfonctionnement biologique à l'une des quatre étapes de la transmission synaptique conduit souvent à de tels déséquilibres et est la source ultime de maladies telles que la schizophrénie, la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer. . Les causes et les caractéristiques de ces conditions et d'autres seront étudiées de plus près étant donné que nous nous concentrons spécifiquement sur les quatre étapes de la transmission synaptique et que nous traçons les actions de plusieurs neurotransmetteurs importants.


Entrées de calcul

Nous commençons par formaliser la "force" par laquelle chaque côté du bras de fer tire, puis montrons comment cela fait que le "drapeau" Vm se déplace en conséquence. Cela fournit des équations explicites pour le processus d'intégration dynamique de tir à la corde. Ensuite, nous montrons comment calculer réellement les facteurs de conductance dans cette équation de tir à la corde en fonction des entrées entrant dans le neurone et des poids synaptiques (en se concentrant sur les entrées excitatrices pour l'instant). Enfin, nous fournissons une équation récapitulative pour le tir à la corde qui peut vous dire où le drapeau finira par se terminer, pour compléter les équations dynamiques qui vous montrent comment il se déplace au fil du temps.

Intégration neuronale

L'idée clé derrière ces équations est que chaque gars dans le bras de fer tire avec une force qui est proportionnelle à la fois à sa force globale (conductance) et à quelle distance le « drapeau » (Vm) est éloigné de sa position (indiquée par le potentiel moteur E). Imaginez que les remorqueurs sont plantés dans leur position et que leurs bras sont complètement contractés lorsque le drapeau Vm arrive à leur position (E), et qu'ils ne peuvent pas ré-agripper la corde, de sorte qu'ils ne peuvent plus tirer à ce moment-là. point. Pour mettre cette idée dans une équation, nous pouvons écrire la "force" ou courant que le gars excitateur exerce comme :

Le courant excitateur est (I est le terme traditionnel pour un courant électrique, et e encore pour l'excitation), et c'est le produit de la conductance fois à quelle distance le potentiel de membrane est éloigné du potentiel de commande excitateur. Si alors le gars excitateur a "gagné" le bras de fer, et il ne tire plus, et le courant passe à zéro (quelle que soit la taille de la conductance - tout ce qui est fois 0 est 0). Fait intéressant, cela signifie également que le gars excitateur tire le plus fort lorsque le "drapeau" Vm est le plus éloigné de lui - c'est-à-dire lorsque le neurone est à son potentiel de repos. Ainsi, il est plus facile d'exciter un neurone lorsqu'il est bien reposé.

La même équation de base peut être écrite pour le type d'inhibition, et aussi séparément pour le type de fuite (que nous pouvons maintenant réintroduire comme un clone de base du terme d'inhibition) :

(seuls les indices sont différents).

Ensuite, nous pouvons additionner ces trois courants différents pour obtenir le courant net, qui représente le flux net d'ions chargés à travers la membrane du neurone (à travers les canaux ioniques) :

Alors à quoi sert un courant net ? Rappelez-vous que l'électricité est comme l'eau et qu'elle s'écoule pour s'équilibrer. Lorsque l'eau s'écoule d'un endroit où il y a beaucoup d'eau vers un endroit où il y en a moins, le résultat est qu'il y a moins d'eau au premier endroit et plus au second. La même chose se produit avec nos courants : le flux de courant modifie le potentiel membranaire (hauteur de l'eau) à l'intérieur du neurone :

( est la valeur actuelle de Vm, qui est mise à jour à partir de la valeur du pas de temps précédent , et le est un constante de vitesse qui détermine à quelle vitesse le potentiel membranaire change - il reflète principalement la capacité de la membrane du neurone).

Les deux équations ci-dessus sont l'essence de ce dont nous avons besoin pour pouvoir simuler un neurone sur un ordinateur ! Il nous indique comment le potentiel de membrane change en fonction des entrées inhibitrices, de fuite et excitatrices - étant donné des nombres spécifiques pour ces conductances d'entrée et une valeur Vm de départ, nous pouvons alors itérativement calculez la nouvelle valeur Vm selon les équations ci-dessus, et cela reflétera avec précision comment un vrai neurone réagirait à de telles entrées similaires !

Pour résumer, voici une version unique des équations ci-dessus qui fait tout :

Pour ceux d'entre vous qui ont remarqué le problème avec le signe moins ci-dessus, ou qui sont curieux de savoir comment tout cela se rapporte à La loi d'Ohm et le processus de diffusion, veuillez consulter Electrophysiologie du neurone. Si vous êtes assez satisfait d'où nous en sommes arrivés, n'hésitez pas à découvrir comment nous calculons ces conductances d'entrée et ce que nous faisons ensuite avec la valeur Vm pour piloter le signal de sortie du neurone.

Computing Input Conductances

The excitatory and inhibitory input conductances represent the total number of ion channels of each type that are currently open and thus allowing ions to flow. In real neurons, these conductances are typically measured in nanosiemens (nS), which is siemens (a very small number -- neurons are very tiny). Typically, neuroscientists divide these conductances into two components:

  • ("g-bar") -- a constant value that determines the maximum conductance that would occur if every ion channel were to be open.
  • -- a dynamically changing variable that indicates at the present moment, what fraction of the total number of ion channels are currently open (goes between 0 and 1).

Thus, the total conductances of interest are written as:

  • excitatory conductance:
  • inhibitory conductance:
  • leak conductance:

(note that because leak is a constant, it does not have a dynamically changing value, only the constant g-bar value).

This separation of terms makes it easier to compute the conductance, because all we need to focus on is computing the proportion or fraction of open ion channels of each type. This can be done by computing the average number of ion channels open at each synaptic input to the neuron:

est le activité of a particular sending neuron indexed by the subscript je, est le synaptic weight strength that connects sending neuron je to the receiving neuron, and m is the total number of channels of that type (in this case, excitatory) across all synaptic inputs to the cell. As noted above, the synaptic weight determines what patterns the receiving neuron is sensitive to, and is what adapts with learning -- this equation shows how it enters mathematically into computing the total amount of excitatory conductance.

The above equation suggests that the neuron performs a very simple function to determine how much input it is getting: it just adds it all up from all of its different sources (and takes the average to compute a proportion instead of a sum -- so that this proportion is then multiplied by g_bar_e to get an actual conductance value). Each input source contributes in proportion to how active the sender is, multiplied by how much the receiving neuron cares about that information -- the synaptic weight value. We also refer to this average total input as the net input.

The same equation holds for inhibitory input conductances, which are computed in terms of the activations of inhibitory sending neurons, times the inhibitory weight values.

There are some further complexities about how we integrate inputs from different categories of input sources (i.e., projections from different source brain areas into a given receiving neuron), which we deal with in the optional subsection: Net Input Detail. But overall, this aspect of the computation is relatively simple and we can now move on to the next step, of comparing the membrane potential to the threshold and generating some output.

Equilibrium Membrane Potential

Before finishing up the final step in the detection process (generating an output), we will need to use the concept of the equilibrium membrane potential, which is the value of Vm that the neuron will settle into and stay at, given a fixed set of excitatory and inhibitory input conductances (if these aren't steady, then the the Vm will likely be constantly changing as they change). This equilibrium value is interesting because it tells us more clearly how the tug-of-war process inside the neuron actually balances out in the end. Also, we will see in the next section that it is useful mathematically.

To compute the equilibrium membrane potential (), we can use an important mathematical technique: set the change in membrane potential (according to the iterative Vm updating equation from above) to 0, and then solve the equation for the value of Vm under this condition. In other words, if we want to find out what the equilibrium state is, we simply compute what the numbers need to be such that Vm is no longer changing (i.e., its rate of change is 0). Here are the mathematical steps that do this:

  • iterative Vm update equation:
  • just the change part (time constant omitted as we are looking for equilibrium):
  • set it to zero:
  • solve for Vm:

In words, this says that the excitatory drive contributes to the overall Vm as a function of the proportion of the excitatory conductance relative to the sum of all the conductances (). And the same for each of the others (inhibition, leak). This is just what we expect from the tug-of-war picture: if we ignore g_l, then the Vm "flag" is positioned as a function of the relative balance between et -- if they are equal, then is .5 (e.g., just put a "1" in for each of the g's -- 1/2 = .5), which means that the Vm flag is half-way between et . So, all this math just to rediscover what we knew already intuitively! (Actually, that is the best way to do math -- if you draw the right picture, it should tell you the answers before you do all the algebra). But we'll see that this math will come in handy next.

Here is a version with the conductance terms explicitly broken out into the "g-bar" constants and the time-varying "g(t)" parts:

For those who really like math, the equilibrium membrane potential equation can be shown to be a Bayesian Optimal Detector.


After-Hyperpolarization Currents

When an action potential occurs (the neuron “firing”) the electrical gradient of the membrane is called “hyperpolarized”. Hyperpolarization can be triggered by different ions such as calcium.

A factor related to calcium induced hyperpolarization involves the phenomenon of bursts of fast spikes and dendrite spikes. The electrical contribution of these bursts of spikes can be as great as synaptic events. These events can also occur in a coordinated fashion and can occur in greater amount when the brain is surprised by an unusual stimulus.


Anatomy & Function of Neurons

Before we get into the details of the constant chatter between body and brain, let&rsquos review the basics of nerve cells. Neurons or nerve cells, along with glia, make up the central nervous system. Glia or glial cells are essentially Robin if neurons are Batman. They don&rsquot directly participate in the exchange of information between neurons, but they do help define synaptic contacts and maintain the signaling abilities of neurons.

Nothing happens in Gotham city without Batman knowing about it similarly, nothing happens in our body without our neurons&rsquo permission.

Neurons, on the other hand, are the Batman to the human body&rsquos Gotham. Nothing in the human body happens without the neurons knowing about it. Just like every other cell, neurons have a cell body, often referred to as the soma, which contains the nucl eus. Various branches or finger-like structures extend from opposite sides of the soma. An axon is the longer protrusion, while dendrites are the smaller branch-like structures on the other side of soma, as shown in the diagram below.

A neuron consists of three major parts: Dendrites, Cell Body (Soma) and Axon. The transfer of information occurs between the Dendrites and the Axon. (Photo Credit : ShadeDesign/ Shutterstock)

Neurons perform the critical task of carrying information across the entirety of the human body in three steps. First, they must receive signals or information from the sensory organs. Next, they determine whether the data being received should be passed along or not. Finally, they must communicate the subsequent course of action to the target cells or other neurons. Now, onto the important question that started this article&hellip How is this communication achieved?


Integration of Sensory Information

Action potentials are conducted along the length of an axon in one direction toward the synaptic terminal. Once the action potential reaches the synaptic terminal it opens voltage gated Ca 2+ channels allowing Ca 2+ to enter. This causes synaptic vesicles to fuse with the presynaptic membrane and release neurotransmitter into the synaptic cleft. The neurotransmitter binds to the receptor portion of the ligand-gated ion channels in the postsynaptic membrane and opens them. This allows a change in the membrane potential of the postsynaptic cell causing either excitatory or inhibitory postsynaptic potentials. These postsynaptic potentials are graded potentials that can either excite or inhibit action potentials. All of the receptor and postsynaptic potentials are integrated through summation and create a pattern of activity that passes through different parts of the brain to perceive the sensory information.


Voir la vidéo: lexplication la plus facile - Neurones et Transmission Neuronale (Janvier 2023).