La décharge électrique (DOE), générée par l’organe électrique (OE), est contrôlée par le noyau pacemaker (PM), qui comme son nom l’indique détermine le rythme des pulsations de la décharge électrique.

Chez le poisson-couteau brun, le noyau PM contient les cellules pacemaker (Voir PM et lobbyistes) qui se connectent aux cellules de relais par des synapses chimiques et électrotoniques. Ensuite, les cellules de relais projettent sur les corps cellulaires des électrocytes localisés dans la moelle épinière. Les électrocytes émettent leurs axones électromoteurs qui descendent afin de former l’organe électrique en faisant un va-et-vient qui leur donne l’aspect d’une bobépine (Voir Circuit imprimé).

Les cellules pacemaker sont les chefs-d'orchestre de ce système. Leurs décharges déterminent la fréquence de l’ensemble du système d’électrogénération et de la décharge de l’organe électrique. Comment les cellules pacemaker arrivent à créer le rythme pulsatif afin de contrôler la fréquence de la décharge de l’organe électrique? Pour comprendre comment ces cellules parvenaient à produire ce rythme, Troy Smith et Harold Zakon ont pris une approche pharmacologique.

Ici, ouvrons une petite parenthèse pour faire quelques rappels utiles. L’activité des neurones consiste en potentiels d’action (Voir génie électrique 102). Pour avoir un rythme régulier, les neurones du pacemaker doivent générer ces potentiels d’action à intervalles réguliers. Les potentiels d’action sont produits à l’aide de deux types classiques de canaux ioniques dépendants du voltage : les canaux ioniques au sodium (Na⁺) et au potassium (K⁺) (Voir génie électrique 101). Cependant, ces deux types de canaux ioniques ne permettent pas de produire un rythme régulier. D’autres types de canaux ioniques dépendants du voltage avec des propriétés distinctes sont nécessaires pour contrôler la rythmicité de l’activité de cellules pacemaker. Pour connaître ces différents types de canaux ioniques intervenant dans le contrôle du rythme, une des approches les plus puissantes est le recours à des drogues inhibitrices spécifiques pour les canaux ioniques suspectés. Si un canal ionique quelconque intervient dans l’activité rythmique des cellules pacemaker, l’application de son inhibiteur spécifique devrait changer de façon drastique la fréquence de cette activité.

Tetraodon nigriviridis. Un poison mortel peut se caché sous cette apparence inofensive.

C’est exactement l’approche prise par Troy et Harold. Ils ont utilisé plusieurs drogues de provenances diverses bloquant différents types de canaux ioniques. Pour commencer, ils ont utilisé la tétrodotoxine qui provient de certains poissons tétraodontiformes où elle se concentre surtout dans certains organes internes. Ces poissons utilisent cette drogue pour se protéger de leurs prédateurs qui mourront par paralysie si les poissons tétraodontiformes sont à leur menu. D’ailleurs ces poissons sont une délicatesse culinaire au Japon et plusieurs personnes subissent le même sort chaque année lorsque le poisson est mal apprêté. L’application de la tétrodotoxine (TTX) bloque spécifiquement les canaux ioniques au Na⁺ dépendants du voltage (noté I_Na). La TTX cause un important ralentissement de l’activité rythmique des cellules pacemaker. Donc, comme on pouvait s’en douter, les canaux ioniques au Na⁺ dépendants du voltage sont impliqués dans l’activité rythmique des cellules pacemaker.

Conus marmoreus. Un escargot prédateur doté d'un formidable arsenal chimique.

Plusieurs escargots marins sont des prédateurs et se nourrissent de petits animaux dont de petits poissons plus rapides qu’eux dans leurs déplacements. Pour capturer leurs proies, ils injectent du venin à l'aide de leur dard dans leur victime qui meurt rapidement paralysée. Ces venins sont des mélanges de plusieurs drogues agissant sur les divers canaux ioniques. La µO-conotoxine (µO-CTX) qui provient du venin de l’escargot Conus marmoreus et bloque plusieurs types de canaux ioniques au sodium, principalement les canaux sodiques persistants (I_NaP). Ces canaux demeurent ouverts très longtemps, d’où leur nom, et permettent au neurone d’atteindre le potentiel de seuil plus rapidement. L’application de la µO-CTX à faible dose ralentit la fréquence de décharge des cellules du pacemaker. Les canaux persistants au sodium (I) participent donc à l’activité rythmique de ces cellules.

Courants produits (en noir) par les cellules pacemaker pour générer le rythme de la décharge électrique chez le poisson-couteau brun, ainsi que les agents pharmacologiques utilisés pour pouvant identifier ces courants. (Référence: Smith, G.T., and Zakon, H.H. (2000) Pharmacological characterization of ionic currents that regulate the pacemaker rhythm in a weakly electric fish. J.Neurobiol. 42, 270-286)

Les canaux ioniques au potassium (K⁺) hyperpolarisent le neurone, ce qui ramène le potentiel de membrane à des valeurs proches du potentiel de repos (Voir Génie électrique 102) et ralentit son activité rythmique. Il existe des dizaines de canaux ioniques au K⁺, tous dotés de différentes propriétés et codés par différents gènes. mon collègue Asim Rashid a repéré 39 gènes diférents de canaux potassiques seulement dans le cerveau du poisson-couteau brun. Généralement, l’application de drogue bloquant les canaux ioniques au K⁺ active le rythme de décharge. C’est exactement le cas qui se produit avec les cellules pacemaker. La 4-aminopyridine (4AP) bloque tous les types de canaux ioniques au K⁺. Appliquée sur le noyau PM, elle accélère le rythme de décharge des cellules pacemaker. Un autre bloqueur, le TEA (tétraéthylammonium) qui bloque plusieurs autres types de canaux potassiques n’a eu aucun effet. Par contre, une conotoxine, la kA-conotoxine (kA-CTX), accélère le rythme d’activité des cellules pacemaker. La kA-CTX bloque spécifiquement les canaux potassiques de type-A (I_K(A)) qui ralentissent l’atteinte du potentiel de seuil. La kA-CTX suggère que les canaux au K+ de type-A (I_K(A)) régularisent le rythme de décharge des cellules pacemaker.

Ensuite, T. Smith et H. Zakon ont tourné leur intérêt vers les canaux ioniques au calcium (Ca⁺⁺). Il existe plusieurs types de canaux ioniques au Ca++ classifiés selon leurs propriétés et leurs codes génétiques (-L, N-, -P, -Q, -R et –T). L’action de différents métaux lourds et de conotoxines ont montré que seuls les canaux calciques de type-T (I_Ca(T)) étaient impliqués dans l’activité rythmique des cellules pacemaker.

L’ensemble de ces résultats et la cinétique de ces divers canaux ioniques a permis l’élaboration d’un modèle de génération rythmiques potentiels d’action des cellules pacemaker. Le résumé est présenté à la troisième figure. Chaque canal ionique est activé et fermé séquentiellement afin de produire toutes les phases de l'onde de potentiel membranaire. Les cellules pacemaker peuvent donc tenir le rythme pour l'ensemble des joueurs impliqués dans l'électrogénération.

Références Erik Harvey-Girard.  "Le RAP de l'aptéronote: Rythme Au Pacemaker."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Août 20, 2005. <  >