Le circuit électronique de la membrane cellulaire des neurones. La surface de la membrane cellulaire de lipides agit comme un condensateur qui peut être chargé selon les besoins du neurone. Les canaux ioniques agissent comme des résistances variables, tandis que les pompes échangeuses d'ions agissent comme des chargeurs de batterie.

Comment les neurones sont-ils capables de produire des influx nerveux ? Au fait, qu’est-ce qu’un influx nerveux ? Qu’est-ce qui le supporte ? Voyons comment cela se produit. Le secret de l’activité des neurones réside dans leur membrane cellulaire. Celle-ci est excitable, c’est-à-dire qu’un influx nerveux peut être déclenché suite à une stimulation électrique, chimique ou mécanique.

La membrane cellulaire agit comme un circuit électrique microscopique. Premièrement, elle agit comme un condensateur qui peut être chargé électriquement de part et d’autre puisqu’elle possède une grande surface et qu’elle est constituée de lipides (gras) très imperméables aux charges électriques (un diélectrique isolant). De plus, comme en électronique, la membrane cellulaire obéit à la loi d’Ohm (U=RxI) où le voltage (U) est le produit de la résistance (R) et de l’intensité du courant électrique (I). La tension, ou voltage, est formée par la différence entre la distribution des charges électriques de part et d’autre de la membrane cellulaire. La source de cette différence de répartition des charges électriques provient des pompes échangeuses d’ions. Le courant électrique et la résistance, je devrais plutôt dire les courants électriques et les résistances, sont fournis par des protéines spéciales présentes dans la membrane que l’on nomme canaux ioniques. Ce sont les principaux acteurs de l’influx nerveux.

Les pompes échangeuses d’ions : chargeurs de batteries membranaires

Les pompes échangeuses d'ions, comme la pompe Na/K, échangent des ions de différentes espèces et génèrent des gradients électrochimiques pour divers types d 'ions.

Etre excitable implique d’être dans un état prêt à être excité. Les neurones travaillent activement à créer cet état excitable en utilisant des mécanismes communs à toutes les cellules. A l’instar des autres cellules du corps, les neurones génèrent une différence de concentration d’ions entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule à l’aide de protéines insérées dans la membrane cellulaire que l’on nomme « pompes échangeuses d’ions». On peut considérer les pompes échangeuses d’ions comme les chargeurs électriques des membranes cellulaires. La pompe échangeuse d’ions sodium-potassium, la pompe Na⁺/K⁺, est la plus célèbre d’entre toutes. Avec la constance tranquille des besogneux, elle sort des ions sodium (Na⁺) et fait entrer des ions potassium (K⁺) en brûlant l’ATP, le carburant cellulaire. Ainsi, les ions sodium (Na⁺) sont concentrés dans le milieu externe du neurone, tandis que les ions potassium (K⁺) sont concentrés à l'intérieur des cellules. De manière similaire, les ions calcium (Ca⁺⁺) sont concentrés hors des cellules. Pour chaque type d’ions, il y a donc un gradient de concentration qui est créé : un côté de la membrane est fortement plus concentré que l’autre côté.

 

Les gradients électrochimiques de chaque type d'ion forment des batteries (des sources d'électricité) qui permettent le passage de petits courants électriques lorsque des pores s'ouvrent dans la membrane cellulaire.

Puisque la membrane cellulaire est faite de lipides (de gras), elle agit comme une barrière et bloque les ions, chargés électriquement, de retourner du côté moins concentré par simple diffusion. Cependant, si on ouvrait une brèche dans la membrane de lipides, les ions seraient alors libres de passer de l’autre côté par diffusion simple, ce qui se traduirait par un petit courant électrique à travers la membrane. Chaque gradient d’ions généré par les pompes est donc une pile électrique microscopique de part en part de la membrane cellulaire et peut produire un petit courant électrique spécifique pour l’ion qui le compose. Les gradients aux ions sodium (Na⁺) et calciques (Ca⁺⁺) peuvent produire des petits courants entrants, tandis que le gradient aux ions potassium (K⁺) forme un petit courant sortant. Le gradient des ions chlore permet un flux de charges négatives d’entrer dans la cellule, ce qui équivaut à la sortie de charges positives. (Par définition, on représente toujours le courant électrique généré par des charges positives.)

Les canaux ioniques : senseurs, interrupteurs et conducteurs moléculaires

Etre excitable implique d’avoir des composants qui peuvent « s’exciter ». Les neurones fabriquent toute une série de canaux ioniques et de récepteurs qui règlent l’excitabilité de leur membrane. Les récepteurs, sensibles à des messagers chimiques se retrouvent principalement à la synapse : j’en discuterai dans un autre article (Voir Synapse).

 

Les canaux ioniques dépendants du voltage peuvent être sous trois états distincts: fermé, ouvert et inactivé. Seule la forme ouverte est conductrice d'ions. Des senseurs de voltage membranaire permet aux canaux ioniques de sentir le voltage et de s'ouvrir. Le pore est sélectif et laisse passer un type d'ions. Les canaux ioniques peuvent s'inactiver après un certain temps suite à des changements de forme, ce qui les force à se refermer.

Les canaux ioniques sont à la base de la génération et la propagation de l’influx nerveux. Les canaux ioniques se retrouvent partout à la surface des neurones, principalement au corps cellulaire et sur l’axone, les sections où les potentiels d’action (les influx nerveux) se propagent dans les neurones, cependant, on en retrouve certaines formes spécialisées dans les dendrites.

Les canaux ioniques sont des protéines transmembranaires qui forment un pore dans la membrane cellulaire lorsqu’ils sont activés. Lorsque les canaux ioniques sont fermés, les ions ne peuvent pas passer de part et d’autre de la membrane. Mais lorsqu’ils sont activés, chaque canal ionique devient un passage ouvert par où les ions traversent la membrane cellulaire. Ce passage d’ions, qui est ni plus ni moins qu’un petit courant électrique traversant la membrane cellulaire, se fait dans le sens du gradient électrochimique de l’ion concerné et peut être mesuré avec des électrodes placées de chaque côté de la membrane cellulaire du neurone.

 

Plusieurs types de canaux ioniques dépendants du voltage existent selon leur capacité de sélection ionique. Le sens du courant qui traverse chaque type de canaux ioniques dépend du sens du grandient électrochimique de chaque ion sélectionné. Les principaux types de canaux ioniques dépendants du voltage sont au sodium (Na+), au potassium (K+) et au calcium (Ca++).

Plusieurs canaux ioniques sont dépendants du voltage. Des segments spécialisés de ces protéines agissent comme des senseurs et détectent la différence de tension électrique de part et d’autre de la membrane cellulaire, ce qui permet de contrôler l’ouverture des canaux ioniques. D’autre part, plusieurs canaux ioniques s’inactivent après un certain temps ce qui cause la fermeture du pore. Ainsi, un canal ionique dépendant du voltage s’ouvre suite à un changement de potentiel électrique dans la membrane, laisse passer un petit courant, puis se referme.

Les canaux ioniques sont des filtres sélectifs d’ions. Chaque type de canaux ioniques est sélectif pour un type d’ions particulier. Seule cette espèce chimique d’ion peut passer à travers du pore du canal ionique. Dans la famille des canaux ioniques dépendants du voltage, il y a des canaux ioniques au sodium (Na⁺) (Voir Canaux Sodiques), des canaux ioniques au potassium (K⁺) et des canaux ioniques au calcium (Ca⁺⁺).

Bref, plusieurs canaux ioniques sont des protéines transmembranaires qui sentent le voltage membranaire et laissent passer sélectivement des courants d’ions de façon transitoire selon les gradients électrochimiques d'ions établis par les pompes échangeuses d'ions. Ces propriétés sont essentielles car, comme nous le verrons dans l’article suivant, ce sont ces propriétés qui permettent la vague de propagation du potentiel d’action (le déplacement de l’influx nerveux). 

Références Erik Harvey-Girard.  "Le génie électrique des neurones 101: composantes."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Août 12, 2005. <  >