Physique

Les courants électriques dans le système extrêmement complexe de milliards de nerfs de notre corps nous permettent de sentir le monde, de contrôler des parties de notre corps et de penser. Ceux-ci sont représentatifs des trois fonctions principales des nerfs. Premièrement, les nerfs transmettent des messages de nos organes sensoriels et d’autres au système nerveux central, composé du cerveau et de la moelle épinière. Deuxièmement, les nerfs transmettent des messages du système nerveux central aux muscles et à d’autres organes. Troisièmement, les nerfs transmettent et traitent les signaux dans le système nerveux central. Le grand nombre de cellules nerveuses et le nombre incroyablement plus grand de connexions entre elles font de ce système la merveille subtile qu’il est. La conduction nerveuse est un terme général désignant les signaux électriques portés par les cellules nerveuses. C’est un aspect de la bioélectricité, ou des effets électriques dans et créés par les systèmes biologiques. Les cellules nerveuses, correctement appelées neurones, ont une apparence différente des autres cellules — elles ont des vrilles, certaines de plusieurs centimètres de long, les reliant à d’autres cellules. (Voir Figure 1.) Les signaux arrivent au corps cellulaire à travers les synapses ou à travers les dendrites, stimulant le neurone pour générer son propre signal, envoyé le long de son long axone vers d’autres cellules nerveuses ou musculaires. Les signaux peuvent arriver de nombreux autres endroits et être transmis à d’autres encore, conditionnant les synapses par l’utilisation, donnant au système sa complexité et sa capacité à apprendre.

Figure 1. Un neurone avec ses dendrites et son long axone. Les signaux sous forme de courants électriques atteignent le corps cellulaire à travers les dendrites et les synapses, stimulant le neurone pour générer son propre signal envoyé dans l’axone. Le nombre d’interconnexions peut être bien supérieur à celui indiqué ici.

La méthode par laquelle ces courants électriques sont générés et transmis est plus complexe que le simple mouvement de charges libres dans un conducteur, mais elle peut être comprise avec des principes déjà discutés dans ce texte. Les plus importants d’entre eux sont la force de Coulomb et la diffusion. La figure 2 illustre comment une tension (différence de potentiel) est créée à travers la membrane cellulaire d’un neurone dans son état de repos. Cette fine membrane sépare des fluides électriquement neutres ayant des concentrations différentes d’ions, les variétés les plus importantes étant Na +, K + et Cl– (ce sont des ions sodium, potassium et chlore avec des charges simples plus ou moins comme indiqué). Comme discuté dans Les phénomènes de transport moléculaire: Diffusion, Osmose et Processus connexes, les ions libres diffuseront d’une région de forte concentration à une région de faible concentration. Mais la membrane cellulaire est semi-perméable, ce qui signifie que certains ions peuvent la traverser alors que d’autres ne le peuvent pas. Dans son état de repos, la membrane cellulaire est perméable à K+ et Cl–, et imperméable à Na+. La diffusion de K+ et Cl- crée ainsi les couches de charge positive et négative à l’extérieur et à l’intérieur de la membrane. La force de Coulomb empêche les ions de diffuser dans leur intégralité. Une fois que la couche de charge s’est accumulée, la répulsion de charges similaires empêche plus de se déplacer à travers, et l’attraction de charges différentes empêche plus de quitter les deux côtés. Il en résulte deux couches de charge directement sur la membrane, la diffusion étant équilibrée par la force de Coulomb. Une infime fraction des charges se déplace et les fluides restent neutres (d’autres ions sont présents), tandis qu’une séparation de charge et une tension ont été créées à travers la membrane.

Figure 2. La membrane semi-perméable d’une cellule a différentes concentrations d’ions à l’intérieur et à l’extérieur. La diffusion déplace les ions K+ et Cl– dans la direction indiquée, jusqu’à ce que la force de Coulomb arrête le transfert. Il en résulte une couche de charge positive à l’extérieur, une couche de charge négative à l’intérieur, et donc une tension aux bornes de la membrane cellulaire. La membrane est normalement imperméable au Na+.

Figure 3. Un potentiel d’action est l’impulsion de tension à l’intérieur d’une cellule nerveuse représentée ici. Elle est causée par des mouvements d’ions à travers la membrane cellulaire comme indiqué. La dépolarisation se produit lorsqu’un stimulus rend la membrane perméable aux ions Na +. La repolarisation s’ensuit lorsque la membrane redevient imperméable au Na+ et que K+ passe d’une concentration élevée à une concentration faible. À long terme, le transport actif maintient lentement les différences de concentration, mais la cellule peut se déclencher des centaines de fois de suite sans les épuiser sérieusement.

La séparation de la charge crée une différence de potentiel de 70 à 90 mV à travers la membrane cellulaire. Bien qu’il s’agisse d’une faible tension, le champ électrique résultant (E = V/d) à travers la seule membrane de 8 nm d’épaisseur est immense (de l’ordre de 11 MV/m!) et a des effets fondamentaux sur sa structure et sa perméabilité. Maintenant, si l’extérieur d’un neurone est considéré comme étant à 0 V, alors l’intérieur a un potentiel de repos d’environ -90 mV. De telles tensions sont créées à travers les membranes de presque tous les types de cellules animales, mais sont plus importantes dans les cellules nerveuses et musculaires. En fait, 25% de l’énergie utilisée par les cellules sert à créer et à maintenir ces potentiels.

Les courants électriques le long de la membrane cellulaire sont créés par tout stimulus qui modifie la perméabilité de la membrane. La membrane devient ainsi temporairement perméable au Na+, qui se précipite alors, entraîné à la fois par la diffusion et la force de Coulomb. Cet appel de Na + neutralise d’abord la membrane interne, ou la dépolarise, puis la rend légèrement positive. La dépolarisation fait que la membrane redevient imperméable à Na+, et le mouvement de K+ ramène rapidement la cellule à son potentiel de repos, ou la repolarise. Cette séquence d’événements se traduit par une impulsion de tension, appelée potentiel d’action. (Voir Figure 3.) Seules de petites fractions des ions se déplacent, de sorte que la cellule peut se déclencher plusieurs centaines de fois sans épuiser les concentrations excessives de Na + et de K +. Finalement, la cellule doit reconstituer ces ions pour maintenir les différences de concentration qui créent la bioélectricité. Cette pompe sodium-potassium est un exemple de transport actif, dans lequel l’énergie cellulaire est utilisée pour déplacer les ions à travers les membranes contre les gradients de diffusion et la force de Coulomb.

Le potentiel d’action est une impulsion de tension à un endroit sur une membrane cellulaire. Comment se transmet-il le long de la membrane cellulaire, et en particulier le long d’un axone, sous forme d’influx nerveux? La réponse est que l’évolution de la tension et des champs électriques affecte la perméabilité de la membrane cellulaire adjacente, de sorte que le même processus s’y déroule. La membrane adjacente se dépolarise, affectant la membrane plus bas, et ainsi de suite, comme illustré à la figure 4. Ainsi, le potentiel d’action stimulé à un endroit déclenche une impulsion nerveuse qui se déplace lentement (environ 1 m / s) le long de la membrane cellulaire.

Figure 4. Une influx nerveux est la propagation d’un potentiel d’action le long d’une membrane cellulaire. Un stimulus provoque un potentiel d’action à un endroit, ce qui modifie la perméabilité de la membrane adjacente, provoquant un potentiel d’action à cet endroit. Cela affecte à son tour la membrane plus bas, de sorte que le potentiel d’action se déplace lentement (en termes électriques) le long de la membrane cellulaire. Bien que l’impulsion soit due à Na + et K+ traversant la membrane, elle équivaut à une onde de charge se déplaçant le long de l’extérieur et de l’intérieur de la membrane.

Certains axones, comme celui de la figure 1, sont gainés de myéline, constituée de cellules contenant des graisses. La figure 5 montre une vue agrandie d’un axone ayant des gaines de myéline caractéristiquement séparées par des lacunes non myélinées (appelées nœuds de Ranvier). Cette disposition confère à l’axone un certain nombre de propriétés intéressantes. La myéline étant un isolant, elle empêche les signaux de sauter entre les nerfs adjacents (conversation croisée). De plus, les régions myélinisées transmettent des signaux électriques à une très grande vitesse, comme le ferait un conducteur ou une résistance ordinaire. Il n’y a pas de potentiel d’action dans les régions myélinisées, de sorte qu’aucune énergie cellulaire n’y est utilisée. Il y a une perte de signal IR dans la myéline, mais le signal est régénéré dans les interstices, où l’impulsion de tension déclenche le potentiel d’action à pleine tension. Ainsi, un axone myélinisé transmet une influx nerveux plus rapidement, avec moins de consommation d’énergie, et est mieux protégé des conversations croisées qu’un axone non myélinisé. Tous les axones ne sont pas myélinisés, de sorte que la conversation croisée et la transmission lente du signal sont une caractéristique du fonctionnement normal de ces axones, une autre variable du système nerveux.

La dégénérescence ou la destruction des gaines de myéline qui entourent les fibres nerveuses altère la transmission du signal et peut entraîner de nombreux effets neurologiques. L’une des plus importantes de ces maladies provient du système immunitaire du corps qui attaque la myéline du système nerveux central – la sclérose en plaques. Les symptômes de SEP comprennent la fatigue, des problèmes de vision, une faiblesse des bras et des jambes, une perte d’équilibre et des picotements ou un engourdissement des extrémités (neuropathie). Il est plus susceptible de frapper les jeunes adultes, en particulier les femelles. Les causes peuvent provenir d’une infection, d’effets environnementaux ou géographiques, ou de la génétique. À l’heure actuelle, il n’existe aucun remède connu pour la SEP.

La plupart des cellules animales peuvent déclencher ou créer leur propre potentiel d’action. Les cellules musculaires se contractent lorsqu’elles se déclenchent et sont souvent induites par une influx nerveux. En fait, les cellules nerveuses et musculaires sont physiologiquement similaires, et il existe même des cellules hybrides, comme dans le cœur, qui ont des caractéristiques à la fois des nerfs et des muscles. Certains animaux, comme la tristement célèbre anguille électrique (voir Figure 6), utilisent des muscles groupés de sorte que leurs tensions s’ajoutent afin de créer un choc suffisamment grand pour étourdir leurs proies.

Figure 5. Propagation d’une influx nerveux dans un axone myélinisé, de gauche à droite. Le signal voyage très vite et sans apport d’énergie dans les régions myélinisées, mais il perd de la tension. Il est régénéré dans les interstices. Le signal se déplace plus rapidement que dans les axones non myélinés et est isolé des signaux dans d’autres nerfs, limitant la conversation croisée.

Figure 6. Une anguille électrique fléchit ses muscles pour créer une tension qui étourdit sa proie. (crédit: chrisbb, Flickr)