Question:
Comment le cerveau et les nerfs créent-ils des impulsions électriques?
johnny1bucket
2011-12-15 20:27:37 UTC
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Les informations entre le cerveau et les nerfs périphériques sont envoyées via des impulsions ou des signaux électriques, comment alors une cellule humaine non métallique parvient-elle à conduire un signal électrique?

Afin d'attirer les experts, nous devrions probablement éviter les questions larges et basiques aussi tôt dans la version bêta.
Cette question a soulevé [une discussion sur les méta] (http://meta.biology.stackexchange.com/questions/17/should-we-encourange-the-relevant-questions-from-non-professionals).
Je dirais que si quelqu'un est assez "expert" pour être chassé par une question comme celle-ci, alors bon débarras. Bien sûr, vous voulez rester sur le sujet, mais allez! C'était une question formidable et une réponse VRAIMENT informative et bien pensée. Un peu moins technique que l'idéal? peut-être, mais le fermer est une réaction excessive.
@Dr.Dredel s'il vous plaît voir la discussion sur meta et commenter ici
Deux réponses:
#1
+44
yamad
2011-12-15 23:26:25 UTC
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C'est une question assez importante! Je vais essayer de décrire la vue de base.

Tout d'abord, examinons comment les neurones se signalent entre eux. La manière canonique pour un neurone d'envoyer un signal à un neurone en aval est de générer un potentiel d'action , "l'impulsion électrique" dont vous avez entendu parler. Ce potentiel d'action provoque la libération d'un neurotransmetteur à un point où les deux cellules sont très proches l'une de l'autre appelé synapse . La cellule postsynaptique en aval reçoit le signal du neurotransmetteur et le convertit en un petit signal électrique. Si suffisamment de ces petits signaux électriques se produisent en peu de temps, ils s'additionnent et sont susceptibles d'initier un potentiel d'action dans la deuxième cellule et le cycle se répète tout au long du circuit.

Comment le signal électrique est-il généré ? Les principes de base de la façon dont cela fonctionne ont été élaborés le plus célèbre par Hodgkin et Huxley en 1952. La petite histoire est que la membrane plasmique est sélectivement perméable aux ions . Construisons le concept à partir de zéro.

La boîte à outils

  1. Imaginez une sphère de membrane plasmique qui représente un simple neurone. Pour commencer, nous supposons que cette membrane est un lipide nu sans protéines associées à la membrane. En raison de l'hydrophobicité de la bicouche, les particules chargées ne peuvent pas diffuser à travers la membrane.

  2. La cellule baigne, à l'intérieur et à l'extérieur, dans une solution contenant de nombreux ions (atomes chargés), dont le sodium (Na +), le potassium (K + ), chlorure (Cl-) et calcium (Ca2 +). Comme nous l'avons noté ci-dessus, ces ions ne peuvent pas traverser la membrane sans "aide".

  3. Maintenant, nous ajoutons une protéine pompe à ions dans la membrane qui va pomper les ions sodium et les ions potassium à l'intérieur. Cette pompe particulière, la Na-K ATPase , crée un excès d'ions sodium à l'extérieur de la cellule et un excès d'ions potassium à l'intérieur.

  4. Nous ajoutons maintenant un canal ionique de potassium à la membrane. Cette protéine crée un pore dans la membrane qui ne laisse passer que les ions potassium. Le pore de cette protéine particulière est toujours ouvert. Maintenant, les choses commencent à devenir excitantes ...

  5. Que font les ions potassium maintenant qu'ils peuvent traverser la membrane? Les ions se déplaceront en fonction des forces créées par leurs gradients électrochimiques . La pompe a créé un gradient chimique en introduisant un excès de K + à l'intérieur, de sorte que les ions K + commencent à s'écouler à travers les canaux ioniques. Mais les ions K + sont chargés positivement, donc lorsqu'ils s'écoulent, une charge positive commence à s'accumuler à l'extérieur et une charge négative s'accumule à l'intérieur. Ce gradient électrique s'oppose au gradient chimique, tendant à attirer les ions K + dans la cellule tandis que les gradients chimiques extraient les ions K +. L'influx et l'efflux atteignent un équilibre au potentiel de Nernst, où les forces électriques et chimiques sont égales. Pour les concentrations physiologiques d'ions K +, le potentiel d'équilibre K + est d'environ -80mV ou -90mV. Cela signifie que les ions K + circuleront jusqu'à ce que l'extérieur de la cellule soit 80 à 90 mV plus positif que l'intérieur de la cellule. Nous avons commencé à 0mV, donc les ions K + s'écoulent principalement.

  6. Nous avons maintenant un potentiel de membrane , une différence de potentiel électrique entre l'intérieur et le à l'extérieur de la cellule à environ -80mV (généralement plus proche de -70mV ou -60mV dans la «vraie vie»). En particulier, ce potentiel membranaire est le potentiel de repos qui existe lorsque la cellule n'est pas active. On peut simplifier pour l'instant et penser au potentiel de repos comme étant fixé par une perméabilité au repos de la membrane aux ions potassium, mais pas aux ions sodium. Nous appelons cette membrane polarisée, et donc la dépolarisation se produit lorsque le potentiel de membrane devient plus positif, et l ' hyperpolarisation est lorsque le potentiel de membrane devient plus négatif.

  7. Maintenant, nous ajoutons à la membrane un canal sodium voltage-dépendant , un canal ionique qui ne laisse passer que les ions sodium mais qui est généralement fermé. Le voltage-gating signifie que ce canal ionique est sensible au potentiel de membrane. Au potentiel de repos, le pore est fermé et la membrane est toujours imperméable aux ions sodium. Lorsque le potentiel de membrane devient légèrement plus positif, les canaux s'ouvrent et les ions sodium peuvent s'écouler. Cette chaîne est également inactivée , de sorte que lorsqu'elle s'ouvre, elle ne s'ouvre que pendant une courte période, laissant entrer une quantité limitée de sodium.

  8. De quelle manière le sodium s'écoulera-t-il lorsque nous ouvrirons ce canal? En raison du potentiel de repos négatif (-70mV) et de l'excès d'ions sodium à l'extérieur dû à la pompe, le gradient électrique et chimique entraînera les ions sodium dans la cellule. Le potentiel d'équilibre du sodium est généralement d'environ + 60mV.

  9. Pour compléter la machinerie de génération d'un potentiel d'action, nous ajoutons également un canal potassique voltage-dépendant à la membrane. Il fonctionne comme le canal sodium voltage-dépendant qui est également fermé au repos et s'ouvre lorsque le potentiel de membrane devient plus positif. Ce canal s'ouvre un peu plus lentement que le canal sodium, mais il ne se désactive pas.

Générer un potentiel d'action

Ok, alors comment faire ces pièces se réunissent pour créer une impulsion électrique?

  1. La cellule se trouve à son potentiel de membrane de repos, avec tous ses canaux voltage-dépendants fermés. Il reçoit un signal d'une cellule en amont qui provoque une légère dépolarisation. Le potentiel d'action démarre lorsque le potentiel de membrane atteint le potentiel seuil .

  2. Au potentiel de seuil, les canaux sodium voltage-dépendants s'ouvrent, laissant les ions sodium s'écouler dans la cellule. Le flux de sodium tire la membrane du potentiel de repos (-70mV) vers le potentiel d'équilibre du sodium (+ 60mV). Ces valeurs sont très éloignées, donc la force motrice est importante et la membrane se dépolarise rapidement. C'est le potentiel d'action upstroke final.

  3. La dépolarisation active également les canaux potassiques voltage-dépendants (légèrement plus lents). Les ions potassium s'écoulent et ramènent la membrane dépolarisée (environ + 20 mV au pic du potentiel d'action) vers le potentiel d'équilibre du potassium (-80 mV). Dans le même temps, les canaux sodiques sont inactivés de sorte que le sodium ne dépolarise plus la membrane. Le taux de repolarisation est généralement plus lent que le taux de dépolarisation. C'est le potentiel d'action downstroke final.

  4. L'ensemble du processus du cycle de dépolarisation / repolarisation du potentiel d'action prend environ 2 à 3 millisecondes en "moyenne" neurone. Une fois que la cellule atteint à nouveau son potentiel de repos, la membrane est fondamentalement réinitialisée. Les canaux voltage-dépendants sont désactivés. La pompe ionique déplace les ions potassium qui se sont écoulés et les ions sodium qui se sont écoulés. Cette plaque de membrane est prête à déclencher un autre potentiel d'action!

Pour terminer, Je mentionnerai que le canal sodium voltage-dépendant fournit un mécanisme permettant au potentiel d'action de se propager le long de l'axone. Le potentiel d'action est initié à un endroit de la cellule et crée une dépolarisation. Cette dépolarisation amène les canaux sodium voltage-dépendants dans les régions voisines de la membrane à s'ouvrir et à générer un cycle de potentiel d'action qui leur est propre. C'est ainsi qu'un potentiel d'action descend les axones (et parfois aussi les dendrites).

Résumé soigné à une vaste question! De quelles différences parlez-vous avec le potentiel de repos étant "généralement plus proche de -70mV ou -60mV dans la« vraie vie »"? De plus, cela ne varie-t-il pas entre les cellules?
Dans la réponse ci-dessus, je simplifie et dis que le potentiel de membrane au repos * est * le potentiel d'équilibre du potassium. Ce n'est généralement pas le cas, la plupart des potentiels de repos étant un peu plus positifs indiquant l'implication de plus d'ions / canaux que le simple potassium. Oui, les potentiels de repos varient d'une cellule à l'autre. Je prends -70mV ou -60mV comme ma "règle de base" pour le potentiel de repos car il est généralement valable pour de nombreux neurones excitateurs primaires tels que les neurones pyramidaux de l'hippocampe et du cortex.
C'est très intéressant, mais je me demande vraiment quand vous écrivez "nous ajoutons" ce que cela signifie? Y a-t-il des cellules aidantes qui donnent les ions nécessaires aux neurones? Est-il transmis d'une manière ou d'une autre par le biais du signal neuronal (pendant les impulsions)? Ou les nutriments sont-ils simplement libérés dans le liquide céphalo-rachidien comme des hormones?
@Probably Je construis un modèle simplifié d'un neurone dans la réponse. Quand je dis "nous ajoutons", je veux dire "ajoutez ceci à votre modèle mental des parties du système".
Oui, je comprends, merci, je demandais juste plus en profondeur. Heureusement, j'ai déjà posé cette question et j'ai obtenu cette bonne réponse ici: http://biology.stackexchange.com/questions/37317/how-do-neurons-receive-the-ions-needed-for-creating-electrical- impulsions
#2
+18
Alexander Galkin
2011-12-15 21:55:44 UTC
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Alors, introduisons quelques mots-clés.

La "pulsation électrique" qui "est envoyée entre le cerveau et les nerfs" est appelée un potentiel d'action (AP). Celle-ci est ensuite propagée le long d'une fibre nerveuse jusqu'à l'organe cible.

Fondamentalement, une cellule neuronale a un corps et plusieurs longues structures étendues qui «poussent» à partir du corps cellulaire. Les dendrites reçoivent des signaux d'autres cellules et transmettent des signaux vers le corps cellulaire en créant de petits courants électriques. L ' axone est une seule "pousse" qui est généralement beaucoup plus mince et plus longue que les dendrites et qui transmet les potentiels d'action de la proximité du corps cellulaire aux cellules et organes cibles. Certains axones peuvent mesurer 80 à 90 cm (imaginez!)! À l'endroit où l'axone quitte le corps de la cellule nerveuse, il y a une petite saillie appelée butte axone .

L'AP prend naissance dans une partie spéciale de l'axone appelée axone segment initial (AIS) . Le segment initial est la première partie de l'axone car il quitte le corps cellulaire et se trouve immédiatement après la butte axonale.

L'impulsion électrique est la courte décharge électrique, qui peut être vue comme un mouvement soudain de plusieurs particules chargées d'un endroit à un autre. Dans nos cellules, nous avons des ions Na + (sodium), K + (potassium) et Cl - (chlorure) (et dans certains cas également Ca 2+ ) qui constituent ces particules chargées.

Il existe deux types de forces motrices pour ces particules: outre le gradient potentiel , par exemple la différence de la charge totale à deux endroits différents, il existe également une autre force appelée gradient de concentration , par ex. la différence de concentration à deux endroits différents. Ces forces peuvent pointer dans des directions opposées, et donc en exploitant une force (disons un gradient de concentration), nous pouvons en influencer une autre.

Ce dont nous avons besoin ici encore est une soi-disant membrane semi-perméable , c'est juste une barrière pour les ions, mais seulement pour des ions spécifiques. Nous en avons besoin car nos ions principaux - Na + et K + - sont tous deux chargés positivement. Par conséquent, la membrane cellulaire agit comme une membrane semi-perméable, laissant K + dans les cellules et les ions Ca 2+ vers l'extérieur mais pas l'inverse. Par conséquent, nous avons deux gradients de concentration : Na + (à l'extérieur est le pic) et K + (à l'intérieur est le pic).

Pour démarrer l'impulsion, nous devons initier une dérive ionique massive d'un endroit à un autre. Ceci est fait par la cellule, et le premier événement ici est le changement radical (augmentation) de la perméabilité pour les ions Na + . Les ions Na + pénètrent massivement dans la cellule et leurs charges, déplacées dans la cellule, forment la montée du potentiel d'action .

Le mécanisme de protection de la cellule commence immédiatement à fonctionner contre l'invasion Na + et ouvre les shunts de réserve - les canaux K + . K + quitte la cellule, emportant une certaine charge et cela se révèle comme la décroissance du potentiel d'action. Mais les canaux potassiques sont généralement plus lents, c'est pourquoi la décroissance de l'impulsion est plus régulière, pas aussi forte que la montée.

Vous vous demandez peut-être maintenant: qu'est-ce qui déclenche alors le changement rapide de la perméabilité de la membrane? Plusieurs facteurs peuvent contribuer à ce processus.

  1. Changement potentiel de la membrane. Les canaux sodium et potassium sont sensibles à la tension , c'est-à-dire si vous parvenez à modifier le potentiel de repos de la membrane, formé en raison de gradients de concentration et étant normalement d'environ -90 ..- 80 mV (millivolts) jusqu'à environ -40 mV il déclenchera les canaux sodium. C'est ainsi que l'impulsion se propage - ayant pris naissance à un endroit, elle diminue simplement le potentiel de repos de la zone membranaire adjacente, le sodium y pénètre dans la cellule et l'AP se déplace le long du nerf. L'AIS est le site d'initiation AP car cette partie de la cellule a une très haute densité de canaux sodium voltage-dépendants.

  2. Des agents chimiques, appelés neurotransmetteurs, peuvent être détectés par récepteurs sur la membrane cellulaire. Certains de ces récepteurs sont eux-mêmes des canaux ioniques et s'ouvrent directement lorsque le neurotransmetteur est lié. D'autres récepteurs agissent via des signaux intracellulaires pour ouvrir les canaux ioniques. C'est ainsi que le signal apparaît sur les sites de contacts des cellules nerveuses - les neurotransmetteurs, comme l'acétylcholine ou l'adrénaline, agissent simplement ici comme des déclencheurs de la perméabilité de la membrane.

Belle vue d'ensemble, mais je voulais mentionner quelques éclaircissements. Voulez-vous dire * axon hillock * au lieu de * axonic hill *? De plus, c'est dans le segment initial de l'axone (légèrement plus loin le long de l'axone que la butte) que l'initiation AP a lieu en fait. Les dendrites sont plus courtes mais généralement plus grandes en diamètre que les axones. J'utiliserais le mot * neurotransmetteurs * au lieu de * médiateurs *.
@yamad: Vous avez absolument raison! N'hésitez pas à modifier mon message. Je ne suis pas un locuteur natif et je n'ai rien écrit sur la biologie depuis un certain temps, donc mon vocabulaire peut être rouillé et imprécis. Merci pour vos corrections!
Aucun problème! Vous parlez / écrivez mieux l'anglais que la plupart des anglophones. Je viens de faire quelques modifications substantielles pour essayer de clarifier les choses. J'espère que cela aide.
Merci pour vos mots chaleureux! Je passe généralement en revue mes messages le lendemain pour les peaufiner, j'intégrerai bientôt vos remarques.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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