Potentiels membranaires
Potentiels postsynaptiques inhibiteurs : PPSI
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Le potentiel postsynaptique est une variation temporaire du potentiel de membrane d'un neurone postsynaptique : c'est un potentiel gradué.
Ce potentiel créé dans la cellule postsynaptique, en abrégé PPS, peut être :
- soit excitateur, d'où le nom de potentiel postsynaptique excitateur (PPSE),
- soit inhibiteurs, d'où potentiel postsynaptique inhibiteurs (PPSI).
C'est à Sir John Carew Ecoles (1903-1997), neurophysiologiste australien, qu'on doit les premiers enregistrements des potentiels postsynaptiques des moneurones en 1952 (techniques de mesure).
Mesure du potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI)
On applique la technique du potentiel stabilisé (techniques du voltage clamp et du patch-clamp) pour un motoneurone dont le potentiel imposé est de -70 mV.
Le potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI) suit les mêmes règles que celles des PPSE. Son décours est l'image en miroir de celui du potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSE).
-
L'activation des synapses inhibitrices provoque une hyperpolarisation de la membrane de 1 à 2 ms environ.
- Comme pour le potentiel d'action, le pic d'augmentation de perméabilité membranaire précède le pic du PPSI (capacité membranaire).
Pour savoir quels ions participent à la modification du potentiel membranaire, on peut faire varier le courant injecté dans une électrode et mesurer alors le PPSI dans l'autre (cf. courbe ci-contre). On peut voir que quand la cellule est :
- dépolarisée, i.e. $V_m$ moins négatif que le potentiel de repos, son amplitude augmente ;
- hyperpolarisée, i.e. $V_m$ plus négatif que le potentiel de repos, le PPSI change de sens.
On peut alors définir un potentiel d'équilibre du PPSI qui est proche de -80 mV, donc intermédiaire entre le potentiel d'équilibre du chlore ($E_{Cl}=-70\;mV$) et celui du potassium ($E_K=-90\;mV$).
En faisant varier la concentration de Cl-, on peut modifier le PPSI, ce qui a permis de démontrer la pertinence de cet ion dans les PPSI.
- Dans son expérience princeps, Eccles employait une solution de KCl. Or il s'aperçut que les PPSI hyperpolarisants étaient rapidement remplacés par des PPSI dépolarisants.
- Il supposa que la diffusion du Cl- était responsable de ce phénomène. Il le remplaça par des sulfates, gros anions non-diffusables et le processus s'arrêta.
En d'autres termes, un neurotransmetteur rapproche le potentiel de membrane postsynaptique ($V_M$) du potentiel d'inversion ($E_{inv}$) de l'ion considéré, par exemple ici, $E_{Cl}$.
Explication du phénomène
Le récepteur du GABA laissent passer les ions chlore (Cl-). Pour un grand nombre de neurones, le potentiel d'équilibre du chlore $E_{Cl}$ est proche de -70 mV.
Comme tous les courants traversant la membrane, l'amplitude du courant est la produit de :
- la conductance ionique activée par le récepteur, ici le GABA ($G_{GABA}$), par
- le gradient électrochimique (driving force) des ions qui traversent la membrane. Ce gradient est la différence entre le potentiel de membrane postsynaptique ($V_m$) et le potentiel d’équilibre ou d'inversion du potentiel ($E_{inv}$)
$CPS=G_{GABA}(V_m-E_{inv})$
- Si $(V_m-E_{inv}<0$, le courant sera entrant,
- Si $(V_m-E_{inv}>0$, le courant sera sortant.
1. Le $V_m$ classique du neurone est de -60 mV, i.e. $V_m-E_{inv}$ est positif : des ions Cl- rentrent donc dans la cellule. La cellule devient hyperpolarisée.
2. Ce potentiel l'éloigne du seuil de -40 mV, seuil de déclenchement du potentiel d'action.
Comme ce PPS est hyperpolarisant, la probabilité de produire un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique est affaiblie.
Certaines synapses inhibitrices produisent des PPSI dépolarisants.
- Si, dans certaines cellules, $E_{Cl}$ est de -50 mV, $V_m-E_{inv}$ devient négatif et fait sortir du chlore, donc produit un potentiel dépolarisant.
- Mais comme, il est inférieur à -40 mV, il reste inhibiteur.
Comme pour les PPSE, des processus de sommation qu'ils soient temporels ou spatiaux sont essentiels dans la régulation synaptique.
Remarque : l'hyperpolarisation induite par les récepteurs β adrénergiques s'accompagne, au contraire, d'une augmentation de résistance de la membrane postsynaptique.
Effet shunt
Un autre processus peut intervenir dans les synapses inhibitrices sans phénomène d'hyperpolarisation membranaire nette lorsque un PPSE arrive en même temps.
La démonstration a été faite sur les crustacés qui possèdent des neurones excitateurs et des neurones inhibiteurs séparés, contrairement à ceux des vertébrés.
1. Quand le médiateur inhibiteur intervient (comme le GABA ci-dessus ou la glycine), l'entrée des ions Cl- diminue la résistance membranaire, et donc la résistance d'entrée neuronale.
Comme le $V_m$ classique du neurone est de -60 mV et le $E_{Cl}$ sont proches, l'hyperpolarisation est faible.
2. Les courants locaux de la synapse excitatrice se dirigent préférentiellement vers cette zone de moindre résistance en se dissipant partiellement. On peut aussi utiliser l'image de " trous " dans lesquels les courants excitateurs s'engouffrent et sont ainsi court-circuités, i.e. shuntés en franglais.
Électriquement, le potentiel synaptique excitateur entre dans un circuit à résistance plus faible, donc d'après la loi d'Ohm ($V=RI$), l'amplitude du PPSE sera diminué.
Les synapses inhibitrices du système nerveux central ont recours à deux mécanismes :
- l'hyperpolarisation des PPSI qui s'opposent algébriquement à la dépolarisation des PPSE (sommations des potentiels),
- l'effet "shunt" qui réduit l'amplitude effective des PPSE.