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Le cerveau est étudié depuis plusieurs dizaines d’années par les neuroscientifiques et, pour autant, il est encore bien loin d’avoir livré tous ses secrets. Les neurobiologistes savent depuis longtemps maintenant que le potentiel d’action cérébral est généré puis transmis à travers les neurones grâce aux ions sodium et potassium. Mais récemment, des chercheurs ont fait une découverte surprenante : il existe un deuxième type de signal, jusqu’alors inconnu, déclenché par le calcium et n’affectant qu’une certaine classe de neurones. Ces neurones ont la particularité d’opérer un traitement logique de l’information plus complexe que les autres neurones. Une découverte qui pourrait déboucher sur une meilleure gestion des transistors dans les appareils électroniques.

Des chercheurs allemands et grecs ont découvert un mécanisme dans les cellules corticales externes du cerveau qui produit à lui seul un nouveau signal gradué, qui pourrait fournir aux neurones individuels une autre façon de remplir leurs fonctions logiques. En mesurant l’activité électrique dans des sections de tissu prélevées pendant la chirurgie sur des patients épileptiques et en analysant leur structure à l’aide de la microscopie fluorescente, les neurologues ont découvert que les cellules individuelles du cortex utilisaient non seulement les ions sodium habituels pour s’activer, mais aussi le calcium.

Cette combinaison d’ions chargés positivement a déclenché des impulsions de tension qui n’avaient jamais été vues auparavant, appelées potentiels d’action dendritique médiés par le calcium, ou dCaAP. Les cerveaux sont souvent comparés aux ordinateurs. L’analogie a ses limites, mais à certains niveaux, ils effectuent des tâches de manière similaire.

Une transmission de l’information cérébrale opérée par les dendrites

Les deux utilisent la puissance d’une tension électrique pour effectuer diverses opérations. Dans les ordinateurs, c’est sous la forme d’un flux d’électrons assez simple passant à travers des intersections appelées transistors.

Dans les neurones, le signal se présente sous la forme d’une vague de canaux qui échangent des particules chargées telles que le sodium, le chlorure et le potassium. Cette impulsion d’ions circulants est appelée potentiel d’action. Au lieu de transistors, les neurones gèrent chimiquement ces messages au bout de branches appelées dendrites.

potentiel action

Schéma expliquant le rôle du sodium et du potassium dans la génération et la transmission du potentiel d’action neuronal. Crédits : Université de Lille

Les dendrites sont les feux de circulation de notre système nerveux. Si un potentiel d’action est suffisamment important, il peut être transmis à d’autres nerfs, qui peuvent bloquer ou transmettre le message. Ce sont les fondements logiques de notre cerveau — des ondulations de tension qui peuvent être communiquées collectivement sous deux formes : soit une fonction ET (si x et y sont déclenchés, le message est transmis) ; soit une fonction OU (si x ou y est déclenché, ou les deux en même temps, le message est transmis).

Les deuxième et troisième couches plus profondes du cortex sont particulièrement épaisses, remplies de branches qui exécutent des fonctions d’ordre élevé que nous associons à la sensation, à la pensée et au contrôle moteur. Ce sont les tissus de ces couches que les chercheurs ont examinés de près, connectant les cellules à un dispositif appelé patch clamp somatodendritique pour envoyer des potentiels actifs de haut en bas de chaque neurone, enregistrant leurs signaux.

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Signalisation neuronale au calcium : elle permet un traitement plus complexe de l’information

Pour s’assurer que les découvertes n’étaient pas uniques aux personnes atteintes d’épilepsie, les chercheurs ont revérifié leurs résultats dans une poignée d’échantillons prélevés sur des tumeurs cérébrales. Bien que l’équipe ait mené des expériences similaires sur des rats, les types de signaux qu’ils ont observés à travers les cellules humaines étaient très différents. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Plus important encore, lorsqu’ils ont traité les cellules avec un bloqueur des canaux sodiques appelé tétrodotoxine, ils ont tout de même trouvé un signal. Ce n’est qu’en bloquant le calcium que tous les signaux ont disparu.

Trouver un potentiel d’action médié par le calcium est intéressant, mais la modélisation du fonctionnement de ce nouveau type de signal sensible dans le cortex a révélé une surprise : en plus des fonctions logiques de type ET et OU, ces neurones individuels pourraient agir comme des intersections OU « exclusives » (XOR), qui n’autorisent un signal que lorsque l’un des deux signaux entrants est présent (et non si les deux en même temps le sont).

Dorénavant, plus de travail doit être fait pour déterminer comment les dCaAP se comportent à travers des neurones entiers et dans un système vivant. Sans mentionner s’il s’agit d’un processus spécifiquement humain ou si des mécanismes similaires ont évolué ailleurs dans le règne animal.

Sources : Science

signal neurones

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