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Le rôle des canaux ioniques voltage-dépendants dans les synapses chimiques


J'essaie de comprendre les mécanismes sous-jacents à la génération de potentiel d'action au niveau cellulaire.

En règle générale, l'accent est mis sur Tension-des changements de perméabilité dépendants des canaux Potassium (K+) et Sodium (Na+) qui conduisent aux changements respectifs du potentiel membranaire.

De plus, généralement, les synapses dans le cerveau sont des synapses chimiques (contrairement à la plus petite fraction des synapses électriques, par exemple dans l'hippocampe, qui utilisent des jonctions communicantes pour la transmission du signal).

Ma confusion est maintenant la suivante : les synapses chimiques dépendent des neurotransmetteurs pour déclencher des changements de perméabilité. L'explication canonique des potentiels d'action se réfère à voltage-dépendant canaux - comment ces deux choses vont-elles ensemble ?


6.5 Biologie IB - Neurones et synapses

Axone : une fibre allongée qui transmet des signaux électriques aux régions terminales pour la communication avec d'autres neurones et effecteurs.

la pompe sodium potassium est une pompe active qui échange activement les ions sodium et potassium.

il expulse 3 ions Na+ pour chaque 2 ions K+ admis.

Cela crée un gradient électrochimique par lequel l'intérieur de la cellule est relativement négatif par rapport à l'environnement extracellulaire.

Comme les ions Na+ sont plus concentrés à l'extérieur de la membrane, l'ouverture des canaux sodium crée un afflux passif d'ions sodium.

Comme les ions K+ sont plus concentrés à l'intérieur de la membrane, l'ouverture des canaux potassiques provoque un afflux passif d'ions potassium.

les canaux ioniques qui occupent la longueur de l'axone sont voltage-dépendants (ouverts en réponse aux changements de potentiels membranaires)

Ainsi, la dépolarisation en un point de l'axone déclenche l'ouverture de canaux ioniques dans le segment suivant de l'axone.

Dans un état de repos normal, les canaux sodiques sont principalement à l'extérieur du neurone et les ions potassium principalement à l'intérieur.

Après dépolarisation (afflux de sodium) et repolarisation (efflux de potassium), cette distribution ionique est largement inversée.

Les potentiels de seuil sont déclenchés lorsque la stimulation combinée des dendrites dépasse un niveau minimal de dépolarisation.

Fente synaptique : des neurotransmetteurs sont libérés et tentent de traverser la fente synaptique.

Les ions calcium 2+ diffusent dans la cellule et favorisent la fusion des vésicules contenant des neurotransmetteurs avec la membrane cellulaire.

les neurotransmetteurs sont libérés de la terminaison axonale par exocytose et traversent la fente synaptique.

les neurotransmetteurs se lient à des récepteurs spécifiques sur la membrane post-synaptique et ouvrent des canaux ioniques dépendants du ligand

l'ouverture des canaux ioniques génère une impulsion électrique dans le post-synaptique, propageant le signal pré-synaptique


La synapse ou &ldquogap&rdquo est le lieu où l'information est transmise d'un neurone à un autre. Les synapses se forment généralement entre les terminaisons axonales et les épines dendritiques, mais ce n'est pas universellement vrai. Il existe également des synapses axone à axone, dendrite à dendrite et axone à corps cellulaire. Le neurone transmettant le signal est appelé neurone présynaptique et le neurone recevant le signal est appelé neurone postsynaptique. Notez que ces désignations sont relatives à une synapse particulière et que la plupart des neurones sont à la fois présynaptiques et postsynaptiques. Il existe deux types de synapses : chimiques et électriques.

Synapses chimiques

Lorsqu'un potentiel d'action atteint la borne axonale, il dépolarise la membrane et ouvre le voltage-dépendant (ce>) chaînes. (ce>) les ions pénètrent dans la cellule, dépolarisant davantage la membrane présynaptique. Cette dépolarisation provoque (ce>) canaux à ouvrir. Les ions calcium qui pénètrent dans la cellule initient une cascade de signalisation qui provoque la fusion de petites vésicules liées à la membrane, appelées vésicules synaptiques, contenant des molécules de neurotransmetteur pour fusionner avec la membrane présynaptique. Les vésicules synaptiques sont montrées sur la figure 7.18, qui est une image d'un microscope électronique à balayage.

Graphique 7.18. Cette image pseudocolorée prise avec un microscope électronique à balayage montre une terminaison axonale qui a été brisée pour révéler des vésicules synaptiques (bleues et orange) à l'intérieur du neurone. (crédit : modification du travail de Tina Carvalho, données de la barre d'échelle NIH-NIGMS de Matt Russell)

La fusion d'une vésicule avec la membrane présynaptique provoque la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique, l'espace extracellulaire entre les membranes présynaptique et postsynaptique, comme illustré dans Graphique 7.19. Le neurotransmetteur diffuse à travers la fente synaptique et se lie aux protéines réceptrices de la membrane postsynaptique.

Graphique 7.19. La communication au niveau des synapses chimiques nécessite la libération de neurotransmetteurs. Lorsque la membrane présynaptique est dépolarisée, les canaux Ca2+ voltage-dépendants s'ouvrent et permettent au Ca2+ d'entrer dans la cellule. L'entrée de calcium provoque la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane et la libération de molécules de neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Le neurotransmetteur diffuse à travers la fente synaptique et se lie aux canaux ioniques dépendants du ligand dans la membrane postsynaptique, entraînant une dépolarisation ou une hyperpolarisation localisée du neurone postsynaptique.

La liaison d'un neurotransmetteur spécifique provoque l'ouverture de canaux ioniques particuliers, dans ce cas, des canaux dépendants du ligand, sur la membrane postsynaptique. Les neurotransmetteurs peuvent avoir des effets excitateurs ou inhibiteurs sur la membrane postsynaptique, comme détaillé dans le tableau 7.2. Par exemple, lorsque l'acétylcholine est libérée au niveau de la synapse entre un nerf et un muscle (appelée jonction neuromusculaire) par un neurone présynaptique, elle provoque l'ouverture des canaux Na+ postsynaptiques. Le Na+ pénètre dans la cellule postsynaptique et provoque la dépolarisation de la membrane postsynaptique. Cette dépolarisation est appelée potentiel postsynaptique excitateur (EPSP) et rend le neurone postsynaptique plus susceptible de déclencher un potentiel d'action. La libération de neurotransmetteurs au niveau des synapses inhibitrices provoque Potentiels postsynaptiques inhibiteurs (IPSP), une hyperpolarisation de la membrane présynaptique. Par exemple, lorsque le neurotransmetteur GABA (acide gamma-aminobutyrique) est libéré d'un neurone présynaptique, il se lie aux canaux Cl&ndash et les ouvre. Les ions Cl&ndash pénètrent dans la cellule et hyperpolarisent la membrane, rendant le neurone moins susceptible de déclencher un potentiel d'action.

Une fois que la neurotransmission s'est produite, le neurotransmetteur doit être retiré de la fente synaptique afin que la membrane postsynaptique puisse &ldquoreset&rdquo et être prête à recevoir un autre signal. Cela peut être accompli de trois manières : le neurotransmetteur peut diffuser loin de la fente synaptique, il peut être dégradé par les enzymes de la fente synaptique ou il peut être recyclé (parfois appelé recapture) par le neurone présynaptique. Plusieurs médicaments agissent à cette étape de la neurotransmission. Par exemple, certains médicaments administrés aux patients atteints de la maladie d'Alzheimer agissent en inhibant l'acétylcholinestérase, l'enzyme qui dégrade l'acétylcholine. Cette inhibition de l'enzyme augmente essentiellement la neurotransmission au niveau des synapses qui libèrent de l'acétylcholine. Une fois libérée, l'acétylcholine reste dans la fente et peut continuellement se lier et se délier aux récepteurs postsynaptiques.

Tableau 7 : Fonction et emplacement du neurotransmetteur
Neurotransmetteur Exemple Emplacement
Acétylcholine &mdash SNC et/ou SNP
Amine biogène Dopamine, sérotonine, noradrénaline SNC et/ou SNP
Acide aminé Glycine, glutamate, aspartate, acide gamma-aminobutyrique SNC
Neuropeptide Substance P, endorphines SNC et/ou SNP

Concevez et/ou jouez des événements au niveau de la synapse ! Voici quelques conseils pour vous aider à concevoir votre activité de révision :

  • Vous devrez réfléchir au nombre de pairs dont vous avez besoin pour participer.
  • Qui sera quelle structure ?
  • Comment vos pairs et vous évoluerez-vous les uns par rapport aux autres ?
  • Quel est l'objectif global de chaque mouvement que vous concevez (quelle est la fonction de chaque structure) ?

Synapses électriques

Bien que les synapses électriques soient moins nombreuses que les synapses chimiques, elles se trouvent dans tous les systèmes nerveux et jouent des rôles importants et uniques. Le mode de neurotransmission dans les synapses électriques est assez différent de celui des synapses chimiques. Dans une synapse électrique, les membranes présynaptiques et postsynaptiques sont très proches les unes des autres et sont en fait physiquement connectées par des protéines de canal formant des jonctions communicantes. Les jonctions lacunaires permettent au courant de passer directement d'une cellule à l'autre. En plus des ions qui transportent ce courant, d'autres molécules, telles que l'ATP, peuvent diffuser à travers les grands pores des jonctions lacunaires.

Il existe des différences clés entre les synapses chimiques et électriques. Étant donné que les synapses chimiques dépendent de la libération de molécules de neurotransmetteur par les vésicules synaptiques pour transmettre leur signal, il existe un délai d'environ une milliseconde entre le moment où le potentiel axonal atteint la terminaison présynaptique et le moment où le neurotransmetteur conduit à l'ouverture des canaux ioniques postsynaptiques. De plus, cette signalisation est unidirectionnelle. La signalisation dans les synapses électriques, en revanche, est pratiquement instantanée (ce qui est important pour les synapses impliquées dans les réflexes clés), et certaines synapses électriques sont bidirectionnelles. Les synapses électriques sont également plus fiables car elles sont moins susceptibles d'être bloquées et elles sont importantes pour synchroniser l'activité électrique d'un groupe de neurones. Par exemple, on pense que les synapses électriques dans le thalamus régulent le sommeil lent, et la perturbation de ces synapses peut provoquer des crises.

Somme de signaux

Parfois, un seul EPSP est suffisamment puissant pour induire un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique, mais souvent plusieurs entrées présynaptiques doivent créer des EPSP à peu près en même temps pour que le neurone postsynaptique soit suffisamment dépolarisé pour déclencher un potentiel d'action. Ce processus est appelé sommation et se produit au niveau de la butte axonale, comme illustré à la figure 7.20. De plus, un neurone a souvent des entrées de nombreux neurones présynaptiques et certains excitateurs et certains IPSP inhibiteurs peuvent donc annuler les EPSP et vice versa. C'est la variation nette de la tension de la membrane postsynaptique qui détermine si la cellule postsynaptique a atteint son seuil d'excitation nécessaire pour déclencher un potentiel d'action. Ensemble, la sommation synaptique et le seuil d'excitation agissent comme un filtre de sorte que le &ldquonoise&rdquo aléatoire dans le système ne soit pas transmis en tant qu'information importante.

Graphique 7.20. Un seul neurone peut recevoir à la fois des entrées excitatrices et inhibitrices de plusieurs neurones, entraînant une dépolarisation locale de la membrane (entrée EPSP) et une hyperpolarisation (entrée IPSP). Toutes ces entrées sont additionnées au niveau de la butte axonale. Si les EPSP sont suffisamment forts pour surmonter les IPSP et atteindre le seuil d'excitation, le neurone se déclenchera.

Plasticité synaptique

Les synapses ne sont pas des structures statiques. Ils peuvent être affaiblis ou renforcés. Ils peuvent être brisés et de nouvelles synapses peuvent être créées. La plasticité synaptique permet ces changements, qui sont tous nécessaires au bon fonctionnement du système nerveux. En fait, la plasticité synaptique est à la base de l'apprentissage et de la mémoire. Deux processus en particulier, la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD) sont des formes importantes de plasticité synaptique qui se produisent dans les synapses de l'hippocampe, une région du cerveau impliquée dans le stockage des souvenirs.

La potentialisation à long terme (LTP)

La potentialisation à long terme (LTP) est un renforcement persistant d'une connexion synaptique. Le LTP est basé sur le principe Hebbian : des cellules qui s'allument ensemble se connectent ensemble. Il existe divers mécanismes, dont aucun n'est entièrement compris, derrière le renforcement synaptique observé avec la LTP. Un mécanisme connu implique un type de récepteur post-synaptique du glutamate, appelé récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate), illustré à la figure 7.21. Ces récepteurs sont normalement bloqués par les ions magnésium, cependant, lorsque le neurone postsynaptique est dépolarisé par plusieurs entrées présynaptiques en succession rapide (soit à partir d'un neurone ou de plusieurs neurones), les ions magnésium sont expulsés permettant aux ions Ca de passer dans la cellule postsynaptique. Ensuite, les ions Ca2+ entrant dans la cellule initient une cascade de signalisation qui provoque l'insertion d'un type différent de récepteurs du glutamate, appelés récepteurs AMPA (acide &alpha-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique), dans la membrane postsynaptique. , puisque les récepteurs AMPA activés permettent aux ions positifs d'entrer dans la cellule. Ainsi, la prochaine fois que le glutamate sera libéré de la membrane présynaptique, il aura un effet excitateur plus important (EPSP) sur la cellule postsynaptique car la liaison du glutamate à ces récepteurs AMPA permettra à plus d'ions positifs d'entrer dans la cellule. L'insertion de récepteurs AMPA supplémentaires renforce la synapse et signifie que le neurone postsynaptique est plus susceptible de se déclencher en réponse à la libération de neurotransmetteurs présynaptiques. Certaines drogues d'abus cooptent la voie LTP, et ce renforcement synaptique peut conduire à la dépendance.

Dépression à long terme (LTD)

La dépression à long terme (LTD) est essentiellement l'inverse de la LTP : il s'agit d'un affaiblissement à long terme d'une connexion synaptique. Un mécanisme connu pour provoquer une LTD implique également les récepteurs AMPA. Dans cette situation, le calcium qui pénètre par les récepteurs NMDA initie une cascade de signalisation différente, qui entraîne l'élimination des récepteurs AMPA de la membrane postsynaptique, comme illustré à la figure 7.21. La diminution des récepteurs AMPA dans la membrane rend le neurone postsynaptique moins sensible au glutamate libéré par le neurone présynaptique. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, LTD peut être tout aussi important pour l'apprentissage et la mémoire que LTP. L'affaiblissement et l'élagage des synapses inutilisées permettent de perdre des connexions sans importance et rendent les synapses qui ont subi une LTP d'autant plus fortes en comparaison.

Graphique 7.21. L'entrée de calcium par les récepteurs NMDA postsynaptiques peut initier deux formes différentes de plasticité synaptique : la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD). La LTP survient lorsqu'une seule synapse est stimulée à plusieurs reprises. Cette stimulation provoque une cascade cellulaire dépendante du calcium et de la CaMKII, qui entraîne l'insertion d'un plus grand nombre de récepteurs AMPA dans la membrane postsynaptique. La prochaine fois que le glutamate sera libéré de la cellule présynaptique, il se liera à la fois au NMDA et aux récepteurs AMPA nouvellement insérés, dépolarisant ainsi la membrane plus efficacement. LTD se produit lorsque quelques molécules de glutamate se lient aux récepteurs NMDA au niveau d'une synapse (en raison d'un faible taux de décharge du neurone présynaptique). Le calcium qui traverse les récepteurs NMDA initie une cascade différente dépendante de la calcineurine et de la protéine phosphatase 1, ce qui entraîne l'endocytose des récepteurs AMPA. Cela rend le neurone postsynaptique moins sensible au glutamate libéré par le neurone présynaptique.

Pour qu'un neurone déclenche un potentiel d'action, sa membrane doit atteindre ________.
une. hyperpolarisation
b. le seuil d'excitation
c. la période réfractaire
ré. potentiel inhibiteur postsynaptique

Après un potentiel d'action, l'ouverture de canaux ________ voltage-dépendants supplémentaires et l'inactivation des canaux sodiques font revenir la membrane à son potentiel membranaire de repos.
une. sodium
b. potassium
c. calcium
ré. chlorure

Quel est le terme utilisé pour désigner les canaux protéiques qui relient deux neurones au niveau d'une synapse électrique ?
une. les vésicules synaptiques
b. canaux ioniques voltage-dépendants
c. protéine de jonction lacunaire
ré. pompes échangeuses sodium-potassium

Comment la myéline facilite-t-elle la propagation d'un potentiel d'action le long d'un axone ? Comment les nœuds de Ranvier aident-ils ce processus ?


Les synapses chimiques sont flexibles :

Lorsque vous apprenez les compétences d'acteur, vous vous souvenez peut-être que le pouvoir d'action est une réponse tout ou rien. Cela signifie que cela peut arriver ou ne pas arriver. Les signatures synaptiques sont très variables. Une cellule réceptrice est capable de réguler le nombre de récepteurs pouvant se fixer à sa membrane. De tels changements peuvent conduire à renforcer ou à ralentir les connexions. Les cellules postsynaptiques et présynaptiques peuvent modifier radicalement leurs fonctions de signature des cellules présynaptiques et postsynaptiques peuvent également changer radicalement. Cela dépend en outre de l'environnement interne ou des signaux reçus d'autres cellules. Un pouvoir transformateur sous forme de plasticité aide à la synchronisation. C'est un facteur important dans la transformation de l'énergie et a un rôle dans l'apprentissage et la mémoire.


Canaux calciques voltage-dépendants

Les canaux calciques voltage-dépendants (VGCC) sont un groupe diversifié de canaux ioniques hétéromultimères qui répondent aux changements de potentiel membranaire. Les VGCC sont en outre classés en six classes (types L, N, P, Q, R et T) en fonction de leur sensibilité aux blocs pharmacologiques, de la cinétique de conductance monocanal et de la dépendance à la tension (Reuter, 1996). Les canaux de type T ont un seuil d'activation basse tension, tandis que les types L, N, P, Q et R sont des canaux activés par seuil haute tension. Les VGCC jouent un rôle clé dans la transduction du signal entre les neurones et plusieurs études impliquent des types spécifiques dans diverses formes de plasticité synaptique (Fig 2).

Les canaux ioniques de type L sont nécessaires pour la LTP au niveau des synapses entre les fibres moussues et les neurones pyramidaux CA3. Ce type de LTP ne dépend pas des récepteurs NMDA et implique un afflux de calcium postsynaptique porté par les VGCC de type L ( Kapur et al, 1998 ). Des études sur la transmission synaptique entre l'amygdale basolatérale et le gyrus denté de l'hippocampe ont établi un rôle similaire pour les canaux calciques de type L dans l'induction de la PLT ( Niikura et al, 2004 ). Conformément à ces observations, l'administration de nimodipine, un antagoniste des canaux calciques de type L, abolit la LTP et altère le conditionnement de la peur chez la souris ( Shinnick-Gallagher et al, 2003 ). Fait intéressant, les courants calciques à travers les VGCC de type L dans les neurones CA1 de l'hippocampe augmentent au cours du vieillissement chez le rat, ce qui s'accompagne d'un déclin marqué des facultés d'apprentissage et de mémoire. Le traitement chronique à la nimodipine améliore la perte de mémoire, ce qui suggère qu'un afflux excessif de calcium par les canaux calciques de type L altère l'apprentissage et la mémoire (Veng et al, 2003 ). Il est intéressant de noter que les patients atteints de la maladie d'Alzheimer présentent une expression VGCC de type L plus élevée dans l'hippocampe que les individus sains (Coon et al, 1999 ). Ce lien suggère que les niveaux aberrants des canaux calciques de type L pourraient contribuer aux troubles de la mémoire chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer.

D'autres VGCC impliqués dans la plasticité synaptique comprennent les canaux calciques de type N, P, Q et R (Wu et al, 1999 ). Ces canaux influencent la libération des neurotransmetteurs dans le système nerveux central. Les canaux calciques de type P et Q sont plus efficaces que les canaux de type N ou R pour déclencher la libération des neurotransmetteurs, probablement parce que ces derniers sont localisés plus loin des sites de libération (Wu et al, 1999 ). Par conséquent, la modulation de la conductance des canaux calciques de type P et Q fournit un mécanisme pour affiner la libération du transmetteur synaptique. Néanmoins, les canaux de type R semblent transporter près d'un tiers du courant calcique total aux terminaisons présynaptiques au cours d'un potentiel d'action présynaptique (Wu et al, 1998 ). Un tel afflux de calcium est une composante importante de certaines formes de plasticité synaptique par exemple, l'induction de LTP au niveau des synapses entre les fibres moussues et les neurones hippocampiques CA3 nécessite une élévation du calcium présynaptique mais est indépendante des courants calciques postsynaptiques. L'activité des canaux calciques de type R est impliquée dans l'induction de la LTP dans ces synapses mais n'est pas requise pour la libération rapide de neurotransmetteurs induite par des potentiels d'action simple ( Dietrich et al, 2003 ).


Aspects communs et uniques de la synchronisation des canaux ioniques à ligand et voltage-dépendant

Les canaux ioniques ligands et voltage-dépendants forment une grande superfamille de protéines de signalisation liées à la membrane qui remplissent de nombreux rôles importants dans la santé et la maladie (Hille, 2001). Les canaux ioniques voltage-dépendants sont principalement responsables de la génération et de la propagation des potentiels d'action dans les tissus excitables (Stuart et al. 1997 Catterall et al. 2005 Jan & Jan, 2012 ) tandis que les canaux ioniques à contrôle de ligand constituent le câblage des synapses chimiques - bien qu'ils affinent également la force synaptique pendant les périodes d'activité soutenue et d'homéostasie altérée (Turrigiano, 2008 Nicoll, 2017 ). Ensemble, l'activité combinée des canaux ioniques ligand- et voltage-dépendants donne lieu à de nombreux processus physiologiques complexes allant de la contraction des muscles cardiaques et squelettiques aux comportements plus énigmatiques du SNC tels que la cognition et la mémoire.

L'étude des canaux ioniques a connu des avancées sans précédent ces dernières années avec la convergence de plusieurs disciplines scientifiques sur cet important sujet de recherche. La biologie structurale est devenue une approche de premier plan pour comprendre la fonction des canaux ioniques ainsi que l'action des médicaments (Gouaux et Mackinnon, 2005). De plus, les progrès récents des manipulations génétiques, en particulier chez les rongeurs, ont permis d'attribuer des rôles distincts aux familles de canaux ioniques dans la santé et la maladie. Pour explorer ce domaine émergent de la physiologie, Le Journal de Physiologie a parrainé un symposium lors de la réunion 2017 de l'Union internationale des sciences physiologiques à Rio de Janeiro, au Brésil, intitulé « Aspects partagés et uniques des mécanismes de déclenchement des canaux ioniques à déclenchement par ligand et tension ». Présidé par Journal rédacteurs en chef les Drs Yoshihiro Kubo et Derek Bowie, il a réuni cinq chercheurs (voir Fig. 1) dont les travaux sont à l'avant-garde de ce domaine d'étude en plein développement. Cette question de Le Journal de Physiologie rassemble trois articles de revue d'actualité et un document original qui capture certaines des idées, discussions et débats qui ont surgi au cours du symposium.

Le Dr Yoshihiro Kubo de l'Institut national des sciences physiologiques du Japon a ouvert le symposium en présentant des données récentes de son laboratoire où ils ont examiné l'effet inattendu de l'agent antiparasitaire à large spectre ivermectine sur le K + (ou GIRK) rectifiant vers l'intérieur lié à la protéine G. canal (Chen et al. 2017). Depuis sa découverte dans des échantillons de sol de bactéries prélevées près d'un terrain de golf japonais dans les années 1970 (Laing et al. 2017), l'ivermectine s'est avérée être l'un des médicaments les plus efficaces utilisés par les vétérinaires et les professionnels de la santé pour lutter contre les infections parasitaires. Bien que son action anthelminthique soit principalement médiée en ciblant l'activité des canaux chlorure glutamate-dépendants des nématodes pour réduire la motilité, l'alimentation et le comportement reproducteur (Yates et al. 2003 ), il a également été démontré que l'ivermectine affecte d'autres familles de canaux ioniques telles que le GABAUNE, les récepteurs de la glycine et de l'acétylcholine nicotinique (Wolstenholme & Rogers, 2005 ). Cette nature multiforme de la pharmacologie de l'ivermectine est le sujet principal de l'examen complet de Chen et Kubo, où ils explorent les propriétés modulatrices communes et uniques de l'ivermectine sur une variété de canaux ioniques ligand-dépendants (Chen & Kubo, 2018). Un aperçu de l'action de l'ivermectine sur chaque cible de canal ionique est magnifiquement illustré par l'utilisation efficace par les auteurs des données cristallographiques aux rayons X pour comparer et contraster les déterminants structurels de chaque poche de liaison. Compte tenu de son caractère hydrophobe, l'ivermectine se lie aux résidus tapissant les régions transmembranaires (TM) des canaux ioniques liés au ligand de la boucle Cys, tels que les canaux chlorure liés au glutamate des nématodes et les récepteurs de la glycine des mammifères. La liaison de l'ivermectine près de la surface extracellulaire de la membrane plasmique est critique car elle induit la rotation des régions TM pour faciliter l'ouverture des canaux. Étonnamment, cependant, l'ivermectine se lie aux canaux GIRK sur un site différent, qui se situe à l'interface de la région TM et des domaines intracellulaires (Chen et al. 2017). Les auteurs concluent que bien que l'ivermectine se lie à de nombreuses cibles de canaux ioniques, sa valeur clinique en tant que médicament avec peu d'effets secondaires est due à sa liaison de haute affinité préférée aux canaux chlorure glutamate-dépendants des nématodes.

Le Dr Cecilia Bouzat de l'Université nationale du Sud (UNS), Bahìa Blanca, Argentine, a présenté les travaux récents de son laboratoire sur les propriétés fonctionnelles et pharmacologiques des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine contenant la sous-unité α7 (nAChR) (daCosta et al. 2011 Andersen et al. 2013 , 2016 Nielsen et al. 2018). Bien que les nAChR soient exprimés dans tout le corps, les récepteurs 7 sont particulièrement concentrés dans le cerveau des mammifères où ils présentent à la fois des fonctions ionotropes et métabotropes (Wu et al. 2016 Kabbani & Nichols, 2018 ). Ils sont également impliqués dans plusieurs troubles du SNC (Dineley et al. 2015 ) et par conséquent, il a été nécessaire de développer des médicaments sélectifs. L'article de synthèse de Bouzat et ses collègues (Bouzat et al. 2018 ) met en évidence ces avancées récentes dans notre compréhension du nAChR α7. La potentialisation du récepteur α7 a été identifiée comme une nouvelle stratégie thérapeutique pour traiter plusieurs troubles neurodégénératifs, dont les maladies d'Alzheimer et de Parkinson, et les troubles inflammatoires, tandis que les médicaments qui réduisent l'activité du récepteur peuvent être bénéfiques dans le traitement de la prolifération des cellules cancéreuses (Bouzat et al. 2018 ).

Le Dr Frank Bosmans de l'Université Johns Hopkins à Baltimore, MD, États-Unis a parlé du travail de pionnier que lui et ses collègues ont effectué en utilisant des toxines animales pour sonder le comportement fonctionnel des canaux ioniques voltage-dépendants, en particulier les canaux Na + voltage-dépendants (Nav) (Bosmans & Swartz, 2010 Kalia et al. 2015). Les canaux Nav voltage-dépendants sont principalement responsables de la montée rapide du potentiel d'action dans les muscles cardiaques et squelettiques et font partie intégrante des propriétés de déclenchement complexes des neurones centraux. Il n'est donc pas surprenant que les canaux Nav soient impliqués dans de nombreux processus physiologiques et ont également été impliqués dans de nombreuses pathologies, notamment le dysfonctionnement cardiaque, les douleurs neuropathiques et les formes génétiques d'épilepsie, telles que le syndrome de Dravet (Abriel, 2010 Catterall, 2012 Waxman, 2013 Chen-Izu et al. 2015). Compte tenu de tout cela, la communauté des canaux Nav a développé une compréhension globale de la façon dont l'architecture structurelle des canaux Nav est liée à leur comportement fonctionnel (Ahern et al. 2016). Dans le numéro actuel de Le journal, Gilchrist et Bosmans présentent un article de recherche original détaillant comment les toxines animales peuvent être utilisées pour comprendre la cinétique de déclenchement lent de Nav1.8 (Gilchrist & Bosmans, 2018 ), un canal Nav impliqué dans les mécanismes de la douleur (Han et al. 2016). Pour ce faire, les auteurs ont introduit la sensibilité aux toxines dans chacun des quatre domaines de capteur de tension de Nav1.8 en échangeant leurs séquences avec celles de Nav1.2 pour sonder leur rôle dans le déclenchement et l'inactivation des canaux. En utilisant cette approche chimère, Gilchrist et Bosmans concluent que les domaines du capteur de tension I-III participent à l'ouverture du canal, tandis que le domaine du capteur de tension IV régule l'ouverture du canal ainsi que le début de l'inactivation rapide (Gilchrist & Bosmans, 2018).

Le Dr Marc Gielen a présenté un compte rendu convaincant de son travail postdoctoral avec le Dr Trevor Smart à l'University College de Londres, où il a effectué une analyse complète du Cys-loop GABAUNE et la désensibilisation des récepteurs de la glycine (Gielen et al. 2015). L'article de synthèse co-écrit avec son collègue, le Dr Pierre-Jean Corringer, de l'Institut Pasteur de Paris, est un tour de force traité de biologie structurale des récepteurs Cys-loop (Gielen & Corringer, 2018 ). Les auteurs soutiennent que bien que le mécanisme d'activation du récepteur Cys-loop ait été largement étudié à la fois au niveau fonctionnel (Lape et al. 2008 Moukhtasimova et al. 2009 Purohit et al. 2013 ) et structurel (Corringer et al. 2010 Althoff et al. 2014 Sauguet et al. 2014 ), une compréhension de la base structurelle de la désensibilisation commence seulement à émerger (Miller & Aricescu, 2014 ). Des travaux fonctionnels avaient déjà soutenu que la désensibilisation des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine à boucle Cys implique deux portes distinctes, mais interdépendantes (Auerbach & Akk, 1998), bien que leur emplacement dans le pore du canal ionique reste à établir. Les auteurs proposent que les portes d'activation et de désensibilisation soient structurellement distinctes et situées à chaque extrémité du pore du canal ionique. Cette proposition est cohérente avec le mécanisme du « pied dans la porte » attribué à la picrotoxine bloqueur de canaux (Gielen et al. 2015 ) et la modélisation de Markov de l'activation des canaux (Gielen & Corringer, 2018 ). Gielen et Corringer concluent en soulignant l'importance du mécanisme à double porte d'activation et de désensibilisation comme explication commune du comportement de plusieurs canaux ioniques structurellement indépendants.

Le Dr Derek Bowie de l'Université McGill à Montréal, au Canada, a clôturé le symposium avec une présentation axée sur les mécanismes structurels et fonctionnels qui définissent les familles distinctes du récepteur ionotrope du glutamate (iGluR). Les iGluR sont largement exprimés dans le cerveau des vertébrés où ils assurent la médiation de la grande majorité de la transmission excitatrice rapide au niveau des synapses centrales (Dingledine et al. 1999 Traynelis et al. 2010). Sans surprise, les iGluR sont également impliqués dans de nombreux troubles débilitants du SNC (Bowie, 2008). Malgré leur architecture tétramérique similaire et chevauchante (Sobolevsky, 2015), Bowie a soutenu que le comportement de déclenchement distinct des différentes sous-familles iGluR peut être lié à des différences de résidus qui tapissent l'interface entre deux poches de liaison de sous-unités disposées dos à dos. formation (Dawé et al. 2015). Cette région de la protéine est souvent appelée interface dimère du domaine de liaison au ligand (LBD) et a été reconnue par les premières études structurelles comme un déterminant important de la synchronisation des canaux (Horning & Mayer, 2004 Bowie, 2010). Des travaux récents du laboratoire Bowie ont montré que l'apex de l'interface dimère LBD est d'une importance critique pour définir le comportement de déclenchement rapide en millisecondes des iGluR de type AMPA et kainate ainsi que leur régulation par des protéines auxiliaires (Daniels et al. 2013 Dawe et al. 2013 , 2016 ). Il a conclu que les travaux en cours de son laboratoire suggéraient que le déclenchement plus tardif des iGluR de type NMDA était également déterminé par les résidus dans l'interface dimère LBD mais à partir d'un site différent. Pris ensemble, ce travail met en évidence comment des changements subtils mais critiques de la séquence d'acides aminés qui code l'interface dimère LBD peuvent avoir contribué à l'émergence de différentes classes iGluR au cours de l'évolution.


Force synaptique

La force d'une synapse est définie par le changement de potentiel transmembranaire résultant de l'activation de la récepteurs de neurotransmetteurs postsynaptiques. Ce changement de tension est connu sous le nom de potentiel post-synaptique, et est le résultat direct des courants ioniques circulant dans le canaux récepteurs post-synaptiques. Les changements dans la force synaptique peuvent être à court terme et sans changements structurels permanents dans les neurones eux-mêmes, durant quelques secondes à quelques minutes - ou à long terme (potentialisation à long terme, ou LTP), dans lesquels une activation synaptique répétée ou continue peut entraîner un second messager molécules initiant la synthèse des protéines dans le noyau des neurones, entraînant une altération de la structure de la synapse elle-même. On pense que l'apprentissage et la mémoire résultent de changements à long terme de la force synaptique, via un mécanisme connu sous le nom de plasticité synaptique.


183 Comment les neurones communiquent

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire la base du potentiel membranaire au repos
  • Expliquer les étapes d'un potentiel d'action et comment les potentiels d'action se propagent
  • Expliquer les similitudes et les différences entre les synapses chimiques et électriques
  • Décrire la potentialisation à long terme et la dépression à long terme

Toutes les fonctions exécutées par le système nerveux, d'un simple réflexe moteur à des fonctions plus avancées comme faire un souvenir ou une décision, nécessitent que les neurones communiquent entre eux. Alors que les humains utilisent des mots et le langage corporel pour communiquer, les neurones utilisent des signaux électriques et chimiques. Tout comme une personne dans un comité, un neurone reçoit et synthétise généralement les messages de plusieurs autres neurones avant de « prendre la décision » d'envoyer le message à d'autres neurones.

Transmission d'impulsions nerveuses dans un neurone

Pour que le système nerveux fonctionne, les neurones doivent pouvoir envoyer et recevoir des signaux. Ces signaux sont possibles parce que chaque neurone a une membrane cellulaire chargée (une différence de tension entre l'intérieur et l'extérieur), et la charge de cette membrane peut changer en réponse aux molécules de neurotransmetteur libérées par d'autres neurones et à des stimuli environnementaux. Pour comprendre comment les neurones communiquent, il faut d'abord comprendre la base de la charge membranaire de base ou « au repos ».

Membranes chargées neuronales

La membrane bicouche lipidique qui entoure un neurone est imperméable aux molécules chargées ou aux ions. Pour entrer ou sortir du neurone, les ions doivent traverser des protéines spéciales appelées canaux ioniques qui traversent la membrane. Les canaux ioniques ont différentes configurations : ouvert, fermé et inactif, comme illustré dans (Figure). Certains canaux ioniques doivent être activés pour s'ouvrir et permettre aux ions d'entrer ou de sortir de la cellule. Ces canaux ioniques sont sensibles à l'environnement et peuvent changer de forme en conséquence. Ion channels that change their structure in response to voltage changes are called voltage-gated ion channels. Voltage-gated ion channels regulate the relative concentrations of different ions inside and outside the cell. The difference in total charge between the inside and outside of the cell is called the membrane potential .


This video discusses the basis of the resting membrane potential.

Resting Membrane Potential

A neuron at rest is negatively charged: the inside of a cell is approximately 70 millivolts more negative than the outside (−70 mV, note that this number varies by neuron type and by species). This voltage is called the resting membrane potential it is caused by differences in the concentrations of ions inside and outside the cell. If the membrane were equally permeable to all ions, each type of ion would flow across the membrane and the system would reach equilibrium. Because ions cannot simply cross the membrane at will, there are different concentrations of several ions inside and outside the cell, as shown in (Figure). The difference in the number of positively charged potassium ions (K + ) inside and outside the cell dominates the resting membrane potential ((Figure)). When the membrane is at rest, K + ions accumulate inside the cell due to a net movement with the concentration gradient. The negative resting membrane potential is created and maintained by increasing the concentration of cations outside the cell (in the extracellular fluid) relative to inside the cell (in the cytoplasm). The negative charge within the cell is created by the cell membrane being more permeable to potassium ion movement than sodium ion movement. In neurons, potassium ions are maintained at high concentrations within the cell while sodium ions are maintained at high concentrations outside of the cell. The cell possesses potassium and sodium leakage channels that allow the two cations to diffuse down their concentration gradient. However, the neurons have far more potassium leakage channels than sodium leakage channels. Therefore, potassium diffuses out of the cell at a much faster rate than sodium leaks in. Because more cations are leaving the cell than are entering, this causes the interior of the cell to be negatively charged relative to the outside of the cell. The actions of the sodium potassium pump help to maintain the resting potential, once established. Recall that sodium potassium pumps brings two K + ions into the cell while removing three Na + ions per ATP consumed. As more cations are expelled from the cell than taken in, the inside of the cell remains negatively charged relative to the extracellular fluid. It should be noted that chloride ions (Cl – ) tend to accumulate outside of the cell because they are repelled by negatively-charged proteins within the cytoplasm.

The resting membrane potential is a result of different concentrations inside and outside the cell.
Ion Concentration Inside and Outside Neurons
Ion Extracellular concentration (mM) Intracellular concentration (mM) Ratio outside/inside
Non + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl − 120 4 30
Organic anions (A−) 100


Potentiel d'action

A neuron can receive input from other neurons and, if this input is strong enough, send the signal to downstream neurons. Transmission of a signal between neurons is generally carried by a chemical called a neurotransmitter. Transmission of a signal within a neuron (from dendrite to axon terminal) is carried by a brief reversal of the resting membrane potential called an action potential . When neurotransmitter molecules bind to receptors located on a neuron’s dendrites, ion channels open. At excitatory synapses, this opening allows positive ions to enter the neuron and results in depolarization of the membrane—a decrease in the difference in voltage between the inside and outside of the neuron. A stimulus from a sensory cell or another neuron depolarizes the target neuron to its threshold potential (-55 mV). Na + channels in the axon hillock open, allowing positive ions to enter the cell ((Figure) and (Figure)). Once the sodium channels open, the neuron completely depolarizes to a membrane potential of about +40 mV. Action potentials are considered an “all-or nothing” event, in that, once the threshold potential is reached, the neuron always completely depolarizes. Once depolarization is complete, the cell must now “reset” its membrane voltage back to the resting potential. To accomplish this, the Na + channels close and cannot be opened. This begins the neuron’s refractory period , in which it cannot produce another action potential because its sodium channels will not open. At the same time, voltage-gated K + channels open, allowing K + to leave the cell. As K + ions leave the cell, the membrane potential once again becomes negative. The diffusion of K + out of the cell actually hyperpolarizes the cell, in that the membrane potential becomes more negative than the cell’s normal resting potential. At this point, the sodium channels will return to their resting state, meaning they are ready to open again if the membrane potential again exceeds the threshold potential. Eventually the extra K + ions diffuse out of the cell through the potassium leakage channels, bringing the cell from its hyperpolarized state, back to its resting membrane potential.


Potassium channel blockers, such as amiodarone and procainamide, which are used to treat abnormal electrical activity in the heart, called cardiac dysrhythmia, impede the movement of K + through voltage-gated K + channels. Which part of the action potential would you expect potassium channels to affect?


This video presents an overview of action potential.

Myelin and the Propagation of the Action Potential

For an action potential to communicate information to another neuron, it must travel along the axon and reach the axon terminals where it can initiate neurotransmitter release. The speed of conduction of an action potential along an axon is influenced by both the diameter of the axon and the axon’s resistance to current leak. Myelin acts as an insulator that prevents current from leaving the axon this increases the speed of action potential conduction. In demyelinating diseases like multiple sclerosis, action potential conduction slows because current leaks from previously insulated axon areas. The nodes of Ranvier, illustrated in (Figure) are gaps in the myelin sheath along the axon. These unmyelinated spaces are about one micrometer long and contain voltage-gated Na + and K + channels. Flow of ions through these channels, particularly the Na + channels, regenerates the action potential over and over again along the axon. This ‘jumping’ of the action potential from one node to the next is called saltatory conduction . If nodes of Ranvier were not present along an axon, the action potential would propagate very slowly since Na + and K + channels would have to continuously regenerate action potentials at every point along the axon instead of at specific points. Nodes of Ranvier also save energy for the neuron since the channels only need to be present at the nodes and not along the entire axon.


Transmission synaptique

The synapse or “gap” is the place where information is transmitted from one neuron to another. Synapses usually form between axon terminals and dendritic spines, but this is not universally true. There are also axon-to-axon, dendrite-to-dendrite, and axon-to-cell body synapses. The neuron transmitting the signal is called the presynaptic neuron, and the neuron receiving the signal is called the postsynaptic neuron. Note that these designations are relative to a particular synapse—most neurons are both presynaptic and postsynaptic. There are two types of synapses: chemical and electrical.

Chemical Synapse

When an action potential reaches the axon terminal it depolarizes the membrane and opens voltage-gated Na + channels. Na + ions enter the cell, further depolarizing the presynaptic membrane. This depolarization causes voltage-gated Ca 2+ channels to open. Calcium ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes small membrane-bound vesicles, called synaptic vesicles , containing neurotransmitter molecules to fuse with the presynaptic membrane. Synaptic vesicles are shown in (Figure), which is an image from a scanning electron microscope.


Fusion of a vesicle with the presynaptic membrane causes neurotransmitter to be released into the synaptic cleft , the extracellular space between the presynaptic and postsynaptic membranes, as illustrated in (Figure). The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to receptor proteins on the postsynaptic membrane.


The binding of a specific neurotransmitter causes particular ion channels, in this case ligand-gated channels, on the postsynaptic membrane to open. Neurotransmitters can either have excitatory or inhibitory effects on the postsynaptic membrane, as detailed in (Figure). For example, when acetylcholine is released at the synapse between a nerve and muscle (called the neuromuscular junction) by a presynaptic neuron, it causes postsynaptic Na + channels to open. Na + enters the postsynaptic cell and causes the postsynaptic membrane to depolarize. This depolarization is called an excitatory postsynaptic potential (EPSP) and makes the postsynaptic neuron more likely to fire an action potential. Release of neurotransmitter at inhibitory synapses causes inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs) , a hyperpolarization of the presynaptic membrane. For example, when the neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) is released from a presynaptic neuron, it binds to and opens Cl – channels. Cl – ions enter the cell and hyperpolarizes the membrane, making the neuron less likely to fire an action potential.

Once neurotransmission has occurred, the neurotransmitter must be removed from the synaptic cleft so the postsynaptic membrane can “reset” and be ready to receive another signal. This can be accomplished in three ways: the neurotransmitter can diffuse away from the synaptic cleft, it can be degraded by enzymes in the synaptic cleft, or it can be recycled (sometimes called reuptake) by the presynaptic neuron. Several drugs act at this step of neurotransmission. For example, some drugs that are given to Alzheimer’s patients work by inhibiting acetylcholinesterase, the enzyme that degrades acetylcholine. This inhibition of the enzyme essentially increases neurotransmission at synapses that release acetylcholine. Once released, the acetylcholine stays in the cleft and can continually bind and unbind to postsynaptic receptors.

Neurotransmitter Function and Location
Neurotransmetteur Exemple Emplacement
Acétylcholine CNS and/or PNS
Biogenic amine Dopamine, serotonin, norepinephrine CNS and/or PNS
Acide aminé Glycine, glutamate, aspartate, gamma aminobutyric acid SNC
Neuropeptide Substance P, endorphins CNS and/or PNS

Electrical Synapse

While electrical synapses are fewer in number than chemical synapses, they are found in all nervous systems and play important and unique roles. The mode of neurotransmission in electrical synapses is quite different from that in chemical synapses. In an electrical synapse, the presynaptic and postsynaptic membranes are very close together and are actually physically connected by channel proteins forming gap junctions. Gap junctions allow current to pass directly from one cell to the next. In addition to the ions that carry this current, other molecules, such as ATP, can diffuse through the large gap junction pores.

There are key differences between chemical and electrical synapses. Because chemical synapses depend on the release of neurotransmitter molecules from synaptic vesicles to pass on their signal, there is an approximately one millisecond delay between when the axon potential reaches the presynaptic terminal and when the neurotransmitter leads to opening of postsynaptic ion channels. Additionally, this signaling is unidirectional. Signaling in electrical synapses, in contrast, is virtually instantaneous (which is important for synapses involved in key reflexes), and some electrical synapses are bidirectional. Electrical synapses are also more reliable as they are less likely to be blocked, and they are important for synchronizing the electrical activity of a group of neurons. For example, electrical synapses in the thalamus are thought to regulate slow-wave sleep, and disruption of these synapses can cause seizures.

Somme des signaux

Parfois, un seul EPSP est suffisamment puissant pour induire un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique, mais souvent plusieurs entrées présynaptiques doivent créer des EPSP à peu près en même temps pour que le neurone postsynaptique soit suffisamment dépolarisé pour déclencher un potentiel d'action. This process is called summation and occurs at the axon hillock, as illustrated in (Figure). Additionally, one neuron often has inputs from many presynaptic neurons—some excitatory and some inhibitory—so IPSPs can cancel out EPSPs and vice versa. C'est la variation nette de la tension de la membrane postsynaptique qui détermine si la cellule postsynaptique a atteint son seuil d'excitation nécessaire pour déclencher un potentiel d'action. Ensemble, la sommation synaptique et le seuil d'excitation agissent comme un filtre afin que le « bruit » aléatoire dans le système ne soit pas transmis en tant qu'information importante.


Interface cerveau-ordinateur
La sclérose latérale amyotrophique (SLA, également appelée maladie de Lou Gehrig) est une maladie neurologique caractérisée par la dégénérescence des motoneurones qui contrôlent les mouvements volontaires. La maladie commence par un affaiblissement musculaire et un manque de coordination et finit par détruire les neurones qui contrôlent la parole, la respiration et la déglutition. À la fin, la maladie peut conduire à la paralysie. À ce stade, les patients ont besoin de l'aide de machines pour pouvoir respirer et communiquer. Plusieurs technologies spéciales ont été développées pour permettre aux patients « confinés » de communiquer avec le reste du monde. Une technologie, par exemple, permet aux patients de taper des phrases en secouant la joue. Ces phrases peuvent ensuite être lues à haute voix par un ordinateur.

A relatively new line of research for helping paralyzed patients, including those with ALS, to communicate and retain a degree of self-sufficiency is called brain-computer interface (BCI) technology and is illustrated in (Figure). This technology sounds like something out of science fiction: it allows paralyzed patients to control a computer using only their thoughts. Il existe plusieurs formes de BCI. Certaines formes utilisent des enregistrements EEG à partir d'électrodes collées sur le crâne. Ces enregistrements contiennent des informations provenant de grandes populations de neurones qui peuvent être décodées par un ordinateur. D'autres formes de BCI nécessitent l'implantation d'un réseau d'électrodes plus petit qu'un timbre-poste dans la zone des bras et des mains du cortex moteur. Cette forme de BCI, bien que plus invasive, est très puissante car chaque électrode peut enregistrer les potentiels d'action réels d'un ou plusieurs neurones. Ces signaux sont ensuite envoyés à un ordinateur, qui a été formé pour décoder le signal et le transmettre à un outil, tel qu'un curseur sur un écran d'ordinateur. Cela signifie qu'un patient atteint de SLA peut utiliser le courrier électronique, lire Internet et communiquer avec les autres en pensant à bouger sa main ou son bras (même si le patient paralysé ne peut pas faire ce mouvement corporel). Des avancées récentes ont permis à une patiente paralysée enfermée qui a subi un AVC il y a 15 ans de contrôler un bras robotisé et même de se nourrir de café grâce à la technologie BCI.

Malgré les progrès étonnants de la technologie BCI, elle a également des limites. La technologie peut nécessiter de nombreuses heures de formation et de longues périodes de concentration intense pour le patient, elle peut également nécessiter une intervention chirurgicale cérébrale pour implanter les dispositifs.


Watch this video in which a paralyzed woman uses a brain-controlled robotic arm to bring a drink to her mouth, among other images of brain-computer interface technology in action.

Plasticité synaptique

Synapses are not static structures. They can be weakened or strengthened. They can be broken, and new synapses can be made. Synaptic plasticity allows for these changes, which are all needed for a functioning nervous system. In fact, synaptic plasticity is the basis of learning and memory. Two processes in particular, long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) are important forms of synaptic plasticity that occur in synapses in the hippocampus, a brain region that is involved in storing memories.

Long-term Potentiation (LTP)

Long-term potentiation (LTP) is a persistent strengthening of a synaptic connection. LTP is based on the Hebbian principle: cells that fire together wire together. There are various mechanisms, none fully understood, behind the synaptic strengthening seen with LTP. One known mechanism involves a type of postsynaptic glutamate receptor, called NMDA (N-Methyl-D-aspartate) receptors, shown in (Figure). These receptors are normally blocked by magnesium ions however, when the postsynaptic neuron is depolarized by multiple presynaptic inputs in quick succession (either from one neuron or multiple neurons), the magnesium ions are forced out allowing Ca ions to pass into the postsynaptic cell. Next, Ca 2+ ions entering the cell initiate a signaling cascade that causes a different type of glutamate receptor, called AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) receptors, to be inserted into the postsynaptic membrane, since activated AMPA receptors allow positive ions to enter the cell. So, the next time glutamate is released from the presynaptic membrane, it will have a larger excitatory effect (EPSP) on the postsynaptic cell because the binding of glutamate to these AMPA receptors will allow more positive ions into the cell. The insertion of additional AMPA receptors strengthens the synapse and means that the postsynaptic neuron is more likely to fire in response to presynaptic neurotransmitter release. Some drugs of abuse co-opt the LTP pathway, and this synaptic strengthening can lead to addiction.

Long-term Depression (LTD)

Long-term depression (LTD) is essentially the reverse of LTP: it is a long-term weakening of a synaptic connection. One mechanism known to cause LTD also involves AMPA receptors. In this situation, calcium that enters through NMDA receptors initiates a different signaling cascade, which results in the removal of AMPA receptors from the postsynaptic membrane, as illustrated in (Figure). The decrease in AMPA receptors in the membrane makes the postsynaptic neuron less responsive to glutamate released from the presynaptic neuron. While it may seem counterintuitive, LTD may be just as important for learning and memory as LTP. The weakening and pruning of unused synapses allows for unimportant connections to be lost and makes the synapses that have undergone LTP that much stronger by comparison.


Résumé de la section

Neurons have charged membranes because there are different concentrations of ions inside and outside of the cell. Voltage-gated ion channels control the movement of ions into and out of a neuron. When a neuronal membrane is depolarized to at least the threshold of excitation, an action potential is fired. The action potential is then propagated along a myelinated axon to the axon terminals. In a chemical synapse, the action potential causes release of neurotransmitter molecules into the synaptic cleft. Through binding to postsynaptic receptors, the neurotransmitter can cause excitatory or inhibitory postsynaptic potentials by depolarizing or hyperpolarizing, respectively, the postsynaptic membrane. In electrical synapses, the action potential is directly communicated to the postsynaptic cell through gap junctions—large channel proteins that connect the pre-and postsynaptic membranes. Synapses are not static structures and can be strengthened and weakened. Two mechanisms of synaptic plasticity are long-term potentiation and long-term depression.

Questions de connexion visuelle

(Figure) Potassium channel blockers, such as amiodarone and procainamide, which are used to treat abnormal electrical activity in the heart, called cardiac dysrhythmia, impede the movement of K+ through voltage-gated K+ channels. Which part of the action potential would you expect potassium channels to affect?

(Figure) Potassium channel blockers slow the repolarization phase, but have no effect on depolarization.

Questions de révision

For a neuron to fire an action potential, its membrane must reach ________.

  1. hyperpolarization
  2. the threshold of excitation
  3. la période réfractaire
  4. inhibitory postsynaptic potential

After an action potential, the opening of additional voltage-gated ________ channels and the inactivation of sodium channels, cause the membrane to return to its resting membrane potential.

What is the term for protein channels that connect two neurons at an electrical synapse?

  1. synaptic vesicles
  2. voltage-gated ion channels
  3. gap junction protein
  4. sodium-potassium exchange pumps

Which of the following molecules is ne pas involved in the maintenance of the resting membrane potential?

Questions de pensée critique

How does myelin aid propagation of an action potential along an axon? How do the nodes of Ranvier help this process?

Myelin prevents the leak of current from the axon. Nodes of Ranvier allow the action potential to be regenerated at specific points along the axon. They also save energy for the cell since voltage-gated ion channels and sodium-potassium transporters are not needed along myelinated portions of the axon.

What are the main steps in chemical neurotransmission?

An action potential travels along an axon until it depolarizes the membrane at an axon terminal. Depolarization of the membrane causes voltage-gated Ca 2+ channels to open and Ca 2+ to enter the cell. The intracellular calcium influx causes synaptic vesicles containing neurotransmitter to fuse with the presynaptic membrane. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and binds to receptors on the postsynaptic membrane. Depending on the specific neurotransmitter and postsynaptic receptor, this action can cause positive (excitatory postsynaptic potential) or negative (inhibitory postsynaptic potential) ions to enter the cell.

Describe how long-term potentiation can lead to a nicotine addiction.

Long-term potentiation describes the process whereby exposure to a stimulus increases the likelihood that a neuron will depolarize in response to that stimulus in the future. Nicotine exposure causes long-term potentiation of neurons in the amygdala, and activates reward centers of the brain. As nicotine exposure continues, long-term potentiation reinforces the activation of the reward pathways in response to nicotine consumption.

Glossaire


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