Name: how neurons keep a negative resting charge
Uploaded: 2019-03-11T09:21:27.000Z
Duration: 1 min 21 s
Channel: JoVE

Le potentiel de la membrane de reposest la différence de potentiel électriqueentre l'intérieur et l'extérieur de la membrane cellulairedes neurones au repos lorsqu'ils ne sont pas stimulés. 
Typiquement, la valeur est d'environ -70 millivolts,ce qui signifie qu'il est plus négatif à l'intérieur. 
Les membranes cellulaires sont sélectivement perméables,parce que la plupart des ions et des moléculesne peuvent pas se diffuser passivement à travers eux. 
Ils ont souvent besoin de protéines trans-membranaires,comme les canaux ioniques,pour leur permettre de passer à travers. 
Quand un neurone est au repos, les canaux potassiquessont les principaux types de canaux ioniques ouverts. 
Une autre protéine trans membranaire,la pompe sodium-potassium,utilise de l'énergie pour déplacer continuellement le sodiumde la cellule et du potassium. 
Cette action crée un gradient de concentration,avec une concentration plus élevée de potassiumà l'intérieur qu'à l'extérieur. 
La force de diffusion provoque la diminutiondu gradient de concentration des ions potassium,à travers les canaux potassiques ouvertset hors de la cellule. 
Le mouvement de ces ions positifs vers l'extérieurcombiné avec des protéines chargées négativementà l'intérieur de la cellulecrée une charge négative à l'intérieur de la membrane,un potentiel négatif,quand un neurone est au repos.

Cardozo, David. « Une approche intuitive pour comprendre le potentiel membranaire au repos », Advances in Physiology Education 40, n° 4 (11 novembre 2016) : 543-47. [<a href="https://doi.org/10.1152/advan.00049.2016 » target="__blank">Source</a>]

NARAHASHI, Toshio. « Tétrodotoxine - Une brève histoire-. » Actes de l’Académie du Japon. Série B, Sciences physiques et biologiques 84, n° 5 (mai 2008) : 147-54. [<a href="https://doi.org/10.2183/pjab.84.147 » target="__blank">Source</a>]

le potentiel membranaire de repos

<h4>Aperçu</h4>
 
 La différence relative de charge électrique, ou de tension, entre l’intérieur et l’extérieur d’une membrane cellulaire, s’appelle le potentiel membranaire. Il est généré par les différences de perméabilité de la membrane à divers ions et par les concentrations de ces ions de part et d’autres de la membrane.
 
 <h4>L’intérieur d’un neurone est plus négatif</h4>
 
 Le potentiel membranaire d’une cellule peut être mesuré en insérant une microélectrode dans une cellule et en comparant la charge à une électrode de référence dans le liquide extracellulaire. Le potentiel membranaire d’un neurone au repos, c’est-à-dire d’un neurone qui n’est pas en train de recevoir ni d’envoyer des messages, est négatif, généralement autour de -70 millivolts (mV). C’est ce qu’on appelle le potentiel de membrane de repos. La valeur négative indique que l’intérieur de la membrane est relativement plus négatif que l’extérieur : elle est polarisée. Le potentiel de repos résulte de deux facteurs majeurs : la perméabilité sélective de la membrane, et les différences dans la concentration des ions à l’intérieur de la cellule par rapport à l’extérieur.
 
 <h4>La perméabilité de la membrane</h4>
 
 Les membranes cellulaires sont sélectivement perméables parce que la plupart des ions et des molécules ne peuvent pas franchir la bicouche lipidique sans aide, qui provient souvent de canaux ioniques protéiques qui traversent la membrane. C’est parce que les ions chargés ne peuvent pas se diffuser à travers l’intérieur hydrophobe non chargé des membranes. Les ions intra- et extracellulaires les plus courants dans le tissu nerveux sont du potassium (K+), du sodium (Na+), du chlorure (Cl-), et du calcium (Ca2+). Lorsqu’un neurone est au repos, les canaux potassiques (K+) sont le principal type de canal ionique qui est ouvert, ce qui permet à K+ de migrer de l’autre côté de la membrane. Cette perméabilité, ainsi que les grandes concentrations intracellulaires, font que le potentiel membranaire de repos du neurone est déterminé principalement par la circulation de K+. 
 
 <h4>Les pompes créent des gradients de concentration </h4>
 
 Les différences de concentration en ions entre l'intérieur et l'extérieur des neurones sont principalement dues à l'activité de la pompe sodium-potassium (Na+/K+) — une protéine transmembranaire qui pompe en continu trois ions Na+ hors de la cellule pour chaque deux ions K+ qu'elle pompe dedans. Cela permet d'établir des gradients de concentration, avec une concentration plus élevée d’ions Na+ à l'extérieur des neurones et une concentration plus élevée d'ions K+ à l'intérieur. 
 
 Étant donné que la membrane est principalement perméable à K+ au repos, en raison des canaux K+ ouverts, K+ peut se diffuser en descendant son gradient de concentration vers la région de concentration inférieure, hors de la cellule. Ces charges positives qui quittent la cellule, combinées avec le fait qu’il y a beaucoup de protéines chargées négativement à l’intérieur de la cellule, font que l’intérieur est relativement plus négatif.
 
 Finalement, la diffusion vers l’extérieur de K+ est équilibrée par la répulsion électrostatique des charges positives qui s’accumulent à l’extérieur de la cellule, et l’équilibre électrochimique est atteint. L’effet net est le potentiel de repos négatif observé. Le potentiel de repos est très important dans le système nerveux parce que les changements dans le potentiel membranaire, tels que le potentiel d’action, sont la base de la signalisation neuronale.
 
 <h4>Méfiez-vous du poisson-globe</h4>
 
 On ne trouve pas souvent les poisson-globes sur les menus de fruits de mer en dehors du Japon, en partie parce qu’ils contiennent une neurotoxine puissante. La tétrodotoxine (TTX) est un bloqueur des canaux sodiques tensiodépendants très sélectif qui est mortel à des doses minimes. La dose létale médiane (LD50) pour les souris est de 334 μg/kg, comparativement à 8,5 mg/kg pour le cyanure de potassium. Elle a également servi d’outil essentiel à la recherche en neurosciences. La toxine bloque le flux de Na+ dans la cellule lorsque le canal s’ouvre. Elle perturbe donc les potentiels d’action, mais pas le potentiel de la membrane au repos, et peut être utilisée pour réduire au silence l’activité neuronale. Son mécanisme d’action a été démontré par Toshio Narahashi et John W. Moore à l’Université Duke, travaillant sur l’axone de homard géant en 1964.

Le potentiel membranaire de repos

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La différence relative de charge électrique, ou tension, entre l’intérieur et l’extérieur d’une membrane cellulaire, s’appelle la membrane ...

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The Resting Membrane Potential

how neurons keep a negative resting charge

Neurons keep a negative resting charge across their membrane. This electrical difference, called the membrane potential, comes from how ions move and how the membrane lets them pass. In a resting neuron, the inside is typically around -70 millivolts and is more negative than the outside, so the cell is polarized.

Two main factors create this resting state. First, the membrane is selectively permeable, which means most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help from ion channels. Second, ion concentrations are different inside and outside the cell. In nervous tissue, common ions include potassium (K+), sodium (Na+), chloride (Cl-), and calcium (Ca2+).

At rest, potassium channels are the main channels that are open. This makes potassium the ion that most strongly shapes the resting membrane potential. Potassium can move across the membrane more easily than many other ions, and its movement helps set the neuron’s negative charge.

The sodium-potassium pump creates the ion gradients that support this process. This transmembrane protein pumps three Na+ ions out of the cell for every two K+ ions it pumps in. As a result, Na+ builds up outside the neuron, and K+ builds up inside.

Because the membrane is mostly permeable to K+ at rest, potassium diffuses out of the cell down its concentration gradient. As positive charges leave, the inside becomes more negative. Negatively charged proteins inside the cell also contribute to this effect. Eventually, the outward movement of K+ is balanced by the electrical push from the positive charge outside the cell, and electrochemical equilibrium is reached.

This resting potential is important because changes in membrane potential are the basis of neural signaling. One example is the action potential, which depends on these voltage changes. The pufferfish toxin tetrodotoxin (TTX) blocks voltage-gated sodium channels and stops Na+ from entering when the channel opens. It disrupts action potentials, but it does not change the resting membrane potential, so it can be used to silence neuronal activity.

How Neurons Keep a Negative Resting Charge

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what is a nervous system?

Nervous System Parts and Control

The nervous system is a network of specialized cells that keeps the body working and helps it respond to the world around it. It controls essential functions such as heart rate and breathing. It also supports movement that helps an organism escape danger. In vertebrates, the nervous system has two major parts: the central nervous system, or CNS, and the peripheral nervous system, or PNS. The CNS includes the brain, spinal cord, and retina, which is the sensory tissue of the visual system. The...

the parasympathetic nervous system

Rest and Digest: Parasympathetic Control

The parasympathetic nervous system helps the body stay calm and return to a rested state. It is one of the two major divisions of the autonomic nervous system, which controls many unconscious functions such as heart rate and digestion. Its neurons are found in the brain and the peripheral nervous system, and they send axons to muscles, organs, and glands. This system is often called the “rest and digest” system because it supports body processes that restore homeostasis. It is most active...

the sympathetic nervous system

Sympathetic Stress Response and Body Changes

The sympathetic nervous system helps the body respond to stress and danger. It is one of the two main divisions of the autonomic nervous system. When it turns on, it prepares the body for action and puts lower-priority functions, such as digestion, on hold. This response is often called the fight-or-flight system. A surprise exam can trigger it, and students may notice a tight stomach, a dry mouth, and a fast heartbeat. In a real threat, the system shifts blood away from the digestive system...

the blood-brain barrier

How the Blood-Brain Barrier Works

The blood-brain barrier is a specialized system of blood vessels that helps control what enters the brain. It delivers nutrients from the blood while tightly regulating ions, molecules, pathogens, and other substances. This semipermeable barrier protects the brain and also makes it harder to deliver some therapies. The blood-brain barrier includes several cellular parts, especially endothelial cells and astrocytes. These cells share a common basement membrane and regulate movement between the...

neuron structure

How Neurons Send Signals

Neurons send signals through a clear set of structures that let them receive, process, and pass on information. They are the main cells of the nervous system and use electrochemical signals to communicate. Neurons also talk to other cells through neurotransmitters at junctions called synapses. Most neurons share three main parts: a cell body, also called the soma, dendrites, and an axon. The soma holds the nucleus and other organelles needed for cell function. Dendrites usually receive...

glial cells

Glial Cells and Nervous System Support

Glial cells support the nervous system and work alongside neurons. They are one of the two main cell types in the nervous system. Unlike neurons, glia do not send electrical signals, but they help with nearly every other part of nervous system function. In humans, glial cells are about as numerous as neurons in the brain. In the central nervous system, glia include astrocytes, oligodendrocytes, microglia, and ependymal cells. Astrocytes are the most common glial cells. They form organized,...

action potentials

How Nerve Signals Travel in Axons

Neurons send signals through action potentials, the rapid electrical changes that move along the axon. These signals lead to neurotransmitter release at axon terminals, which passes information through the nervous system. An action potential is an all-or-none change in membrane potential, the voltage across a cell membrane. A neuron usually has a resting membrane potential of about -70 millivolts. When it receives signals from neurotransmitters or sensory input, the membrane can become more...

the resting membrane potential

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long-term potentiation

Synaptic Strengthening in Learning and Memory

Long-term potentiation, or LTP, is a form of synaptic strengthening in the brain. It changes the strength of chemical synapses over time between pre- and postsynaptic neurons. LTP works against long-term depression, or LTD, which weakens synapses. Together, LTP and LTD are major mechanisms behind learning and memory. LTP can happen when a presynaptic neuron fires again and again and keeps stimulating a postsynaptic neuron. This is called Hebbian LTP, based on Donald Hebb’s idea that neurons...

long-term depression

Synaptic Pruning in Long-term Depression

Long-term depression, or LTD, is a form of synaptic plasticity that weakens chemical synapses over time. It acts between presynaptic and postsynaptic neurons. LTD works in opposition to long-term potentiation, or LTP, which strengthens synapses. Together, LTD and LTP are two of the main mechanisms behind learning and memory. LTD helps the brain avoid staying locked in a fully strengthened state. If synapses were always maximally strengthened, the brain would become less efficient and it would...

the synapse

How Neurons Signal at Synapses

Neurons communicate through synapses, the points where two neurons meet to pass on signals. At a synapse, the sending neuron is the presynaptic cell, and the receiving neuron is the postsynaptic cell. Most neurons can serve in both roles because they send and receive information. Electrical synapses move signals directly between cells. The presynaptic and postsynaptic cells are linked by gap junctions, which are proteins that physically connect them. This type of synapse can pass electrical...

key terms and concepts

Explore how selective permeability, the sodium-potassium pump, and potassium movement create the negative resting charge that prepares neurons for signaling.

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