Une introduction à la neurophysiologie

Neuroscience

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Summary

La neurophysiologie est largement définie comme l’étude de la fonction du système nerveux. Dans ce domaine, les scientifiques enquêtent sur les systèmes nerveux centraux et périphériques au niveau des organes entiers, des réseaux cellulaires, des cellules seules ou même des compartiments sous-cellulaires. Une caractéristique unifiante de cette vaste discipline est l’intérêt dans les mécanismes qui amènent à la production et la propagation d’impulsions électriques à l’intérieur et entre les neurones. Cette matière est importante non seulement pour notre compréhension des procédés fascinants dirigeant la pensée humaine, mais aussi notre habilité à diagnostiquer et traiter les troubles relatifs aux disfonctionnements du système nerveux.

Cette vidéo fournit une introduction au domaine de la neurophysiologie, en commençant pat un bref historique de la recherche en neurophysiologie qui met en vitrine les études marquantes comme les observations de Galvani de la jambe de grenouille tressaillante et la découverte de Eccle de la synapse chimique. Ensuite, les questions clés que se posent les neurophysiologistes sont introduites, suivies par un aperçu de quelques outils expérimentaux remarquables utilisés pour répondre à ces questions. Les méthodes présentées vont des techniques utilisées pour sonder les cellules seules, comme le patch-clamp, à celles qui peuvent mesurer l’activité à travers de larges régions du cerveau, comme l’électroencéphalographie (EEG). Finalement, des utilisations de la recherche neurophysiologique sont présentées, incluant le développement des interfaces machine-cerveau qui permettent le contrôle d’appareils en utilisant la pensée.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. L’essentiel de la Neuroscience. Une introduction à la neurophysiologie. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Le domaine de la neurophysiologie fournit une vue d’ensemble du fonctionnement du système nerveux et explique comment ses dysfonctionnements peuvent amener à des maladies. La physiologie est l’étude du fonctionnement des organismes et de leurs parties. La neurophysiologie peut être définie comme l’étude du fonctionnement du système nerveux, ce qui inclut le cerveau, la colonne vertébrale, les nerfs périphériques et les organes sensoriels.

Les neurophysiologistes approchent le système nerveux à de multiples niveaux d’organisation comme les systèmes fonctionnels, les circuits, les neurones seuls et les compartiments neuronaux.

La vidéo présente un bref historique de la neurophysiologie, introduit les questions clés posées par les neurophysiologistes, décrit quelques éminentes méthodes et finalement présente des utilisations de ce domaine.

Commençons par passer en revue quelques études marquantes dans l’histoire de la neurophysiologie.

Les propriétés du système nerveux ont captivé l’esprit de l’homme depuis au moins 1600 av. J-C, lorsque les égyptiens rédigèrent le plus vieux document mentionnant le cerveau.

Passons à l’ère moderne : en 1771, Luigi Galvani démontra qu’un choc électrique pouvait faire tressaillir un muscle de grenouille morte. Il affirma que cet effet était dû à « l’électricité animale ».

Ce ne fut pas avant les années 1840 qu’Emil Du Bois-Reymond fut capable de prouver que cette électricité animale était en fait une impulsion nerveuse ou un « potentiel d’action ».

Passons à 1924, quand Hans Berger enregistra la nature électrique de l’activité globale du cerveau chez l’humain par électroencéphalographie ou EEG – une technique qui est toujours largement utilisée par les neurophysiologistes aujourd’hui.

En 1951 Sir John Eccles découvrit un moyen crucial via lequel l’information est transmise d’un neurone à un autre. Il décrivit la synapse chimique où le signal électrique d’un neurone est convertit en un signal chimique qui est reçu par le second neurone.

Plus tard, en 1939, Alan Hodgkin et Andrew Huxley déterminèrent que la membrane cellulaire du neurone, permettait aux particules chargées de s’écouler au travers d’une manière prédictible et dans les deux sens, dans un axone géant de calamar.

Ensuite, en 1976 Erwin Neher et Bert Sakmann développèrent la technique de patch-clamp, qui fournit un moyen d’étudier les membranes de cellules nerveuses en détails raffinés.

Plus récemment, en 2005, Karl Diesseroth, Ed Boyden et Feng Zhang conçurent une stratégie révolutionnaire appelée optogénétique, pour contrôler les propriétés électriques des neurones en les modifiant génétiquement pour créer des canaux sensibles à la lumière appartenant à une famille de protéines appelée « opsine ». En activant ces canaux avec la lumière ciblée, les neurones spécifiques peuvent être excités ou inhibés avec une précision qui était jusqu’alors impossible, permettant ainsi la manipulation détaillée de circuits neuronaux.

Maintenant que nous avons passé en revue les temps forts historiques, examinons quelques unes des questions fondamentales que se posent les neurophysiologistes aujourd’hui.

Pour commencer, certains chercheurs se concentrent sur la manière dont les fonctions des neurones individuels sont regulees au niveau cellulaire et moléculaire.

Par exemple, ils peuvent étudier comment des récepteurs spécifiques sur les dendrites contribuent à la réponse post-synaptique, qui pourrait amener à un potentiel d’action. Ils peuvent aussi enquêter sur le couple excitation-sécrétion à la synapse, ce qui signifie qu’ils analysent comment l’excitation neuronale et la machinerie pré-synaptique affectent la libération de neurotransmetteurs.

D’autres neurophysiologistes se demandent comment les neurones traitent l’information reçue à leurs dendrites. Ils peuvent utiliser de multiples techniques pour étudier l’axone, les dendrites et les épines dentritiques d’un seul neurone simultanément.

D’autres neurophysiologistes étudient comment les circuits neuronaux traitent l’information. Les circuits sont en général étudiés dans le contexte d’un comportement simple ou d’une réponse à un stimulus qu’ils sont supposés contrôler.

Certains neurophysiologistes regardent les modeles d’activité au-dessus de larges régions du système nerveux. Ils peuvent se demander comment l’activité cérébrale, montrée en jaune et rouge, se déplace entre les régions du cerveau en fonction de ce que fait le sujet.

Comme vous le voyez, un neurophysiologiste peut s’attaquer à une gamme de questions scientifiques allant de la simple molécule du neurone à une activité répandue dans tout le cerveau.

Maintenant que vous en savez plus sur certaines des questions clés posées par les neurophysiologistes, regardons quelques unes des méthodes utilisées pour y répondre.

La technique du patch-clamp est l’une des plus largement utilisées pour la recherche sur les neurones au niveau moléculaire et cellulaire. En utilisant une petite succion, une électrode capillaire en verre fin est scellée sur le neurone permettant le monitoring interne de toute la réactivité cellulaire. Il existe aussi des configurations de patch-clamp où une petite pièce de membrane est excisée de la cellule, fournissant ainsi un accès au côté cytoplasmique de la membrane plasmique pour la manipulation pharmacologique.

L’imagerie calcique peut être utilisée pour explorer l’excitation sur le neurone entier. Les neurones sont chargés avec une encre qui change sa fluorescence en réponse à une concentration élevée en calcium à l’intérieur de la cellule. Même si le calcium intracellulaire a de nombreuses fonctions, l’imagerie calcique peut être utilisée comme une mesure indirecte des potentiels d’action comme montré avec ce neurone exemple.

Les techniques utilisées pour étudier les circuits neuronaux ont besoin d’être capable de surveiller plusieurs neurones à la fois. L’utilisation de séries de multi-électrodes avec plusieurs contacts est une méthode utilisée pour enregistrer depuis plusieurs neurones simultanément.

Le système de circuits neuronaux peut aussi être sondé en utilisant l’optogénétique, lors de laquelle les neurones sont modifiés pour exprimer des canaux ioniques sensibles à la lumière. Lorsqu’ils sont exposés à la lumière, ces canaux s’ouvrent et en fonction de leur sélectivité ionique, ils peuvent soit inhiber, soit exciter le neurone, ce qui fournit une vue sur le rôle que ce neurone joue dans un circuit particulier et la réponse comportementale gouvernée par ce circuit.

Pour visualiser les motifs de l’activité sur une échelle plus large, une variété de techniques sont utilisées. L’électroencéphalographie ou EEG utilise des électrodes sur le crâne pour surveiller l’activité électrique à travers le cerveau entier. Une deuxième méthode est l’électrocorticographie ou ECoG, qui surveille aussi l’activité électrique mais avec des électrodes placées sur la surface du cortex cérébral. Cette méthode est typiquement réalisée en conjonction avec une procédure clinique telle que celles réalisées sur des patients épileptiques. Une autre technique connue comme la spectroscopie fonctionnelle aux infrarouges proches, emploie des infrarouges pour surveiller l’oxygène utilisé comme corrélat de l’activité neuronale, ce qui peut être surveillé pendant des tâches comportementales.

Maintenant que vous êtes familiers avec quelques unes des approches communes de recherche, regardons quelques utilisations de la recherche neurophysiologique.

Un des objectifs majeurs de ce domaine est de comprendre la cause et le traitement des dysfonctionnements du système nerveux, comme l’épilepsie. Une des approches est d’implanter des électrodes pour des enregistrements électrocorticographiques de l’activité cérébrale d’un patient en vue de localiser les régions cérébrales dysfonctionnelles causant la crise.

Une nouvelle utilisation passionnante pour la neurophysiologie est le développement d’interfaces machine-cerveau. Dans ces interfaces l’activité du cerveau est surveillée pendant que le sujet pense à réaliser une tâche, comme le déplacement d’un curseur sur un écran. L’activité est introduite dans l’ordinateur comme signal de commande pour le curseur. En pratique, ces appareils sont controles par la pensee.

Une autre utilisation de la neurophysiologie est la recherche de système de circuits neuronaux en utilisant l’optogénétique. Par l’assemblage d’une fibre optique qui se connecte à un coupleur implanté dans le cerveau d’une souris génétiquement conçue, ces chercheurs peuvent directement visualiser le résultat comportemental de la stimulation des circuits neuronaux définis.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la neurophysiologie et son étude du système nerveux. Nous avons vu les temps forts historiques, les questions clés posées par les neurophysiologistes et quelques unes des techniques qu’ils utilisent. Merci de nous avoir regardés!

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