Biophysique des membranes excitables : potentiel de repos et potentiel d'action

Le neurone est une cellule électrique : sa membrane maintient une différence de potentiel de repos, puis génère et propage des potentiels d'action. Ce chapitre applique les notions des chapitres précédents (concentrations ioniques, diffusion, conductance) pour établir l'équation de Nernst, expliquer le potentiel de repos, décrire le cycle du potentiel d'action, sa propagation et sa transmission synaptique.

1. Gradients ioniques et équation de Nernst

La membrane sépare deux milieux de composition très différente : le cytoplasme est riche en K⁺ (environ 150 mmol/L) et pauvre en Na⁺ (environ 15 mmol/L) et en Cl⁻ ; le milieu extracellulaire contient environ 150 mmol/L de Na⁺, 5 mmol/L de K⁺ et 125 mmol/L de Cl⁻. Ces gradients sont entretenus par la pompe Na⁺/K⁺ ATPase, qui expulse 3 Na⁺ et fait entrer 2 K⁺ par ATP hydrolysé (pompe électrogène). Chaque ion est soumis à deux forces : le gradient chimique (diffusion, loi de Fick) et le gradient électrique. Le potentiel pour lequel les deux se compensent est le potentiel d'équilibre donné par l'équation de Nernst : E_ion = (RT / zF) × ln (C_ext / C_int), soit à 37 °C environ (61 / z) × log (C_ext/C_int) en millivolts. On obtient E_K ≈ −90 mV, E_Na ≈ +60 à +70 mV et E_Cl ≈ −70 mV.

2. Le potentiel de repos

Au repos, la membrane est essentiellement perméable au K⁺ (canaux de fuite) et très peu au Na⁺. Le potentiel de membrane V_m, proche de −70 mV dans un neurone (−90 mV dans une fibre musculaire), se rapproche donc de E_K sans l'atteindre, à cause de la faible entrée de Na⁺. L'équation de Goldman-Hodgkin-Katz généralise Nernst en pondérant chaque ion par sa perméabilité. La force électromotrice qui agit sur un ion est l'écart (V_m − E_ion) : au repos elle est faible pour K⁺ et Cl⁻, mais très grande pour Na⁺ (environ 130 mV), qui n'attend qu'une ouverture de canaux pour se précipiter dans la cellule. Le courant porté par chaque ion suit une loi d'Ohm : I_ion = g_ion × (V_m − E_ion), où la conductance g_ion = 1/R_ion reflète la perméabilité, c'est-à-dire le nombre de canaux ouverts.

3. Le potentiel d'action

Si une dépolarisation atteint le seuil (environ −55 mV), les canaux Na⁺ voltage-dépendants s'ouvrent massivement : l'entrée de Na⁺ dépolarise encore plus la membrane (rétrocontrôle positif), et V_m s'inverse jusqu'à environ +30 mV en direction de E_Na. C'est la phase de dépolarisation, portée par une augmentation transitoire de g_Na. En une milliseconde, les canaux Na⁺ s'inactivent tandis que les canaux K⁺ voltage-dépendants, plus lents, s'ouvrent : la sortie de K⁺ ramène le potentiel vers E_K (repolarisation), avec souvent une hyperpolarisation transitoire avant le retour au repos. Le potentiel d'action obéit à la loi du tout ou rien : son amplitude ne dépend pas de l'intensité du stimulus, seule sa fréquence code l'information. Pendant la période réfractaire absolue (canaux Na⁺ inactivés), aucun nouveau potentiel d'action n'est possible ; pendant la période réfractaire relative, un stimulus plus fort est nécessaire. Le canal Na⁺ est une protéine à 4 domaines de 6 hélices transmembranaires ; il est bloqué par la tétrodotoxine (TTX), alors que le tétraéthylammonium bloque les canaux K⁺. Ces mécanismes ont été établis par Hodgkin et Huxley (1952) sur l'axone géant de calmar en voltage-clamp, et les canaux uniques sont étudiés par le patch-clamp (Neher et Sakmann), où la résistance du fragment de membrane scellé atteint 10⁹ Ω.

4. Propagation et vitesse de conduction

Le potentiel d'action se propage sans atténuation (propagation conservative ou régénérative) : les courants locaux dépolarisent la zone voisine jusqu'au seuil, tandis que la zone déjà excitée, réfractaire, empêche le retour en arrière. Dans une fibre amyélinique, la conduction est continue et lente (0,5 à 2 m/s) ; la vitesse croît avec le diamètre de l'axone, car la résistance interne diminue. Dans une fibre myélinisée, la gaine de myéline isole l'axone et les canaux ne sont concentrés qu'aux nœuds de Ranvier : le potentiel d'action saute de nœud en nœud (conduction saltatoire), plus rapide (jusqu'à 120 m/s) et plus économe en énergie. Les propriétés de câble de la fibre se résument par la constante d'espace λ (distance sur laquelle une dépolarisation passive s'atténue de 63 %) et la constante de temps τ = R_m C_m. La démyélinisation (sclérose en plaques) ralentit ou bloque la conduction.

5. Transmission synaptique et intégration

À la synapse électrique, des jonctions communicantes (connexons) laissent passer directement le courant : transmission très rapide, bidirectionnelle, fréquente dans le myocarde et les muscles lisses. À la synapse chimique, l'arrivée du potentiel d'action au bouton présynaptique ouvre des canaux Ca²⁺ voltage-dépendants ; l'entrée de Ca²⁺ déclenche l'exocytose des vésicules de neurotransmetteur (acétylcholine, glutamate, GABA, dopamine…), qui diffuse dans la fente synaptique et se fixe sur des récepteurs ionotropes (canaux) ou métabotropes (couplés aux protéines G). Il en résulte un potentiel post-synaptique excitateur (PPSE, dépolarisant, entrée de Na⁺) ou inhibiteur (PPSI, hyperpolarisant, entrée de Cl⁻ ou sortie de K⁺). Ces potentiels gradués, à décroissance passive, s'additionnent dans l'espace et dans le temps (sommation) et le segment initial de l'axone, très riche en canaux Na⁺, décide du déclenchement d'un potentiel d'action. La transmission chimique est unidirectionnelle et introduit un délai synaptique de l'ordre de la milliseconde.