Électrophysiologie : potentiel de repos et potentiel d'action

Les cellules nerveuses et musculaires sont dites excitables : elles répondent à une stimulation par une variation brutale et réversible de leur potentiel de membrane. Ce chapitre explique l'origine ionique du potentiel de repos, la genèse et les phases du potentiel d'action, puis sa propagation le long de l'axone. Les tracés à interpréter et l'explication ionique de chaque phase sont des grands classiques d'examen.

1. Propriétés électriques de la membrane

L'électrophysiologie étudie les phénomènes électriques et électrochimiques des cellules et tissus excitables. La membrane plasmique, bicouche lipidique isolante percée de canaux, se comporte comme un condensateur associé à une résistance. Le potentiel de membrane V_m est la différence de potentiel entre l'intérieur et l'extérieur : V_m = V_int − V_ext, exprimée en millivolts. Le courant qui traverse la membrane est un flux d'ions, relié au potentiel par la loi d'Ohm I = V_m / R_m. Les grandeurs mesurées sont très petites : millivolts pour les potentiels, micro- à picoampères pour les courants.

Deux techniques historiques ont permis ces mesures : la microélectrode intracellulaire, qui enregistre le potentiel d'une seule cellule (travaux de Hodgkin et Huxley sur l'axone géant de calmar), et le patch-clamp de Neher et Sakmann, qui isole un fragment de membrane et permet de suivre l'ouverture d'un canal unique. À l'échelle de l'organe, les mêmes phénomènes se lisent sur l'électrocardiogramme (activité électrique du cœur) et l'électroencéphalogramme (activité corticale spontanée, ondes alpha, bêta, thêta et delta).

2. Le potentiel de repos et son origine ionique

Au repos, l'intérieur de la cellule est négatif par rapport à l'extérieur : le potentiel de repos est voisin de −70 mV dans un neurone et de −90 mV dans une fibre musculaire squelettique. Il résulte de deux conditions. D'abord des gradients de concentration opposés : le K⁺ est très concentré à l'intérieur, le Na⁺ et le Cl⁻ à l'extérieur, tandis que les anions protéiques intracellulaires ne peuvent sortir. Ensuite une perméabilité sélective : au repos, la membrane est bien plus perméable au K⁺ qu'au Na⁺ grâce aux canaux de fuite potassiques.

Le K⁺ tend donc à sortir suivant son gradient chimique, laissant derrière lui des charges négatives ; la différence de potentiel qui s'installe s'oppose à cette sortie jusqu'à l'équilibre décrit par l'équation de Nernst, qui donne le potentiel d'équilibre d'un ion à partir du rapport de ses concentrations de part et d'autre de la membrane. Le potentiel de repos réel est un peu moins négatif que le potentiel d'équilibre du potassium parce que la membrane laisse entrer un peu de Na⁺ : l'équation de Goldman, qui pondère chaque ion par sa perméabilité, en rend compte. Enfin la pompe Na⁺/K⁺ ATPase, qui expulse 3 Na⁺ pour 2 K⁺ entrants au prix d'un ATP, maintient les gradients à long terme et contribue directement de quelques millivolts au potentiel : elle est électrogène.

3. Seuil, excitabilité et loi du tout ou rien

Une stimulation modifie localement le potentiel. Si elle est infraliminaire, elle ne produit qu'une réponse locale, graduée et non propagée : la faible entrée de Na⁺ est aussitôt compensée par la pompe et le potentiel revient à sa valeur de repos. Si la dépolarisation atteint le potentiel seuil ou potentiel critique — de l'ordre de −55 mV dans un neurone —, elle ouvre en masse les canaux sodiques voltage-dépendants et déclenche un potentiel d'action.

Le potentiel d'action obéit à la loi du tout ou rien : une fois le seuil franchi, son amplitude et sa durée ne dépendent plus de l'intensité du stimulus. Augmenter l'intensité ne rend pas le potentiel d'action plus grand : cela raccourcit sa latence et surtout augmente la fréquence des potentiels d'action émis. C'est par ce codage en fréquence que le système nerveux traduit l'intensité d'un message. L'excitabilité se caractérise par deux paramètres classiques : la rhéobase, intensité minimale efficace appliquée très longtemps, et la chronaxie, durée nécessaire pour une intensité double de la rhéobase.

4. Phases du potentiel d'action et périodes réfractaires

La dépolarisation correspond à l'ouverture des canaux Na⁺ voltage-dépendants : le sodium entre massivement suivant son double gradient, chimique et électrique, et le potentiel s'inverse jusqu'à une valeur positive proche de +30 mV. Les canaux sodiques s'inactivent alors spontanément tandis que s'ouvrent, avec retard, les canaux K⁺ voltage-dépendants : la sortie de potassium ramène le potentiel vers sa valeur de repos, c'est la repolarisation. La fermeture tardive de ces canaux potassiques provoque une brève hyperpolarisation (post-potentiel positif) avant le retour au repos. L'ensemble dure de l'ordre de 1 à 2 ms dans une fibre nerveuse.

Pendant la dépolarisation et le début de la repolarisation, les canaux sodiques inactivés ne peuvent pas se rouvrir : aucun stimulus, même très intense, ne déclenche de nouveau potentiel d'action. C'est la période réfractaire absolue, qui explique le caractère unidirectionnel de la propagation et limite la fréquence maximale de décharge. Elle est suivie d'une période réfractaire relative, pendant laquelle un stimulus plus intense que la normale peut de nouveau être efficace. Il faut noter que les quantités d'ions déplacées sont infimes : les concentrations intracellulaires ne varient pratiquement pas, la pompe Na⁺/K⁺ restaurant l'état initial en arrière-plan.

5. La propagation de l'influx nerveux

Dans une fibre amyélinique, le potentiel d'action se propage de proche en proche : la zone dépolarisée crée des courants locaux qui dépolarisent la région voisine jusqu'au seuil, et ainsi de suite. La propagation est lente et unidirectionnelle, la zone qui vient d'être activée étant en période réfractaire. Dans une fibre myélinisée, la gaine de myéline isole l'axone et les canaux voltage-dépendants sont concentrés aux nœuds de Ranvier : l'influx saute d'un nœud à l'autre, c'est la conduction saltatoire, beaucoup plus rapide et plus économe en énergie. La vitesse de conduction augmente donc avec le diamètre de la fibre et avec la myélinisation ; sa dégradation explique les troubles observés dans les maladies démyélinisantes.