NE-ANeurophysiologie

Potentiel d'action et propagation le long de la fibre nerveuse

Idée directrice

Un dispositif de stimulation-enregistrement fournit des tracés de potentiel de membrane. La trajectoire : décrire le potentiel de repos et les phases du potentiel d'action (PA), établir la loi du tout-ou-rien (existence d'un seuil), et exploiter les temps de latence pour calculer une vitesse de conduction. On relie amplitude constante du PA et codage en fréquence.

Signature de reconnaissance — l'énoncé se trahit ainsi

« Nommer et expliquer le potentiel enregistré au repos » ; « Décrire les différentes phases du potentiel d'action » ; « Énoncer la loi du tout-ou-rien » ; « Calculer la vitesse de propagation du message nerveux » ; « Comment est codé le message nerveux le long d'une fibre ? »

Sujet principal

Exercice — dans l'esprit des sujets du bac

7 questionsCorrigé masqué

Sur une fibre nerveuse isolée, une microélectrode réceptrice mesure le potentiel de membrane. On applique des stimulations d'intensité croissante et on observe :

au repos, une différence de potentiel de $-70\,\text{mV}$ ;
pour une stimulation faible ( $I < I_s$ ) : aucune réponse propagée ;
dès que $I \geqslant I_s = 2\,\text{mA}$ : apparition d'un potentiel d'action d'amplitude $\approx +30\,\text{mV}$ , identique quelle que soit l'intensité au-delà du seuil.

Nommer le potentiel enregistré au repos et donner sa valeur. À quoi est-il dû ?
Décrire les phases du potentiel d'action et énoncer la loi qu'il vérifie.
1. Nommer les phases : dépolarisation, repolarisation, hyperpolarisation.
2. Énoncer la loi du tout-ou-rien et la justifier avec les données.
Deux électrodes réceptrices $R_1$ et $R_2$ distantes de $d = 6\,\text{cm}$ enregistrent le PA avec un décalage temporel $\Delta t = 1{,}5\,\text{ms}$ . Calculer la vitesse de propagation.
Si l'intensité de stimulation devient très supérieure au seuil, comment évolue l'information transmise le long d'une fibre ? Comment le message est-il codé ?

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1. D'après le document, au repos la microélectrode enregistre une différence de potentiel de $-70\,\text{mV}$ : c'est le potentiel de repos. Il résulte de la répartition inégale des ions de part et d'autre de la membrane (forte $[\text{K}^+]$ interne, forte $[\text{Na}^+]$ externe), maintenue par la pompe Na⁺/K⁺ et par la forte perméabilité au $\text{K}^+$ au repos.

2.(a) D'après le document, dès que $I \geqslant I_s = 2\,\text{mA}$ , on enregistre un potentiel d'amplitude maximale aboutissant à $\approx +30\,\text{mV}$ . Les phases du potentiel d'action sont :

Dépolarisation : ouverture des canaux Na⁺ voltage-dépendants, entrée massive de $\text{Na}^+$ , le potentiel passe de $-70\,\text{mV}$ à $\approx +30\,\text{mV}$ (inversion de polarité).
Repolarisation : fermeture des canaux Na⁺, ouverture des canaux K⁺, sortie de $\text{K}^+$ , retour vers la valeur de repos.
Hyperpolarisation transitoire puis retour au potentiel de repos grâce à la pompe Na⁺/K⁺.

2.(b) Pour $I < I_s$ : aucune réponse propagée. Pour $I \geqslant I_s$ : le PA apparaît avec une amplitude maximale et constante ( $\approx +30\,\text{mV}$ ), indépendante de l'intensité au-delà du seuil. C'est la loi du tout-ou-rien : le PA d'amplitude fixée naît seulement si le seuil est atteint ; en deçà, rien.

3. La vitesse de propagation est le rapport de la distance entre les électrodes réceptrices au décalage temporel :

v = \dfrac{d}{\Delta t} = \dfrac{6\cdot 10^{-2}\,\text{m}}{1{,}5\cdot 10^{-3}\,\text{s}} = 40\,\text{m}\cdot\text{s}^{-1}.

4. L'amplitude du PA restant fixe (tout-ou-rien), une intensité très supérieure au seuil n'accroît pas la taille du signal unitaire : le long d'une fibre, le message est un message codé en fréquence (plus de PA par unité de temps). À l'échelle d'un nerf, le recrutement de fibres supplémentaires renforce encore le message.

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

Entraînement 01 / 02

Drill NE-A.1 — potentiel d'action (loi du tout ou rien)

1 questionCorrigé masqué

Énoncer la loi du tout ou rien pour une fibre unique et décrire les phases d'un potentiel d'action.

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D'après le document (fibre unique, intensité croissante) : si le stimulus n'atteint pas le seuil, aucune réponse propagée ; dès le seuil, un PA d'amplitude maximale et constante naît. C'est la loi du tout-ou-rien. Phases : dépolarisation (entrée Na⁺, potentiel d'amplitude jusqu'à $\approx +30\,\text{mV}$ ), repolarisation (sortie K⁺), légère hyperpolarisation puis retour au repos. $\boxed{\text{tout ou rien ; PA d'amplitude constante}}$ .

Entraînement 02 / 02

Drill NE-A.2 — vitesse et codage du message

1 questionCorrigé masqué

Comment est codée l'intensité d'un stimulus le long d'une fibre, puisque l'amplitude du PA est constante ?

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Au-delà du seuil, la réponse enregistrée est un phénomène électrique d'amplitude maximale qui ne peut être qu'un PA (loi du tout-ou-rien) : son amplitude ne varie plus avec l'intensité. Le long d'une fibre, l'intensité du stimulus est donc codée par la fréquence des PA (et, à l'échelle d'un nerf, par le nombre de fibres recrutées). $\boxed{\text{codage en fréquence}}$ .

Méthode / Automatismes

Potentiel de repos $\approx -70\,\text{mV}$ : pompe Na⁺/K⁺ + perméabilité au K⁺.
PA = dépolarisation (Na⁺ entre) $\to$ repolarisation (K⁺ sort) $\to$ hyperpolarisation.
Tout-ou-rien : seuil $I_s$ ; au-delà, amplitude constante.
$v = \dfrac{d}{\Delta t}$ (attention aux unités : cm→m, ms→s); codage en fréquence sur une fibre.

Pièges classiques

Croire que l'amplitude du PA augmente avec l'intensité : elle est constante (tout-ou-rien) — c'est la fréquence qui varie.
Erreur d'unités dans $v = d/\Delta t$ : convertir cm en m et ms en s avant de diviser.
Confondre codage en fréquence (une fibre) et codage en population / recrutement (un nerf entier).

Variantes rencontrées : enregistrement sur un nerf (PA global, réponse graduée par recrutement de fibres) ; période réfractaire ; conduction saltatoire (fibre myélinisée, nœuds de Ranvier) ; effet d'un ralentisseur ionique (TTX bloquant les canaux Na⁺).