+Ingénierie des systèmes

humains GTS501 – TP9

Objectifs de la séance :

- Rappel sur les neurones

- Rappel sur les potentiels d’action

- Rappel sur l’électroencéphalogramme

- Applications d’ingénierie

+Neurones

Cellule du système nerveux : Transfert d’information Envoi de commandes

Composantes : Soma (corps cellulaire) Axones Dendrites

Bear, Connors, Paradiso

+Soma (corps cellulaire)

+Soma (corps cellulaire) Forme ronde (~20 μm de Ø)

Contient un liquide appelé cytosol : Riche en Na+ et K+

Contient aussi un noyau et des organelles : REG (réticulum endoplasmique

granuleux (rugueux)) REL (réticulum endoplasmique

lisse) Ribosomes Appareil de Golgi Mitochondries

Cytoplasme = tout le soma sans le noyau

+Soma - Rôles

Noyau : contient chromosomes ADN

REG : synthèse des protéines grâce aux ribosomes qui y sont accrochés

REL : régulation des concentrations internes de Ca+

Ribosomes : décodent l’info de l’ARNm pour permettre la synthèse des protéines

Appareil de Golgi : triage des protéines

Mitochondries : respiration cellulaire ATP

+Dendrites

Structure d’arbre

Servent d’antenne (réception de l’influx)

Couvertes de synapses : Côté post-synaptique

+Axones

« Fil conducteur » (transmission de l’influx)

Longueur de 1 mm à 1 m

La terminaison de l’axone forme une synapse sur les dendrites (ou le soma) : Côté pré-synaptique

+Théorie générale

Caractéristiques d’un signal électrique Fréquence = nombre de cycle par

unité de temps : Se mesure souvent en Hertz

(cycle/s)

Période (durée) = temps nécessaire pour effectuer un cycle : C’est l’inverse de la fréquence

Amplitude = distance verticale entre deux extrémités d’une onde

1s

Fréquence

Période

Amplitude

+Potentiel d’action (influx nerveux)Le potentiel d’action :

Permet le transfert d’information (influx nerveux) La durée et l’amplitude qui caractérisent le potentiel d’action

restent constantes C’est la fréquence (nombre de potentiel/unité de temps)

qui change Le potentiel n’est pas atténué à travers la transmission

Contrairement au potentiel gradué Fréquence et patron contiennent l’information

+Potentiel d’action Courbe de potentiel d’action (mauve) :

1. Membrane de la cellule est à -70 mV au repos

2. Dépolarisation de la membrane jusqu’à 30 mV

3. Repolarisation de la membrane

4. Hyperpolarisation et retour au voltage de repos (-70 mV)

Durée : environ 2 ms Amplitude : +30 - (-70) mV = 100mV

Durée : 2 ms

Amplitude : 100 mV

+Potentiel d’action : ce qu’il y a sur la membrane d’un axone

2 types de canal ionique Canal à sodium (Na+) Canal à potassium (K+)

Pompes à sodium/potassium (Na+/K+) Sert à redistribuer les ions dans la phase

d’hyperpolarisation

Vidéo action_potential et influx_nerveux

+Potentiel d’action : les 6 étapes détaillées1) Tous les canaux voltage-dépendants sont fermés. La membrane

est davantage perméable au K+.

2) Arrivé d’un neuro-transmetteur dans la fente synaptique ouverture momentané des canaux Na+ ligant-dépendants = Potentiel gradué

3) Si seuil atteint ouverture des canaux à Na+ voltage-dépendants, influx de Na+ = Potentiel d’action

4) Fermeture des canaux à Na+ voltage-dépendants. Les canaux à Na+ voltage-dépendants ne peuvent pas être réactivés (période réfractaire)

5) Ouverture des canaux à K+ voltage-dépendants = hyperpolarisation

6) Les canaux à K+ restent ouverts et les canaux à Na+ restent fermés. Pendant tout ce temps, la pompe à Na+/K+ rétablit la différence de potentiel du repos.

+Électroencéphalogramme

Electroencéphalogramme (EEG) Électrodes (24) placés sur le scalpe (cuir chevelu) Enregistre l’activité d’une population de neurones du cortex

cérébral Mesure la différence de potentiel entre chaque électrode et une

électrode de référence Utilisé principalement pour l’étude du sommeil ou pour

diagnostiquer l’épilepsie.

+Électroencéphalogramme

Bear, Connors, Paradiso

+Électroencéphalogramme (EEG)

Sert à mesurer des différences de potentiel d’action entre diverses aires du cerveau

Amplitude du signal dépend de la synchronisation

Enregistrements classés par rythmes selon leur fréquence

Rythmes associés à différents états (du plus actif vers le moins actif)

Beta (15-25 Hz) : cortex actif Alpha (8-13 Hz) : état éveillé mais au repos Theta (4-7 Hz) : certaines phases du sommeil Delta (< 4 Hz): sommeil profond

+Électroencéphalogramme

Épilepsie Crise : décharges torrentielles

et rythmiques de groupes de neurones cérébraux

Crée un “spike and wave” facilement visible à l’EEG

Autres pathologies (ex. tumeurs) Resultent généralement en une asymmétrie dans

la lecture de l’EEG

http://www.neuro.mcg.edu

+

Quelques applications d’ingénierie

+Quelques applications d’ingénierie Brain computer interfaces (BCI)

Interfaçage entre le système nerveux et un système informatisé

Utilisation de signaux enregistrés à la surface du crâne (EEG) ou en périphérie du cortex (électrodes implantés)

Utilisations multiples, plus couramment pour les patients atteints du “syndrôme de verrouillage”

Syndrôme de verrouillage: Cause : lésion d’une partie de la voie efférente (motrice)

qui empêche l’influx nerveux de se rendre du cerveau aux muscles

Conséquence : incapacité de bouger (parler, mobilier les membres du corps (paralysie presque totale))

Rupture de la voie efférente

+Quelques applications d’ingénierie BCI utilisant EEG

Enregistre signaux lors de tâches prédéfinies Établissement de patrons représentatifs Corrélation entre le patron et le signal enregistré Si le coefficient dépasse un seuil de confiance, l’action est

déclanchée.

+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’interface BCI avec EEG

Kennedy et al. 2000

Wolpaw et al. 2003

+Quelques applications d’ingénierie Exemple de contrôle utilisant l’EEG

+Quelques applications d’ingénierieJonathan Wolpaw, pionnier des

interfaces EEG

Quelques applications d’ingénierie Électrodes implantées dans le cortex

Matrice de 10x10 électrodes Longueur d’environs 1.5 mm Enregistre plus de 100 cellules

simultanément Utilise les “spikes” d’une durée

de 50 à 70 ms

Black et al. 2003

Quelques applications d’ingénierie Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI

Electrode implantée chez un singe dans le cortex moteur : région contrôlant le bras

Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras aptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible

Black et al. 2003

+Quelques applications d’ingénierie Exemple d’implant dans le cortex humain

Projet BrainGate 2 humains implantés Propriété plastique du cortex Youtube 1 et 2

www.cyberkineticsinc.com

+Bibliographie

Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain.

Talwar, S. K. et al. Rat navigation guided by remote control.. Nature, 417, 37 - 38, (2002).

http://brownalumnimagazine.com/storydetail.cfm?ID=370

Wolpaw et al.

Kennedy et al.

Black et al.

Marieb

Le grand dictionnaire terminologique

www.youtube.com

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