Mois : septembre 2019

La communication cellulaire: la plaque motrice

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous finissons notre série d’article sur la communication neuronale. Précédemment, nous avons vu comment les neurones sont capables de communiquer entre eux, et comment ils s’envoient de l’information. Cette fois, nous verrons comment cette information est utilisée, notamment avec l’exemple de la plaque motrice.

Avant de comprendre comment utiliser l’information, il est important de comprendre d’où elle vient. En général, une information neuronale est une réponse à un stimulus externe. Par exemple, si quelqu’un nous touche, les neurones sensoriels de la peau vont créer une réponse électrique qui indique qu’on a été touchés. Cette information va être envoyée à plusieurs endroits: d’abord au cerveau pour l’informer du toucher, mais aussi aux autres neurones environnant, pour informer que ce toucher n’était pas douloureux, donc il ne faut pas qu’ils s’activent. Généralement le corps répond à un stimulus par créer un movement. Par exemple enlever sa main quand on touche quelque chose de chaud, utiliser nos muscles des poumons pour respirer, etc … Et presque tous les mouvements sont initiés par la plaque motrice [source].

La plaque motrice est une synapse un peu spéciale, car au lieu de neurones pré- et postsynaptiques, il y a un neurone présynaptique et un muscle. Quand le neurone présynaptique reçoit un potentiel d’action qui va traverser tout le long du neurone jusqu’à la plaque motrice. Là il va activer l’éjection des neurotransmetteurs. Dans ce cas-là, le neurotransmetteur utilisé est l’acétylcholine (Ach). Ach active son récepteur (appelé récepteur nicotinique), ce qui va causer l’entrée d’un flux d’ions dans le muscle. Cette fois-ci au lieu de causer un potentiel d’action, il va initier la contraction du muscle et la formation d’un mouvement [source].

L’exemple de la plaque motrice nous montre également l’importance des neurotransmetteurs. Selon le neurotransmetteur utilisé, la réponse peut être complètement différente. De la même façon, un neurotransmetteur peut avoir plusieurs récepteurs, et en fonction de celui qui est activé la réponse peut être différente. On peut trouver cette situation chez les neurones qu’on appelle neurone de type épineux de taille moyenne (NEM). Ces neurones font office de douane pour le mouvement, capable de soit l’autoriser soit l’interdire. Ces différences peuvent être expliquée par les récepteurs. Bien que tous les NEMs sont activés par la dopamine, certains expriment le récepteur de dopamine D1, qui va causer l’activation du mouvement, d’autres expriment le récepteur de dopamine D2, qui va causer l’inhibition du mouvement [source].

En conclusion, la communication neuronale est un concept très complexe qui mélange à la fois l’électricité et la chimie. Et même si le mécanisme de communication est presque toujours le même, certaines modifications sont capables de totalement modifier une réponse.

Cell-Cell Communication: The Neuromuscular Junction

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Today marks the last article on neuronal communication. In the past two articles, we saw how neurons are able to transmit information with each other. Today, we will see how this information is used, mostly through the understanding of neuromuscular junction.

To understand how neuron use the information, we first need to understand where it is originally from. Simply put, neuronal information is a response to a stimulus. For example, if you are touched, sensory neurons on the skin will transform the touch into electrical information. This information will go to many places: first in the brain, to inform it that touch is happening, but then to other neurons in the perimeters to tell them that the touch is not painful and they should not activate. However, one of the main response to a stimulus is movement. Indeed, if for instance you were to touch something hot, the neurons will tell your hand to move it away from it. Neurons also tell you everyday to walk, use your lung muscles to breathe, etc… And most if not all movement starts at the neuromuscular junction [source].

The neuromuscular junction (NMJ) is a specialized synapse, but instead of a pre- and postsynaptic neuron, we have a presynaptic neuron and a muscle. In this scenario, the presynaptic neuron receives an action potential, which will travel down the neuron towards the NMJ. There, it will activate the release of neurotransmitters. In this case, the main neurotransmitter is acetylcholine (Ach). These neurotransmitters will bind to the receptors nicotinic acetylcholine receptors (nAchR) at the muscle membrane. When Ach binds, it causes an influx of ions, similar to any synapse. However, instead of creating an action potential, this influx of ion will cause muscle contraction, and initiate movement [source].

The example of NMJ can also show us the importance of neurotransmitters. Depending on which one is used, the information will be treated differently. Similarly, a neurotransmitter may have different receptors, and depending on which one is activated, the answer will be different. An example for this will be from specific neurons in the brain called medium spiny neurons (MSNs). These neurons are the customs of movement, they either allow or forbid it. Such drastic difference in response is explained by a difference in receptors. While all MSNs receive the neurotransmitter dopamine, some MSNs will express the dopamine D1 receptor, which will activate the movement, while the others express the dopamine D2 receptor, which will prevent it [source].

Overall, neuronal communication is a complex concept that mixes both electricity and chemistry. But while the mechanism is nearly always the same, the results can be drastically changed thanks to slight modification such as neurotransmitter use.

La communication cellulaire: les synapses

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

La semaine dernière nous avons vu comment un neuron est capable d’obtenir une information, et comment celle-ci se transforme en courant électrique. Aujourd’hui nous allons continuer de voir comment l’information se déplace, mais cette fois comment elle va d’un neurone à un autre, grâce à une structure appelée synapse.

La structure d’une synapse

La semaine dernière, on a vu qu’après avoir reçu une information, le neurone va créer un potentiel d’action à l’aide de flux d’ions. Ce potentiel d’action va ensuite se déplacer dans tout le neurone jusqu’à la fin de celui-ci, vers la synapse. une synapse est composée de deux neurones: celui qui envoie l’information (le neurone présynaptique), et celui qui la reçoit (le neurone postsynaptique). ces deux neurones sont extrêmement proche l’un de l’autre, et c’est cette proximité qui va permettre la transmission d’information. Par contre, ça ne sera plus sous forme électrique, mais chimique. Dans le neurone présynaptique, on peut trouver des « poches », qu’on appèle vésicules, qui contiennent des molécules appelée neurotransmetteurs. On a tous entendu parlé de certaines de ces molécules, notamment la sérotonine ou la dopamine. Ces neurotransmetteurs vont simplement transmettre une information au neurone postsynaptique, comme leur nom l’indique. Pour comprendre comment ils marchent, nous allons voir deux exemples: d’abord l’excitation d’un neurone, puis son inhibition [source / source / source].

L’excitation d’un neurone

Dans cet exemple, le neurone présynaptique à reçu l’information « d’activer » le neurone postsynaptique. On appelle ça l’excitation. Le potentiel d’action va traverser tout le neurone jusqu’à la synapse, puis va causer l’expulsion des neurotransmetteurs grâce encore une fois à l’influx d’ions Ca2+. Il existent beaucoup de neurotransmetteurs capables d’exciter un neurone, mais le plus commun dans le cerveau s’appelle le glutamate. Une fois les vésicules ouvertes, le glutamate va se trouver entre les deux neurones, prêt à l’action. À la surface du neurone postsynaptique, on peut trouver des récepteurs spécifiques au glutamate. Il y en a deux, appelés les récepteurs AMPA et NMDA. Le glutamate va s’attacher aux deux, mais le récepteur AMPA va s’activer en premier, causant un flux d’ions positifs dans le neurones. La combinaison du glutamate et du flux d’ions va ensuite activer le récepteur NMDA, qui va lui aussi causer un plus gros flux d’ions positif dans le neurone. On se retrouve avec énormément de charges positives dans le neurone, ce qui cause une dépolarisation, et la création d’un potentiel d’action, qui va lui aussi traverser le neurone pour recommencer le cycle vers un autre neurone [source / source / source].

L’inhibition d’un neurone

L’inhibition d’un neurone est très similaire à l’excitation, si ce n’est du résultat final. Comme son nom l’indique, l’information reçue par le neurone présynaptique va causer l’inhibition du neurone postsynaptique, l’empêchant de créer un potentiel d’action. Pour ce faire, on utilise un autre neurotransmetteur appelé GABA. Une fois GABA expulsé dans la synapse, il va s’attacher à son récepteur, logiquement appelé le récepteur GABA. Le récepteur lui aussi va causer un flux d’ions, mais cette fois ils seront négatifs. Généralement, c’est l’ion Cl- qui va entrer dans la cellule. Cela cause une surcharge négative, une hyperpolarisation, qui fait que le neurone aura plus de mal à créer un potentiel d’action [source / source / source].

L’apprentissage et la mémoire: comment être plus efficace.

Les synapses ont aussi un autre rôle très important: celui de créer l’apprentissage et la mémoire. En terme de fonction neuronale, l’apprentissage se traduit par un neurone plus rapide et efficace dans la transmission d’information. Il existe beaucoup de mécanismes liés à l’apprentissage et la mémoire, mais le plus commun est d’augmenter le nombre de récepteurs à la surface du neurone postsynaptique, plus précisément le récepteur AMPA. Quand il y a plus de récepteur AMPA, le neurone va se dépolariser plus rapidement, ce qui créé un potentiel d’action plus rapidement, et l’information se transmet plus vite. Cette forme d’apprentissage et de mémoire s’appelle la potentiation à long-terme (ou LTP), et c’est la base de toute forme de mémoire. Une autre forme de mémoire, appelée dépression à long-terme (ou LTD), enlève les récepteurs AMPA de la surface du neurone postsynaptique, le rendant plus lent [source / source].

On comprend donc comment une information peut aller d’un neurone à l’autre. Mais ensuite? Il est évident que l’information ne va pas voyager d’un neurone à l’autre indéfiniment, mais qu’elle va se rendre quelque part. La semaine prochaine, nous verrons où se rend cette information, et comment elle est utilisée. Plus précisément, nous parlerons de la jonction neuromusculaire, une synapse un peu spéciale capable de convertir un courant électrique en mouvement.

Cell-Cell Communication: The Synapses

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Last week, we explained how a neuron can pick up information, and how this information is transformed into an electric current. Today, we will continue to see how the information travels, this time from one neuron to another, through a structure called the synapse.

The Synaptic structure

Let’s recap what we know from last week. A neuron has received information, and this information was transformed into an action potential thanks to the inflow and outflow of ions. This action potential travels down the neuron to the end, towards the synapse. The synapse is a structure that links two neurons. The neurons who is sending the information, or the presynaptic neuron, is very close to the neuron that will receive the information, or the postsynaptic neurons. this proximity is what allows the information to go from one neuron to another. However, the information will not be transmitted as an electric current; instead, it will become a chemical signal. In the presynaptic neuron, we can find small pockets, called vesicles, that contains molecules called neurotransmitters. We all know some neurotransmitters by name: dopamine and serotonin are examples. The role of a neurotransmitter is to transmit the information to the postsynaptic neuron. To better understand how it works, we will go through two examples: first the excitation of the neuron, then the inhibition of a neuron [source / source / source].

The Excitation of a neuron

In this example, the presynaptic neuron received an information telling him to « activate » the postsynaptic neuron. This is called excitation. The action potential will thus travel down to the synapse, and activate the release of neurotransmitters. It does so by again causing an influx of Ca2+ ions. There are many neurotransmitters that can excite a neuron, but the most common one in the brain is called glutamate. Now, once the vesicles have been opened, a lot of glutamate are found in the junction between the pre- and postsynaptic neuron, ready for action. At the postsynaptic neuron, we can find receptor specific for glutamate. There are two main one, AMPA receptor, and NMDA receptor. The glutamate will bind both, however AMPA receptor will activate first, causing an influx of positive ions inside the postsynaptic neuron. NMDA receptors will then activate, due to both glutamate and the influx of ions inside the cell, causing even more positive ions to enter the cell. In the end, the influx of ions have changed the membrane potential, depolarizing the neuron and creating a new action potential. This action potential will then travel down the neuron to the synapse, starting the cycle again [source / source / source].

The Inhibition of a neuron

Neuronal inhibition works similarly to excitation, but the results are different. Just as the name suggests, the presynaptic neuron will want to inhibit the postsynaptic neuron, preventing it from creating an action potential. To do so, we use another neurotransmitter, GABA. Once the presynaptic neuron has released GABA, it will bind to its receptor, aptly named the GABA receptor, and cause an influx of ions. This time however, it is an influx of negative ions, mainly Cl-. This causes the membrane potential to drastically decrease, causing hyperpolarization. It is then very hard for the postsynaptic neuron to create an action potential [source / source / source].

Learning and memory: How to be more efficient

Synapses also have the crucial role of causing learning and memory in humans. In terms of neuronal function, learning simply means that the neuron will perform its task faster and stronger than the last time it was used. There are many ways to do so, but the main one is to increase the number of receptors at the postsynaptic neuron, particularly AMPA receptors. With more AMPA receptors, the neuron will be depolarized faster, and the action potential will be created faster, making the overall information more rapidly conveyed. This particular form of learning and memory is called long-term potentiation (or LTP), and is the basis for all memory in the body. Another form of memory, called long-term depression (or LTD) actively reduces the amount of AMPA receptors, rendering the neuron slower [source / source].

Now we understand how the information goes from one neuron to another. But now what? Obviously, the information will not go from one neuron to the next indefinitely, there has to be a goal. Next week, we will talk about how the information is used, notably by talking about the neuromuscular junction, a special synapse converting electrical current into movement.

La communication cellulaire: Le cas particulier des neurones

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous allons discuter d’un mécanisme essentiel à la survie des hommes: la communication cellulaire. Les humains, comme tous les organismes multicellulaires, ont développé plusieurs mécanismes qui permettent à nos cellules d’interagir. Les cellules de la peau vont par exemple envoyer pleins de molécules pour prévenir d’un dangers. Les cellules immunitaires quant à elles vont souvent s’accrocher entre elles pour se transmettre des informations par le toucher. Les neurones sont des cas à part, qui est généralement considéré le plus rapide: ils utilisent l’électricité. Dans cet article, nous allons d’abord voir comment fonctionnent les courants électriques dans le cerveau, puis comment l’information à transmettre devient un courant électrique. La semaine prochaine, nous verrons comment ce courant électrique passe d’un neurone à l’autre, et comment ils l’utilisent.

Les ions, ou la base de tout courant

Afin de comprendre l’électricité en général, il est important de connaître le concept d’ion. Les atomes sont faits de trois petites particules: les neutrons (qui n’ont pas de charge électrique), les protons (qui ont une charge électrique positive), et les électrons (qui ont une charge électrique négative). Un atome est constitué du même nombre de protons et d’électrons, ce qui le rend électriquement neutre. Par exemple l’atome de sodium (qu’on not Na) possède 11 protons et 11 électrons, ce qui le rend neutre. Un ion c’est un atome qui possède une charge électrique, souvent parce que le nombre d’électrons est modifié. Dans notre exemple de Na, l’ion Na (noté Na+) possède 11 protons et 10 électrons, ce qui lui donne une charge positive. C’est la circulation des différents ions qui est la base de la communication neuronale. les ions les plus importants sont les ions potassium (K+), les ions calcium (Ca2+, ils perdent deux électrons). et les ions chloride (Cl-, ils gagnent un électron, et sont donc négatifs) [source / source].

L’électricité dans le cerveau

Avant de comprendre la communication neuronale, il est important de comprendre deux concepts en électricité. D’abord, il y a le voltage, ou potentiel, qui est possiblement le plus complexe. Officiellement, on définit le voltage comme étant la quantité électrique nécessaire pour bouger une charge d’un point à l’autre. Plus simplement, le voltage c’est la différence électrique entre deux points. Dans le cas des neurones, on compare l’intérieur du neurone à l’extérieur. L’intérieur du neurone est généralement négatif alors que l’extérieur est positive, ce qui nous donne un voltage de -70 millivolts (ou mV) quand le neurone est au repos. Du coup, pour bouger une charge électrique de l’intérieur à l’extérieur, on aurait besoin d’une grande quantité d’électricité négative. Le deuxième concept est celui de courant. Un courant, ca mesure combien d’électricité se déplace d’un point à l’autre. Si beaucoup d’ions positifs parcourt une distance, le courant sera très positif, et inversement pour les ions négatifs [source / source].

Le concept du potentiel d’action

Quand il n’y a aucune information transmise, les neurones ont un voltage de -70 mV, et un courant net de 0 picoampères (ou pA). On précise que le courant net est nul parce que les ions entrent et sortent de la cellule même au repos. Simplement, pour chaque ion positif qui entre, un ion de la même charge sort, ce qui cause un courant net de 0. L’intérieur et l’extérieur des neurones ont des compositions ioniques très différentes. L’intérieur possède bien plus de K+, alors que l’extérieur est composé de plus de Na+, Ca2+ et Cl-. Quand le neurones est stimulé, il va transformer l’information en potentiel d’action, qui est représenté ci-dessous.

Image venant de Wikipedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_potential_schematic.png)

Au numéro 1, le neurone est au repos. Quand il est stimulé, un grand nombre de Na+ va rentrer dans la cellule. Comme on le voit à 2, le nombre est si grand qu’il va changer le voltage, qui devient +40 mV. C’est le principe de la dépolarisation. À 3, les ions Na+ ne peuvent plus rentrer dans la cellule. De plus, le neurone va se débarrasser de beaucoup d’ions K+, qui vont sortir de la cellule. Cela va causer une réduction du voltage vers son voltage de repos. C’est ce qu’on appelle la repolarisation. Cependant, le voltage va descendre encore plus bas que -70 mV. C’est ce qu’on appelle l’hyperpolarisation, et cela empêche le neurone de produire trop de potentiels d’action, parce que ca pourrait le nuire. Enfin, à 4, le neurone est de retour à son potentiel de repos. Les potentiels d’action se ressemblent tous, et vont traverser tout le neurone jusqu’à une structure à la fin du neurone qu’on appelle la synapse [source / source / source / source].

La communication neuronale est complexe, mais possède beaucoup d’avantages, notamment la rapidité. Aujourd’hui nous avons seulement vu comment l’information est transformé en courant électrique. La semaine prochaine, nous verrons comment ce potentiel d’action se déplace d’un neurone à l’autre, notamment grâce aux synapses. On verra également comment le neurone est capable d’interpréter cette information, et ce qu’il en fait vraiment.

Cell-cell Communication: The Unique Case of Neuronal Connectivity

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Today we will discuss an essential mechanism: cell to cell communication. Cell communication is very important for the survival of the organism. Humans, like most multicellular organisms, have developed many ways for cells interact with each other. Some, like skin cells, use chemicals to warn cells of potential dangers. Others, such as immune cells, will touch each other to transmit information. Neurons have a unique way of communication, which is arguably the fastest. They use electric currents. In this article, we will first talk about electric currents in the brain, to then understand what the current looks like in a neuron. Next week, we will see how neurons transmit this information and what they do with it.

Ions: The Basis of all currents

To understand electric currents of any kind, we need to establish what an ion is. Atoms are made of very small particles: neutrons (which have no electrical charge), proton (which have positive charges), and electrons ( which have negative charges). An atom has the exact same number of proton and electron, which creates an overall neutral charge. As an example the sodium atom (abbreviated Na), has 11 protons, an 11 electrons, so the electric charges cancel each other. An ion is an atom with an electric charge, usually do to a loss or gain of electrons. In the case of Na, the ion is abbreviated Na+, because it lost one electron, and thus it is now positive. The flow of ions in neurons is the key for its communication. The most important ions are Na+, the potassium ions (K+), the calcium ions (Ca2+, as calcium ions lost two electrons), and chloride ions (Cl-, having gained an electron, and thus is negative) [source / source].

The Basics of Electricity in the Brain

Before explaining how neurons communicate, there are two key concepts to understand. The first one, voltage, is the most complex. Officially, we define voltage as the amount of « work » is required to move a charge from one point to another. In simpler terms, a voltage (also called potential), is the amount of electrical « difference » between to points. For our neurons, the voltage will compare the inside of the cell to the outside. The inside of the cell is very negative, while the outside is very positive, and the overall voltage of the cell (which we call resting membrane potential) is -70 millivolts (mV). It means that overall, neurons are heavily negatively charged. The second important concept is current. A current quantifies how much electricity travels from one point to another. The more positive ions travel, the more positive the current will be and vice-versa [source / source].

The Concept of Action Potentials

Now we will discuss how neurons communicate. When no information is transmitted, neurons have a voltage of -70 mV and a net current of 0 picoamperes (pA). We say net current because even though the overall current is 0, ions are still flowing in and out of the cell, but for any positive ions that leave, the same amount enters, creating a net current of 0 pA. Further, the inside and outside of the cell have different amount of ions. The inside of the cell has a lot more K+ ions, while the outside has more Ca2+, Cl-, and Na+. Due to this, K+ ions have the tendency to leave the cells, while the other will want to enter it. However at a resting state, only minimal amount of each ions will enter or leave the neuron. However, when the neuron is stimulated, it will create an action potential, which looks like this:

Image from Wikipedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_potential_schematic.png)

Let’s go through the numbers: 1 is the resting state, where the voltage is the same. The neuron is then stimulated, and at 2, a large amount of Na+ enters the cell. The number of ions is so big that it changes the neuron’s voltage to about +40 mV. This is called depolarization. At 3, Na+ are unable to enter the neurons. Furthermore, the neuron will make a huge amount of K+ ions to leave the cell, to make the cell back to its resting potential (this is called repolarization). It goes even lower than that, to prevent another action potential to be created right away. This is called hyperpolarization, and it is important to prevent neurons to be to excited. At 4, the cell is back to normal. Action potentials are always the same, and they then travel down the neuron to the end, a place called a synapse [source / source / source / source].

Neuronal communication is complex, but it has so many advantages, the main one being speed. However, today we only saw how the information is created. Next week, we will see how the action potential goes from one neuron to another. We will also see how a neuron really interprets this information.