Qu'est-ce qu'un train de potentiels d'action ?

Un train ou une chaîne de potentiels d'action (train à pointes en anglais) est une séquence d'enregistrements temporels dans lesquels un neurone déclenche des signaux électriques ou des impulsions nerveuses. Cette forme particulière de communication entre neurones est l'objet d'intérêt et d'étude par la communauté neuroscientifique, même si de nombreuses réponses restent à apporter.

Dans cet article nous verrons quels sont ces trains de potentiels d'action, quelle est leur durée et leur structure, en quoi se compose du concept de codage neuronal et de l'état actuel de la recherche dans ce la matière.

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Qu'est-ce qu'un train de potentiels d'action ?

Pour comprendre ce que sont les trains de potentiels d'action, regardons d'abord en quoi consiste un potentiel d'action.

Notre cerveau contient environ cent milliards de neurones émettant des signaux pour communiquer entre eux en permanence. Ces signaux sont de nature électrochimique et voyagent du corps cellulaire d'un neurone, à travers son axone ou neurite, jusqu'au neurone suivant.

Chacun de ces signaux ou impulsions électriques est appelé potentiel d'action. Les potentiels d'action se produisent en réponse à des stimuli ou spontanément, et chaque tir dure généralement 1 milliseconde.

Un train de potentiels d'action est simplement une séquence combinée de déclenchement et de non-déclenchement. Pour faciliter la compréhension: imaginons une séquence numérique de zéros et de uns, comme dans un système binaire; nous attribuerions un 1 pour le voyage et un 0 pour l'absence de voyage. Dans ce cas, un train de potentiels d'action pourrait être codé sous la forme d'une séquence numérique, telle que: 00111100. Les deux premiers zéros représenteraient le temps de latence entre la présentation du stimulus et le premier potentiel de tir ou d'action.

Les trains de potentiel d'action peuvent être générés par une entrée sensorielle directe de la vue, du toucher, du son ou de l'odorat; et ils peuvent également être induits par des stimuli abstraits déclenchés par l'utilisation de processus cognitifs tels que la mémoire (en évoquant des souvenirs, par exemple).

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durée et structure

La durée et la structure d'un train de potentiels d'action dépendent généralement de l'intensité et de la durée du stimulus. Ces types de potentiels d'action durent généralement et restent "activés" aussi longtemps que le stimulus est présent.

Cependant, certains neurones ont des propriétés électriques particulières qui les amènent à produire une réponse soutenue à un stimulus très bref. Dans ce type de neurones, les stimuli de plus grande intensité ont tendance à provoquer des trains de potentiels d'action plus longs..

Lorsque les potentiels d'action sont enregistrés à plusieurs reprises à partir d'un neurone en réponse à des stimuli changeant (ou lorsqu'un organisme génère des comportements différents), ils ont tendance à maintenir une relative écurie. Cependant, le schéma de déclenchement de chaque train de potentiels d'action varie à mesure que le stimulus change; Généralement, la vitesse à laquelle les coups sont tirés (la cadence de tir) change en fonction des différentes conditions.

codage neuronal

trains potentiels d'action ont été et continuent d'intéresser la communauté neuroscientifique, compte tenu de ses particularités. De nombreux chercheurs tentent de découvrir dans leurs études quel type d'information est encodé dans ces potentiels d'action et comment les neurones sont capables de le décoder.

Le codage neuronal est un domaine des neurosciences qui étudie la manière dont les informations sensorielles sont représentées dans notre cerveau au moyen de réseaux de neurones. Les chercheurs rencontrent souvent de grandes difficultés à déchiffrer les trains potentiels d'action.

Il est difficile de penser à un train de potentiels d'action comme étant un dispositif de sortie purement binaire.. Les neurones ont un seuil d'activation minimum et ne se déclenchent que si l'intensité du stimulus est supérieure à ce seuil. Si un stimulus constant est présenté, un train de potentiels d'action sera généré. Cependant, le seuil d'activation augmentera avec le temps.

Cette dernière, qui est ce qu'on appelle l'adaptation sensorielle, est le résultat de processus tels que la désensibilisation synaptique, une diminution de la réponse au stimulus constant produit au niveau de la synapse (la connexion chimique entre deux neurones).

Ce résultat conduira à une réduction du tir associé au stimulus, qui finira par diminuer jusqu'à zéro. ledit processus aide le cerveau à ne pas être surchargé d'informations de l'environnement qui restent inchangées. Par exemple, lorsqu'au bout d'un moment on arrête de sentir le parfum que l'on s'est appliqué ou lorsqu'on s'adapte à un bruit de fond qui nous dérange au départ.

Recherche récente

Comme nous le savons déjà, les neurones communiquent par la génération de potentiels d'action, qui sont peut se propager d'un neurone (émetteur ou présynaptique) à un autre (récepteur ou post-synaptique) par synapse. Ainsi, lorsque le neurone présynaptique génère le potentiel d'action, le neurone postsynaptique est capable de le recevoir et générer une réponse qui, éventuellement, peut produire un nouveau potentiel d'action, dans ce cas postsynaptique.

Différentes séquences ou trains de potentiels d'action présynaptiques produisent généralement différentes chaînes de potentiels d'action postsynaptiques. C'est à cause de ça la communauté neuroscientifique pense qu'il existe un "code neuronal" associé au moment des potentiels d'action; c'est-à-dire qu'un même neurone pourrait utiliser plusieurs séquences différentes de potentiels d'action pour coder, de son côté, différents types d'informations.

D'un autre côté, l'activité électrique d'un neurone est généralement certainement variable, et est rarement entièrement déterminée par le stimulus. Avant des répétitions successives d'un même stimulus, le neurone répondra à chaque fois par une chaîne différente de potentiels d'action. Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas été en mesure de caractériser la réponse des neurones aux stimuli, ni de déterminer clairement comment l'information est codée.

Ce que l'on pensait jusqu'à présent, c'est que toute l'information stockée dans un train de potentiels d'action était encodée dans sa fréquence; c'est-à-dire le nombre de potentiels d'action qui se produisent par unité de temps. Mais ces dernières années, la possibilité est étudiée que les instants précis auxquels chaque potentiel d'action se produit peuvent contenir des informations critiques et même une "signature neuronale"; c'est-à-dire une sorte de schéma temporel qui permettrait d'identifier le neurone émetteur.

Les investigations les plus récentes pointent vers la conception d'une nouvelle méthode qui permettrait de caractériser un chaîne de potentiels d'action basée sur les temps de chacun des potentiels d'action de la même. En appliquant cette procédure, il serait possible d'aligner les différentes séquences et de déterminer quels potentiels d'action sont équivalents dans chacune des chaînes. Et avec ces informations, la distribution statistique qui suit chaque potentiel d'action dans un hypothétique "train idéal" pourrait être calculée.

Ce train idéal de potentiels d'action représenterait le modèle commun, dont chacun des trains réels n'est qu'une réalisation concrète. Une fois caractérisée, il serait possible de savoir si une nouvelle chaîne de potentiels d'action pourrait s'adapter ou non à la distribution, et donc de savoir si elle code la même information. Ce concept de train idéal pourrait avoir des implications intéressantes pour l'étude et l'interprétation du code neuronal, ainsi que pour renforcer la théorie des signatures neuronales.

Références bibliographiques:

• Strong, S.P., Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. R.R., Bialek, W. (1998). Entropie et information dans les trains de pointes neuronales. Phys Rev Lett; 80:pp. 197 - 200.