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 LA CELLULE, UNE PILE ELECTRIQUE

L'électricité est connue depuis fort longtemps : Thalès (640-550), un des sept sages de la Grèce antique, connaissait déjà la propriété de l'ambre d'attirer des matériaux légers. C'est d'ailleurs par référence à l'ambre jaune (elektron en grec) que fut créé le mot, ou plutôt celui de "vertu électrique", vis electrica, employé pour la première fois par W.Gilbert (1540-1603), médecin du couple royal d'Angleterre. On connaissait également à cette époque la propriété de certains poissons d'infliger des décharges.

En 1745, l’Allemand E. von Kleist (1700-1748) et le Hollandais P. van Musschenbroek (1792-161), découvrirent indépendamment et par hasard le premier dispositif capable d'accumuler de l'électricité, la célèbre bouteille de Leyde, ancêtre du condensateur. En 1757, Michel Adanson (1727-1806), un botaniste français qui explora le Sénégal pendant cinq ans, émit l'hypothèse que la décharge du silure du Sénégal, pourrait être analogue à celle de la bouteille de Leyde. Trois ans plus tard, Van Musschenbroek exprima la même idée à propos de l'anguille électrique de Guyane. Cette hypothèse fut démontrée en 1772 par John Walsh sur un autre poisson électrique, la torpille.

C'est à la même époque, en 1771, que le médecin et physicien italien Luigi Galvani (1737-1798) fit une découverte capitale : une patte de grenouille écorchée étant fixée à un crochet de cuivre, un de ses assistants toucha un nerf avec la pointe d'un scalpel. Aussitôt, les muscles des pattes furent agités de contractions. Galvani répéta l'expérience sous diverses formes, conclut à l'existence d'une forme d'électricité animale et passa à côté d'une découverte majeure, celle de la pile électrique. En revanche, son compatriote Alessandro Volta (1745-1827), un de ses nombreux contradicteurs, profita de l'étude de ce phénomène pour inventer la première pile en 1800.

Les observations de Galvani ne se limitèrent cependant pas aux effets de pile obtenus lorsque deux métaux différents sont en contact avec un nerf ou un muscle. Il constata également que la "patte galvanoscopique" se contractait lorsque son nerf était mis en contact simultanément avec la surface du muscle et l'intérieur. Ainsi était prouvée pour la première fois l'existence de courants électriques au sein des nerfs.

Ce phénomène put être généralisé à l'ensemble des organes vivants après l'invention de galvanomètres très sensibles vers 1811. On remarqua que ces courants disparaissaient en cas de privation d'oxygène et après la mort.

Un physicien italien, Carlo Matteucci (1811-1868) et un physiologiste allemand, Emil du Bois-Reymond (1818-1896), entreprirent alors une étude expérimentale systématique de ces observations. Ils découvrirent que les nerfs et les muscles sont parcourus par un courant, une onde de négativité, lorsqu'ils sont stimulés. Ce courant fut qualifié de courant d'action par opposition à celui de signe opposé mesuré en dehors de toute excitation et appelé alors courant de repos.

Pourtant, en mesurant dès 1850 la vitesse de cet "influx nerveux" et la trouvant égale à quelques mètres par seconde, le physicien et physiologiste allemand H. von Helmholtz (1821-1894) démontrait par la même occasion que la propagation de l'influx nerveux dans les nerfs ne pouvait être assimilée à un simple courant électrique parcourant un fil conducteur dont la vitesse de propagation est égale à celle de la lumière soit 300 000 km/s. La nature exacte de l'influx nerveux restait donc encore mystérieuse.

Son étude connut un progrès décisif avec l'invention, au début de ce siècle, de l'amplificateur et de l'oscilloscope. Avec ces appareils, il devenait possible de mesurer et de visualiser des phénomènes électriques de très faible intensité et de très courte durée. Edgar Adrian (1889-1977) fut le premier à comprendre tout le parti qu'il pourrait en tirer. Avec un vieil amplificateur de l'armée, il put montrer que l'activité des neurones se traduit par l'émission de décharges électriques d'une durée de l'ordre de la milliseconde, de fréquence allant jusqu'à quelques centaines d'Hertz et d'une amplitude de quelques dizaines de millivolts. Il partagea le prix Nobel avec Charles Sherrigton en 1932.

En 1938, A.L. Hodgkin (né en 1914) et A.F. Huxley (né en 1917) parvinrent à introduire une microélectrode dans un axone géant de Calmar. Ils confirmèrent ainsi l'existence, en l'absence de toute stimulation, d'une différence de potentiel entre l'intérieur du neurone, négativement chargé, et l'extérieur, chargé positivement. Ils montrèrent qu'à la suite d'une stimulation cette différence de potentiel s'inverse pendant une à deux millisecondes, l'intérieur devenant positif par rapport à l'extérieur négatif. De plus, cette inversion de polarisation, appelée désormais potentiel d'action, se propage inchangée le long de l'axone à une vitesse de l'ordre du mètre par seconde, conforme aux résultats de von Helmholtz.

En 1947, A.Hodgkin et B.Katz (né en 1911) émirent l'hypothèse que la polarisation électrique de la membrane neuronale était liée aux différences de concentration en ions de part et d'autre de cette membrane : les ions potassium sont majoritaires dans le milieu intracellulaire tandis que les ions sodium et chlorure sont majoritaires dans le milieu extracellulaire. La cellule s'apparenterait donc, d'un point de vue électrique, à une pile de concentration si la membrane est capable de maintenir stables ces différences de concentrations en ions. Pour cela, elle doit dépenser de l'énergie car les concentrations en ions de part et d'autre d'une membrane ont tendance à devenir spontanément égales en raison de la diffusion si la membrane est perméable. Hodgkin et Huxley postulèrent également que le potentiel d'action des cellules excitables pouvait être interprété comme une entrée transitoire d'ions sodium à l'intérieur du neurone. L'utilisation de traceurs radioactifs confirma le bien fondé de ces hypothèses.

Mais comment comprendre que la membrane des neurones peut être imperméable au sodium lorsqu'elle est au repos et perméable pendant quelques millisecondes lorsqu'elle est stimulée ? Hodgkin et Huxley supposèrent l'existence de canaux spécifiques qui s'ouvriraient brièvement lors d'une stimulation. Leur travaux expérimentaux exemplaires permirent de vérifier les modèles théoriques fondés sur les équations décrivant les mouvements d'ions à travers une membrane et les courants associés. Conjointement avec J. Eccles, un neurophysiologiste australien né en 1903 qui appliqua les mêmes méthodes à l'étude des synapses, ils reçurent tous trois le prix Nobel en 1963.

Depuis, les fameux canaux ont pu être caractérisés. Il s'agit de protéines membranaires de forme grossièrement cylindrique. Le gène de certaines d'entre elles a pu être cloné et exprimé dans des ovules de crapaud. L'ovule acquiert ainsi des propriétés de neurones. Raffinement suprême, il est maintenant possible d'isoler un seul canal et d'enregistrer les courants le traversant dans différentes conditions. Cette technique, dite du "patch-clamp" a valu le prix Nobel en 1991 à ses inventeurs, les Allemands Erwin Neher et Bert Sakmann.

Pourtant, malgré le degré de précision atteint dans la connaissance des parties (les neurones) l'exploration du fonctionnement du tout (le cerveau) est très loin d'être terminée.

EXPERIENCE

CONSTRUISONS UNE PILE AVEC UNE POMME DE TERRE

Matériel nécessaire

Une pomme de terre (ou un autre fruit ou légume : citron, pomme, tomate, etc.), un morceau de fil de cuivre ou un bout de cuivre, un trombone, un contrôleur universel, fils de liaison.

Comment procéder ?

Enfoncer dans la pomme de terre le cuivre d'un côté et le trombone de l'autre. Commuter le contrôleur en voltmètre (gamme 1 V continu). Relier le cuivre à la pointe de touche plus du contrôleur et le trombone à la moins.

La tension mesurée va de 0.5 V à 0.9 V selon le légume utilisé.

Par leur richesse en ions, le tubercule ou le fruit assurent le rôle de l'électrolyte dans cette pile semi biologique.


Amusez-vous bien !

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