La vraie nature d'un potentiel d'action

Salut,

Comme tu l’as évoqué, et c’est très important : un courant est un déplacement de charges électriques. Ces charges peuvent être des électrons (dans les métaux par exemple) ou des ions (dans les solutions aqueuses notamment, dont le corps humain). Dans certains cas rares, ça peut être autre chose, mais ça dépasse largement ce qui nous intéresse ici. Point important : c’est un déplacement net de charges ; autrement dit, si tu fais bouger un électron dans un sens et autre électron dans l’autre sens, c’est comme s’il ne se passait rien du point de vue du courant.

Le potentiel est une notion liée à la position des charges. Entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, il y a une différence de potentiel parce que les charges ne sont pas distribuées de manière uniforme : un côté est plus chargé que l’autre.

On voit bien que les deux notions sont différentes : le potentiel est lié à la position des charges, le courant à leur déplacement. Les deux sont évidemment liés, parce que le potentiel est le signe que les charges ont le potentiel pour se déplacer et un courant peut repositionner les charges (et peut donc changer le potentiel).

Maintenant, de ce que je comprends de ton explication (car je ne connais rien de plus que le programme de lycée).

Quand tu as des ions positifs qui rentrent en abondance dans la cellule, il s’agit d’un courant électrique (sous forme d’ions). Comme on considère le milieu extérieur comme infini, il est chargé toujours pareil, mais pas le milieu intérieur. La charge à l’intérieur change, et donc la différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur.

Je ne connais pas le mécanisme d’ouverture des canaux, mais il y a une onde de potentiels qui n’est pas un courant. C’est juste que le potentiel va changer de proche en proche à mesure que l’ouverture des canaux se fait. C’est bien une onde, mais le déplacement des charges se fait à travers la membrane, ce qui change le potentiel le long de la membrane.

En fait, je pense que tu as du mal parce que tu n’as pas fait beaucoup d’électromagnétisme dans ton cursus. Le potentiel est une valeur définie en tout point de l’espace (on parle de champs scalaire). Le courant est un vecteur défini en tout point de l’espace (on parle de champ vectoriel). Avec ça, tu peux avoir des propagations au cours du temps et dans l’espace.

C’est très différent par exemple d’un courant alternatif standard (qui va de pair avec une tension alternative) où la notion de propagation dans l’espace n’existe pas. Il faut retenir que l’électricité et électronique de tous les jours fait l’hypothèse qu’il n’y a pas de comportement de propagation dans l’espace (tout est instantané).

Est-ce que c’est en rapport au fait que les électrons (dans un circuit électrique classique mettons) se déplacent de quelques mm par heure (il me semble) alors que la propagation du courant électrique est instantanée ? Du coup on néglige le déplacement des charges ?

C’est surtout qu’en électronique on ne regarde même pas le déplacement des charges, on est à un niveau d’abstraction au-dessus en regardant le comportement statistique en terme de tension et d’intensité. La vitesse des électrons et le fait même qu’ils existent n’est pas le problème de l’électronique (et ça, c’est vraiment ironique ). Quant au courant électrique, il se déplace à une vitesse finie, mais tellement grande qu’elle est considérée infinie en électronique. En électronique, on considère que dès qu’on allume le générateur, l’intensité et la tension (plutôt le potentiel) sont définis partout avec les lois statiques dont tu as vu une partie au lycée (du genre $U=RI$ aux bornes d’une resistance). Ce que tu regardes dans le cerveau en revanche n’est pas statique, tu es des redistributions de potentiel.

Ce sont des canaux dits voltage-dépendants. En gros, ils s’ouvrent quand le potentiel intracellulaire dépasse un certain seuil.

OK, ça explique essentiellement pourquoi ça se propage de proche en proche. Quand tu as des canaux ouvert à un endroit, l’afflux de charge qui traverse les canaux ouverts va changer la différence de potentiel localement et en diffusant dans la cellule (naturellement), va changer aussi la différence de potentiel à côté, ce qui va ouvrir les canaux, voir un afflux de charges rentrer à cet endroit-là, etc.

L’onde de potentiel correspond la réaction en chaîne obtenue en combinant la diffusion des charges et l’ouverture des canaux associée.

Donc il y a bien deux phénomènes en simultané ? À la fois un courant électrique qui correspond au déplacement des charges et à la fois une onde de potentiel qui correspond à la propagation de proche en proche de la dépolarisation du milieu intracellulaire, c’est bien ça ?

C’est bien ça. Les deux phénomènes sont liés évidemment : le courant tend à changer le potentiel, qui ouvre les canaux, qui crée tend à créer un courant, qui tend à changer le potentiel, etc. Tout ça de proche en proche.

Tu as un déplacement de charges de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule, qui dépend du temps et de l’endroit de l’axone. À chaque instant, tu peux prendre une photo de l’axone et voir différents courants traverser la membrane selon la position le long de l’axone. Et pour chaque point le long de l’axone, tu peux voir au cours du temps le courant évoluer à cet endroit-là.

Pour le potentiel, c’est pareil. Tu verrais le changement de potentiel se propager le long de l’axone. À un point donné de l’axone, le potentiel va varier au cours du temps. À un instant donné, tu peux voir le potentiel varier le long de l’axone. Quand tu combines les deux, ça fait une onde : quelque chose qui se propage et dépend à la fois du temps et de l’espace.

Champ scalaire et vectoriel, je crois que je vois à peu près. Champ scalaire ça veut dire qu’en gros, en tout point de l’espace le potentiel a un valeur alors que pour le courant, c’est un champ vectoriel ce qui signifie qu’il a à la fois une valeur, une direction et un sens, c’est bien ça ?

Oui, c’est ça.

Pour revenir vite fait sur cette histoire de propagation : en gros, les lois de l’électromagnétisme décrivent des phénomènes de propagation. On a quelque chose qui change quelque part et cela se répercute de proche en proche, progressivement. C’est ce que tu vois dans ton cas.

En électronique, cette répercussion de proche en proche est tellement rapide :

• qu’on la néglige totalement (électronique habituelle, avec ses équations différentielles gentilles),
• qu’on le traite de manière simplifiée (électronique radiofréquence, assez gentil aussi),
• ou qu’on utilise des modèles spécialisés seulement quand c’est nécessaire (équations des télégraphistes par exemple pour les longs câbles électriques, ce sont des équations aux dérivées partielles pas trop complexes).

Tous ces formalismes sont des approximations des équations les plus fondamentales de l’électromagnétisme qui permettent de résoudre plus simplement les problèmes quand les conditions le permettent.

J’aimerai écrire quelque chose sur ZdS qui parlerait de ça un jour.

Qu’est-ce que tu appelles « comportement statistique » ?

Les porteurs de charges sont discrets et bougent en fait sans cesse autour des noyaux. Si tu regardes un seul électron, son mouvement va être relativement chaotique. Les notions d’intensité et de potentiel telles que manipulées par l’électronique (i.e. continues et définies partout sur le circuit) ne sont pas définies à cette échelle. On regarde plutôt le comportement de l’ensemble des électrons dans un volume suffisamment grand pour éliminer tous ces mouvements chaotiques et regarder le comportement moyen des charges. C’est pour ça que je parle de comportement statistique.

Donc si je comprends bien, en réalité on n’aurait pas un grand courant électrique qui va d’un bout à l’autre de l’axone (comme on a tendance à le représenter pour simplifier), mais plutôt une somme de plein de petits courants qui vont, soit de l’extérieur vers l’intérieur (via les canaux sodium) soit dans le milieu intracellulaire mais d’une section dépolarisée vers une autre adjacente toujours polarisée.

En tout cas, c’est comme ça que je le comprend (je ne suis pas biologiste ).

D’ailleurs, ça me fait penser que si le courant devait se propager dans l’axone, ça serait probablement très lent et tous les animaux à neurones ne serait probablement pas très intelligents.

C’est avec ça que j’ai du mal. Je crois qu’intuitivement j’arrive à me le représenter (par contre je sais pas si ma représentation est juste), mais ça manque de définition formelle. Ce qui se déplace proche de la vitesse de la lumière, ce n’est pas l’électron lui-même, mais la mise en mouvement des électrons ?

C’est ça. C’est un peu comme si tu poussais des billes dans un tube étroit : quand tu pousses sur la première, elle pousse sur la deuxième, qui pousse sur la troisième, etc. La dernière bille se met à bouger immédiatement.

Un peu comme si on était dans un embouteillage qui s’estompe, il y aurait une différence entre la vitesse d’un véhicule (qui représenterait un électron) et la vitesse de propagation de la mise en mouvement des véhicules (qui serait beaucoup plus rapide et représenterait alors la vitesse de propagation du courant, celle qui est proche de la vitesse de la lumière). Est-ce que mon analogie vous paraît correcte ?

Je ne sais pas trop si c’est correct, mais l’idée est là. Il y a une différence entre les particules qui bougent et leur comportement collectif. Un autre exemple de cette différence, c’est la propagation du son : une onde de pression se déplace dans l’air, mais les molécules d’air ne se déplacent pas (en moyenne). S’il y a du vent (un courant d’air), tu peux quand même avoir du son qui se propage dedans en plus.

Du coup, pour essayer de le dire de manière plus formelle : avant la mise en marche du générateur, le circuit est au repos et la tension (différence de potentiel) est nulle. Au moment où on le met en marche, même si les électrons eux-mêmes ne bougent pas vite, le « signal de mise en mouvement » se propage à la vitesse de la lumière (ou presque) et fait qu’un dipôle se retrouve alimenté quasi-instantanément quelle que soit sa position dans le circuit. Donc, finalement, ce signal électrique qui se propage à la vitesse de la lumière et qui permet la mise en mouvement, est-ce que ce serait pas un genre d’onde de différence de potentiel ? Le fait qu’on applique subitement une tension non nul aux bornes du circuit se propage et permet la mise en mouvement de tous les électrons du circuit ?

Tout ça me semble juste.

Sinon, je pense à une autre analogie pour l’axone.

Imagine que tu es dans ton lit, sous une couverture. Tu prends un coin de la couverture, et tu fais un mouvement ample du bras pour te découvrir. Ce qu’il va se passer, c’est que tu vas découvrir le coin, qui va entraîner le bord, qui va entraîner la suite du bord, et ainsi de suite jusqu’à ce que tu sois entièrement découvert, et que la couverture soit passée d’un côté à l’autre.

• Tu as un mouvement de la couverture d’un côté à l’autre, comme tu as un mouvement de charges de l’extérieur vers l’intérieur de la membrane.
• La position de la couverture évolue au cours du temps : d’abord d’un côté, puis progressivement de plus en plus de l’autre. C’est analogue à la répartition des charges dont découle le potentiel.
• La différence de position de la couverture entre deux endroits crée une force (la couverture tire sur elle-même), qui est analogue à la tension qui tend à faire bouger les charges.

Bon, on pourrait aller loin avec les analogies de toute sortes, je préfère m’arrêter là.