Histoire de l'électrophysiologie - Définition et Explications

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L'électrothérapie est une technique médicale connu depuis l'Antiquité. Cette technique est toujours considérée comme importante et plusieurs prix Nobel ont été accordés à des chercheurs travaillant sur ce sujet.

La bioélectricité dans l'Antiquité

Les premiers phénomènes bioélectriques connus sont les décharges produites par l'organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément...) électrique de certains poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le Bélier à l'est. Bien...). Des bas-reliefs de l'Égypte antique représentent des poissons-chats, dont on sait qu'ils peuvent générer des impulsions électriques de plus de 350 V (bas-relief de la tombe de Ti à Saqqarah, datant de 2750 av. J.-C. environ par exemple). En méditerranée, 5 espèces au moins de poissons électriques sont connues, comme Torpedo torpedo (torpille) dont il existe des représentations anciennes (mosaïque de Pompéi du Ier siècle. La torpille peut générer des impulsions de 45 V.

Bien que leur mécanisme fût inconnu, les décharges générées par ces poissons étaient utilisées d'une manière que l'on pourrait décrire comme de l'"électrothérapie". Scribonius Largus, sous le règne de l'empereur Claude (41-54), décrit ainsi le traitement contre la migraine (La migraine (du grec ancien ημικρανίον / êmikraníon, douleur touchant la « moitié du crâne ») est une céphalée chronique...) ou contre la goutte.

Débuts de l'électrophysiologie et découverte de l'électricité

Au cours du XVIIIe siècle on tenta de découvrir l'origine de ces décharges électriques en dissécant l'organe électrique de torpille. En 1776, John Walsh parvint à rendre visible la décharge électrique (Le terme décharge électrique désigne des phénomènes variés :) de l'organe électrique au moyen d'un flash lumineux. On peut dire qu'il s'agit de la "naissance" de l'électrophysiologie. À la fin du XVIIIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être...) Alessandro Volta (Le comte Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, né à Côme le 18 février 1745 et mort à Côme le 5 mars 1827, est un physicien italien....) et Luigi Galvani démontrent, avec des points de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) différents, que les phénomènes électriques ne sont pas restreints à l'organe électrique, mais de manière plus générale à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des nerfs et des muscles.

En 1791, Galvani montra que les muscles de grenouille (Le terme grenouille est un nom vernaculaire donné à certains amphibiens, principalement dans le genre Rana. À un de ses stades de développement, la larve de la grenouille est appelée un têtard. Les...) se contractent quand ils sont mis en contact avec un arc de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...). Il interprétera ce phénomène, en analogie à l'organe électrique qui est un muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types majeurs de tissus, les autres étant le tissu épithélial,...) modifié, comme la décharge dans le métal de l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est...) contenue dans le muscle.

Volta, quant à lui, pensait que l'utilisation de deux métaux produisait une différence de potentiel et, que l'électricité était transférée aux cellules musculaires. Cette interprétation le conduit à construire la pile électrique (Une pile électrique (ou plus simplement pile) est un dispositif électrochimique transformant l'énergie d'une réaction chimique en énergie électrique. Dans une pile du...) par l'empilement de disques. L'aspect de cette première pile ressemble beaucoup à la morphologie des colonnes de l'organe électrique.

Description du potentiel de membrane et du potentiel d'action

Dans les années 1840, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) italien Carlo Matteucci avait montré que dans un muscle coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont fait certains constructeurs américains) et possédant deux, quatre ou cinq places. Il est caractérisé par la forme...) transversalement, un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) s'établit entre surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de la tranche de section (l'intérieur de la cellule) et surface extérieure non endommagée (milieu extracellulaire).

Au milieu du XIXe siècle, Emil du Bois-Reymond mesura pour la première fois un courant d'action sur des muscles et des nerfs stimulés. En améliorant ses instruments de mesure, il observa en effet une diminution temporaire du courant précédemment découvert (alors appellé "courant de blessure (Une blessure est une lésion, physique ou psychique, faite involontairement ou dans l'intention de nuire.)", c'est-à-dire le potentiel de repos). Il nomma cette diminution de courant "fluctuation négative" (negative Schwankung). Cependant l'origine de cette "fluctuation négative" et de ce "courant de blessure" restait indeterminée.

Ludimar Hermann, un élève de du Bois-Reymond développa en 1898 la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) du "noyau conducteur" (Kernleitertheorie). Il proposa que les muscles et les fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) nerveuses sont composés d'un noyau conducteur et d'une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour...) isolante (comme une "enveloppe"). Une excitation produirait un courant d'action qui polariserait l'enveloppe isolante, et, par induction, activerait les fibres voisines. L'origine locale de l'excitation serait une réaction chimique de type explosive dans le noyau: une altération brutale du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la...) (Alterationstheorie).

Mais Julius Bernstein, un autre élève de du Bois-Reymond, montra en 1902 grâce à des mesure de dépendance à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) du potentiel de repos, que les phénomènes bioélectriques ne sont pas directement d'origine chimique. Ses expériences indiquaient au contraire qu'il y avait dans les fibres un électrolyte préexistant responsable du potentiel de repos et de la "fluctuation négative". Il profita pour aboutir à cette conclusion de deux avancées récentes:

  • Walther Nernst avait décrit le potentiel de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) entre deux solutions de concentration différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide...) (1888/1889). Bernstein appliqua l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités qui...) de Nernst au potentiel de repos qu'il mesurait.
  • Wilhelm Ostwald obtint presque simultanément (1890) un potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) de part et d'autre d'une membrane artificielle semi-perméable aux ions.

Bernstein pensa que l'enveloppe isolante décrite par Hermann est en fait une membrane semi-perméable. Il supposa alors que le courant observé entre la surface tranchée des muscles et la surface intacte est dû au différence de concentration ionique, à l'électrolyte préexistant. L'intérieur des fibres est riche en phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque d'une base par de l'acide phosphorique.) de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe :...) (K2HPO4), et la membrane perméable seulement au potassium. Il reprit sa "théorie membranaire" en 1912 dans sa monographie "Elektrobiologie". Il fonda ainsi un nouveau paradigme pour la compréhension de la bioélectricité qui resta inchangé pendant environ 40 ans, jusqu'à ce que l'amélioration des instruments de mesure permette de mieux préciser les différents mécanismes de la bioélectricité.

Chronologie

  • 1791: luigi Galvani décrit la bioélectricité des nerfs et muscle de grenouille
  • années 1840:
    • Carlo Matteucci (Italie), " courant de blessure " (potentiel de repos)
    • Emil du Bois-Reymond (Allemagne), " fluctuation négative " (potentiel d'action)
  • 1850: Hermann von Helmhotz mesure la vitesse (On distingue :) de l'influx nerveux (40m/s)
  • 1888/1889: Walther Hermann Nernst, base de l'électrochimie, il recevra le prix Nobel de chimie (Le prix Nobel de chimie est décerné une fois l'an, depuis 1901, par l'Académie royale des sciences de Suède à un scientifique dont l'œuvre et les travaux ont rendu de grands services...) en 1920.
  • 1902: Julius Bernstein applique l'équation de Nernst pour démontrer que l'origine du potentiel de repos est la sélectivité de la membrane au potassium, et le postentiel d'action la perte de sélectivité transitoire au potassium.
  • 1939: K. C. Cole et H. J. Curtis travaillent sur le calamar.
  • années 1950: Alan L. Hodgkin et Andrew Huxley utilisent la technique de potentiel imposé (voltage clamp en anglais) sur l'axone (Un axone ou fibre nerveuse est le prolongement long, mince et cylindrique d'un neurone qui conduit les impulsions électriques en dehors du corps...) géant de calmar (Les calmars ou teuthides (Teuthida) constituent un ordre, apparu au début du Jurassique, de céphalopodes décapodes marins apparentés aux seiches et regroupant près de 300 espèces. La plupart des espèces...), et postulent l'existence de deux conductances indépendantes et activées par le potentiel de membrane, une conductance sélective des ions sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas...), et l'autre des ions potassium. Ils peuvent ainsi modéliser ces deux conductances (que l'on a par la suite identifiées à des canaux ioniques) et prédirent toutes les propriétés des potentiels d'action enregistrés. Ces résultats se sont révélés applicables à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) des neurones, et on valu à ces deux chercheurs le prix Nobel de physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle,...) ou médecine en 1963, partagé avec John Carew Eccles.
  • 1976: Erwin Neher et Bert Sakmann mettent au point (Graphie) le patch-clamp, pour lequel ils reçoivent le prix Nobel de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) en 1992.

Bibliographie

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