L’électrophysiologie est l’étude des propriétés et de l’activité électriques dans les systèmes biologiques, notamment les cellules excitables comme les neurones et les cellules musculaires. Elle implique la mesure, l’enregistrement et l’analyse des signaux électriques générés par ces cellules en vue d’élucider les mécanismes de leurs fonctions et leurs communications.

Dans la suite de cet article, nous allons nous intéresser de manière approfondie à l’électrophysiologie, notamment à son histoire, son avenir et son utilisation dans les techniques expérimentales mises en œuvre dans différents domaines.

Histoire de l’électrophysiologie

L’histoire de l’électrophysiologie est riche et remonte aux XVIII^e et XIX^e siècles. En effet, c’est à cette époque que les premières expériences marquées par des découvertes importantes sur les propriétés électriques des organismes vivants ont été réalisées.

L’une des expériences les plus révolutionnaires fut, sans aucun doute, réalisée à la fin du XVIII^e siècle par Luigi Galvani, un médecin italien. Au cours de cette expérience, Luigi Galvani a remarqué que les muscles de grenouilles se contractaient lorsqu’ils étaient touchés avec un instrument en métal alors qu’ils étaient également en contact avec un autre objet en métal.²

Pour lui, il s’agissait de l’indication de l’existence d’une « électricité animale », une notion à l’origine de la compréhension globale des phénomènes bioélectriques. Les premières expériences d’électrophysiologie, comme celle de Luigi Galvani, jeté les bases des recherches ultérieures menées dans ce domaine, ce qui a permis une meilleure compréhension des propriétés électriques des organismes vivants et des méthodes pour les étudier.

Au début du XXI^e siècle, les travaux des scientifiques reposaient encore beaucoup sur les enregistrements in situ, car il était excessivement difficile de localiser une seule cellule. Grâce à l’ajout d’un microscope, les scientifiques ont pu localiser les cellules de manière individuelle. Puis, les avancées réalisées en matière de systèmes optiques, comme le système à contraste interférentiel différentiel infrarouge (CID IR), ont permis aux chercheurs d’observer les tissus vivants plus en profondeur.

Associé à une caméra à grande vitesse, ce système de microscope a permis d’observer en temps réel les dynamiques internes des cellules à l’aide de méthodes d’imagerie comme l’imagerie calcique. Aujourd’hui, des solutions d’imagerie, comme le microscope droit à platine fixe pour l’électrophysiologie, ou des solutions d’imagerie encore plus avancées, comme les microscopes confocaux et multiphotoniques à balayage laser, révolutionnent le domaine de l’électrophysiologie et permettent de faire progresser la recherche.

Coupe coronale d’un cerveau de souris de lignée H, cyan ; DAPI (noyaux cellulaires), vert ; YFP (neurone), jaune ; astrocytes cy3, magenta ; AlexaFluor 750 (microtubule). Des images à quatre canaux d’un total de 77 positions XYZ (11 × 7) ont été acquises à l’aide d’un scanner résonnant 1K en 16 minutes pour créer l’image assemblée, ce qui aurait auparavant nécessité deux heures avec un scanner galvanométrique. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Takako Kogure et Atsushi Miyawaki, Laboratory for Cell Function Dynamics, RIKEN CBS.

Quelles sont les utilisations de l’électrophysiologie ?

Dans le paysage actuel de la recherche, l’électrophysiologie est utilisée dans de nombreux domaines courants, notamment la cardiologie, les neurosciences et bien d’autres encore. En cardiologie, l’électrophysiologie est surtout utilisée avec l’électrocardiogramme ou l’ECG.

Un ECG est un dispositif de diagnostic électrophysiologique capable de mesurer et d’enregistrer l’activité électrique du cœur. Les électrodes placées sur la peau détectent les signaux électriques générés par les cellules cardiaques. L’ECG fournit de précieuses informations sur le rythme cardiaque, la fréquence cardiaque et l’activité électrique du cœur, ce qui en fait un outil essentiel pour le diagnostic et la prise en charge des maladies cardiovasculaires.

Dans le domaine des neurosciences, l’électrophysiologie est souvent utilisée pour étudier les propriétés électriques des neurones, notamment la génération et la transmission des signaux électriques.

Il existe deux approches principales en électrophysiologie par patch-clamp : l’approche intracellulaire et l’approche extracellulaire. L’électrophysiologie intracellulaire mesure le potentiel électrique à travers la membrane d’une cellule individuelle. Cela permet d’obtenir des informations détaillées sur le potentiel de membrane de la cellule et sur tout changement survenant pendant les activités cellulaires, comme les potentiels d’action.

Le potentiel de membrane est une propriété intrinsèque de toutes les cellules causée par la présence d’un excès de charges positives ou négatives au niveau de l’une des faces de la membrane cellulaire.¹ Un potentiel d’action est une dépolarisation et une repolarisation électriques brèves mais de grande amplitude de la membrane plasmique des neurones provoquées par un échange d’ions chargés positivement.¹

La technique du patch-clamp est surtout utilisée pour étudier l’activité électrique des cellules individuelles, notamment les neurones. Elle consiste à placer une micropipette de verre contenant une électrode sur la membrane cellulaire afin d’isoler électriquement la zone à l’intérieur de la micropipette du reste de la surface cellulaire, ce qui permet de mesurer avec une haute précision les variations du potentiel de membrane. Selon l’objectif de l’expérience, la technique du patch-clamp peut être réalisée avec l’une des quatre configurations suivantes : cellule entière, cellule attachée, « inside-out » et « outside-out ».

Techniques du patch-clamp. (A) Cellule attachée – Cette configuration permet la mesure du courant au niveau d’un seul canal. (B) Cellule entière – Cette configuration permet la mesure du courant au niveau de toute la cellule. (C) « Inside-out » – Cette configuration permet la mesure du courant à travers une petite partie de la membrane dont la face cytosolique est orientée vers l’extérieur. (D) « Outside-out » – Cette configuration permet la mesure du courant à travers une petite partie de la membrane dont la face extracellulaire est orientée vers l’extérieur. Source de l’image : Ahmadi, Shirin et coll. 2023 (Frontiers).³

L’enregistrement en voltage imposé (« voltage clamp ») est une méthode utilisée pour mesurer et contrôler le potentiel de membrane d’une cellule tout en mesurant simultanément le courant ionique traversant la membrane cellulaire.² Cette technique permet aux chercheurs d’étudier les propriétés des canaux ioniques et des récepteurs afin d’élucider le mécanisme à l’origine d’un potentiel d’action.

L’enregistrement en courant imposé (« current clamp ») consiste à injecter du courant dans une cellule tout en mesurant les variations du potentiel de membrane. Cette technique est utilisée pour étudier les propriétés électriques intrinsèques des neurones, comme le potentiel de repos membranaire et les profils de déclenchement du potentiel d’action.

L’électrophysiologie extracellulaire consiste, quant à elle, à mesurer l’activité électrique de plusieurs cellules ou sur une zone plus étendue. Cette approche est généralement utilisée pour étudier l’activité globale et les interactions des réseaux neuronaux. Les réseaux de microélectrodes (MEA) permettent l’enregistrement simultané de l’activité électrique de plusieurs sites différents, ce qui permet d’obtenir une vue d’ensemble de l’activité d’un réseau neuronal.

En résumé, la différence entre l’électrophysiologie intracellulaire et l’électrophysiologie extracellulaire repose sur la position de l’électrode d’enregistrement par rapport à la membrane cellulaire. Les enregistrements intracellulaires fournissent des informations sur les propriétés électriques des cellules individuelles, tandis que les enregistrements extracellulaires captent des informations relatives à l’activité globale d’un groupe de cellules. Les deux approches sont très importantes pour la compréhension de la fonction des systèmes biologiques.

L’avenir de l’électrophysiologie

Grâce aux progrès technologiques et méthodologiques continus, l’avenir de l’électrophysiologie est prometteur. Des besoins d’améliorations en matière d’analyse des données et de modélisation informatique se font déjà sentir, la complexité des ensembles de données d’électrophysiologie ne cessant de croître. Les outils d’apprentissage automatique joueront probablement un rôle essentiel dans l’extraction de résultats significatifs à partir de larges ensembles de données. Le développement de dispositifs sans fil et miniaturisés a déjà commencé et continuera afin de permettre une surveillance peu invasive de l’activité électrique du corps.

L’optogénétique est un exemple de technologie de pointe qui repose sur l’utilisation de la microscopie et de composants optiques pour contrôler, grâce à la lumière, l’activité de cellules spécifiques, comme les neurones. Cette technique consiste à modifier génétiquement des neurones afin d’y introduire des canaux protéiques photosensibles. Une fois les canaux exprimés, l’éclairage d’une région donnée de la cellule permet de modifier localement la concentration en ions, et les effets qui s’en suivent peuvent être observés en temps réel au microscope.¹

Ce niveau de connaissance et de visibilité de l’activité cellulaire ouvre des perspectives d’étude des circuits neuronaux, des fonctions cérébrales, des troubles neurologiques ainsi que de développement d’interventions thérapeutiques.⁴ Dans l’ensemble, l’avenir de l’électrophysiologie est très prometteur, notamment en ce qui concerne l’amélioration de notre compréhension des systèmes biologiques et du diagnostic et du traitement des maladies.

Exemple de carte de réponse à la stimulation 3D pour la mesure de la réponse électrophysiologique Pour réaliser une stimulation par lumière laser hautement ciblée, le champ d’observation a été divisé par quadrillage, et le laser éclaire chaque carré selon une séquence pseudo-aléatoire qui évite la stimulation séquentielle de zones adjacentes. Une carte de réponse à la stimulation est générée à partir de l’enregistrement du patch-clamp ou de l’intensité d’imagerie. L’intégration d’une tourelle porte-objectifs piézoélectrique disponible en option permet de produire une carte de réponse 3D, avec des stimulations délivrées à des profondeurs différentes par rapport au plan d’imagerie. Données d’images reproduites avec l’aimable autorisation de Haruo Kasai du Center for Disease Biology and Integrative Medicine, faculté de médecine, université de Tokyo. Données acquises avec un microscope à balayage laser FLUOVIEW.

Principaux points à retenir concernant l’électrophysiologie

L’électrophysiologie se trouve finalement à la pointe de notre compréhension des subtilités du fonctionnement des organismes vivants, notamment en neuroscience et en cardiologie. En révélant les mystères de l’activité électrique des cellules, les chercheurs sont en mesure de comprendre les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent la communication neuronale, la contraction musculaire et bien d’autres processus physiologiques.

Des expériences novatrices réalisées par les premiers scientifiques comme Luigi Galvani aux technologies de pointe actuelles, le domaine de l’électrophysiologie a connu une évolution remarquable poussée par la collaboration et la quête de connaissances. Grâce aux travaux de recherche continus, nous sommes en mesure de mieux comprendre encore l’activité électrique qui alimente le corps humain.

Références bibliographiques

1. Hardin, Jeff et al. Becker’s World of the Cell, 9th Global Edition. Pearson, 2016.
2. Molleman, Areles. Patch Clamping: An Introductory Guide to Patch Clamp Electrophysiology. John Wiley Sons, 2008.
3. Ahmadi, Shirin et al. “From Squid Giant Axon to Automated Patch-Clamp: Electrophysiology in Venom and Antivenom Research.” Frontiers, 2023.
4. Häusser, Michael. “Optogenetics - The Might of Light.” New England Journal of Medicine, 2021.

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