Le potentiel d'action

Le message nerveux n'est ni chimique ni mécanique le long de l'axone : c'est un signal électrique, et il obéit à des règles très particulières.

Le potentiel de repos

Au repos, la membrane du neurone est polarisée : l'intérieur est négatif par rapport à l'extérieur.

   extérieur   + + + + + + + + + + + +
   ────────────────────────────────────  membrane
   intérieur   - - - - - - - - - - - -

            potentiel de repos ≈ -70 mV

Cette différence est maintenue activement, par des pompes qui expulsent des ions sodium et font entrer du potassium. C'est un travail permanent, et coûteux : il représente une part importante des 20 % d'énergie consommés par le cerveau. Un neurone au repos travaille.

Le potentiel d'action

Si un stimulus dépasse un certain seuil, la membrane s'inverse brutalement :

   potentiel (mV)
    +40 |          /\
        |         /  \
      0 |        /    \
        |       /      \
    -55 |......./........\.....  seuil
    -70 |______/          \____________  repos
        +-------------------------------> temps
         0    1    2    3    4  (ms)
        stimulus  dépolarisation  repolarisation

Trois phases : dépolarisation (l'intérieur devient positif), repolarisation, puis un bref retour sous le potentiel de repos avant récupération. L'ensemble dure environ 1 à 2 millisecondes.

La loi du tout ou rien

C'est la propriété la plus contre-intuitive :

   stimulus SOUS le seuil  ->  RIEN du tout
   stimulus AU-DESSUS      ->  potentiel d'action COMPLET
   stimulus très fort      ->  potentiel d'action IDENTIQUE, pas plus grand

L'amplitude ne code donc aucune information : tous les potentiels d'action se ressemblent, qu'ils viennent d'une caresse ou d'une brûlure.

Le codage en fréquence

Comment, dès lors, distinguer un stimulus faible d'un stimulus intense ? Par le nombre de potentiels d'action par seconde.

   stimulus faible   |    |       |     |         ~ 10 par seconde
   stimulus moyen    | |  | |  | | |  |           ~ 50 par seconde
   stimulus intense  ||||||||||||||||||||         ~ 100 par seconde

L'information est donc codée en fréquence, pas en amplitude. C'est un codage de type numérique : chaque impulsion est identique, seul leur rythme porte le message. Le système nerveux a résolu, il y a des centaines de millions d'années, le problème que l'électronique a redécouvert au XXᵉ siècle — le signal numérique résiste au bruit bien mieux que l'analogique.

Une limite en découle : la période réfractaire qui suit chaque potentiel d'action empêche de dépasser environ 1000 impulsions par seconde. C'est la fréquence maximale d'un neurone.

En résumé

• Au repos, la membrane est polarisée à environ -70 mV, maintenue activement.
• Au-delà d'un seuil, un potentiel d'action se déclenche : dépolarisation puis repolarisation, en 1 à 2 ms.
• Loi du tout ou rien : le potentiel d'action est identique quelle que soit l'intensité du stimulus.
• L'information est codée en fréquence, pas en amplitude.
• La période réfractaire plafonne la fréquence à environ 1000 impulsions par seconde.