Comment notre cerveau produit-il de l'électricité ?

La tension électrique dans nos neurones est créée par une pompe moléculaire dont le fonctionnement vient d'être élucidé.

Le cerveau fonctionne avec de l'électricité, mais où sont ses batteries ? N’ayant ni pile ni générateur, comment produit-il les courants électriques qui parcourent les neurones et nous permettent de penser, parler, marcher, voir, lire, entendre ou se souvenir ?

Les neurones sont comparables à de fins conducteurs électriques, mais ce sont des câbles creux, délimités par une membrane. De minuscules pompes moléculaires sont logées dans cette membrane et passent leur temps à refouler des atomes porteurs de charges électriques hors du neurone, et à en importer d’autre. Il en résulte une difference de potentiel électrique entre l’intérieur du neurone et l’extérieur, autrement dit une tension électrique qui est la base de l’activité électrique des neurones.

Les petites pompes moléculaires qui créent cette tension électrique sont donc vitales. En 1997, le chimiste néerlandais Jens Christian Skou a obtenu le prix Nobel pour avoir prouvé l’existence, 40 ans plus tôt, de la plus importante d’entre elles : la pompe au sodium/potassium. Cette pompe expulse des ions sodium et importe des ions potassium dans les neurones (et aussi dans d’autres cellules de l’organisme, comme les cellules cardiaques). Il y a quatre ans, sa structure globale a été observée, la voici.

Les biochimistes ont pu recréer le film qui montre comment elle « attrape » des ions sodium pour les éjecter hors du neurone, puis attrape des ions potassium à l’extérieur pour les recracher à l’intérieur.

Mais toute la question restait de savoir : comment la pompe fait-elle pour prendre des ions sodium dans la première phase, et des ions potassium dans la deuxième, sans se tromper ? La clé réside dans le fait que la pompe change de conformation entre ces deux étapes, ce que montre le film. Des chercheurs japonais ont pu montrer que dans la première conformation du film, elle possède une cavité comportant trois logements qui ont exactement la taille d’ions sodium. Trois ions sodium peuvent s’y loger (en violet ci-dessous). Mais ces logements sont trop petits pour accepter des ions potassium (ici en vert).

Les deux conformation de la pompe sodium/potassium

Ces réglages extrêmement fins (la résolution est de trois dix-millionièmes de millimètre) permettent à la pompe de discriminer parfaitement entre deux sortes d’ions, et de créer une différence de potentiel dans les neurones, qu’on appelle le potentiel de repos. Lorsque le neurone est excité, ce potentiel de repos s’annule (on parle de dépolarisation), créant une perturbation de la tension électrique qui se propage de proche en proche, à une vitesse pouvant aller d’un mètre par seconde à cent mètres par secondes. Et le cerveau peut commencer à penser…