Propagation electrodynamics differential conduction of action potentials in geometrically branched squid giant axons

À l'intérieur du cerveau, l'acte le plus fondamental de la pensée, du sentiment et du mouvement repose sur un événement simple mais profond : une étincelle électrique voyageant le long d'un fil. Ces fils ne sont pas en cuivre ou en silicium, mais les longues et fines extensions des cellules nerveuses appelées axones. Pendant des décennies, les scientifiques ont compris comment ces signaux se déplacent grâce à un ensemble de règles connues sous le nom de théorie du câble. Cette théorie traite l'axone comme un tuyau d'arrosage long et fuyant, où l'électricité coule au centre et s'échappe par les côtés. Cela fonctionne suffisamment bien pour expliquer comment un signal voyage dans un tube droit et uniforme. Cependant, le véritable cerveau n'est pas une collection de tubes droits. C'est une forêt de branches emmêlées, où une seule fibre nerveuse se divise en deux, puis quatre, puis en beaucoup d'autres, créant un puzzle géométrique complexe. Lorsqu'un signal atteint une fourche, il doit décider comment diviser son énergie. Les anciennes règles supposaient que si les branches étaient de même taille, le signal se diviserait uniformément, et si elles étaient différentes, la division suivrait un schéma prévisible basé uniquement sur leur largeur.

Mais et si les anciennes règles passaient à côté d'une pièce du puzzle ? Et si le mouvement de l'électricité à travers ces fils minuscules créait son propre champ magnétique invisible, et que ce champ, à son tour, exerçait une pression sur l'électricité ? C'est la question à laquelle une équipe de chercheurs a cherché à répondre. Ils ont construit un nouveau modèle plus complet de la façon dont les signaux nerveux voyagent, un modèle qui ne regarde pas seulement le courant électrique, mais qui tient également compte des forces magnétiques qui surgissent chaque fois que ce courant se déplace. En simulant ces interactions sur un ordinateur, ils ont découvert que les effets magnétiques ne sont pas seulement un petit détail à ignorer ; ils sont assez puissants pour modifier la vitesse à laquelle un signal se déplace, son comportement à un point de ramification, et même sa capacité à réussir à traverser la jonction.

Les chercheurs ont commencé par prendre le modèle standard d'une cellule nerveuse et y ont ajouté les lois complètes de l'électromagnétisme. Dans la vision traditionnelle, un signal nerveux est simplement une onde de tension se déplaçant le long d'un cylindre. Dans cette nouvelle vision, cette onde électrique en mouvement génère un champ magnétique, et ce champ magnétique crée une force qui agit sur les ions en mouvement à l'intérieur de la cellule. C'est une conversation à double sens entre l'électricité et le magnétisme. Pour tester cela, l'équipe a créé un environnement virtuel où elle pouvait observer ces signaux voyager à travers des structures ramifiées, semblable à un tronc d'arbre se divisant en branches. Ils ont lancé des milliers de simulations, modifiant l'épaisseur de la branche parente et des branches filles, et observant ce qui se passait lorsque le signal heurtait la fourche.

Les résultats ont été surprenants. Dans l'ancien modèle, si vous rendiez l'une des branches filles très large, le signal y coulerait simplement avec facilité, ralentissant peut-être un peu dans l'autre branche plus étroite. Dans le nouveau modèle, les forces magnétiques changent totalement le résultat. Les chercheurs ont découvert que les effets magnétiques rendaient beaucoup plus difficile le passage d'un signal à travers une jonction. En fait, le signal échouerait à passer dans une branche fille à une taille bien plus petite que ce que la théorie ancienne prédisait. C'était comme si le champ magnétique créait un mur invisible, bloquant le signal avant qu'il ne puisse atteindre le point où l'ancienne théorie disait qu'il aurait dû s'arrêter. Cela signifie que dans le vrai cerveau, le seuil auquel un signal reste bloqué à un point de ramification est plus bas que nous ne le pensions ; le signal est plus fragile à ces fourches que ce que l'on croyait auparavant.

L'étude a également examiné ce qui se passe lorsque deux branches sont de taille identique. Selon les anciennes règles, si un signal arrive à une division où les deux chemins sont identiques, il devrait se diviser parfaitement de manière égale, voyageant dans les deux branches à la même vitesse. Les nouvelles simulations ont montré que cette symétrie parfaite peut être brisée par un champ magnétique externe. Si vous appliquez un champ magnétique sur le côté, le signal accélère dans une branche et ralentit dans l'autre, même si les branches sont physiquement identiques. La force magnétique pousse les charges électriques différemment selon la direction dans laquelle elles se déplacent par rapport au champ. Cela suggère que le câblage du cerveau pourrait être sensible à l'environnement magnétique de manières que nous n'avions jamais envisagées, permettant potentiellement à des champs magnétiques externes d'altérer subtilement la façon dont l'information est acheminée à travers un neurone unique.

La découverte la plus frappante concerne la vitesse du signal lui-même. Pendant longtemps, les scientifiques ont cru que la vitesse d'un signal nerveux augmente avec la racine carrée de l'épaisseur de l'axone. Un fil plus épais signifie moins de résistance, donc le signal voyage plus vite. Cette règle s'est avérée vraie pour les fils fins et de taille moyenne dans les nouvelles simulations. Cependant, lorsque les chercheurs ont rendu la branche parente très épaisse, le signal ne devenait pas de plus en plus rapide. Au lieu de cela, il a heurté un mur. Le retour de force magnétique est devenu si fort à de grands diamètres de câbles qu'il a en fait ralenti le signal et, dans certains cas, l'a arrêté complètement avant même qu'il ne puisse quitter le point de départ. L'ancienne théorie prédisait qu'un fil très épais serait toujours une autoroute pour les signaux, mais le nouveau modèle montre qu'il existe une limite. Si le fil est trop épais, les forces magnétiques générées par le flux massif de courant créent une boucle de rétroaction qui bloque le signal.

Ces découvertes proviennent d'une simulation informatique sophistiquée qui a combiné les équations des circuits électriques avec les équations des champs magnétiques. Les chercheurs n'ont pas seulement fait des suppositions ; ils ont construit un système qui résout ces équations étape par étape, suivant comment la tension, le courant et le champ magnétique changent ensemble au fil du temps. Ils ont vérifié leur travail en s'assurant que la quantité totale de courant entrant dans une jonction correspondait toujours à la quantité totale sortant, une loi fondamentale de la physique. Lorsqu'ils ont ajouté les termes magnétiques, ils ont constaté que l'équilibre nécessitait une nouvelle façon de calculer la division du signal. Ils ont proposé une nouvelle formule qui inclut ces effets magnétiques, ce qui change notre façon de concevoir la géométrie des ramifications nerveuses.

Les implications de ce travail sont significatives pour notre compréhension du cerveau. Si les effets magnétiques sont réels et mesurables, alors la façon dont les signaux voyagent à travers les arbres de branchements complexes de nos neurones est plus complexe que ne le suggèrent les simples modèles électriques. Le cerveau pourrait être plus sensible aux champs magnétiques que nous ne le réalisons, et les règles de réussite ou d'échec des signaux aux points de ramification pourraient devoir être réécrites. Les chercheurs suggèrent que les études futures devraient rechercher ces effets dans les tissus biologiques réels, peut-être en utilisant des mesures à haute résolution pour voir si les signaux se comportent comme les simulations le prédisent. Pour l'instant, ce travail rappelle que même dans le monde minuscule et encombré d'une cellule nerveuse, les forces de l'électricité et du magnétisme sont inextricablement liées, façonnant le flux même de la pensée et de la sensation d'une manière que les anciens modèles, plus simples, ne pouvaient percevoir.