Travaux Pratiques de Biophysique
INTRODUCTION
La biophysique est une science interdisciplinaire qui applique les méthodes de la physique pour étudier les systèmes biologiques. Elle permet d'analyser des phénomènes biologiques à différents niveaux, des molécules fondamentales jusqu'aux systèmes complexes chez les animaux et les humains. Grâce à la biophysique, de nombreux domaines de la biologie et de la médecine ont connu des progrès majeurs.
Les travaux de Luigi Galvani, un physicien et médecin italien, ont mis en évidence la présence d'un courant électrique dans les tissus vivants, ce qu'il appela "l'électricité animale". Ce fut un premier pas important vers l'application des concepts physiques pour comprendre les phénomènes biologiques.
La biophysique a progressé de manière significative au 20e siècle et elle est maintenant un domaine clé de la recherche et de l'industrie. Elle est à la base de technologies telles que les rayons X, l'IRM, et l'échographie, utilisées couramment pour le diagnostic médical. Par ailleurs, grâce à elle, des découvertes majeures ont été réalisées, comme la structure de l'ADN et le séquençage du génome humain.
Aujourd'hui, la biophysique joue un rôle crucial dans des secteurs tels que les biotechnologies, la médecine, l'industrie pharmaceutique, et bien d'autres encore.
SÉANCE 1 : UTILISATION DE L'OSCILLOSCOPE
1. RAPPEL
1.1. L’OSCILLOSCOPE
Un oscilloscope est un instrument de mesure qui permet de visualiser et de mesurer des signaux électriques (courants, tensions) dans le temps. Il est particulièrement utile pour observer des variations rapides de signaux, comme ceux générés par des neurones ou des muscles. L'oscilloscope permet de représenter graphiquement un signal sous forme d'onde, ce qui permet d'analyser son amplitude, sa fréquence, et sa forme.
1.2. CARACTÉRISTIQUES D'UN SIGNAL CARRÉ
Un signal carré est une forme d'onde qui alterne entre deux niveaux fixes, créant des transitions brusques. Ses caractéristiques principales sont :
- Fréquence : Nombre de cycles par seconde.
- Amplitude : La hauteur du signal, qui peut être positive ou négative.
- Période : Durée d'un cycle complet du signal.
Les signaux carrés sont couramment utilisés dans les systèmes numériques pour représenter des valeurs binaires (0 et 1).
2. OBJECTIF DU TRAVAIL PRATIQUE
L'objectif de cette séance est de comprendre le fonctionnement d’un oscilloscope et de savoir l'utiliser pour mesurer un signal carré. Les étudiants apprendront à :
- Identifier les caractéristiques d'un signal.
- Utiliser les différentes fonctions d'un oscilloscope pour visualiser un signal carré.
- Calculer les paramètres de base d'un signal à partir des mesures faites avec l'oscilloscope.
3. MANIPULATION
3.1. MATÉRIEL
- Oscilloscope.
- Générateur de signaux.
- Câbles de connexion.
- Composants électroniques pour l'ajustement du signal.
3.2. PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL
- Branchement de l'oscilloscope : Connecter l’oscilloscope au générateur de signaux à l'aide de câbles appropriés.
- Réglage de la fréquence : Choisir une fréquence spécifique pour le signal carré sur le générateur.
- Mesure du signal : Observer le signal à l'écran de l'oscilloscope. Utiliser les commandes pour ajuster la base de temps et la sensibilité.
- Analyse des caractéristiques : Identifier les valeurs de fréquence, amplitude, et période sur l'oscilloscope et vérifier les calculs théoriques.
- Variation des paramètres : Modifier la fréquence et l’amplitude du signal et observer l'effet sur l'onde affichée.
4. COMPTE-RENDU
Dans cette section, les étudiants devront rédiger un compte-rendu détaillant les observations faites durant la manipulation. Le compte-rendu inclura :
- Un résumé du protocole expérimental.
- Les résultats obtenus (valeurs mesurées de fréquence, amplitude, période).
- Les calculs effectués à partir des mesures.
- Les comparaisons avec les valeurs théoriques.
5. CONCLUSION
Les conclusions porteront sur la précision des mesures effectuées, les difficultés rencontrées lors de l’utilisation de l’oscilloscope, et les applications pratiques possibles des signaux carrés dans le domaine de la biophysique, notamment dans la mesure de signaux biologiques.
SÉANCE 2 : L’ÉLECTROPHYSIOLOGIE AXONALE
1. RAPPEL DU COURS
1.1. AXONE
L'axone est la prolongation d’un neurone qui permet la transmission de l'influx nerveux. L'influx nerveux se déplace le long de l'axone grâce à des variations de potentiel électrique au niveau de la membrane cellulaire.
1.2. SYNAPSE ET POTENTIELS POSTSYNAPTIQUES
Les synapses sont les jonctions entre deux neurones où la transmission de l'influx nerveux se fait par l'intermédiaire de neurotransmetteurs. Le potentiel postsynaptique est la variation du potentiel électrique dans un neurone qui suit la stimulation par un autre neurone.
2. OBJECTIF DU TRAVAIL PRATIQUE
Cette séance vise à explorer l'électrophysiologie axonale. Les étudiants apprendront à :
- Mesurer les potentiels d'action dans les axones.
- Analyser la propagation de l'influx nerveux.
- Comprendre le rôle des synapses dans la transmission du signal électrique.
3. MANIPULATION
3.1. MATÉRIEL
- Système d'enregistrement des potentiels d'action.
- Stimulateur électrique.
- Dispositifs pour mesurer la réponse du neurone (électrodes).
3.2. PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL
- Préparation de l’échantillon : Préparer un échantillon contenant des axones de neurones.
- Stimulation des axones : Appliquer un stimulus électrique et observer la génération du potentiel d’action.
- Enregistrement des signaux : Utiliser des électrodes pour mesurer les variations de potentiel à différents points de l'axone.
- Analyse des résultats : Examiner la forme du potentiel d'action et la propagation de l’influx nerveux le long de l’axone.
4. COMPTE-RENDU
Le compte-rendu détaillera :
- Les résultats des mesures de potentiels d’action.
- Les observations sur la vitesse de propagation du signal nerveux.
- Les différences entre les axones en fonction de leur taille et de leur myélinisation.
5. CONCLUSION
Les étudiants discuteront des mécanismes impliqués dans la propagation de l’influx nerveux et de l'importance des synapses pour la communication entre neurones. Ils devront également évaluer l'efficacité de la méthode utilisée pour mesurer les signaux électriques et proposer des améliorations éventuelles.
RÉFÉRENCES
- Biophysique : Les principes fondamentaux de la biophysique – Auteurs divers.
- Neurosciences – Neuroscience Textbook (édition récente).
- Manuel de physiologie expérimentale – Techniques et protocoles.
Note : Les informations ci-dessus sont des exemples extraits des sections de travaux pratiques en biophysique, et peuvent être adaptées en fonction des objectifs spécifiques du programme d’enseignement.