6.1 Transmission synaptique dans un circuit réflexe simple
Un des comportements les plus simples médiés par le système nerveux central est le réflexe de genou ou d’étirement. En réponse au marteau du neurologue sur le tendon de la rotule, on observe une extension réflexe de la jambe. La figure 6.1 illustre le neurocircuit qui contrôle cette réponse réflexe. L’étirement du tendon de la rotule étire le muscle extenseur. Plus précisément, il étire un groupe de récepteurs spécifiques connus sous le nom de récepteurs du fuseau musculaire ou simplement de récepteurs d’étirement.
Figure 6.1
L’étirement déclenche des potentiels d’action dans les récepteurs d’étirement qui se propagent ensuite sur les fibres afférentes de type 1A, dont les somatums sont situés dans le ganglion de la racine dorsale. Les processus de ces neurones sensoriels entrent ensuite dans la moelle épinière et établissent des connexions synaptiques avec deux types de cellules. Tout d’abord, une connexion synaptique est formée avec le motoneurone extenseur situé dans la corne ventrale de la moelle épinière. À la suite de l’activation synaptique de ce motoneurone, des potentiels d’action sont déclenchés dans le motoneurone et se propagent dans les racines ventrales, envahissant finalement les régions terminales de l’axone moteur (c’est-à-dire la jonction neuromusculaire), provoquant la libération d’acétylcholine, la dépolarisation de la cellule musculaire, la formation d’un potentiel d’action dans la cellule musculaire et une contraction ultérieure du muscle.
Les neurones sensoriels établissent également des connexions synaptiques avec un autre type de neurone de la moelle épinière appelé interneurone. Les interneurones sont ainsi nommés parce qu’ils sont interposés entre un type de neurone et un autre. L’interneurone représenté est un interneurone inhibiteur. Suite à son activation par le processus de transmission synaptique, des potentiels d’action sont déclenchés dans l’interneurone. Un potentiel d’action dans le neurone inhibiteur entraîne la libération d’un transmetteur chimique qui inhibe le motoneurone fléchisseur, empêchant ainsi un mouvement inapproprié de se produire. Ce réflexe particulier est connu sous le nom de réflexe d’étirement monosynaptique car ce réflexe est médié par un seul relais synaptique excitateur dans le système nerveux central.
6.2 Mécanismes ioniques des EPSP
Potentiels synaptiques
Figure 6.2
La figure de droite illustre comment il est possible d’examiner expérimentalement certains des composants de la transmission synaptique dans la voie réflexe qui médiatise le réflexe d’étirement. Normalement, le neurone sensoriel est activé par un étirement du récepteur d’étirement, mais ce processus peut être contourné en injectant un courant dépolarisant dans le neurone sensoriel. Ce stimulus déclenche un potentiel d’action dans le neurone sensoriel qui entraîne une modification du potentiel du motoneurone. Ce potentiel est connu sous le nom de potentiel postsynaptique excitateur (EPSP) ; excitateur car il tend à dépolariser la cellule, tendant ainsi à augmenter la probabilité de déclencher un potentiel d’action dans le motoneurone et postsynaptique car c’est un potentiel enregistré du côté postsynaptique de la synapse.
Les mécanismes ioniques de l’EPSP dans le motoneurone spinal sont essentiellement identiques aux mécanismes ioniques de l’EPSP à la jonction neuromusculaire. Plus précisément, la substance transmettrice diffuse à travers la fente synaptique et se lie à des récepteurs ionotropes spécifiques sur la membrane postsynaptique, entraînant une augmentation simultanée de la perméabilité au sodium et au potassium (voir figure 4.10). Les mécanismes de libération sont également identiques à ceux de la jonction neuromusculaire. Un potentiel d’action dans le terminal présynaptique conduit à l’ouverture des canaux Ca2+ dépendants du voltage, et l’afflux de Ca2+ entraîne la libération de la substance transmettrice.
6.3 Différences entre les EPSP à la jonction neuromusculaire squelettique et les EPSP dans le SNC
Il existe deux différences fondamentales entre le processus de transmission synaptique à la synapse sensorimotrice dans la moelle épinière et le processus de transmission synaptique à la jonction neuromusculaire. Premièrement, la substance transmettrice libérée par le neurone sensoriel n’est pas l’ACh mais plutôt l’acide aminé glutamate. En effet, il existe de nombreux transmetteurs différents dans le système nerveux central – jusqu’à 50 ou plus et la liste s’allonge chaque année. Heureusement, ces 50 substances transmettrices ou plus peuvent être regroupées de manière pratique en quatre catégories de base : l’acétylcholine, les monoamines, les peptides et les acides aminés. Deuxièmement, contrairement à l’amplitude de 50 mV du potentiel synaptique à la jonction neuromusculaire, l’amplitude du potentiel synaptique dans un motoneurone spinal, à la suite d’un potentiel d’action dans une fibre afférente 1A, n’est que d’environ 1 mV.
6.4 Sommation temporelle et spatiale
Si l’amplitude du potentiel postsynaptique n’est que de 1 mV, comment un potentiel d’action dans le motoneurone peut-il être déclenché et le réflexe fonctionner ? Notez qu’il est peu probable qu’un EPSP de 1 mV soit suffisant pour amener le potentiel membranaire du motoneurone au seuil permettant de déclencher un spike. S’il n’y a pas de pic, il n’y aura pas de contraction du muscle. La réponse est que l’étirement du muscle déclenche de multiples potentiels d’action dans de nombreux récepteurs d’étirement différents. En fait, plus l’étirement est important, plus la probabilité d’activer un plus grand nombre de récepteurs d’étirement est grande. Ce processus est appelé recrutement. Par conséquent, de multiples afférences 1A convergeront vers le motoneurone spinal et participeront à son activation. Ce n’est cependant pas la réponse complète. Rappelons que plus l’intensité du stimulus est élevée, plus le nombre de potentiels d’action déclenchés dans un récepteur sensoriel est important. Plus l’étirement est important, plus le nombre de potentiels d’action déclenchés dans un seul neurone sensoriel est élevé et plus le nombre d’EPSPs produits dans le motoneurone à partir de ce train de potentiels d’action dans la cellule sensorielle est important. Les processus par lesquels les multiples EPSPs des neurones présynaptiques s’additionnent dans l’espace et le temps sont appelés sommation temporelle et spatiale.
Figure 6.3
Sommation temporelle. Un seul potentiel d’action dans le neurone sensoriel 1 produit un EPSP de 1 mV dans le motoneurone. Considérons maintenant les conséquences de l’émission de deux potentiels d’action en succession rapide (voir la figure ci-dessus). Deux EPP sont déclenchés, le second s’additionnant sur le front descendant du premier. Le résultat de ces deux potentiels d’action est un potentiel sommé d’environ 2 mV d’amplitude. S’il y avait trois potentiels d’action présynaptiques et qu’ils se produisaient assez rapidement, le potentiel total serait d’environ 3 mV, et ainsi de suite. La sommation temporelle est une propriété strictement passive des cellules nerveuses. Des mécanismes spéciaux de conduction ionique ne sont pas nécessaires pour l’expliquer. Les potentiels s’additionnent en raison des propriétés passives de la membrane de la cellule nerveuse, en particulier la capacité des membranes à stocker la charge. La membrane stocke temporairement la charge du premier PSP, puis la charge du second PSP s’y ajoute pour produire un potentiel deux fois plus important que le premier. Ce processus de sommation temporelle dépend beaucoup de la durée du potentiel synaptique. La sommation temporelle se produit lorsque les potentiels d’action présynaptiques se succèdent rapidement. La durée dépend des propriétés passives de la membrane, plus précisément de la constante de temps.
Sommation spatiale. Considérons maintenant un motoneurone qui reçoit deux entrées. Un potentiel d’action produit dans le neurone sensoriel 1 produit un EPSP de 1 mV et un seul potentiel d’action dans le neurone sensoriel 2 produit également un EPSP de 1 mV. Si des potentiels d’action sont produits simultanément dans le neurone sensoriel 1 et dans le neurone sensoriel 2, les EPSP s’additionnent pour produire un EPSP sommé qui est deux fois plus élevé que les EPSP individuels. La sommation spatiale dans les cellules nerveuses se produit en raison de la constante d’espace, la capacité d’une charge produite dans une région de la cellule à se répandre dans d’autres régions de la cellule.
6.5 IPSPs
La décision de tirer un neurone en réponse à une entrée synaptique dépend du nombre de potentiels d’action tirés dans une entrée afférente quelconque, ainsi que du nombre de voies afférentes individuelles activées.
La décision de tirer dépend également de la présence d’entrées synaptiques inhibitrices. La dépolarisation artificielle de l’interneurone pour déclencher un potentiel d’action produit une hyperpolarisation transitoire du potentiel de la membrane du motoneurone (voir figure 6.2). L’évolution dans le temps de cette hyperpolarisation ressemble beaucoup à celle d’un EPSP, mais son signe est inversé. Le potentiel synaptique du motoneurone est appelé potentiel postsynaptique inhibiteur (IPSP) car il tend à éloigner le potentiel de membrane du seuil, diminuant ainsi la probabilité que ce neurone initie un potentiel d’action.
6.6 Mécanismes ioniques des IPSP
Le potentiel de membrane du motoneurone fléchisseur est d’environ -65 mV, on pourrait donc prédire que l’IPSP serait dû à une augmentation de la perméabilité ou de la conductance d’un ion dont le potentiel d’équilibre est plus négatif que -65 mV. Une possibilité est le potassium. Le potassium est le médiateur de certains potentiels synaptiques inhibiteurs dans le système nerveux central, mais pas au niveau de la synapse particulière entre un interneurone spinal et un motoneurone spinal. Au niveau de cette synapse particulière, le PSIP est dû à une augmentation sélective de la perméabilité au chlorure. Notez que le potentiel d’équilibre du chlorure est d’environ -70 mV. L’émetteur libéré par l’interneurone spinal se lie à une classe spéciale de récepteurs ionotropes qui sont normalement fermés, mais qui s’ouvrent et deviennent sélectivement perméables aux ions chlorure suite à la liaison de l’émetteur. En raison de l’augmentation de la perméabilité au Cl-, le potentiel de la membrane passe de sa valeur de repos de -65 mV au potentiel d’équilibre du Cl-. (Notez qu’en principe, la diminution de la conductance de repos du Na+ pourrait également produire un PSIP).
6.7 Substance transmettrice du neurone inhibiteur de la moelle épinière
Qu’en est-il de la substance transmettrice qui est libérée par l’interneurone inhibiteur de la moelle épinière ? La substance transmetteur est la glycine, un acide aminé qui est utilisé fréquemment dans le système nerveux central comme un transmetteur produisant des actions inhibitrices. Ce n’est cependant pas le plus courant. Le transmetteur le plus courant ayant des actions inhibitrices est l’acide gamma amino butyrique (GABA).
6.8 Réponses synaptiques métabotropes
En plus des réponses médiées par les récepteurs ionotropes, il existe une classe entièrement distincte de potentiels synaptiques qui ont des durées avec des ordres de grandeur supérieurs aux durées des EPSP classiques. Il s’agit des potentiels synaptiques lents, qui sont médiés par des récepteurs métabotropiques. Les potentiels synaptiques lents ne sont pas observés dans tous les neurones postsynaptiques, mais ils le sont certainement dans de nombreux cas. La figure ci-dessous illustre un neurone postsynaptique qui reçoit deux entrées. Un potentiel d’action dans le neurone 1 produit un potentiel postsynaptique excitateur ou EPSP dans la cellule postsynaptique dont la durée est d’environ 20 msec. Le neurone 2 peut également produire un potentiel postsynaptique mais sa durée est plus de trois ordres de grandeur plus longue que celle du potentiel synaptique de type classique. Le mécanisme de ces réponses synaptiques lentes implique des changements dans le métabolisme de la cellule.
Figure 6.4
Figure 6.5
Un mécanisme de potentiel synaptique lent est présenté dans l’illustration de gauche (figure 6.5) et dans la figure 11.11. Contrairement au récepteur ionotrope pour lequel les récepteurs font en fait partie du complexe de canaux, les canaux qui produisent les potentiels synaptiques lents ne sont pas directement couplés aux récepteurs de l’émetteur. Au contraire, les récepteurs sont séparés du canal. Ces récepteurs sont dits métabotropes car ils impliquent des changements dans le métabolisme de la cellule et, en général, des changements dans l’activation de systèmes de seconds messagers spécifiques. La figure de gauche illustre un exemple d’un type de réponse qui implique la cascade de l’AMP cyclique. Les PSP lentes sont dans certains cas médiées par l’AMP cyclique mais elles sont également médiées par d’autres protéines kinases. Pour la réponse de la figure 6.5, l’émetteur active des protéines G qui conduisent à une augmentation de la synthèse de l’AMP cyclique. L’AMP cyclique entraîne ensuite l’activation de la kinase dépendante de l’AMP cyclique (PKA), qui phosphoryle une protéine de canal ou un composant du canal et produit ensuite un changement de conformation du canal et une modification de sa perméabilité ionique. Contrairement à un changement de conformation direct produit par la liaison d’un transmetteur au complexe canal-récepteur (observé dans les réponses médiées par les récepteurs ionotropes), le changement de conformation est produit par la phosphorylation. Le canal en question est un canal qui est sélectivement perméable au K+ et qui est normalement ouvert. Suite à la phosphorylation du canal par la PKA, le canal se ferme et devient moins perméable au K+. Comme le potentiel de repos normal est dû à un équilibre entre Na+ et K+, la diminution de la conductance de K+ favorise les effets de la conductance de Na+ et une dépolarisation est produite.
Il est intéressant de souligner que l’activation des récepteurs métabotropiques peut produire des effets beaucoup plus longs que quelques centaines de secondes. Par exemple, la protéine kinase A peut diffuser dans le noyau où elle peut phosphoryler des protéines (c’est-à-dire des facteurs de transcription) qui régulent l’expression des gènes.
6.9 Types de transmission synaptique
Ce chapitre et les deux précédents ont porté sur la transmission synaptique chimique. Comme vous l’avez vu pour les synapses chimiques, il existe une discontinuité cytoplasmique distincte qui sépare les membranes présynaptique et postsynaptique (figure 6.6A).
Figure 6.6A
Figure 6.6B
Cette discontinuité est connue sous le nom de fente synaptique. La borne présynaptique des synapses chimiques contient une forte concentration de mitochondries et de vésicules synaptiques, et on observe un épaississement caractéristique de la membrane postsynaptique. À la suite d’une dépolarisation ou d’un potentiel d’action dans le terminal présynaptique, des transmetteurs chimiques sont libérés du terminal présynaptique, qui diffusent à travers la fente synaptique et se lient à des sites récepteurs sur la membrane postsynaptique. Cela entraîne un changement de perméabilité qui produit le potentiel postsynaptique. Dans le cas des synapses chimiques, il y a un délai (généralement d’environ 0,5 heure) avant que le potentiel post-synaptique ne soit produit.5-1 ms) entre l’initiation d’un potentiel d’action dans le terminal présynaptique et un changement de potentiel dans la cellule postsynaptique. Le délai synaptique est dû au temps nécessaire pour que le transmetteur soit libéré, diffuse à travers la fente et se lie aux récepteurs de la membrane postsynaptique. La transmission synaptique chimique est généralement unidirectionnelle. Un changement de potentiel dans la cellule présynaptique libère un émetteur qui produit un potentiel postsynaptique, mais une dépolarisation dans la cellule postsynaptique ne produit aucun effet dans la cellule présynaptique car aucun émetteur n’est libéré de la cellule postsynaptique dans la région synaptique. Le type de synapse le plus prédominant est la synapse chimique, et c’est pour cette raison qu’elles ont fait l’objet de ce chapitre et des chapitres précédents.
Cependant, une autre catégorie de synapses est celle associée à la transmission synaptique électrique. La transmission synaptique électrique est médiée par des structures spécialisées connues sous le nom de jonctions gap (Fig. 6.6B), qui fournissent une voie de continuité cytoplasmique entre les cellules présynaptiques et postsynaptiques. Par conséquent, une dépolarisation (ou une hyperpolarisation) produite dans la borne présynaptique produit un changement de potentiel de la borne postsynaptique, qui est dû à la voie ionique directe entre les cellules. Dans le cas des synapses électriques, le retard synaptique est minimal ; dès qu’un changement de potentiel est produit dans la borne présynaptique, une réflexion de ce changement de potentiel est produite dans la cellule postsynaptique. On trouve des jonctions électriques à la fois dans le système nerveux et entre d’autres membranes excitables, comme les cellules musculaires lisses et cardiaques. Dans ces cellules musculaires, elles fournissent une voie importante pour la propagation des potentiels d’action d’une cellule musculaire à une autre.
6.10 Neurotoxines
La découverte de certaines toxines a grandement facilité l’analyse des canaux à déclenchement par tension et par voie chimique ainsi que le processus de transmission synaptique. Le tableau suivant en illustre certaines qui ont été particulièrement utiles.
| Certaines neurotoxines importantes | |
| tétrodotoxine (TTX) | Toxine de poisson qui bloque le pore des canaux Na+ voltage-dépendants. |
| μ-conotoxine (μ-CTX) | Toxine d’escargot conique chassant les poissons et ayant des propriétés similaires au TTX. |
| saxitoxine (STX) | Toxine provenant de dinoflagellés marins avec des propriétés similaires au TTX. Le STX est également connu sous le nom de poison paralysant pour les mollusques. |
| Conotoxine ω (ω-CTX) | Toxine d’escargot conique chasseur de poissons qui bloque certains types de canaux Ca2+ voltage-dépendants. |
| Toxine d’araignée à toile en entonnoir (ω-Aga) | Toxine d’araignée à toile en entonnoir qui bloque certains types de canaux Ca2+ voltage-dépendants. |
| apamine | Toxine du venin d’abeille qui bloque certains types de canaux K+ activés par le Ca2+. |
| charybdotoxine (ChTX) | Toxine de venin de scorpion qui bloque le pore de certains canaux K+ activés par le Ca2+ et les canaux K+ voltage-dépendants. |
| curare (d-tubocurarine) | Toxine végétale qui est un inhibiteur compétitif des récepteurs nicotiniques de l’ACh. |
| α-bungarotoxine | Toxine de serpent qui est un inhibiteur compétitif et hautement irréversible des récepteurs ACh nicotiniques. |
| picrotoxine | Bloqueur des récepteurs GABAA isolé de la graine d’Anamirta cocculus. |
| strychnine | Bloqueur des récepteurs de la glycine isolé de la graine de l’arbre des Indes orientales Strychnos nux-vomica. |
| Toxine tétanique | Nectrotoxine clostridienne avec une activité protéase dépendante du zinc ; clive les protéines des vésicules synaptiques dans le SNC et bloque ainsi la libération des neurotransmetteurs. |
| Toxine botulique | Neurotoxine clostridienne avec une activité protéase dépendante du zinc ; clive les protéines des vésicules synaptiques à la jonction neuromusculaire et bloque ainsi la libération d’ACh. |