L'INTÉGRATION SYNAPTIQUE |
LA NEUROMODULATION |
| Il existe de nombreuses synapses liées à des récepteurs couplés aux protéines G, récepteurs qui ne sont pas directement associés à un canal ionique. L'activation de ces récepteurs ne produit pas directement des PPSE ou des PPSI mais module l'efficacité des PPSE générés par d'autres synapses liées à des récepteurs-canaux. Cette modulation se fait par le biais de seconds messagers comme l'AMPc, qui diffuse librement dans le cytosol. Ce second messager agit à son tour sur des protéines kinases (PK) - enzymes de phosphorylation - qui modifient la forme des phosphoprotéines cellulaires et donc, leurs fonctions. |
Iconographie personnelle - Dr. D. Rose |
| Une des protéines phosphorylées par l'élévation des taux d'AMPc est ici un type particulier de canal potassique (K) de la membrane dendritique. La phosphorylation entraîne la fermeture du canal et donc, diminue la conductance potassique - augmentant d'autant la résistance de la membrane dendritique. Cette augmentation de la résistance membranaire conduit à une augmentation de la constance d'espace du dendrite - favorisant ainsi l'action des synapses excitatrices distales et augmentant d'autant la probabilité de voir survenir un potentiel d'action au niveau du segment initial. Le neurone postsynaptique devient ainsi plus excitable.
La fixation de nor-adrénaline sur son récepteur modifie peu, en elle-même, le potentiel membranaire mais augmente nettement la réponse induite par un autre neurotransmetteur au niveau d'une synapse excitatrice - et ce, via un récepteur-canal. |
| Dans d'autres cellules, l'AMPc avec d'autres enzymes peut entraîner des changements fonctionnels inverses sur l'excitabilité cellulaire. L'important est de bien comprendre que les diverses formes de modulation de la transmission synaptique offrent un nombre presque illimité de possibilités de traitement de l'information par le neurone postsynaptique. Ainsi, si la transmission synaptique au travers des récepteurs-canaux est simple et rapide, la transmission de l'information liée aux récepteurs couplés aux protéines G est beaucoup plus complexe et lente. L'avantage majeur de ces chaînes de réaction est sans nul doute la possibilité d'une amplification du signal : l'activation d'un récepteur lié à une protéine G peut entraîner l'activation, non pas d'un seul, mais de très nombreux canaux ioniques. Ces cascades de signaux permettent aussi l'existence de nombreux sites de régulation et peuvent générer des modifications durables du métabolisme cellulaire. | - UNITÉ MORPHOLOGIQUE ET FONCTIONNELLE DE LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION |
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Le terme de synapse, proposé par Sherrington (1897), désignait au départ les zones de contact entre neurones, zones de contact spécialisées dans la transmission de l'information. Mais les synapses ne sont pas uniquement interneuronales; elles lient également les cellules réceptrices aux neurones et les neurones aux cellules effectrices (jonction neuromusculaire). C'est au niveau de ces synapses que s'effectue la transmission de l'information d'une cellule à une autre : la transmission synaptique.
Selon des critères morphologiques et fonctionnels, on distingue plusieurs types de synapses :
- les synapses chimiques, caractérisées par la présence d'un espace entre la membrane présynaptique et la membrane post-synaptique : la fente synaptique. Une molécule chimique transmet les informations de la cellule présynaptique à la cellule post-synaptique.
- les synapses électriques ou jonctions communicantes ("gap junctions"), caractérisées par l'accolement des deux membranes plasmiques (canaux jonctionnels - connexons). Les signaux électriques sont directement transmis d'une cellule à l'autre sans intermédiaire chimique. Ce couplage électrique permet une propagation rapide des potentiels d'action entre neurones mais aussi la synchronisation de la contraction de certaines cellules musculaires (coeur, fibre musculaire lisse).
- les synapses mixtes, formées par la juxtaposition d'une synapse chimique et d'une jonction communicante.
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La synapse chimique comprend 3 parties :
- l'élément présynaptique
- la fente synaptique
- l'élément post-synaptique.
Les éléments pré- et post-synaptiques présentent une spécialisation morphologique et fonctionnelle.
ASYMÉTRIE DE STRUCTURE
L'élément présynaptique se caractérise par la présence de vésicules synaptiques, organites de stockage du neurotransmetteur, et de nombreuses mitochondries. Parfois, on distingue sous la membrane présynaptique une zone dense aux électrons plus ou moins géométrique : la grille synaptique. Cette grille synaptique correspond à une organisation particulière du cytosquelette liée à l'exocytose des vésicules synaptiques.
L'élément post-synaptique se caractérise, dans le cas d'une synapse interneuronale, par la présence d'une région sous-membranaire, dense aux électrons, qui reflète une organisation particulière du cytosquelette liée à l'ancrage des récepteurs post-synaptiques dans cette région.
Le complexe synaptique présente donc une asymétrie de structure caractéristique, les vésicules synaptiques n'étant présentes que dans l'élément présynaptique.
ASYMÉTRIE FONCTIONNELLE : SCHÉMA GÉNÉRAL DU FONCTIONNEMENT D'UNE SYNAPSE
Le neurotransmetteur est stocké dans les vésicules synaptiques de l'élément présynaptique. L'arrivée des potentiels d'action [1] dans l'élément présynaptique entraîne une entrée de calcium [Ca2+i] [2], et la fusion d'une vésicule avec la membrane plasmique. La durée du potentiel d'action détermine l'ouverture des canaux calciques et donc, la quantité de neurotransmetteur libéré. La vésicule libère par exocytose [3] le neurotransmetteur dans la fente synaptique. On appelle zone active l'ensemble formé par les vésicules présynaptiques et la membrane axonale présynaptique où s'effectue l'exocytose.
Les molécules de neurotransmetteur ainsi libérées peuvent aller se fixer sur la membrane post-synaptique au niveau de récepteurs qui lui sont spécifiques [4]. Cette fixation entraîne un passage d'ions à travers la membrane post-synaptique [5]. C'est la transmission synaptique.
Dans le même temps, les molécules de neurotransmetteur présentes dans la fente synaptique sont recaptées par la membrane présynaptique [6] et la membrane elle-même est recyclée. |
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L'élément présynaptique renferme la machinerie nécessaire à la synthèse, au stockage, à la libération et à l'inactivation du neurotransmetteur. L'élément post-synaptique, spécialisé dans la réception des messages, renferme dans sa membrane plasmique les protéines réceptrices du neurotransmetteur : récepteurs-canaux et/ou récepteurs liés aux protéines G.
La transmission synaptique est unidirectionnelle, "polarisée"; elle n'a lieu que de l'élément présynaptique, qui contient le neurotransmetteur, vers l'élément post-synaptique à la surface duquel se trouvent les récepteurs du neurotransmetteur.
L'INTÉGRATION SYNAPTIQUE |
| Les neurones reçoivent simultanément des milliers d'informations activant des récepteurs-canaux et/ou des récepteurs liés aux protéines G. Ils doivent intégrer tous ces messages et générer, en réponse, un signal simple : le potentiel d'action. |
LES POTENTIELS POST-SYNAPTIQUES EXCITATEURS |
| La réponse synaptique élémentaire correspond à l'activation d'un seul récepteur-canal.
Le canal ouvert par la fixation du neurotransmetteur génère un courant entrant. |
Iconographie personnelle - Dr. D. Rose |
| La fixation d'une molécules d'acétylcholine sur chacune des 2 sous-unités alpha du récepteur-canal nicotinique permet, grâce au changement de configuration de la protéine transmembranaire, l'ouverture du canal ionique ou pore aqueux. Ce canal ionique est perméable aux cations Na+, K+, Ca2+ et Mg2+. Mais, les ions Ca2+ et Mg2+ ne participent que très faiblement au courant nicotinique, principalement du aux flux d'ions Na+ et K+ à travers le canal ouvert.
Pour un potentiel de membrane de - 80 mV, le gradient électrochimique (Vm - ENa) des ions Na+ est entrant et égal à - 180 mV alors que le gradient électrochimique (Vm - EK) des ions K est sortant et égal à + 20 mV. Il entre donc beaucoup plus d'ions Na qu'il ne sort d'ions K.
On enregistre donc un courant entrant, qui dépolarise la cellule - la rendant plus positive à l'intérieur. |
| Dans de nombreuses synapses, l'exocytose des vésicules se réalise spontanément à un niveau très faible. L'amplitude de la réponse synaptique à la libération spontanée du neurotransmetteur est appelé potentiel postsynaptique miniature. L'unité élémentaire de libération du neurotransmetteur correspond au contenu d'une vésicule synaptique. Chaque vésicule contient environ le même nombre de molécules de transmetteur (3200 molécules dans le cas de l'acétylcholine - activation de 1600 récepteurs-canaux). L'activation de 1600 récepteurs-canaux - soit la libération d'une seule vésicule synaptique - provoque l'apparition d'un courant entrant de 4 nA. Au niveau de la jonction neuro-musculaire (synapse nicotinique cholinergique), l'arrivée d'un seul potentiel d'action entraîne la libération de 100 vésicules synaptiques - soit un courant de plaque motrice de 400 nA (+ 38 mV), du à l'activation de 160 000 récepteurs-canaux. Ainsi, l'amplitude du potentiel postsynaptique excitateur (PPSE) est un multiple de la réponse au contenu d'une seule vésicule : le quantum.
Dans de nombreuses synapses du système nerveux central, l'arrivée d'un potentiel d'action entraîne la libération d'une seule vésicule de neurotransmetteur - générant un PPSE de seulement quelques dixièmes de millivolts. Les neurones effectuent donc des opérations complexes nécessitant la sommation de tous les PPSE pour produire une dépolarisation postsynaptique significative : c'est l'intégration synaptique.
- La sommation spatiale correspond à l'addition de tous les PPSE générés simultanément au niveau des différentes synapses d'un même dendrite.
- La sommation temporelle correspond à l'addition des PPSE générés au niveau d'une même synapse lorsque les PPSE se succèdent très rapidement.
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L'INTÉGRATION SYNAPTIQUE |
RÔLE DES DENDRITES |
| Il reste que le courant entrant au niveau des contacts synaptiques doit se propager le long du dendrite jusqu'au soma et provoquer une dépolarisation au seuil de la membrane au niveau de la zone d'initiation des potentiels d'action : le segment initial. L'efficacité d'une synapse au niveau d'un dendrite dans le déclenchement du potentiel d'action dépend donc (1) de la distance entre la synapse dendritique et le segment initial du neurone postsynaptique et (2) des propriétés de la membrane dendritique.
Elle dépend donc de la constante d'espace du dendrite (l) soit la distance où le taux de dépolarisation représente 37% de la dépolarisation initiale. Plus la constante d'espace est élevée, plus il est probable que les PPSE générés dans les synapses éloignées du dendrite dépolariseront la membrance du segment initial. Cette constance d'espace dépend à la fois de la résistance longitudinale (RL) et de la résistance membranaire (résistance transversale, Rm) du dendrite. Le courant se propage plus loin (constante d'espace plus élevée) dans un dendrite de gros diamètre (RL basse) - contenant peu de canaux ouverts (Rm élevée). Si la résistance longitudinale est relativement constante dans un neurone arrivé à maturité, la résistance membranaire dépend du nombre de canaux ioniques ouverts, ce qui varie d'un moment à l'autre en fonction de l'activité des autres synapses. La constante d'espace d'un dendrite n'est donc jamais constante et représente un facteur important de l'intégration synaptique. Les dendrites de certains neurones contiennent un nombre important de canaux sodiques et/ou calciques sensibles au potentiel. Ces canaux dépendants du potentiel situés dans les dendrites jouent un rôle d'amplificateurs des petits potentiels postsynaptiques excitateurs générés plus loin sur les dendrites. |
LES POTENTIELS POST-SYNAPTIQUES INHIBITEURS |
| Les récepteurs postsynaptiques des synapses inhibitrices sont très semblables à ceux des synapses excitatrices. Ce sont aussi des récepteurs-canaux, dont le neurotransmetteur est essentiellement le GABA - et qui sont perméables aux ions chlore (Cl -). |
Iconographie personnelle - Dr. D. Rose |
1. CELLULE AU REPOS
Vm = - 60 mV
ECl- = - 60 mV
Vm - ECl- = - 60 mV + 60 mV = + 0 mV
Flux net d'ions Cl- nul.
Mais, même au repos, tout PPSE intervenant lors de l'effet du GABA est fortement inhibé = EFFET SHUNT.
Il est du à l'augmentation de la conductance membranaire (ouverture des canaux GABA-A) - et donc, à la diminution de la résistance membranaire. Tout courant synaptique évoqué à cet instant n'entraîne qu'un faible changement de potentiel membranaire (loi d'Ohm : V = RI).
L'inhibition silencieuse GABA-A réduit l'amplitude des dépolarisations postsynaptiques et s'oppose ainsi à la genèse des potentiels d'action postsynaptiques. |
2. CELLULE DÉPOLARISÉE
Vm = + 30 mV
Vm - ECl- = 30 mV - (-60 mV) = + 90 mV
Flux net d'ions négatifs entrant = courant sortant
L'entrée des ions Cl - entraîne une HYPERPOLARISATION de la cellule et une inhibition de l'activité postsynaptique. |
3. GÉOMÉTRIE DES SYNAPSES INHIBITRICES
Les synapses inhibitrices sont regroupées sur le soma et près du cone axonique, occupant une position stratégique pour contrôler l'activité du neurone postsynaptique. | |
L'INTÉGRATION SYNAPTIQUE |
LA NEUROMODULATION |
| Il existe de nombreuses synapses liées à des récepteurs couplés aux protéines G, récepteurs qui ne sont pas directement associés à un canal ionique. L'activation de ces récepteurs ne produit pas directement des PPSE ou des PPSI mais module l'efficacité des PPSE générés par d'autres synapses liées à des récepteurs-canaux. Cette modulation se fait par le biais de seconds messagers comme l'AMPc, qui diffuse librement dans le cytosol. Ce second messager agit à son tour sur des protéines kinases (PK) - enzymes de phosphorylation - qui modifient la forme des phosphoprotéines cellulaires et donc, leurs fonctions. |
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Iconographie personnelle - Dr. D. Rose |
| Une des protéines phosphorylées par l'élévation des taux d'AMPc est ici un type particulier de canal potassique (K) de la membrane dendritique. La phosphorylation entraîne la fermeture du canal et donc, diminue la conductance potassique - augmentant d'autant la résistance de la membrane dendritique. Cette augmentation de la résistance membranaire conduit à une augmentation de la constance d'espace du dendrite - favorisant ainsi l'action des synapses excitatrices distales et augmentant d'autant la probabilité de voir survenir un potentiel d'action au niveau du segment initial. Le neurone postsynaptique devient ainsi plus excitable.
La fixation de nor-adrénaline sur son récepteur modifie peu, en elle-même, le potentiel membranaire mais augmente nettement la réponse induite par un autre neurotransmetteur au niveau d'une synapse excitatrice - et ce, via un récepteur-canal. |
| Dans d'autres cellules, l'AMPc avec d'autres enzymes peut entraîner des changements fonctionnels inverses sur l'excitabilité cellulaire. L'important est de bien comprendre que les diverses formes de modulation de la transmission synaptique offrent un nombre presque illimité de possibilités de traitement de l'information par le neurone postsynaptique. Ainsi, si la transmission synaptique au travers des récepteurs-canaux est simple et rapide, la transmission de l'information liée aux récepteurs couplés aux protéines G est beaucoup plus complexe et lente. L'avantage majeur de ces chaînes de réaction est sans nul doute la possibilité d'une amplification du signal : l'activation d'un récepteur lié à une protéine G peut entraîner l'activation, non pas d'un seul, mais de très nombreux canaux ioniques. Ces cascades de signaux permettent aussi l'existence de nombreux sites de régulation et peuvent générer des modifications durables du métabolisme cellulaire. | |
