Sommaire
> Article 1
La brique du cerveau
> Article 2
Fascinante mémoire!
> Article 3
Les mécanismes moléculaires de la
mémoire
> Article 4 Alzheimer: terrible mort neuronale
> Article 5
Bêta-amyloïde: un neuromodulateur négatif
> Article 6
Des neuro- modulateurs cholinergiques
> Article 7
La neuromodulation in vivo!
> Article 8
Ginkgo:
neuromodulateur!
Définitions
Synapse:
Connexion entre deux neurones séparés par
la fente synaptique.
Elle est constituée d'un bouton synaptique et d'une dendrite de deux neurones
différents. Elle assure chimiquement
la communication
entre ces neurones.
Plasticité synaptique Caractéristique
des synapses de pouvoir modifier l'intensité de leur transmission synaptique. Selon les
informations qu'elles véhiculent, elles peuvent renforcer ou diminuer cette intensité.
Potentialisation à long terme
(PLT) plasticité synaptique chez les neurones glutamatergiques. A lieu
grâce au récepteur NMDA. Permet d'augmenter l'intensité de la synapse par différents
processus moléculaires.
Glutamate: Neurotransmetteur
excitateur utilisé par un tiers des neurones du cerveau, les neurones glutamatergiques.
Il est grandement impliqué dans la potentialisation à long terme (PLT).
Agoniste:
Substance qui entraîne l'activation d'un récepteur et qui produit une action
physiologique identique à celle d'un neurotransmetteur.
Antagoniste:
Substance qui bloque la fixation d'un neuro-transmetteur à son récepteur. Il inhibe la
transmission synaptique en occupant le site de fixation du récepteur.
Récepteur ionotrope:
Récepteur couplé à un canal ionique. Son activation ouvre le canal qui lui est couplé
ce qui permet l'entrée ou la libération d'un ion spécifique.
Phosphoryler:
Fixer un groupement phosphate -arraché à un ATP (adénosine tri-phosphate)- à une
protéine. Cela libère de l'énergie et permet d'activer cette protéine. Cela transforme
également sa structure.
Neuromodulateur:
Substance capable d'influencer positivement ou négativement l'intensité d'une synapse.
Il module la libération de neurotransmetteurs, leur réception ou leur dégradation.
Scopolamine:
Alcaloïde de la plante Scopolia carniolica, agissant comme antagoniste des récepteurs
muscariniques. Il inhibe donc la transmission synaptique cholinergique.
Récepteur métabotrope:
Récepteur couplé à une protéine-G. Son activation mène à la phosphorylation de cette
protéine qui devient activée et qui activera d'autres protéines dont la phospholypase
C.
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Notre
cerveau comporte environ 1 million de milliards de synapses,
ces connexions chimiques assurant la communication entre deux neurones. Ça en fait des
interactions! C'est en 1950 que le psychologue américain Donald Hebb ayant fait ses
études à l'Université McGill, postulat l'hypothèse que nos synapses seraient
malléables: l'efficacité avec laquelle elles connectent deux neurones pourrait varier en
fonction de l'activité passée. Plus une synapse est utilisée, mieux elle laisserait
passer le courant. Selon lui, les synapses pourraient être grandement impliquées dans la
mémorisation. Hebb ne pouvait pas voir plus juste: la synapse est aujourd'hui
considérée comme pleinement malléable et c'est cette malléabilité -la plasticité synaptique- qui permet aux
neurones de stocker des informations. Chaque information stockée dans notre cerveau
augmente donc l'efficacité de la connexion entre deux neurones. Selon certains
chercheurs, la capacité de mémorisation d'informations du cerveau humain, reposant sur
le nombre de synapses, équivaudrait donc à environ 1 million de milliards de bits
informatiques, alors que la capacité d'un des plus puissants ordinateurs actuels n'est
que de 1024 milliards de bits! Nous sommes donc pourvus d'une incroyable mémoire
d'éléphant! Mais comment la connexion entre deux neurones peut-elle augmenter en
efficacité et ainsi stocker une information? C'est par d'extraordinaires mécanismes
moléculaires. Un des types les plus étudiés de la plasticité synaptique est la potentialisation à long terme (PLT). Elle
prend vie au cur des synapses des neurones glutamatergiques.
La synapse glutamatergique
Les neurones glutamatergiques sont ceux utilisant le glutamate
comme neurotransmetteur au niveau de leur synapse. Un peu plus du tiers des neurones du
cerveau sont glutamatergiques. Le bouton synaptique de la synapse glutamatergique est
composé bien entendu de centaines de vésicules synaptiques contenant les fameuses
molécules de neurotransmetteur: le glutamate. Également, il se trouve sur le bouton
synaptique des canaux à calcium qui sont activés lors de l'arrivée d'un potentiel
d'action. Cette activation mène à leur ouverture, puis à l'entrée de calcium à
l'intérieur du bouton. Cette entrée mène à la dépolarisation des vésicules
synaptiques qui fusionnent avec la membrane et qui laissent s'échapper des milliers de
molécules du neurotransmetteur glutamate dans la fente synaptique. Celles-ci y diffusent
à toute allure et vont se fixer aux récepteurs glutamatergiques de la dendrite
connectée à ce bouton synaptique. Cette fixation du glutamate aux récepteurs mènera à
la dépolarisation de la dendrite par entrée d'ions sodium (positifs) et y créera une
stimulation. Il existe cinq types différents de récepteurs à glutamate sur les
neurones: le AMPA, le NMDA, le Kainate, le L-AP4 ainsi que le métabotrope. Nous nous
intéresserons particulièrement aux deux récepteurs impliqués dans la PLT: le AMPA et
le NMDA. Le récepteur AMPA se nomme ainsi car une substance autre que le glutamate peut
l'activer: le -Amino-3-hydrixy-5-Méthyl-4-isoxazolePropionate. Une substance autre qu'un
neurotransmetteur pouvant activer un récepteur s'appelle un agoniste.
La prise de ce produit active donc, même si aucun potentiel d'action circule, le
récepteur AMPA puisqu'il mime l'action du glutamate. Ce récepteur a également des antagonistes comme par exemple le CNQX. Le
récepteur AMPA est un récepteur ionotrope
c'est-à-dire qu'il est couplé à un canal ionique: le canal à sodium. La fixation de
glutamate mène donc à son activation. Cette activation permet l'ouverture du canal
sodium qui lui est couplé, l'entrée par diffusion d'ions sodium, la dépolarisation de
la dendrite puis la propagation d'un potentiel local jusqu'au corps cellulaire. Ce
récepteur joue donc le rôle de traducteur des signaux chimiques envoyés par le bouton
synaptique du neurone présynaptique en stimulations électriques sur la dendrite du
neurone postsynaptique sur laquelle il est situé. Le récepteur NMDA quant à lui se
nomme ainsi car il a comme agoniste le N-Menthyl-D-Aspartate. Il est également un
récepteur ionotrope et est couplé avec un canal calcium. Ce canal calcique est cependant
bloqué par des ions magnésium (Mg2+). Même si du glutamate se fixe à la surface du
récepteur NMDA, l'active et ouvre le canal à calcium, aucun ion calcium ne peut entrer,
dû au blocage du canal par les ions Mg2+. Pour que ceux-ci se retirent du canal, le
potentiel membranaire de la dendrite doit être aux alentours de 30 mV. Le potentiel
membranaire des dendrites est en fait très rarement à 30 mV puisque leur potentiel de
repos est de 70 mV et que les potentiels locaux qu'elles voyagent sont la plupart du temps
inférieurs à +1 mV. Les stimulations envoyées par des neurones se connectant à un
neurone doivent donc être remarquablement nombreuses et à haute fréquence pour
permettre l'entrée de calcium via les récepteurs NMDA de ce neurone. En effet, si ce
neurone reçoit tout à coup simultanément de nombreuses et répétitives stimulations
sur ses dendrites, le potentiel membranaire de certaines d'entre elles peut alors
atteindre les 30 mV. Cela est donc suffisant pour provoquer l'expulsion des ions Mg2+ des
canaux calciques de certains des récepteurs NMDA de ces dendrites pour un très court
laps de temps. Des centaines d'ions calcium en profitent donc pour entrer à l'intérieur
de ces dendrites. Cette entrée de calcium activera d'extraordinaires mécanismes qui
permettront de renforcer certaines des synapses qui avaient atteint les 30 mV! C'est donc
le récepteur NMDA qui s'occupe d'accepter ou non le renforcement d'une synapse. Il
accepte très rarement: uniquement lorsque les dendrites reçoivent d'intenses
stimulations. Cette propriété du récepteur NMDA qui lui permet de
"sélectionner" d'une certaine façon les informations est tout à fait géniale
et fait de lui le récepteur de la PLT. Finalement, après que les molécules de glutamate
aient été libérées par les boutons synaptiques et qu'elles aient activé les
récepteurs postsynaptiques, elles sont recaptées par les boutons synaptiques où elles
pourront être réutilisées pour assurer une nouvelle transmission synaptique.
Les mécanismes de la PLT
La potentialisation à long terme peut être définie comme étant une augmentation
d'amplitude de la réponse postsynaptique à la suite d'une intense activation
présynaptique. L'intense activation est généralement courte (< 1 seconde) mais de
fréquence élevée (> 100 Hz) : exactement ce qu'il faut pour évacuer les Mg2+ du
canal calcium du récepteur NMDA. Des expériences menées sur des lapins et pratiquées
par l'anglais Tim Bliss et par le Suédois Terje Lomo démontrèrent en effet qu'après
avoir stimulé brièvement, régulièrement et à haute fréquence un neurone
présynaptique, le neurone postsynaptique connecté à lui réagissait plus vite et plus
fort et ce, jusqu'à plusieurs semaines après. Un neurone qui réagit plus efficacement
à de nouvelles stimulations: ça ressemble à de la mémoire! Deux stratégies existent
pour renforcer une synapse. La première, c'est d'augmenter le nombre de molécules de
neurotransmetteur libérées. Il y a plus de messagers et donc le message passera
évidemment beaucoup mieux. Cette stratégie implique donc la zone présynaptique de la
synapse: le bouton synaptique. La deuxième stratégie implique plutôt la zone
postsynaptique de la synapse: la dendrite. Elle consiste à augmenter l'efficacité de la
réception du message: il y a plus de récepteurs et/ou ceux-ci s'ouvrent beaucoup plus
facilement. La PLT agirait pré et post synaptiquement pour renforcer la synapse. La PLT,
dans la grande majorité des cas, est dépendante de l'entrée de calcium (Ca2+) causée
par l'activation des récepteurs NMDA. L'ion calcium est un messager intracellulaire
extrêmement important dans les cellules. Il est extrêmement bien conçu pour se fixer
facilement à la morphologie irrégulière de certaines protéines et enzymes. Cette
liaison du Ca2+ à diverses enzymes et protéines leur induit de profonds changements
conformationnels. Par exemple, le Ca2+ est bien connu pour se fixer à la calmoduline.
Cette protéine sert de détecteur de calcium dans plusieurs cellules. Elle possède
quatre sites de liaison au calcium. Lorsqu'une calmoduline a ses quatre sites occupés par
des ions Ca2+, sa structure est complètement transformée et elle devient activée. Elle
se nomme alors la Ca2+-calmoduline. La Ca2+calmoduline activera alors deux protéines
particulières en se fixant à elles: l'adenylate cyclase ainsi que la protéine kinase II
calmoduline- dépendante (CaM kinasse II). La liaison de la Ca2+calmoduline à l'adenylate
cyclase transforme profondément sa structure tri-dimensionnelle et l'active. L'adenylate
cyclase activée n'a qu'une fonction: fabriquer de l'adénosine mono-phophate cyclique
(AMPc). L'AMPc alors fabriquée va se fixer à la protéine kinase A (PKA). Lorsque deux
AMPc se fixent sur une PKA, celle-ci devient activée. Elle n'a alors qu'un rôle: celui
de phosphoryler des protéines. Le fait de phopshoryler une protéine (lui ajouter un
groupement phosphate) transforme sa structure et lui donne de l'énergie par formation de
nouvelles liaisons chimiques. Les chaînes C activées des PKA vont alors phosphoryler les récepteurs AMPA de la
synapse (1). Leur structure sera alors légèrement transformée et ils s'ouvriront plus
rapidement lors de la prochaine fixation de glutamate à leur surface! Également, la
phosphorylation des récepteurs AMPA mène à une plus grande conductance des ions sodium
de leur part. Un potentiel local plus important est alors créé suite à une stimulation
synaptique. Nous venons donc de voir le premier mécanisme moléculaire de la PLT: la
phosphorylation des récepteurs AMPA qui deviennent beaucoup plus efficaces! Également,
les PKA vont phosphoryler une autre protéine: la protéine CREB (2). La liaison d'un
groupement phosphate à la protéine CREB va libérer de l'énergie et activer cette
protéine. Cette protéine a comme rôle la transcription de gènes. Activée, elle se
rendra jusqu'au noyau du neurone pour demander la fabrication de nouveaux récepteurs AMPA
et ce, grâce à la transcription de gènes spécifiques. Les récepteurs AMPA seront
fabriqués dans les ribosomes du neurone puis acheminés à la synapse en question. De
nouveaux récepteurs fraîchement fabriqués sont arrivés à la synapse ayant été
fortement stimulée auparavant. Ces récepteurs viendront donc établir la PLT sur cette
synapse en augmentant la réception de futures transmissions synaptiques! La PLT implique
donc aussi la transcription de gènes ce qui permet de renforcer davantage la synapse par
ajout de nouveaux récepteurs AMPA! En plus d'activer les adénylates cyclases qui
fabriquent les AMPc, la Ca2+-calmoduline active une autre protéine en se fixant à elle:
la protéine kinase II calmoduline-dépendante (CaM kinase II). Cette protéine est
extrêmement intéressante. La liaison de multiples molécules de Ca2+-calmoduline
l'active. Activée, elle n'a qu'un seul rôle: la phosphorylation, tout comme la PKA.
Cependant, avant de phosphoryler d'autres protéines, elle s'autophosphoryle! La charité
commence par soi-même comme dit le proverbe! La CaM kinase II place en effet plusieurs
groupements phosphates sur sa structure, formant de nouvelles liaisons chimiques et
libérant ainsi beaucoup d'énergie. Lorsque la stimulation synaptique sera terminée, que
le calcium retournera à l'extérieur du neurone et que la calmoduline ne sera plus
activée, la CaM kinase II sera pour sa part quand même activée grâce à son
autophosphorylation et ce pour un délai de 0,2 à 10 secondes! Certains l'appellent la
"memory molecule" car elle reste activée pour un certain temps après le
passage d'une information importante. Après s'être autophosphorylée, la CaM kinase II
va phosphoryler d'autres protéines. Elle phosphoryle en particulier les récepteurs NMDA
de la synapse (3). Suite à la phosphorylation, les canaux de ses récepteurs seront moins
bloqués par les ions Mg2+. Également, leur conductance en ions calcium sera accrue, ce
qui permettra de renforcer éventuellement davantage la synapse! De plus, les CaM kinases
II phosphorylent les MAP kinases (4). Ces kinases ont comme rôle de construire le
squelette du neurone en agençant de façon spécifique certaines protéines. La fixation
de groupements phosphates sur chacune des MAP kinases libérera de l'énergie par
formation de liens chimiques et activera donc ces MAP kinases. Activées, elles agenceront
des protéines de manière à augmenter la densité des dendrites. Les dendrites pourront
donc recevoir davantage de récepteurs et la réception des transmissions synaptiques sera
encore optimisée! Le message passera mieux et la synapse aura été renforcée!
Finalement, un autre mécanisme moléculaire de la PLT est la formation de monoxyde
d'azote (5). En effet, l'entrée importante d'ions calcium via le récepteur NMDA activé
entraîne également la formation d'un gaz: le monoxyde d'azote (NO). Celui-ci remonte à
travers les fentes synaptiques et se rend aux boutons synaptiques des synapses à
renforcer. L'arrivée de ce gaz provoque la formation de nouveaux neurotransmetteurs! La
synapse vient d'être renforcée par un autre processus et ce, contrairement aux autres
processus énumérés ci-haut, présynaptiquement. Il y a donc plus de messagers: le
message passera mieux! Les cinq merveilleux processus de PLT que nous venons de décrire
sont menés sur des synapses de neurones glutamatergiques. Bien que les neurones
glutamatergiques permettent le stockage définitif d'informations grâce à la PLT, ce
sont les neurones cholinergiques qui leur commandent de le faire.
La synapse cholinergique
Le bouton synaptique de la synapse cholinergique est composé lui aussi d'un canal calcium
qui permet d'activer les vésicules synaptiques contenant les neurotransmetteurs
d'acétylcholine (ACh) suite à l'arrivée d'un potentiel d'action. Les vésicules
synaptiques fusionnent alors avec la membrane et laissent s'échapper les molécules d'ACh
qui iront se fixer sur leurs récepteurs des dendrites connectées à ce neurone. Il
existe deux récepteurs à ACh: le récepteur nicotinique et le récepteur muscarinique.
Comme vous l'aurez deviné, le récepteur nicotinique a comme agoniste la nicotine. Ce
récepteur ionotrope est couplé avec 3 canaux: les canaux sodium, potassium et calcium.
Son activation par la fixation d'ACh à sa surface mène premièrement à l'ouverture des
canaux sodium et calcium qui lui sont couplés. Cette ouverture provoque l'entrée par
diffusion d'ions sodium et calcium et provoque une dépolarisation. Un potentiel local est
donc créé sur la dendrite. Le récepteur nicotinique a donc le même rôle que le
récepteur AMPA: celui de traduire les signaux chimiques envoyés par le neurone
présynaptique en signaux électriques sur le neurone postsynaptique. Après cela, les
canaux sodium et calcium se ferment et le canal potassium s'ouvre laissant sortir des ions
potassium et rétablissant le potentiel membranaire au repos. La nicotine qui peut activer
ce récepteur sans présence d'ACh a donc des propriétés neuromodulatrices
cholinergiques. À faible dose, elle pourrait d'ailleurs être bonne pour la mémoire. À
forte dose cependant, elle est totalement inutile (voir article sur les neuromodulateurs).
Dans le cadre de la PLT, nous nous intéresserons plus particulièrement au deuxième type
de récepteur à ACh: le récepteur muscarinique. Celui-ci a comme agoniste la muscarine.
Il a comme antagoniste la scopolamine,
alcaloïde de la plante Scopolia carniolica. Il existe trois types de récepteurs
muscariniques: le M1, le M2 et le M3. Les M1 et M3 provoquent une excitation sur la
dendrite, le M2 provoque une inhibition. Le récepteur M1 est le plus présent des trois
sur les neurones cholinergiques de l'hippocampe. On le trouve également dans l'ensemble
du cortex cérébral, dans le striatum ainsi que dans les ganglions de la base. Ce
récepteur, contrairement aux trois autres que nous avons décrits précédemment (AMPA,
NMDA et nicotinique) n'est pas ionotrope, il est métabotrope.
Il n'a donc pas de canaux ioniques couplés à lui mais plutôt une protéine surnommée
la protéine-G. Au repos, la protéine-G est formée d'une molécule GDP (guanyl
di-phophate) liée à une sous-unité a. L'ensemble de cette molécule (a-GDP) est liée quant à elle à une autre
sous-unité: la bg. a-GDP-bg constitue donc la protéine-G au repos. Lorsque de l'acétylcholine se fixe
au récepteur muscarinique M1, la protéine-G devient activée. La molécule GDP est
phosphorylée: on lui rajoute un groupement phosphate. Elle devient donc GTP. Elle et la
sous-unité a se dissocient alors du
reste de la protéine-G (la sous-unité bg) et vont se fixer à une protéine nommée phospholipase C. Cette protéine
devient alors activée et prend des molécules de Phosphatidyl inositol 4,5-bisphosphate
(PIP2) pour les découper littéralement! Ce découpage libère du diaglycérol ainsi
qu'un messager, l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3). L'IP3 est un messager qui va se
fixer aux canaux IP3-dépendants. Ces canaux sont situés sur le réticulum
endoplasmique du neurone et le traversent. Une partie de leur
structure est donc à l'intérieur du réticulum endoplasmique et l'autre se trouve à
l'extérieur. Lorsque 3 molécules d'IP3 se fixent à un canal IP3- dépendant, ce dernier
s'ouvre. Le réticulum endoplasmique contient une grande quantité de calcium stocké.
Lorsque le canal IP3- dépendant s'ouvre, les ions calcium sortent alors par diffusion du
réticulum endoplasmique. L'élévation de calcium dans le cytosol de la dendrite crée
donc une dépolarisation. Il y a plus de charges positives à l'intérieur du neurone
qu'à l'extérieur. De plus, pour amplifier cette dépolarisation, les ions calcium
activent des calmodulines qui deviennent Ca2+-calmoduline. Elles se fixent alors à des
AMPc qui vont se fixer à leur tour à des PKA, les activant. Ces dernières phosphorylent
les canaux potassium les empêchant pour un court laps de temps de s'ouvrir! Les ions
potassium sont donc maintenus à l'intérieur du neurone ne pouvant pas diffuser à
l'extérieur. Puisqu'il y a plus de charges positives à l'intérieur qu'à l'extérieur
du neurone, un potentiel local est créé et voyagé sur la dendrite! C'est donc de cette
façon légèrement plus complexe que les récepteurs muscariniques permettent de traduire
les signaux chimiques envoyés par le bouton synaptique en signaux électriques sur la
dendrite. Ils procèdent par activation de la protéine-G, par libération de Ca2+ et en
empêchant l'ouverture des canaux potassium. Voilà donc pour la transmission synaptique
chez les synapses choliner-giques. Après que le message chimique (codé par la
libération d'acétylcholine) ait été traduit en signaux électriques sur la dendrite,
l'acétylcholine est dégradée, autant pour les synapses utilisant les récepteurs
nicotiniques que muscariniques. Elle doit en effet être rapidement dégradée pour que le
prochain message puisse bel et bien être transmis. Une enzyme de dégradation,
l'acétylcholinestérase, s'occupe donc de dégrader 5000 molécules d'ACh par seconde!
L'interaction entre les synapses cholinergiques
et glutamatergiques
Dans le cerveau humain, il existe une importante interaction entre les neurones
cholinergiques et les neurones glutamatergiques. Bien que ce soit ces derniers qui
stockent définitivement les informations au cur de leurs synapses grâce à la PLT,
ce sont les neurones cholinergiques de l'hippocampe qui leur commandent de le faire ou
non. Comme il est expliqué dans l'article "Fascinante mémoire", lorsqu'une
information visuelle a à être mémorisée, elle arrive premièrement de la rétine vers
les neurones de la zone visuelle du cerveau. Ces neurones glutamatergiques se connectent
aux neurones cholinergiques de l'hippocampe via une immense autoroute assurant le lien
entre la zone visuelle et l'hippocampe: la voie occipito-temporale. Les neurones
glutamatergiques répéteront donc constamment l'information visuelle aux neurones
cholinergiques de l'hippocampe via la voie occipito-temporale. Cette constante
répétition de l'information à l'hippocampe constituerait en fait la mémoire à court
terme. Si les neurones cholinergiques de l'hippocampe n'acceptent pas l'information,
celle-ci est oubliée. Si au contraire ils l'acceptent, l'information sera stockée à
long terme! Les neurones cholinergiques de l'hippocampe envoient donc une importante
stimulation (courte et à haute fréquence) à certains neurones glutamatergiques de la
zone visuelle. Ces neurones, ce sont ceux qui stockeront définitivement l'information au
cur de leurs synapses. La stimulation envoyée par les neurones cholinergiques de
l'hippocampe arrivera donc aux synapses de ces neurones glutamatergiques de la zone
visuelle et permettra à certains de leurs récepteurs NMDA d'évacuer les ions magnésium
bloquant leurs canaux calcium. Puisque certains canaux calcium deviennent libérés, des
centaines d'ions calcium en profiteront pour entrer en une fraction de seconde dans les
dendrites des synapses à renforcer! Le calcium arrivé à l'intérieur des dendrites
enclenchera alors les fameux mécanismes de PLT et les synapses seront renforcées! C'est
donc grâce à la réponse face à la répétition d'un stimulus des neurones
cholinergiques de l'hippocampe que les neurones glutamatergiques des différentes zones du
cerveau peuvent enregistrer de nouvelles informations! Cette interaction entre les
neurones cholinergiques de l'hippocampe et les neurones glutamatergiques du cortex est
tout à fait fascinante et permet de contrôler efficacement les milliers d'informations
circulant constamment dans notre cerveau! Ce sont les neurones glutamatergiques qui
stockent l'information mais ce sont les neurones cholinergiques qui leur commandent de le
faire ou non. Ce sont donc les neurones cholinergiques de l'hippocampe qui ont le dernier
mot en ce qui à trait au phénomène de mémorisation! < |
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