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111 | 2012
Annuaire du Collège de France 2010-2011
Résumé des cours et travaux 111e année
Équipes accueillies

Dynamique et physiopathologie des réseaux neuronaux

Laurent Venance
p. 909-911

Texte intégral


   

Responsable : Laurent Venance

Y. Cui, B. Degos, E. Fino, Y. Gioanni, M.-L. Kemel, M.-H. Levi, S. Pérez, S. Valtcheva, M. Vandecasteele, L. Venance, Hao Xu

Recherche

1Nos recherches portent sur l’encodage de la mémoire principalement au niveau des ganglions de la base, un ensemble de structures cérébrales sous-corticales impliquées dans le contrôle adaptatif du comportement et la mémoire procédurale. Les ganglions de la base intègrent des informations sensorielles et cognitives permettant la sélection et l’organisation de comportements dirigés vers un but. Le rôle des ganglions de la base est dramatiquement illustré lors de dysfonctionnements pathologiques responsables de profonds troubles moteurs et cognitifs (maladie de Parkinson, dystonies, troubles obsessionnels et compulsifs, addiction) pour lesquels il n’existe aucun traitement satisfaisant.

2Notre équipe s’est focalisée sur l’étude des mécanismes de plasticité synaptique des réseaux neuronaux du cortex cérébral et des ganglions de la base. Le striatum, le principal noyau d’entrée des ganglions de la base, reçoit des afférences monosynaptiques glutamatergiques de l’ensemble des aires fonctionnelles du cortex cérébral. Le traitement des informations par le striatum est une étape cruciale dans la mise en place d’un comportement ; il est donc primordial de comprendre les propriétés de traitement des informations corticales par le striatum. De plus, les ganglions de la base sont impliqués dans l’apprentissage et la mémoire procédurale et il est classiquement admis que les phénomènes d’apprentissage et de mémorisation sont sous-tendus par des changements d’efficacité synaptique à long-terme. La compréhension des modalités de plasticité synaptique cortico-striatale est donc fondamentale pour mieux appréhender les mécanismes que sous-tendent les ganglions de la base. Grâce aux propriétés membranaires de ses neurones de sortie (les neurones épineux de taille moyenne, NETM), le striatum agit comme un détecteur de coïncidence de l’activité corticale. En effet, les NETMs extraient du bruit de fond les informations considérées comme pertinentes à un instant donné. La stringence de ce filtre est régulé par les phénomènes de plasticité à court- ou long-terme des réseaux neuronaux mais aussi par les grands systèmes neuromodulateurs (dopamine, acétylcholine, sérotonine, endocannabinoides…).

Plasticité synaptique cortico-striatale de type « spike-timing dependent plasticity »

3Nous avons choisi le protocole de « spike-timing dependent plasticity » (STDP) comme paradigme expérimental d’induction de plasticité synaptique. Ce protocole d’apprentissage Hebbien consiste à activer de manière quasi-concomitante des éléments pré- et post-synaptiques. La base de ce mécanisme réside dans la quasi-concomitance des activations : un décalage de quelques millisecondes entre les pré- et post-synaptiques déclenche soit une potentialisation à long-terme (LTP), soit une dépression à long-terme (LTD). Concernant l’axe cortico-striatal, nous avons montré des spécificités d’orientation des plasticités, ainsi que des voies de signalisations intracellulaires des STDP induites au niveau des NETMs et des interneurones strataux (interneurones GABAergiques, cholinergiques ou NO-synthase). Nous avons observé que l’ensemble de ces plasticités fonctionnait en synergie pour renforcer ou diminuer le flux des informations en sortie striatale. En ce qui concerne la STDP des NETM, celle-ci implique des détecteurs de coïncidence moléculaires distincts. Ainsi la LTP dépend de l’activation des récepteurs NMDA alors que la LTD est induite après activation de la PLC, des récepteurs à l’IP3 et du système endocannabinoïde.

4La STDP cortico-striatale est en cours d’étude chez l’animal in vivo anesthésié en enregistrement intracellulaire. Nous avons observé une plasticité bidirectionnelle avec une fenêtre d’induction plus longue que celle observée in vitro.

5Les interneurones GABAergiques striataux, bien que fort peu nombreux, exercent une action feed-forward extrêmement efficace sur les NETM. Nous avons montré le rôle des circuits locaux GABAergiques qui fonctionnent comme un switch Hebbien/anti-Hebbien de l’orientation des STDP. En effet, en condition contrôle, une séquence d’activation cortex-striatum induit une LTP et la séquence inverse striatum-cortex produit une LTD (STDP anti-Hebienne) ; l’orientation de ces plasticités est totalement inversée (STDP Hebienne) lorsqu’on inhibe la signalisation ionotropique GABAergique. Nous avons disséqué l’implicatoin des signalisations GABAergique tonique versus phasique et montré que chacune d’entre elles contrôlait différemment la STDP. Enfin, nous avons observé qu’en fonction de la maturation des interneurones GABAergiques au cours du développement, l’orientation de la STDP cortico-striatale passait d’une polarité Hebienne à anti-Hebienne.

Impact du transport de glutamate et de GABA par les astrocytes sur le traitement des informations cortico-striatales

6Le concept de synapse tri-partite (éléments neuronaux pré- et post-synaptiques et astrocytaires) a mis les cellules gliales au cœur des processus de traitement de l’information. Grâce à des enregistrements de double patch-clamp astrocyte-neurone, nous avons mis en évidence une activité électrogénique puissante au niveau des astrocytes striataux suite à une activation corticale, due aux transporteurs au glutamate et au GABA astrocytaire. Ainsi, un blocage de ces transporteurs aboutit à une baisse de l’efficacité de la transmission synaptique cortico-striatale. Nous avons de plus observé des effets marqués des transports astrocytaires du glutamate et du GABA sur les phénomènes de plasticité à court- et long-terme (de type STDP) au niveau des NETMs. Ainsi, nous avons montré que les astrocytes par l’intermédiare du transport de neurotransmetteurs, participent activement à l’établissement des propriétés de détection de coïncidence opérée par les NETMs.

Contrôle des plasticités synaptiques par le système endocannabinoide

7Le système endocannabinoide effectue un contrôle retrograde sur la synapse grâce à la synthèse et la libération à la demande de lipides bioactifs (les endocannabinoides) au niveau de l’élément post-synaptique qui agissent sur l’élément pré-synaptique en diminuant la force synaptique. Nous avons montré que différentes signalisations endocannabinoïdes pouvaient être impliquées suivant la nature des plasticités synaptiques : dépression ou potentialisation à court ou long terme. Cette observation étend considérablement les possibilités de codage de synapse cortico-striatale.

Publications (2010-2011)

8Puente N., Cui Y., Lassalle O., Lafourcade M., Georges F., Venance L.#, Grandes P.#, Manzoni O.J.#, « Polymodal activation of the endocannabinoid system in the extended amygdale », Nature Neuroscience, 2011 (# co-auteurs) publié et référencé dans pubmed.

Vandecasteele M., Deniau J.M., Venance L., « Spike frequency adaptation is developmentally regulated in substantia nigra pars compacta », Neuroscience, juillet 2011, publié et référencé dans pubmed.

Bosch C., Degos B., Deniau J.M., Venance L., « Subthalamic nucleus high frequency stimulation generates a concomitant synaptic excitation-inhibition in substantia nigra pars reticulate », Journal of Physiology, 20, juin 2011, publié et référencé dans pubmed.

Goubard V., Fino E., Venance L., « Contribution of astrocytic glutamate and GABA uptake to corticostriatal information processing », Journal of Physiology, 589(Pt 9), 2011, 2301-19.

Pandolfo P., Silveirinha V., dos Santos-Rodrigues A., Venance L., Ledent C., Takahashi R.N., Cunha R.A., Köfalvi A., « Cannabinoids inhibit the synaptic uptake of adenosine and dopamine in the rat and mouse striatum », European Journal Pharmacology, 655(1-3), 2011, 38-45.

Aliane V., Pérez S., Bohren Y., Deniau J.M., Kemel M.L., « Key role of striatal cholinergic interneurons in processes leading to arrest of motor stereotypies », Brain, 2011, 110-8.

Benchenane K., Peyrache A., Khamassi M., Tierney P.L., Gioanni Y., Battaglia F.P., Wiener S.I., « Coherent theta oscillations and reorganization of spike timing in the hippocampal- prefrontal network upon learning », Neuron, 66(6), 2010, 921-36.

Fino E., Venance L., « Spike-timing dependent plasticity in striatal interneurons », Neuropharmacology, 60(5), 2010, 780-8.

Fino E., Paille V., Cui Y., Morera-Herreras T., Deniau J.M., Venance L. « Distinct coincidence detectors govern the corticostriatal spike timing-dependent plasticity », Journal of Physiology, 588(Pt 16), 2010, 3045-62.

Deniau J.M., Degos B., Bosch C., Maurice N. « Deep brain stimulation mechanisms: beyond the concept of local functional inhibition », Eur. J. Neurosci., 32(7), octobre 2010, 1080-91. doi: 10.1111/j.1460-9568.2010.07413.x.

Fino E, Venance L., « Spike-timing dependent plasticity in the striatum », Frontier in Synaptic Neuroscience, 10, juin 2010, 2:6.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 111e année, Collège de France, Paris, avril 2012, p. 909-911. ISBN 978-2-7226-0156-7

Référence électronique

Laurent Venance, « Dynamique et physiopathologie des réseaux neuronaux », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 111 | 2012, mis en ligne le 22 novembre 2013, consulté le 22 février 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/1706

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Auteur

Laurent Venance

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Droits d’auteur

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