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113 | 2014
Annuaire du Collège de France 2012-2013
Résumé des cours et travaux 113e année
Équipes accueillies

Dynamique et physiopathologie des réseaux neuronaux

Laurent Venance
p. 947-949

Texte intégral

   

Responsable : Laurent Venance

Équipe : Yihui Cui, Bertrand Degos, Élodie Fino, Yves Gioanni, Anne-Marie Godeheu, Alexandre Mendes, Sylvie Perez, Silvana Valcheva, Marie Vandecasteele, Hao Xu

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1Nous étudions les modalités d’encodage de la mémoire 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. Le striatum, le principal noyau d’entrée des ganglions de la base, reçoit des afférences de l’ensemble des aires du cortex cérébral. Les neurones de sortie striataux, silencieux au repos, doivent, pour décharger, recevoir des signaux corticaux de fortes amplitudes et synchrones. Ainsi, les neurones striataux agissent comme des détecteurs de coïncidence de l’activité corticale : ils extraient du bruit de fond les informations corticales jugées pertinentes et ce, en fonction du contexte. L’intégration des informations corticales est fortement modulée par les afférences dopaminergiques de la substance noire pars compacta. Le rôle prépondérant de la dopamine est dramatiquement illustré par la maladie de Parkinson causée par la dégénérescence des neurones dopaminergiques. L’apprentissage et la mémorisation sont principalement sous-tendus par des phénomènes de plasticité synaptique à long-terme qui soit augmentent l’efficacité synaptique, (potentialisation à long-terme [LTP]), soit la diminuent (dépression à long-terme [LTD]). La connaissance des modalités de la plasticité cortico-striatale est fondamentale pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent le rôle des ganglions de la base dans l’apprentissage procédural et leurs altérations en conditions physiopathologiques.

Caractérisation de la « spike-timing dependent plasticity » (STDP) cortico-striatale

2La « spike-timing dependent plasticity » (STDP) est actuellement considérée comme la loi « élémentaire » de plasticité synaptique. La STDP repose sur un paradigme d’apprentissage synaptique Hebbien et donc sur la quasi-coïncidence entre des stimulations pré- et post-synaptique. Ainsi, il a été décrit dans différentes structures qu’une stimulation pré-synaptique précédée de quelques millisecondes de la stimulation post-synaptique (répétées plusieurs dizaines de fois à 1 Hz) induit une LTD, tandis qu’une stimulation post- puis pré-synaptique induit inversement une LTP. De manière surprenante, nous avons observé une orientation de la STDP « inverse » au niveau des neurones de sortie du striatum : une stimulation post-pré induit une LTP et une stimulation pré-post induit une LTD. Cette plasticité dite anti-hebienne striatale était la première décrite chez les mammifères. Ceci indique une spécificité du codage au niveau de l’axe cortico-striatal. Afin de mieux caractériser cette STDP, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la mise en place de la STDP cortico-striatale. Contrairement au modèle « classique », nous avons montré que la LTP et la LTD sont sous-tendues par des détecteurs de coïncidence moléculaires différents. L’induction de la LTP est dépendante de l’activation des récepteurs NMDA post-synaptiques alors que la LTD dépend des endocannabinoïdes, plus précisément le 2-arachidonyl-glycerol qui agit sur les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1) pré-synaptiques. Nous avons mis en évidence un contrôle bimodal des endocannabinoïdes sur les plasticités à court et à long terme. De plus, nous avons montré que la sous-unité NR2B du récepteur NMDA contrôlait la fenêtre temporelle d’induction de la STDP. Cela illustre toute la complexité, et donc l’étendue des potentialités d’encodage, des plasticités cortico-striatales.

3Nous venons de mettre en évidence pourquoi la STDP cortico-striatale est de type anti-Hebienne : les réseaux GABAergiques locaux striataux exercent un contrôle sur la STDP et agissent en quelque sorte comme des commutateurs Hebbien/anti-Hebbien. Nous avons montré, grâce à une combinaison d’approches expérimentale et computationnelle (réalisée en collaboration avec l’équipe de Jeannette Hellgren-Kotaleski, Karolinska Institute, Suède) que le GABA, de part son effet dépolarisant au niveau des neurones de sortie du striatum, contrôle la polarité des plasticités cortico-striatale.

Rôle des astrocytes dans le traitement des informations cortico-striatales

4Nous avons mis en évidence que les astrocytes, dans le cadre de la synapse tripartite, via la recapture du glutamate et du GABA, contrôlent la transmission et les plasticités à court et long terme cortico-striatales. Le concept de synapse tripartite (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 du glutamate et du GABA astrocytaire. Ainsi, un blocage de ces transporteurs aboutit à une baisse de l’efficacité de la transmission synaptique cortico-striatale. Nous disposons d’un modèle d’étude absolument unique puisque les courants électroniques générés par les transports du glutamate et du GABA sont de très grandes amplitudes. 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 neurones de sortie striataux. Ainsi, nous avons montré que les astrocytes par l’intermédiaire du transport de neurotransmetteurs, participent activement à l’établissement des propriétés de détection de coïncidence opérée par les neurones striataux.

La voie hyperdirecte de transmission de l’information cortex-ganglions de la base

5Si le striatum constitue la principale porte d’entrée des ganglions de la base, le noyau sous-thalamique (NST) constitue l’autre porte d’entrée. La voie cortex-NST-substance noire réticulée est appelé voie hyperdirecte, et son activation permet de mettre en pause les programmes en cours afin de préparer la séquence suivante (via l’activation des voies directe et indirecte cortico-striatales). Dans la maladie de Parkinson, un traitement utilisé est la stimulation électrique profonde du NST. Nous avons démontré que les effets bénéfiques de la stimulation profonde proviendraient d’une balance excitation/inhibition engendrée non seulement par la stimulation électrique du NST mais aussi de fibres de passage issues du globus pallidus. Nous avons par ailleurs mis au point la première tranche de cerveau permettant de conserver intacte l’entièreté de la voie hyperdirecte et permettre ainsi des études électrophysiologiques, d’imagerie et pharmacologiques qui étaient impossible auparavant in vitro.

Publications

6Paille V., Fino E., Du K., Morera-Herreras T., Perez S., Hellgren Kotaleski J. et Venance L. « GABAergic circuits control spike-timing-dependent plasticity », Journal of Neuroscience, 33(22), 2013, 9353-9363.

Nelson M.J., Bosch C., Venance L. et Pouget P., « Microscale inhomogeneity of brain tissue distorts electrical signal propagation », Journal of Neuroscience, 33(7), 2013, 2821-7.

Vandecasteele M., Venance L., « Gap Junctions in the Basal Ganglia » in E. Dere (éd.), Gap Junctions in the Brain, Elsevier, 2012, 149-163.

Bosch C., Mailly P., Degos B., Deniau J.M., Venance L., « Preservation of the hyperdirect pathway of basal ganglia in a rodent brain slice », Neuroscience, 215, 2012, 31-41.

Evans R.C., Morera-Herreras T., Cui Y., Du K., Sheehan T., Kotaleski J.H., Venance L., Blackwell K.T., « The effects of NMDA subunit composition on calcium influx and spike timing-dependent plasticity in striatal medium spiny neurons », PLoS Comput. Biol., 8(4), 2012, e1002493.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 113e année, Collège de France, Paris, avril 2014, p. 947-949. ISBN 978-2-7226-0329-5

Référence électronique

Laurent Venance, « Dynamique et physiopathologie des réseaux neuronaux », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 113 | 2014, mis en ligne le 15 août 2014, consulté le 25 février 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/2708

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Auteur

Laurent Venance

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Droits d’auteur

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