Plasticite synaptique

Plasticité synaptique

Neurosciences
Brain Surface Gyri.SVG
Niveaux d'analyse

Moléculaire Synaptique Neuronal Réseau neuronal Organique Systémique

Méthodes

Imagerie cérébrale Électrophysiologie Lésion cérébrale Intelligence artificielle

Branches d'études

Neuroanatomie Neurophysiologie Neuroendocrinologie Psychophysiologie Neurosciences cognitives

Concepts majeurs

Neurone Potentiel d'action Synapse et transmission synaptique Réseau neuronal Neuromédiateur Plasticité neuronale Plasticité synaptique Précablage Réflexe Récompense Cognition Modularité de l'esprit

Chercheurs

Ramón y Cajal C.S. Sherrington P. Broca J. Olds J. LeDoux D.H. Hubel T. Wiesel E. Candel J.P. Changeux

Champs d'application

Neurologie Neurochirurgie Neuropsychologie Psychiatrie Neuropharmacologie Chronobiologie

Voir aussi

Catégorie Neurosciences


La plasticité au niveau des échanges neuronaux désigne tous les phénomènes qui résultent des changements dans le temps des propriétés de traitement de l'information d'un réseau neuronal. Les synapses sont un des niveaux de la plasticité neuronale.

Sommaire

La transmission synaptique: 3 codages différents, deux sites de plasticité possibles

Au niveau d'une synapse, un potentiel d'action (PA) dans l'élément présynaptique provoque la libération de Neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Ces derniers interagissent avec leurs récepteurs correspondants au niveau de la membrane postsynaptique. Qu'ils soient métabotropes ou bien récepteurs ionotropes, les récepteurs activés génèrent un courant postsynaptique (CPS) par l'ouverture de canaux ioniques, et consécutivement un potentiel postsynaptique (PPS). Habituellement on dit que le signal est codé

  1. dans l'élément présynaptique en termes de fréquence de PA,
  2. dans la fente synaptique en termes de concentration de neurotransmetteur et
  3. dans l'élément postsynaptique en termes d'amplitude de CPS.

La plasticité synaptique résulte d'un changement quantitatif de codage entre ces trois éléments, c’est-à-dire qu'il y a deux plasticités possibles, une plasticité présynaptique et une plasticité postsynaptique.

Plasticité présynaptique

Un même PA entraîne la libération de plus (ou moins) de neurotransmetteurs, alors pour une même fréquence de PA, il y aura une plus forte (faible) concentration de neurotransmetteurs, et donc mécaniquement, une plus forte (faible) amplitude de CPS.

Plasticité postsynaptique

Une même concentration de neurotransmetteurs rentre en contact avec une plus forte densité de récepteurs dans la membrane postsynaptique, ou bien des récepteurs d'une autre nature, alors la même quantité de neurotransmetteurs provoquera un CPS de plus forte amplitude, ou bien un CPS présentant d'autres propriétés.


Ces deux niveaux de plasticité synaptique sous-tendent en fait plusieurs mécanismes qui peuvent être classés selon la vitesse à laquelle les règles de codage sont changées, et selon la pérennité du changement.

Le principe de BRIBRI

Un neurotransmetteur par neurone.

Si un neurone est capable à la fois d'avoir une efférence inhibitrice et une autre excitatrice, c'est grâce à une variation des récepteurs postsynaptiques des cellules qui reçoivent son signal (ex canaux Cl- et Na+ sensibles au même NT). Un neurone ne peut pas être la source de plus d'un NT. On a découvert que certains neurones sont capables de sécréter des peptides en parallèle d’un NT. Mais celui-ci reste toujours le même, sans enfreindre ainsi le principe de Dale.

Causes possibles d'une modification de la transmission synaptique

- Quantité de vésicules libérées a varié ( Pr )

- Quantité de récepteurs postsynaptiques a varié (BDNF p.ex.)

- Sensibilité des récepteurs postsynaptiques a varié (agoniste/antagoniste compétitifs ou non du NT, ou la conformation allostérique du récepteur est modifiée)

- Recapture du NT a varié (inhibition ou augmentation) : celle-ci est normalement effectuée par les astrocytes.

N.B. : Une [glu] extracellulaire de 30mM est suffisante pour être toxique vis-à-vis des cellules avoisinantes ; Une certaine [glu] induit une astrocytose (+ cell swelling), et une concentration supérieure, carrément une mort cellulaire (neuronale et astrogliale) .

Processus d'interactions synaptiques et plasticités

Depuis les découvertes des années 60 de E.Kandel (prix Nobel de médecine en 2000), la recherche en neuroélectrophysiologie met à jour régulièrement de nouveaux types de plasticités synaptiques. Celles-ci se déclinent en de multiples formes, dont les cardinales sont l'Habituation, la Sensitization (ou désensibilisation), la Potentiation et la Dépression. Chacun de ces phénomènes comprend des variantes classées en sous-types. À l'heure actuelle, il est évident qu'on ne peut se prétendre exhaustif dans l'énumération des différents types et sous-types de plasticité constatés, puisqu'on a pas encore entièrement compris quelle logique englobante régit leur apparition. Il se peut que les variantes de plasticité soient quasi illimitées et que la fréquence de leur apparition respective soit en rapport direct avec le type de neurones qu'elles modifient ainsi qu'en fonction de leur environnement cellulaire. En voici donc quelques types, tirés de la littérature scientifique spécialisée.

Habituation

La réponse post-synaptique s'atténue au fil des stimuli csts provenant des afférences : la forme la plus simple d'apprentissage: ignorer un stimulus insignifiant et inoffensif : s'ennuyer!

Short Term Habituation: 1' de stimulation => 2 h. d'activité. On constate une diminution de l'activation des canaux Ca++ présynaptiques.

Long Term Habituation: peut durer jusqu'à 3 semaines. Mais la stimulation ne doit pas être hyperä mais progressive. Dans le même ordre d'idée que la STH, on remarque des conséquences morphologiques et structurales au niveau de la terminaison pré-synaptique des neurones déchargeant constamment : moins de vésicules, moins de synapses, pertes de contacts et d'activité.

Sensibilisation

Classiquement, une première sommation sensorielle brusque et inopinée (Unconditional Stimulus : US) induit des réactions plus vives face à divers stimuli sensoriels neutres ("état d'hypervigilance, d'alerte"). Il y a eu sensitization.

En effet, la voie de ce US (un neurone sensitif/nociceptif) active sur son trajet un neurone à sérotonine (5-HT), un neuromodulateur facilitant. Celui-ci forme une première synapse axono-synaptique, avec LE bouton présynaptique (selon le paradigme incluant 1 cellule pré et 1 cellule postsynaptique chez l’Aplysia californica ).

En effet, en position présynaptique, se trouve un autre neurone qui conduit un input neutre (Conditional Stimulus) vers un centre intégratif sensoriel ( ou un motoneurone/interneurone p.ex. s’il s’agit d’une boucle réflexe) qui, lui, représente le neurone postsynaptique. Avec le relâchement de la 5-HT au niveau de la première synapse (i.e. entre l’axone du neurone modulateur 5-HT et le bouton de la synapse du neurone présynaptique glutamatergique), une potentialisation importante a lieu au niveau de la synapse « principale » (pré-postsynaptique). Il y a donc, sans compter le neurone du US, 3 acteurs cellulaires au niveau de cette synapse : 2 présynaptiques, et 1 postsynaptique.

La 5-HT va agir sur des récepteurs 5-HT sur le neurone présynaptique, et induire une [cAMP]I¢ qui conduit à une diminution de l'activité des canaux K+. Ainsi, la "synapse becomes more responsive and the depolarisation persists".=> "greater NT(glu) release onto postsynaptic ¢", sans qu’il n'y ait de composante postsynaptique activée dans ce phénomène, i.e. en l’occurrence que le neurone du centre intégratif sensoriel ne soit activé.

Il existe également:

Short Term Sensitivity.

Long Term Sensitivity.

N.B.: Jusqu'à présent, on n'a pas découvert d'activation de CREB dans le phénomène de la sensitivité. De plus, la sensitivité peut être amorcée grâce à d’autres NM que celui du paradigme de la sérotonine !

Potentialisation

Potentiel Post-Synaptique Exitateur (PPSE) ou Excitatory Post Synaptic Potential (EPSP): phénomène neuroexcitateur infraliminal d’un PA, médié par les récepteurs AMPA (entrée de Na+ >> Ca++) et NMDA (entrée de Ca++ >> Na+) au glutamate. N.B.: l’Ach peut aussi induire des IPSP/EPSP, mais également les autres NM (5-HT,NE et DA) qui ont eux une action plus variable

Long Term Potentiations (LTPs): grâce aux récepteurs « détecteurs de coïncidence » NMDA (canaux Ca2+ >> Na+) et aux récepteurs « amorceurs » AMPA (en général : car les GABAAr sont, avant d’être inhibiteurs pendant la vie adulte, responsables de la consolidation des premières synapses excitatrices dans le développement embryonnaire du cerveau, i.e. amorcent la préstimulation des récepteurs NMDA). N.B. : La CaMKinase II, cible de la Ca++Calmoduline, existe sous forme 4 ss-unités de CaMK, donc est un très gros complexe. Étant donné que la demi-vie est de 10’’ pour une CaMKII*P, ce qui est très long, elle reste active encore longtemps après la fin du spike Calcique et est supposée transformer les fréquences en intensité, ou l’impulsion initiale en inertie dynamique au sein de la cellule. : « protéine redresseuse de courant ». En outre certaines isoformes de la CaMKII migrent du cytosol au noyau et semble jouer un rôle dans l’activation de la Tx des early genes CRE dépendants. Plusieurs types de courants, dont :

Homosynaptic (activity dependant) Associative Hebbian Plasticity (conditioning): Bliss and Lømo, hippocampus 1973; . « Associative » signifie que les décharges du n.présyn. sont synchronisées avec celle du n.postsyn., et homosynaptique, qu’il y a deux acteurs cellulaires de même nature (neurones glutamatergiques p.ex.) au niveau de la synapse : « coincident pre- and postsynaptic firing ». ex. de localisations : hippocampus, cerebellum, PF cx et LA amygdala. .

Early-LTP (E-LTP) est inductible avec une single 100Hz tetanus stimul. qui active des kinases (CaMKII p.ex.) : ne dure pas plus que quelques heures (entre 1 et 3h).

Late-LTP (L-LTP) persistante (dure environ 24h) nécessite par contre un très fort stimulus tétanique voire plusieurs pour être induite, avec [cAMP]i¢ et recrutement de plusieurs kinases, comme e.a. PKA et MAPK qui active la transcription de CREB la plupart du temps (mais d’autre TF semblent certaines fois être activés à la place de CREB, cf. Kandel et Gass P. et al. 1998). La L-LTP est bien corrélée avec la Long-Term Memory (Kandel). Un exemple classique : Hebbian LTP in Schaffer Collateral pathway est bien corrélée avec la mémoire dépendante de l’hippocampe.

Un exemple intéressant : Pairing CS & US in the LA amygdala (Ledoux): Un CS faible couplé spatio-temporellement avec un US fort (nociceptif), voit son potentiel d'excitabilité augmenter considérablement par la suite, même en ayant lieu en l’absence de US: ceci, dans la logique de permettre à un CS d'être prédictible, à plus forte raison pour s'adapter à la survie.

N.B. : Modulatory Inputs inducing LTP : Des NM tels que la DA (D1/D5 agonists) augmentent les taux de cAMP et induisent la L-LTP des neurones glutamatergiques in Schaffer Coll Pathw. !(cf. Kandel et Bach).. so we can infer that heterosynaptic plasticity and sensitization are both effective on classical hebbian LTP present in the hippocampus.

Heterosynaptic (modulatory input-dependant) Plasticity : Processus non associatif indépendant de l’activité de la synapse. 3 intervenants synaptiques (idem sensitization mais) tous glutamatergiques : 1 n.présyn., 1 n. modulateur axono-synaptique présyn. et 1 n.postsyn. Une synapse peut donc être renforcée ou affaiblie sans la nécessité d’une activité pré ni postsynaptique, mais uniquement du neurone modulateur jouxtant le bouton présynaptique de la synapse (Kandel). L’effet renforçant du neurone modulateur se trouvera augmenté si son activité coïncide avec celle du neurone présynaptique. Ce genre de plasticité active l'expression du senseur intra¢ CREB qui induit des changements à long terme en matière de transcription de gènes responsables de l'engramme (mise en mémoire des événements), bien plus fréquemment que la plasticité Hebbienne (selon Kandel). En effet la plasticité hétérosynaptique est nécessaire mais aussi suffisante pour activer la transcription. Ceci peut conduire à la croissance/rétraction d’un cône axonal p.ex.

N.B. : Modulatory Inputs inducing LTP (suite): des axones provenant du locus cœruleus (NA), du raphé dorsal (5-HT), et du VTA (DA) longent les Schaffer Coll, les fibres moussues, les voies perforantes et les voies cortico-amygdaliennes et sont capables de modifier la LTP à leur niveau (Kandel). “The increased release of glutamate might lead to its spillover to presynaptic glutamate receptors on the terminals of the NA and DA axons, causing the release of these NM independently of activity in the modulatory axons themselves” (Kandel about Whitton P.S. paper: 1997 in Neurosci.Biobehav. Rev.). Further Kandel postulates that maybe Hebbian homosynaptic long term plasticity cannot persist per se, and modulatory transmitters can produce persistent changes by themselves, becoming necessary and sufficient also for Hebbian plasticity!

LTP Heterosynaptic Associative plasticity (LTPHA) : Humeau & Lüthi, Nature 2003 ; Associative (i.e. condition : synchronisation des 2 inputs présynaptiques) mais indépendante de l’activité postsynaptique (including depolarization, postsynaptic NMDA receptors activation or increase in post synaptic [Ca2+]). L’expression de la LTP se traduit en l’occurrence comme une augmentation persistante de la probabilité présynaptique de relâchement vésiculaire. Dans ce cas, il n’existe pas de neurone modulateur ; on est en présence de 3 neurones glutamatergiques. Le couplage entre une facilitation hétérosynaptique (n.1pré - n.2pré) et une activité homosynaptique (n.2pré - n.post) est responsable d’une augmentation des [cAMP]i¢ et du renforcement synaptique. Ce type de changements est plus important que la somme de ceux qui sont produits individuellement par des processus homo et hétérosynaptiques. Cette combinaison peut être considérée comme une nouvelle catégorie de plasticité (Kandel).


Metaplasticity: Abraham & Baer, Tr Neurosci. 1996 : Changement dans la capacité d’induire une plasticité synaptique subséquente. La qualité du changement (LTP ou LTD p.ex.) n’est pas déterminée, c’est uniquement la réactivité/réceptivité aux stimuli présynaptiques qui est augmentée/varie.

Ex 1: La STP (short term potentiation) est induite facilement avec un « short burst » (30Hz, 150ms) dans la région CA1. En soi, un tel burst induit uniquement une STP transitoire qui diminue rapidement pour retourner à la baseline. Cependant, il semblerait qu’il existe bel et bien de « long-lasting effects of this seemingly innocuous activity », et ceux-ci sont apparents lors des essais ultérieurs de stimulation de la même cellule (dans le but d’induire une plasticité). Ces effets comprennent et une LTP, et une LTD, par des mécanismes sub¢ peu clairs (1996). Ex 2 : L’induction de la LTP au niveau des Schaffer Coll. par un fort tetanus a été inhibée lorsqu’un tetanus plus faible (5Hz) était administré préalablement sur le même input (Schaffer Collateral). L’effet était input specific et durait moins de 30’. De plus, au fil des expériences, la première stimulation semble plutôt augmenter le seuil de stimulation nécessaire à induire la LTP, plutôt que de la bloquer complètement. Dans d’autres cas, avec la même « priming » stimulation (5Hz), on assiste à une facilitation de la LTP lors du fort tetanus successif. C’est donc une plasticité de la plasticité synaptique. Selon l’auteur et ses expériences, La MP serait NMDAr dépendante (« the priming stimulation »), donc [Ca2+]i¢ dépendante, mais impliquerait aussi des récepteurs mGlu metabotropiques au glutamate ; et pourrait transformer p.ex une LTP en LTD!

Phénomènes/observations rattachés à la LTP

Deaf, mute and whispering silent synapses

(Voronin LL. and Cherubini E. 2004): a)deaf: postsynaptically silent: unable to detect glutamate release and do not conduct at rest because of the lack of AMPA r. b)mute: presynaptically silent synapses don’t conduct because the Pr is close to zero c)whispering: the [glu] released is insufficient to produce a detectable quantal response, Q. N.B.: Often, the amount of glutamate in the cleft would be sufficient to activate high affinity NMDARs but not AMPARs, so if there is only NMDARs, nothing could happen! See also Malenka.

Occlusion

Appelée également saturation. Il s'agit de la limite maximale ou Plafond de la Potentialisation (Potentiation) qui dépend de facteurs limitants tels que le nombre de récepteurs postsynaptiques ou la quantité de vésicules présynaptiques libérables, etc. L’occlusion de la LTP survient typiquement quand les NT (glu) ont saturé tous les récepteurs postsynaptiques (maximum effectif glutamatergique par unité de temps atteint). 2 cellules impliquées :

Ex1 : Augmentation du nombre de vésicules libérées par stimulation électrique présyn plus intense p.ex : multiplication 3x (arbitraire) de la potentialisation jusqu’à atteindre la saturation des récepteurs postsyn. : utilisation de la marge existant entre le nbre de récepteurs et le nombre de NT.

Ex2 : Le BDNF va induire une augmentation du nombre de récepteurs postsynaptiques; ce qui induit aussi une potentialisation 3x plus élevée, donc une occlusion 3x moins importante, si le nbre de NT libéré est suffisant pour occuper tous les récepteurs (anciens et nouveaux).

Ex3 : Effet synergique si combinaison des 2 phénomènes Ex1 et Ex2 en même temps : multiplication des facteurs facilitants entre eux : 9x !! => occlusion atteinte 9x moins facilement.

1 cellule impliquée: Ex4 : un stimulus peut en occlure un autre au niveau de la même cellule : Le st1 empêche l’expression du st2 en le précédant dans le temps : compétition dans l’utilisation de la machinerie cellulaire au profit du st1 : ceci se passe lorsque les 2 phénomènes ont lieu sur la même cellule, ex. : stimulation e- et BDNF : le premier stimulus entré en action va empêcher le second stimulus d’en faire de même, par surexploitation de la cellule : exemple : est-ce que un type de plasticité en occlut un autre sur la même cellule ? i.e. pour répondre à la question : est-ce que les 2 types de plasticité ont des acteurs communs au niveau de la cellule ?

Facilitation

Il s'agit de l'augmentation à court terme du nombre de vésicules exocytées suite à un PA. Comme on pense que chaque vésicule contient la même quantité de neurotransmetteur, la concentration de neurotransmetteur dans la fente synaptique dépend principalement du nombre de vésicules ont libéré leur contenu. Or l'exocytose est provoquée par la brusque augmentation de la concentration intracellulaire de calcium qui suit un PA. Dans certain type de synapse, l'augmentation de la concentration calcique se somme quand les PA se succèdent à un certain rythme. Du coup, pour les PA finaux, le taux d'exocytose est plus important que pour les premiers. Sur des mesures des courants postsynaptiques, on observe typiquement de plus grandes amplitudes plus le neurone présynaptique décharge des PA longuement.

Dépression

Dépression et potentialisation à court terme

Dépression et potentialisation à long terme

Dépression glutamatergique sur stimulation synaptique à basse fréquence, indépendante de l’inhibition GABAergique et dépendante des NMDAr.

IPSP: inhibitory postsynaptic potential

Phénomène neurodépresseur médié par les récepteurs GABA (A) : inhibition lente et durable médiée par le GABA qui ouvre les canaux Cl- ; GABA + Glycine induisent une inhibition rapide mais évanescente.

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