Chapitre 6 LA TRANSMISSION SYNAPTIQUE (fascicule 1/3)

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1 2 ème partie : Neurobiologie moléculaire Chapitre 6 LA TRANSMISSION SYNAPTIQUE (fascicule 1/3) Ramon y Cajal, dès 1888, établit que les contacts entre les terminaisons axonales d'un neurone et les dendrites ou le soma d'un autre neurone, sont les lieux de passage de l'influx nerveux : «Les articulations ou contacts utiles et efficaces entre neurones ne s'effectuent qu'entre axone, collatérales ou terminales d'un neurone et les prolongements ou le corps cellulaire d'un autre neurone». Le terme synapse a été proposé par la suite par Sherrington (1897) pour désigner ces zones de contiguïté entre neurones, spécialisées dans la transmission des informations. En fait, le terme synapse ne désigne pas uniquement les connexions entre neurones (synapses interneuronales) mais aussi celles entre neurones et cellules effectrices comme les cellules musculaires et glandulaires (synapses neuro-effectrices) et celles entre cellules réceptrices et neurones (fig. 1). C'est au niveau de ces contacts que s'effectue la transmission des informations d'une cellule à une autre : la transmission synaptique. On distingue, selon des critères morphologiques et fonctionnels, plusieurs types de synapses parmi lesquelles : Les synapses chimiques qui se caractérisent morphologiquement par la présence d'un espace entre les membranes plasmiques des cellules connectées, espace appelé fente synaptique. Dans ce cas, une molécule chimique, le neurotransmetteur, transmet les informations de la cellule présynaptique à la cellule postsynaptique. Ce sont ces synapses que nous étudierons dans ce chapitre (fig. 2A), Parmi les synapses chimiques, certaines ont une organisation particulière : - les synapses réciproques formées par la juxtaposition de deux synapses chimiques orientées en sens inverse l'une de l'autre (fig. 2D) ; - les glomérules formés par un ensemble de synapses chimiques. Dans certains cas, c'est un axone qui se trouve entouré par un ensemble de dendrites avec lesquelles il effectue des synapses chimiques (fig. 2E). Dans d'autres cas, c'est une dendrite qui se trouve entourée par plusieurs terminaisons axonales. Les synapses électriques ou jonctions communicantes qui se caractérisent morphologiquement par l'accolement des membranes plasmiques des régions cellulaires ainsi connectées. Dans ce cas, les signaux électriques sont directement transmis d'une cellule à l'autre sans intermédiaire chimique. Il faut préciser cependant que les jonctions communicantes sont aussi le lieu d'échange de molécules intracellulaires de petit diamètre (fig. 2B). Ces synapses sont rares dans le système nerveux central de mammifères. Les synapses mixtes formées par la juxtaposition d'une synapse chimique et d'une jonction communicante (fig. 2C). Chez les mammifères, ces synapses sont plus fréquentes que les synapses électriques. La synapse est une zone de contiguïté et non de continuité entre 2 cellules. On a tout d'abord cru que l'axone était en continuité anatomique avec la cellule sur laquelle il se termine ; s'il en était ainsi, l'influx propagé se transmettrait sans interruption. Cependant, les recherches électrophysiologiques et histologiques ont montré que ce type de synapse, dénommé synapse électrique, est rare. C'est un autre type qui se rencontre plus communément, particulièrement chez les mammifères et donc chez l'homme dans lequel la terminaison axonique excitée rejette une substance qui produit un effet excitateur ou inhibiteur sur la membrane cellulaire voisine. On nomme synapse chimique ce type de jonction que nous étudierons ci-dessous. Il est nécessaire de souligner que les synapses jouent un rôle fondamental dans la physiologie nerveuse et ce, pour plusieurs raisons. D'abord, qu'il s'agisse de synapses électriques ou de synapses chimiques, les signaux sont toujours transmis de l'élément présynaptique (axone) à l'élément postsynaptique. Ceci fait que les synapses sont des relais univoques aussi bien entre neurones qu'entre neurones et organes effecteurs. En second lieu, les synapses sont susceptibles de voir leur efficacité se modifier : lorsqu'une synapse est fréquemment utilisée, son fonctionnement est plus régulier et plus précis que lorsqu'elle est peu ou pas utilisée. Cette plasticité fait qu'on prête aux synapses un rôle dans les phénomènes d'apprentissage et de mémorisation. Enfin, disons que les synapses sont les sites d'action de nombreuses substances pharmacodynamiques. DANS CE COURS NE SERONT ETUDIEES QUE LES SEULES SYNAPSES CHIMIQUES On classe les synapses chimiques en deux catégories: - les synapses ou jonctions neuro-musculaires celles qui existent entre les terminaisons axonales d'un neurone moteur et les fibres musculaires (ex: entre le motoneurone et les fibres musculaires striées d'une unité motrice); - les synapses neuro-neuronales du système nerveux cental. Dans ce chapitre, seule la transmission neuro-musculaire sera envisagée. 182

2 A Fig. 1 - Différents types de cellules connectées par des synapses chimiques. A : Synapses interneuronales. Exemple des synapses entre un motoneurone rachidien (neurone de type Golgi I qui innerve les fibres musculaires striées) et une cellule de Renshaw (neurone de circuits locaux localisé dans la moelle épinière). Jonction neuromusculaire : synapse entre motoneurone et cellules musculaires striées. B : Synapse entre récepteur sensoriel et neurone. Exemple des synapses entre une cellule réceptrice de l'audition (cellule ciliée localisée dans la cochlée) et un neurone sensoriel primaire (dont le corps cellulaire est localisé dans le ganglion spiral). Ce neurone est dépourvu de dendrites et présente un axone en T qui conduit les informations sensorielles de la périphérie vers le système nerveux central. A : D'après Eckert R, Randall D, Augustine G. Animal physiology. New York : W.A. Freeman, 1988 : 683 (avec autorisation). I - DANS TOUTES LES SYNAPSES CHIMIQUES, LE COMPLEXE SYNAPTIQUE COMPREND TROIS PARTIES: L'ELEMENT PRESYNAPTIQUE, LA FENTE SYNAPTIQUE ET, L'ELEMENT POST-SYNAPTIQUE. IL PRESENTE UNE ASYMETRIE DE STRUCTURE ET UNE ASYMÉTRIE FONCTIONNELLE. Nous prendrons pour exemple les synapses chimiques interneuronales. Lorsqu'on observe au microscope électronique une coupe de tissu nerveux effectuée dans une région du système nerveux central riche en corps cellulaires et dendrites (substance grise, on observe à la surface d'une dendrite ou d'une épine dendritique la présence d'un ou de plusieurs contacts synaptiques (fig. 3, flèches). C'est précisément un seul de ces contacts synaptiques qui représente le complexe synaptique (fig. 4). Le complexe synaptique comprend trois parties : l'élément présynaptique, la fente synaptique et l'élément post-synaptique. Le complexe synaptique est l'unité de base non réductible de chaque synapse chimique car il renferme le minimum requis pour qu'une transmission synaptique soit efficace. 1. Les éléments pré- et post-synaptiques présentent une spécialisation morphologique et fonctionnelle L'élément présynaptique se caractérise par la présence de vésicules synaptiques, organites de stockage du neurotransmetteur et de nombreuses mitochondries (fig. 3 et 4). Il existe deux types de vésicules de stockage du neurotransmetteur : les vésicules claires (40-50 nm de diamètre) et les vésicules à coeur dense ou granule dense, qui présentent un centre dense aux électrons (40-60 nm de diamètre). Parfois on distingue sous la membrane présynaptique une zone dense aux électrons avec une géométrie plus ou moins apparente, la grille présynaptique (voir fig. 8). Elle correspond à une organisation particulière du cytosquelette liée à l'exocytose des vésicules synaptiques. L'élément post-synaptique se caractérise, dans le cas des synapses interneuronales, par la présence d'une région sous-membranaire dense aux électrons qui reflète une organisation particulière du cytosquelette, sans doute liée à 183

3 l'ancrage des récepteurs post-synaptiques dans cette région (fig. 3 et 8). Lorsque l'élément post-synaptique n'est pas neuronal, nous verrons que diverses autres spécialisations post-synaptiques existent. Fig. - 2 Différents types de synapses. A à D : D'après Bodian D. Neuronal junctions : a revolutionnary décade. Anat Rec 1972 ; 174: E: D'après Steiger U. Uber den Feinbau des Neuropils im Corpus pedunculatum des Waldaneise. Z Zelforsch 1967; 81: , Fig. 3 - Synapses axo-épineuses dont l'une (au centre) est une synapse "perforée ". 184

4 Micrographie d'une coupe effectuée au niveau de l'hippocampe (couche moléculaire de la fascia dentata) et observée au microscope électronique. On distingue deux boutons synaptiques (term. ax) remplis de vésicules synaptiques (Ves) et effectuant un ou plusieurs contacts synaptiques asymétriques (flèches, voir aussi fig. 8) avec des épines (Ep) de dendrites de neurones pyramidaux. Photo Olivier Robain. Le complexe synaptique présente une asymétrie de structure tout à fait caractéristique, les vésicules synaptiques n'étant présentes que dans l'élément présynaptique. Cette asymétrie de structure reflète une asymétrie fonctionnelle que nous allons étudier. 2. Schéma général du fonctionnement d'un complexe synaptique Le schéma général du fonctionnement d'une synapse chimique est le suivant (fig, 4A) : le neurotransmetteur est stocké dans les vésicules synaptiques de l'élément présynaptique. En réponse à l'arrivée des potentiels d'action (1) dans l'élément présynaptique, on observe une entrée d'ions Ça 2 * (2) dans l'élément présynaptique et la fusion d'une vésicule avec la membrane plasmique. La vésicule libère ainsi par un processus d'exocytose (3) le neurotransmetteur dans la fente synaptique. Les molécules de neurotransmetteur peuvent alors se fixer sur la membrane de l'élément postsynaptique au niveau de récepteurs qui lui sont spécifiques (4a) et entraîner un passage d'ions à travers la membrane post-synaptique (5). A ce stade, la transmission synaptique est effectuée. De façon concomitante, les molécules neurotransmetteur présentes dans la fente synaptique sont recaptées vers l'élément présynaptique (4b) et la membrane présynaptique est recyclée (4c). Fig. 4A - Spécialisations pré- et post-synaptiques. A ; Schéma général de la transmission synaptique (voir texte pour explication). Ainsi, l'élément présynaptique renferme la machinerie nécessaire à la synthèse, au stockage, à la libération et à l'inactivation du (ou des) neurotransmetteur. On appelle zone active l'ensemble formé par les vésicules présynaptiques et la membrane axonale présynaptique où s'effectue l'exocytose (fig. 4B). L'élément post-synaptique, spécialisé dans la réception des messages, renferme dans sa membrane plasmique les protéines réceptrices du neurotransmetteur : récepteurs-canaux et récepteurs liés aux protéines G (fig. 4B). Ceci fait que, dans la majorité des cas, la transmission synaptique est unidirectionnelle (on dit aussi 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 (fig.4b). Dans le cas des synapses dendro-dendritiques (bulbe olfactif de rat), on distingue deux complexes synaptiques juxtaposés et fonctionnant avec des polarités opposées : ce sont les synapses réciproques (flg. 2D). Mais il faut noter, ici encore, que la transmission synaptique est polarisée au niveau de chacun des complexes synaptiques. 185

5 3. Complémentarité entre le neurotransmetteur stocké et libéré par l'élément présynaptique et la nature des récepteurs présents dans la membrane post-synaptique On observe très généralement une complémentarité entre le ou les neurotransmetteurs stockés et libérés par l'élément présynaptique et les protéines réceptrices qui sont présentes en forte densité dans la membrane de l'élément post-synatique, et ceci même lorsque les cellules pré- et post- synaptiques ont des origines embryologiques différentes (comme dans le cas des synapses nerf-muscle, par exemple). Cette complémentarité est primordiale pour que la transmission synaptique soit efficace. Les méthodes permettant l'identification des neurotransmetteurs présents dans l'élément présynaptique et celles permettant la localisation des récepteurs post-synaptiques sont variées. Nous citerons plus particulièrement : - pour l'identification des neurotransmetteurs : les méthodes immunocytochimiques qui permettent de mettre en évidence la présence d'une enzyme de synthèse du neurotransmetteur dans tout le neurone et la technique d'hybridation in situ qui permet de mettre en évidence la transcription de l'arnm codant pour l'enzyme de synthèse du neurotransmetteur. Dans ce dernier cas, seuls les somas sont mis en évidence; - pour la localisation des récepteurs : les techniques de marquage par autoradiographie, par les anticorps monoclonaux ou encore plus rarement par les anticorps anti-idiotypes. Fig. 4B - Spécialisations pré- et post-synaptiques. B : Vues transversales en microscopie électronique au niveau du complexe synaptique (à gauche, synapse inhibitrice afférente à la cellule de Mauthner de poisson et, à droite, synapse inhibitrice afférente à un motoneurone de moelle épinière de rat). A gauche: une figure d'exocytose (grande flèche) entre deux projections denses présynaptiques et une vésicule entourée d'un feutrage (flèche barrée) caractéristique du recyclage membranaire sont visibles dans ce plan de coupe. A droite: localisation post-synaptique du récepteur glycinergique à l'aide d'un anticorps monoclonal. Les particules d'or sont alignées à distance de la membrane. Cet espace a principalement pour origine l'encombrement des anticorps utilisés dans le marquage indirect des récepteurs (voir annexes 2-1 et 2-2). D'après Triller A et Korn H. Activity dépendent déformations of presynaptic grids at central synapses. J Neurocy-tol 1985 ; 14 : (à gauche) et Triller A, Cluzeaud F, Pfeiffer F, Korn H. Distribution and transmembrane organi-zation of glycine receptor at central synapses : an immunocytochemical touch. In : Levi-Montalcini R et al, eds. Mole-cular aspects of neurobiology. Berlin : Springer Verlag, 1986 :101-5 (à droite, avec autorisation). Une telle adéquation entre neurotransmetteur et récepteur requiert l'expression des gènes codant pour les protéines complémentaires pré- et post-synaptiques que sont les enzymes de synthèse du neurotransmetteur et les récepteurs de ce neurotransmetteur. Il faut envisager aussi que le neurone post-synaptique, recevant de nombreuses afférences, synthétise par conséquent un large éventail de ces récepteurs. Ces récepteurs doivent être ensuite dirigés et accumulés dans les régions membranaires post-synaptiques complémentaires de l'afférence qui leur correspond. Ceci fait apparaître le problème qui se pose généralement dès qu'une fonction est régionalisée, celui du ciblage (targeting) des protéines. Plusieurs hypothèses ont été envisagées pour expliquer la complémentarité pré- post-synaptique : - les divers types de récepteurs seraient exprimés par la cellule post-synaptique et insérés au hasard dans sa membrane plasmique avant que les contacts synaptiques soient établis et fonctionnels. Un signal antérograde (de l'élément présynaptique vers l'élément post-synaptique) contribuerait ensuite à la sélection au niveau transcriptionnel des récepteurs exprimés par la cellule post-synaptique et accumulés dans la membrane post-synaptique. Ce signal, qui ne semble pas être le neurotransmetteur, pourrait être un peptide libéré en même temps que lui ; - de la même façon, un signal rétrograde serait émis par la cellule post-synaptique une fois le contact synaptique établi. Ce signal contrôlerait le type de neurotransmetteur présent dans l'élément présynaptique. Ainsi, la complémentarité pré-post résulterait d'une sélection réciproque des gènes et des produits de ces gènes exprimés par les cellules en contact. Cependant, la complémentarité pré- post-synaptique ne concerne pas seulement la nature du neurotransmetteur et des récepteurs de ce neurotransmetteur mais aussi la présence, du côté présynaptique, d'une membrane spécialisée dans la fonction d'exocytose (pour la libération du neurotransmetteur) et dans le recyclage membranaire. En effet, l'exocytose des vésicules synaptiques n'a lieu que dans une région membranaire très restreinte, la membrane présynaptique. Ceci nécessite la reconnaissance entre membrane vésiculaire et membrane plasmique présynaptique. Les mécanismes hypothétiques impliqués dans cette reconnaissance sont exposés ultérieurement. De plus, lors de chaque exocytose, la membrane présynaptique «voit» sa surface augmenter par addition de membrane vésiculaire, or cette membrane doit rester de surface constante. Cet excès de surface membranaire est corrigé par un processus compensatoire de recyclage de la membrane plasmique. Ce processus correspond à la reformation de vésicules par endocytose. Les mécanismes de ce recyclage sont encore hypothétiques et posent, entre autres, le problème suivant : la 186

6 composition en protéines de la membrane des vésicules synaptiques différant de celle de la membrane plasmique présynaptique, quelle est la membrane recyclée? celle qui correspondait exactement à la membrane des vésicules ou bien n'importe quelle autre membrane de la région présynaptique? Dans le premier cas, il faut envisager que la membrane est recyclée avant que la membrane vésiculaire ne se soit tota lement mélangée à la membrane plasmique. Cela se ferait par un processus de pinocytose au niveau de la membrane présynaptique. Dans le deuxième cas, le recyclage se ferait au niveau de la membrane périphérique par formation de vésicules recouvertes d'un feutrage, la clathrine (coated vesicles) (fig. 4A). Il faut envisager ensuite une ou plusieurs étapes de transformation de la membrane recyclée en membrane vésiculaire adaptée au stockage du neurotransmetteur. La réponse à cette question nécessite l'emploi de marqueurs spécifiques de la membrane des vésicules et de la membrane plasmique. II - LES SYNAPSES INTERNEURONALES 1 Dans le système nerveux central, les synapses les plus couramment observées sont celles où l'élément présynaptique est une terminaison axonale On désigne par terminaison axonale, les boutons terminaux (flg. 5) qui sont les terminaisons des branches axonales d'une arborisation terminale et les boutons en passant (voir fig. 13) qui se présentent sous la forme de renflements situés tout le long des axones non myélinisés ou au niveau des noeuds de Ranvier des axones myélinisés. Ces deux types de terminaisons axonales établissent des contacts synaptiques avec divers éléments post-synaptiques neuronaux : une région dendritique (synapse axo-dendritique), une région soma-tique (synapse axo-somatique), ou une région axonale (synapse axo-axonique) (flg. 5). Plus rares sont les synapses où l'élément présynaptique est une région dendritique (synapse dendro-dendritique, voir flg. 2D et 14C, ou une région somatique (synapses somato-somatique ou somato-dendritique). Fig. 5 - Divers types de synapses interneuronales. A : Boutons terminaux effectuant des synapses axo-somatiques. B (de haut en bas) : Synapses entre boutons terminaux et une branche dendritique lisse (synapse axo-dendritique) et deux exemples de synapses indentées entre boutons terminaux et épine dendritique (synapses axo-épineuses). C ; Synapse entre une terminaison axonale et une collatérale axonale terminale (synapse axo-axonique). La terminaison axonale " post-synaptique " est elle-même " présynaptique " d'une dentrite. D'après Hamlyn LH. The fine structure of thé mossy fiber endings in thé hippocampus of thé rabbit. J Anat 1972 : 96 : (avec autorisation). 187

7 2 Observés à un faible grossissement, les contacts synaptiques axo-dendritiques présentent des arrangements très variés. Conséquences fonctionnelles de ces différents arrangements Nous prendrons l'exemple du cortex cérébelleux, structure très organisée en couches (flg. 6) et dont les afférences sont bien caractérisées. On distingue les cellules de Purkinje, seules cellules de «sortie» du cortex cérébelleux (neurones de type Golgi I) dont l'axone projette aux noyaux cérébelleux profonds. Elles ont un corps cellulaire de grand diamètre (20-30 nm) duquel émerge un seul tronc dendritique qui s'arborise dans la couche moléculaire en de très nombreuses branches dendritiques épineuses. L'arbre dendritique est plan, les branches dendritiques s'étendant essentiellement dans le plan transversal (fig.6). Ces neurones reçoivent deux grands types d'afférences excitatrices : les fibres grimpantes (axones des neurones de l'olive inférieure) et les fibres parallèles (axones des neurones en grains du cortex cérébelleux). Les afférences inhibitrices viennent des nombreux neurones de circuits locaux présents dans cette structure : cellules à panier, cellules étoilées, neurones de Golgi (fig. 6). Une seule fibre grimpante innerve une cellule de Purkinje. Cette innervation est tout à fait caractéristique : la fibre se divise en de nombreuses collatérales axonales qui «épousent» la forme de l'arbre dendritique, ces collatérales «grimpant» le long des dendrites (fig. 7A et B). La fibre grimpante établit ainsi de très nombreux contacts synaptiques avec le soma et les dendrites d'une cellule de Purkinje. Ces contacts sont de type axo-dendritique et axo-épineux, l'élément présynaptique étant un bouton terminal. Une telle organisation synaptique rend cette afférence excitatrice très efficace : ainsi, un seul potentiel d'action le long de la fibre grimpante est capable d'entraîner une réponse de la cellule de Purkinje. Fig. 6 - Connexions synaptiques des neurones du cortex cérébelleux. Sur une coupe effectuée au niveau du cortex cérébelleux, on observe les différentes couches du cortex : à partir de la surface (pie-mère), on distingue vers la profondeur, la couche moléculaire (mol), la couche des cellules de Purkinje (cp), la couche granulaire (gr) et la substance blanche. Dans le plan sagittal, en bas à gauche, sont dessinées quatre cellules en grains localisés dans la couche granulaire, qui envoient leurs axones vers la couche moléculaire où ils bifurquent en T pour donner les fibres parallèles. Ces fibres cheminent parallèlement au grand axe du folium, dans le plan transversal. Deux cellules de Purkinje sont montrées dans le plan sagittal ainsi qu'une cellule à panier dont l'axone donne plusieurs collatérales qui entourent le soma (panier) de plusieurs cellules de Purkinje. Une fibre grimpante s'arborise le long des dendrites d'une des cellules de Purkinje. En comparant les dessins des cellules de Purkinje dans les plans sagittal et transverse, on remarque que l'arbre dendritique des cellules de Purkinje est plan. D'après Chan-Palay V et Palay S. Cerebellar cortex. Cytology and organization. Berlin, Heidelberg, New York : Springer Verlag, 1974 (avec autorisation). Les axones des cellules des grains établissent avec les cellules de Purkinje des contacts tout à fait différents. Les axones montent dans la couche moléculaire où ils bifurquent et s'étendent sur environ 2 mm selon un plan 188

8 perpendiculaire au plan de l'arbre dendritique des cellules de Purkinje et forment ce que l'on appelle les fibres parallèles (fig, 6). Ces fibres parallèles établissent quelques synapses en passant avec de nombreuses cellules de Purkinje (environ 50) et chaque cellule de Purkinje reçoit des synapses venant d'environ fibres parallèles. Ce sont des synapses axo-épineuses, entre varicosités axonales et épines dendritiques distales. La conséquence d'une telle organisation synaptique est la suivante : l'activation d'une fibre parallèle ne peut entraîner une réponse de la cellule de Purkinje, l'activation d'une ou même quelques synapses excitatrices ne permettant pas de déclencher des potentiels d'action postsynaptiques. Il faut l'activation de plusieurs fibres parallèles convergeant vers une même cellule de Purkinje pour déclencher une réponse de cette cellule. Fig. 7 - Variétés des arrangements synaptiques au niveau d'une cellule de Purkinje. Représentation sur un même dessin (A) et sur deux schémas séparés (B et C) des arrangements synaptiques entre une fibre grimpante et une cellule de Purkinje (A et B) et entre une cellule à panier et une cellule de Purkinje (A et C). A : D'après Chan-Palay V et Palay S (voir réf. fig.?-6). B : D'après Scheibel ME et Scheibel AB. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1958 ; Suppl 10 : (avec autorisation). C : D'après Hamori J et Szentagothai J. The Purkinje cell baskets : ultrastructure of an inhibitory synapse. Acad Biol Hung 1965 ; 15 : (avec autorisation). Les cellules en panier sont des neurones de circuits locaux (neurones de type Golgi II) qui inhibent l'activité des cellules de Purkinje. L'axone de ces neurones projette à plusieurs cellules de Purkinje et donne de nombreuses collatérales axonales qui s'entourent d'une manière très caractéristique autour du soma des cellules de Purkinje, formant ainsi les «paniers». Les branches axonales continuent ensuite leur trajet et se terminent «en pinceau» autour du segment initial de l'axone des cellules de Purkinje (fig.6 et 7A et C). Une telle organisation permet une inhibition des cellules de Purkinje au point stratégique où naissent les potentiels d'action sodiques, le segment initial. Ceci permet de contrecarrer de façon très efficace les potentiels excitateurs conduits le long des différentes branches dendritiques jusqu'au segment initial de l'axone. 3 Les synapses interneuronales présentent des caractéristiques ultrastructurales qui varient entre deux extrêmes, les types 1 et 2 (fig. 8) 189

9 Un classement des synapses d'après la forme de leur complexe synaptique a été proposé par Gray (1959). En prenant pour modèle d'étude le cortex cérébral, cet auteur a défini deux types de complexes synaptiques, les types 1 et 2. Les synapses de type 1 sont asymétriques du fait de la présence d'un matériel dense aux électrons plus important du côté post-synaptique. Ces synapses se situent le plus souvent à la surface des épines dendritiques ou des branches dendritiques distales. L'élément présynaptique renferme des vésicules rondes et la fente synaptique est large de 30 nm environ. Les synapses de type 2 sont symétriques du fait de la présence de régions denses aux électrons équivalents des côtés pré- et post-synaptiques. L'élément présynaptique renferme des vésicules ovoïdes et la fente synaptique est étroite. Ces synapses se situent préférentiellement à la surface des troncs dendritiques et du soma. En corrélant les données morphologiques aux données électrophysiologiques obtenues au niveau du cortex cérébelleux, Gray proposa que les synapses de type 1 seraient des synapses excitatrices et les synapses de type 2 seraient des synapses inhibitrices. Les régions denses aux électrons localisées du côté cytoplasmique de la membrane présynaptique représentent la grille présynaptique. Observées sur une coupe transversale au niveau d'une synapse, ces projections denses ont une forme triangulaire, leur base étant apposée contre la membrane plasmique. Elles sont reliées entre elles par des ponts filamenteux. Sur une coupe parallèle au plan de la synapse, elles apparaissent organisées en un réseau triagonal et les vésicules les plus proches de la membrane plasmique sont logées entre les projections denses comme «des oeufs dans une boîte à oeufs». La grille présynaptique pourrait être une structure dynamique impliquée dans les processus d'exocytose. Dans le système nerveux central, les types 1 et 2 représentent les extrêmes d'un continuum morphologique car les complexes synaptiques peuvent présenter des formes intermédiaires, ayant à la fois des traits appartenant à l'un ou l'autre des deux types, par exemple une fente synaptique large (type 1) et peu ou pas de densité post-synaptique (type 2). De plus, il a été montré que la forme des vésicules synaptiques dépend aussi de la technique de fixation utilisée. Fig. 8 - Représentation schématique des synapses de type 1 (synapse asymétrique) et de type 2 (synapse symétrique) selon Gray. III - LA JONCTION NEUROMUSCULAIRE EST L'ENSEMBLE DES CONTACTS SYNAPTIQUES ENTRE L'ARBORISATION TERMINALE D'UN AXONE MOTEUR ET UNE CELLULE MUSCULAIRE STRIÉE Les motoneurones ou neurones moteurs ont leur corps cellulaire localisé dans les noyaux moteurs du tronc cérébral ou dans la corne ventrale de la moelle épinière. Les axones de ces neurones sont myélinisés et forment les nerfs moteurs crâniens ou rachidiens qui innervent les muscles striés squelettiques. En général, une cellule musculaire striée est innervée par un seul motoneurone mais un motoneurone peut innerver plusieurs cellules musculaires striées. La gaine de myéline de chaque axone s'interrompt lorsque l'axone s'arborise à la surface de la cellule musculaire. Les fines branches axonales non myélinisées présentent alors de nombreuses varicosités qui se logent dans une dépression à la surface de la cellule musculaire : la gouttière synaptique. Les terminaisons axonales sont recouvertes par des cellules de Schwann non myélinisantes (fig.-9). Fig. 9 - La jonction neuromusculaire. 190

10 A gauche, photographie d'une jonction neuromusculaire de rat observée au microscope électronique à balayage. La partie terminale de l'axone (ax) est détachée de la cellule musculaire (m) afin de montrer la gouttière synaptique (g) ; c : capillaire sanguin ; n : nerf moteur ; s : noyau de la cellule de Schwann. D'après Matsuda Y et al. Scanning électron microscopic study of denervated and reinnervated neuromuscular junction. Muscle Nerve 1988 ; 11 ; (avec autorisation). A droite, Micrographie d'une fibre musculaire (striée) mettant en évidence l'appareil sous-neural d'une plaque motrice (partie sombre: mise en évidence de l'activité acétylcholinestérasique de la plaque motrice par la technique de Koëlle)(X 650). 1 Dans les terminaisons axonales, les vésicules synaptiques sont concentrées au niveau de barres denses aux électrons. Elles renferment de l'acétylcholine (fig. 10) La jonction neuromusculaire est formée par la juxtaposition de la terminaison d'un axone moteur et du domaine sous-synaptique de la fibre musculaire striée, ces deux éléments étant séparés par une fente de 50 à 100 nm de large. Sur une coupe transversale effectuée au niveau de la jonction neuromusculaire, on observe en microscopie électronique une organisation très particulière. Les vésicules synaptiques présentes dans l'élément présynaptique sont petites (40 à 60 nm de diamètre), peu denses aux électrons et renferment de l'acétylcholine. D'autres vésicules plus grandes (80 à 120 nm de diamètre) et contenant un matériel dense aux électrons sont aussi présentes mais dans une proportion très faible (1% de la population totale). Les vésicules sont concentrées dans des régions où se situe un matériel dense aux électrons, les barres denses, régions fonctionnellement homologues de la grille présynaptique des synapses interneuronales. Ces barres denses ont une largeur de 100 nm et sont disposées perpendiculairement au grand axe de chaque branche axonale, les vésicules étant alignées le long de chacun de leurs côtés. L'ensemble barre denses-vésicules synaptiques forme une zone active présynaptique (Couteaux 1960). Il existe plusieurs zones actives par varicosité. Elles sont situées en face des replis de la membrane plasmique post-synaptique. Chaque zone active avec les replis du sarcolemme qui lui font face forme un complexe synaptique. La jonction neuromusculaire est ainsi constituée d'un grand nombre de complexes synaptiques. Le neurotransmetteur de la jonction neuromusculaire est l'acétylcholine. Fig Ultrastructure de la jonction neuromusculaire. En haut, Microphotographie d'une section longitudinale d'une fibre musculaire passant par la zone équatoriale d'une plaque motrice montrant les axones terminaux (Ax) et les replis de la membrane postsynaptique (sarcolemmique; RMPS) qui forment l'appareil sous-neural; FM, fibre musculaire; VS, vésicules synaptiques. Microphotographie X

11 En bas, microphotographie d'une coupe effectuée au niveau de la jonction neuromusculaire de batracien observée au microscope électronique. Dans la terminaison axonale, on distingue des mitochondries et de très nombreuses vésicules. La membrane plasmique axonale présente des figures d'exocytose. Dans la fente synaptique se situe la membrane basale. La membrane musculaire post-synaptique présente de nombreux replis. Photo Pécot-Dechavassine. 2 La fente synaptique est étroite et occupée par une membrane basale qui renferme l'enzyme de dégradation de l'acétylcholine, l'acétylcholinestérase La membrane musculaire (sarcolemme) post-synaptique est couverte, du côté extracellulaire, d'une couche de matériel dense aux électrons, la membrane basale (flg. 10). Cette membrane qui suit les replis du sarcolemme, est un tissu conjonctif sécrété parles cellules de Schwann non myélinisantes qui recouvrent les terminaisons de l'axone. Elle est composée, entre autres, de collagène, de protéoglycanes, de laminine. C'est au niveau de la membrane basale qu'est localisée une des formes de l'enzyme de dégradation de l'acétylcholine, la forme asymétrique de l'acétylcholinestérase. Les molécules d'acétylcholine libérées dans la fente synaptique, lors de l'activité des synapses neuromusculaires, traversent cette membrane basale, dont la structure est faite de mailles lâches, pour aller se fixer sur leurs récepteurs post-synaptiques. Une partie des molécules d'acétylcholine est donc dégradée avant d'atteindre la membrane post-synaptique. Les autres molécules sont dégradées après s'être fixées. Ce système de dégradation de l'acétylcholine est un système d'inactivation du neurotransmetteur particulièrement efficace. 3 Les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine sont situés en forte densité au niveau des crêtes des replis membranaires post-synaptiques Au niveau post-synaptique, la membrane plasmique musculaire, le sarcolemme, présente chez les mammifères, de nombreux replis. En utilisant un ligand radioactif des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine, l'α-bungarotoxine marquée avec un isotope radioactif ou avec une molécule fluorescente, on a pu mettre en évidence une accumulation de matériel radioactif au niveau des crêtes des replis du sarcolemme. Les techniques immunocytochimiques ont donné les mêmes résultats. Ainsi, dans la jonction neuromusculaire, les récepteurs de l'acétylcholine, qui sont des récepteurs de type nicotinique, sont accumulés dans la membrane musculaire post-synaptique, et plus précisément au niveau des crêtes des replis membranaires. Ils sont ancrés au réseau complexe du cytosquelette par l'intermédiaire d'une protéine. Le récepteur nicotinique est une glycoprotéine transmembranaire formée de 5 sous-unités. Sa structure et ses caractéristiques fonctionnelles sont données plus loin. 4 Mécanismes responsables de l'accumulation des récepteurs post-synaptiques au niveau des replis de la membrane musculaire post-synaptique Les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine sont, dans la jonction neuromusculaire adulte, localisés en forte densité (environ molécules/(j.m 2 ) uniquement au niveau des régions post-synaptiques et ne sont présents qu'en très faible densité (environ 10 molécules/p.m 2 ) dans la membrane musculaire non synaptique (membrane extrajonctionnelle). Sous la terminaison nerveuse, la cellule musculaire est dépourvue de myofilaments d'actine et myosine. A ce niveau, 4 à 8 noyaux cellulaires sont accumulés, ce sont les noyaux fondamentaux. Les noyaux cellulaires, situés en dehors de la région post-synaptique, sont les noyaux sarcoplasmiques. L'établissement de ce domaine soussynaptique très organisé se fait en plusieurs phases. On observe au cours de la maturation de la jonction neuromusculaire (fig. 11) : L'augmentation du nombre de récepteurs nicotiniques (1 et 2) lors de la fusion des myoblastes en myotubes due à une néosynthèse de ces récepteurs. Ceci est indépendant de l'activité musculaire. La formation d'aggrégats de récepteurs nicotiniques sous la terminaison nerveuse (3). Ceci est indépendant de la transmission synaptique car les bloquants de la transmission nicotinique, comme le curare, n'ont pas d'effet sur cette phase. Quel est alors le signal antérograde transmis par le nerf? Existe-t-il aussi des signaux post-synaptiques? La disparition des récepteurs extrajonctionnels (4 et 5). Ceci résulte de la répression au niveau transcriptionnel de la synthèse des récepteurs dans ces régions musculaires. C'est l'activité électrique des cellules musculaires (et non leur activité contractile) qui est responsable de cette phase. Mais quels sont les messagers qui lient l'activité électrique à la régulation de l'expression des gènes du récepteur nicotinique? La stabilisation des récepteurs nicotiniques dans la membrane post-synaptique (5). Ceci est dû au fait que l'expression du récepteur nicotinique serait restreinte à la partie sous-synaptique des cellules musculaires. Ainsi seuls les noyaux fondamentaux exprimeraient, dans les cellules musculaires adultes, le récepteur nicotinique. Ainsi, on a pu mettre en évidence une régulation au niveau transcriptionnel de l'expression des gènes du récepteur nicotinique dans les phases 1 et 3. De plus, l'activité synaptique peut affecter des processus posttranscriptionnels comme ceux de la phase 2. Enfin, des seconds messagers seraient impliqués dans la régulation positive de l'expression du récepteur nicotinique dans la région jonctionnelle et dans sa régulation négative dans les régions extrajonctionnelles. Ces résultats représentent une base d'étude des mécanismes d'établissement et de maintien de la complémentarité pré- post-synaptique dans les autres types de synapse. IV - LA SYNAPSE ENTRE NEURONE POST-GANGLIONNAIRE VÉGÉTATIF ET CELLULE MUSCULAIRE LISSE Les cellules musculaires lisses se trouvent dans la plupart des organes viscéraux (appareil digestif, utérus, vessie...), mais aussi dans la paroi des vaisseaux sanguins et autour de la racine des poils et cheveux. Elles sont innervées par les neurones post-ganglionnaires du système nerveux autonome (neurones orthosympathiques et neurones parasympathiques. 1. L'élément présynaptique est une varicosité de l'axone post-ganglionnaire Les axones des neurones post-ganglionnaires ne sont pas myélinisés. A l'approche des muscles lisses, les axones se divisent en de nombreux et fins filaments de 0,1-0,5 µrn de diamètre qui cheminent seuls ou en faisceaux sur de longues distances, le long des cellules musculaires lisses (fig. 13A). Chacun de ces filaments présente le long de son 192

12 trajet des renflements ou varicosités de 0,5 à 2 µm de diamètre, espacés les uns des autres de 3 à 5 µm. Les varicosités renferment des mitochondries et de nombreuses vésicules synaptiques alors que les régions axonales intervaricosités renferment principalement des éléments du cytosquelette (fig. 13B). Ces varicosités sont les éléments présynaptiques. On ne distingue pas de régions denses aux électrons au niveau de la membrane présynaptique, ce qui fait penser qu'il n'existerait pas, dans ces synapses, de zone préférentielle d'exocytose. Fig Expression du récepteur nicotinique au cours de la formation de la jonction neuromusculaire. Les points noirs symbolisent le récepteur nicotinique (nachr). (1) et (2): fusion des myoblastes en myotubes et approche du cône de croissance de l'axone. (3) : le cône de croissance contacte le myotube et entraîne une accumulation de récepteurs nicotiniques à ce niveau. (4) : plusieurs terminaisons motrices convergent vers un même aggrégat de récepteurs nicotiniques maïs (5) une seule terminaison se stabilise et les replis du sarcolemme apparaissent. D'après Laufer R et Changeux JP. Activity dépendent régulation of gène expression in muscle and neu-ronal cells. Mol Neurobiol 1989; 3: 1-53 (avec autorisation). 193

13 Le neurotransmetteur des neurones post-ganglionnnaires orthosympathiques est la noradrénaline (fig. 12A). Les varicosités de ces axones renferment essentiellement des petites vésicules synaptiques granulaires, c'est-à-dire présentant une région centrale dense aux électrons (30 à 50 nm de diamètre), mais aussi des grandes vésicules granulaires (60 à 120 nm de diamètre) et des petites vésicules agranulaires. La noradrénaline est stockée dans les petites et grandes vésicules granulaires. Le neurotransmetteur des neurones post-ganglionnaires parasympathiques est l'acétylcholine (fig. 12). Les varicosités de ces axones renferment essentiellement des petites vésicules agranulaires mais aussi de grandes vésicules granulaires. L'acétylcholine est stockée dans les petites vésicules agranulaires. Fig.12 - Neurones efférents du système orthosympaîhique (A) et parasympathique (B) et les synapses entre neurones post-ganglionnaires et fibres musculaires lisses. Les terminaisons axonales des neurones post-ganglionnaires sont des varicosités et les contacts synaptiques sont de type «boutons en passant». ACh : acétylcholine, NA : noradrénaline, flèches : sens de propagation des potentiels d'action. 2. La largeur de la fente synaptique est très variable Dans les cas où elle est la plus faible, au niveau du vas deferens ou de la pupille par exemple, elle est de l'ordre de nm. Par contre, au niveau de la paroi des vaisseaux, les contacts les plus proches sont espacés de 50 à 100 nm.. 3. La synapse autonome post-ganglionnaire est spécialisée pour assurer un large effet du neurotransmetteur La grande largeur de la fente synaptique entraîne un effet du neurotransmetteur sur une surface membranaire post-synaptique plus étendue que dans le cas de la jonction neuromusculaire ou des synapses centrales où la sécrétion du neurotransmetteur est très focalisée vers une petite région post-synaptique. De plus, dans certaines synapses autonomes, on ne distingue pas de spécialisation de la membrane présynaptique, cela laissant supposer que la zone active est étendue, les vésicules n'ayant alors pas d'orientation préférentielle pour l'exocytose. Enfin, l'arrangement des axones post-ganglionnaires en un plexus dense contribue aussi à la diffusion large des messages présynaptiques. Ainsi, l'activation d'un neurone post-ganglionnaire présynaptique entraîne l'activation de nombreuses cellules musculaires lisses post-synaptiques. Ces cellules musculaires étant connectées entre elles par de nombreuses jonctions communicantes, cette excitation se transmet encore à d'autres cellules musculaires à travers ces jonctions. 194

14 Fig Synapse nerf-muscle lisse. A : Microphotographie de cellules musculaires lisses de l'intestin (M) et de faisceaux d'axones post-ganglionnaires (système nerveux parasympathique, Ax) à demi recouverts par une cellule de Schwann (S), coupés transversalement et observés au microcospe électronique. Noter la largeur de la fente synaptique. B : Coupe longitudinale d'un axone post-ganglionnaire montrant une varicosité remplie de vésicules et une région intervaricosité. La cellule musculaire lisse post-synaptique renferme de nombreuses mitochondries. Documents Jacques Taxi. V - EXEMPLE D'UNE SYNAPSE NEURO-GLANDULAIRE LA SYNAPSE ENTRE NEURONE PRÉGANGLIONNAIRE ORTHOSYMPATHIQUE ET CELLULE CHROMAFFINE DE LA MÉDULLOSURRÉNALE (fig. 14) La médullosurrénale est la partie centrale de la surrénale, glande endocrine située au-dessus de chaque rein. Elle est formée de cellules sécrétrices, les cellules chromaffines ainsi appelées car elles sont colorées par les sels de chrome. La médullosurrénale est innervée par des neurones préganglionnaires orthosympathiques dont les axones forment le nerf splanchnique. Lorsque ce nerf est stimulé, les cellules chromaffines sécrètent dans le sang essentiellement de l'adrénaline mais aussi de la noradrénaline et des enképhalines. Ces hormones transportées par le sang agissent sur de nombreux tissus cibles et notamment sur le coeur et les vaisseaux sanguins. L'élément présynaptique de cette synapse est la terminaison axonale des neurones préganglionnaires orthosympathiques splanchniques. Les corps cellulaires de ces neurones sont situés dans la corne intermédiaire de la moelle épinière. Les axones sont en grande majorité non myélinisés et sont entourés par les prolongements des cellules de Schwann non myélinisantes. Cette gaine est présente jusqu'à ce que les collatérales axonales pénètrent dans l'espace jonctionnel. Les terminaisons axo-nales sont essentiellement des boutons terminaux et présentent un diamètre de 1 à 3µm. Elles renferment des vésicules claires (de 10 à 60 nm de diamètre) et quelques vésicules à coeur dense ou granulaires (de 25 à 115 nm de diamètre). Le neurotransmetteur de cette synapse est l'acétylcholine. Les boutons terminaux effectuent avec les cellules chromaffines des contacts synaptiques de formes variées. Ils se caractérisent par une fente synaptique étroite (15-20 nm) et la présence de zones pré- et post-synaptiques denses aux électrons semblables à celles observées au niveau des synapses interneuronales centrales. Dans la région post-synaptique, le cytoplasme des cellules chromaffïnes est dépourvu de granules chromaffines, organites de stockage des hormones de la médullosurrénale. Dans le reste du cytoplasme, on observe par contre de très nombreux granules chromaffïnes. Ces granules sont colorés par les sels de chrome, ceux-ci réagissant 195

15 avec l'adrénaline pour former un précipité jaune brun. La morphologie de ces contacts synaptiques, espace extracellulaire étroit et espace de diffusion du neurotransmetteur limité par la présence des cellules de Schwann non myélinisantes qui recouvrent les terminaisons axonales, laisse supposer que l'acétylcholine libérée par les terminaisons axonales orthosympathiques agit très localement au niveau des cellules chromaffines. L'acétylcholine, en se fixant sur des récepteurs nicotiniques postsynaptiques, entraîne une dépolarisation de la cellule chromaffine et une entrée d'ions Ça 2 *. Ces ions vont permettre le déclenchement de l'exocytose des granules chromaffines et la libération des hormones dans le sang. Fig Synapses entre neurone préganglionnaire orthosympathique et cellules chromaffïnes de la médullosurrénale. A : Les neurones préganglionnaires ont leurs corps cellulaires localisés dans la moelle épinière et leurs axones forment le nerf splanchnique orthosympathique. Ces neurones innervent les cellules chromaffines. B : Terminaison axonale post-ganglionnaire effectuant des synapses multiples avec des cellules chromaffïnes. B : D'après Coupland RE. Electron microscopic observations on thé structure of thé rat adrenal medulla. II. Normal innervation. J Anat (Lond) 1965 ;99 : (avec autorisation). 196