Soutenance mémoire
Le néocortex : structure aux multiples facettes
Défini comme l’apogée hiérarchique du système nerveux central, le néocortex est impliqué dans de nombreux procédés complexes. Il joue notamment un rôle dans des processus cognitifs primordiaux comme le langage, la pensée abstraite, l’imagination ou encore la conscience. Sa plasticité en fait également une structure en constante progression, mettant à jour des capacités d’apprentissage quasiment infinies. Le néocortex est la structure cérébrale acquise la plus récemment au cours de l’évolution. Originaire du télencéphale, il apparaît avec les mammifères et représente la partie la plus superficielle du cerveau. D’aspect lisse chez les mammifères dits « primitifs » (lissencéphales), le néocortex des mammifères dits «supérieurs » (gyrencéphales) est formé de nombreuses circonvolutions .
Les premières observations du néocortex font apparaître une structure organisée
Au cours du XIXème siècle, le neurologue français Paul Broca a mis en évidence la localisation de fonctions cérébrales. La description post mortem du cerveau d’un de ses patients lui a permis de faire la relation entre une lésion du lobe frontal gauche et l’incapacité de son patient à parler. En multipliant ces observations sur d’autres cas, Paul Broca fit le lien entre le lobe frontal gauche et le langage. En 1909, le neuroanatomiste allemand Korbinian Brodmann a divisé le néocortex en 52 aires corticales. Il se basa sur la taille des neurones, leur densité, le nombre de couches présentes dans chaque région étudiée et l’abondance des axones myélinisés. Il les regroupa en aires motrices, sensorielles et associatives (Figure 2). Il élargit alors l’hypothèse de Paul Broca en postulant qu’à chaque aire corticale correspond une fonction spécifique. À la fin du XXème siècle, la mise au point d’imageries cérébrales non invasives comme l’IRMf ou encore la TEP ont permis de valider cette théorie (ces techniques sont développées dans la partie B.I.).
Le néocortex est classiquement délimité par des sillons et des fissures. Ces différentes caractéristiques anatomiques permettent de cartographier quatre lobes distincts (Figure 1) : le lobe frontal, qui comprend l’aire motrice principale responsable de la genèse des mouvements volontaires ; le lobe pariétal (séparé du lobe frontal par le sillon central), faisant apparaître les aires somesthésiques ; le lobe occipital, situé à l’arrière du cerveau, mettant à jour le cortex visuel et le lobe temporal. Borné par le sillon latéral et replié vers l’avant, ce lobe temporal est composé des aires impliquées dans l’audition ou la mémoire (aBear, 2001).
Certaines de ces aires corticales ont leur équivalent chez les mammifères plus « primitifs ». On va pouvoir trouver, par exemple chez le rat, l’aire sensorimotrice qui est l’équivalent humain des aires somesthésiques et motrices.
L’observation microscopique révèle une organisation en couches…
Un des principaux traits caractéristiques partagé par le néocortex de mammifères est son organisation laminaire. C’est l’Allemand Theodor Meynert, au milieu du XIXème siècle, qui réalisa le premier dessin d’un cortex formé par différentes couches (Figure 3). De son point de vue, la stratification corticale la plus représentée dans le cortex correspondait en une succession de cinq couches distinctes. La première couche contenait un petit nombre de cellules. La seconde était caractérisée par de petites cellules pyramidales tandis que la troisième présentait de grosses cellules pyramidales. La quatrième couche faisait apparaître des cellules aux formes multiples. La cinquième mettait en évidence de petites cellules pyramidales larges et des cellules fusiformes (pour revue, voir Jones, 1984). L’avancée des techniques de coloration, notamment l’imprégnation à l’argent de Golgi, la coloration de Nissl et la coloration de fibres myélinisées ont permis de décrire plus précisément la cytoarchitecture du néocortex (Figure 4).
Le néocortex est divisé en deux parties superposées. À la surface du cerveau, on retrouve la substance grise caractérisée par la présence d’un grand nombre de corps cellulaires. La substance blanche, délimitée par la substance grise, les ventricules et le striatum, est essentiellement composée de fibres nerveuses myélinisées. Du point de vue histologique, la substance grise est composée de six couches distinctes parallèles à la surface du néocortex. Cependant, l’épaisseur de chaque couche peut varier en fonction des aires corticales. Par exemple, au niveau du cortex moteur, la couche IV va jusqu’à disparaître au détriment d’une couche V très développée. La couche I, la plus superficielle, se situe juste sous la pie-mère. Aussi appelée couche moléculaire ou couche plexiforme, elle est en grande partie composée de fibres nerveuses. On y trouve toutefois quelques corps cellulaires de neurones. Les couches II et III, appelées respectivement couche granulaire externe et couche pyramidale externe, contiennent de nombreux corps cellulaires de neurones. On peut remarquer que les cellules de la couche II sont plus petites que celles de la couche III. La couche granulaire interne, ou couche IV, est densément peuplée de cellules à l’aspect étoilé et épineux (cellules en grains) mais pauvre en cellules pyramidales. La couche V, nommée couche ganglionnaire ou pyramidale interne, regroupe les grandes cellules pyramidales du néocortex. Enfin, la couche VI autrement appelée couche polymorphe, tire son nom de ses cellules aux formes irrégulières.
D’un point de vue fonctionnel, le néocortex est regroupé en trois couches distinctes. La couche supragranulaire formée des couches I à III envoie des projections vers d’autres aires corticales. La couche granulaire (couche IV), reçoit la grande majorité des afférences sensorielles du thalamus. Les couches V et VI sont regroupées pour former la couche infragranulaire et projettent vers les zones extracorticales.
…et une organisation en colonne
Outre cette structure laminaire, le néocortex présente également une organisation en colonnes (Mountcastle, 1997). L’unité de base de ces dernières est appelée mini-colonne. Elles sont perpendiculaires à la surface piale et contiennent plusieurs milliers de neurones. Ces colonnes, de 300 à 600 µm de diamètre, s’étendent verticalement de la couche II jusqu’à la couche VI. En 1957, Vernon B. Mouncastle a réalisé des enregistrements dans le néocortex de chat in vivo. Ceux-ci lui ont permis de montrer que les cellules répondant à la stimulation d’une même classe de récepteurs sensoriels ou d’une même région de la peau sont organisées en colonnes fonctionnelles (Mountcastle, 1957). Chez le rongeur, cette organisation columnaire est particulièrement développée dans le cortex somatosensoriel (Figure 5). Bien que la forme et la taille de ces colonnes corticales puissent varier suivant les espèces, ces structures sont caractéristiques du néocortex.
Le néocortex est constitué de cellules gliales, de neurones et d’un système vasculaire étroitement liés
Le néocortex se caractérise par la présence de deux grands types cellulaires : les cellules gliales (ou glies) et les cellules nerveuses (ou neurones).
Il existe trois types de cellules gliales : les cellules microgliales, les oligodendrocytes et les astrocytes
Dès le début du XXème siècle, trois groupes de cellules gliales avaient été identifiés dans le système nerveux central (Figure 6). Les astrocytes et les oligodendrocytes proviendraient du neuroectoderme, comme les neurones. La microglie serait d’origine vitelline (Ginhoux et al., 2010). Ces cellules sont les représentantes majoritaires du système nerveux. On estime qu’il y a, suivant les aires cérébrales, jusqu’à dix fois plus de glies que de neurones (Lent et al., 2012).
L’origine étymologique grecque de glie (glia) signifie « colle ». Les cellules gliales ont un rôle de soutien mais ont aussi d’autres caractéristiques essentielles. En effet, parmi les fonctions qu’elles occupent dans la physiologie du système nerveux, on peut citer un rôle dans : l’installation et le maintien de la barrière hémato-encéphalique, la myélinisation, le métabolisme, le maintien de l’homéostasie du milieu extracellulaire ou le couplage neurovasculaire.
La microglie
Les cellules microgliales sont mobiles et très polymorphes. Leur phénotype dépend de leur microenvironnement et du stade de développement. Plusieurs types de microglie existent. La microglie amiboïde, la forme « activée », se distingue de la microglie ramifiée (« au repos »), par leur capacité de phagocytose et de migration ou encore de l’expression de marqueurs spécifiques des macrophages ou de facteurs trophiques (Figure 7). Cette microglie est essentiellement présente au cours du développement mais peut réapparaître dans le parenchyme adulte lors de pathologies, de lésions ou d’infections cérébrales. La microglie ramifiée est le stade mature de la microglie au repos. Ces cellules présentent de nombreux prolongements cytoplasmiques qui s’alignent le long des faisceaux nerveux. Il existe aussi une microglie périvasculaire, qui se trouve enfouie dans la lame basale produite par les cellules endothéliales (Pham-Dinh, 1998).
La localisation de la microglie périvasculaire facilite son renouvellement par l’apport de cellules venant des organes hématopoïétiques [moelle osseuse, rate ou foie)(Ritter et al., 2006). La microglie résidente (forme activée et ramifiée) présente un taux de renouvellement plus faible. Dans le système nerveux central adulte, les cellules de la microglie permettent d’éliminer les substances étrangères. En effet, celles-ci pourraient pénétrer dans le cerveau par le liquide céphalorachidien ou à partir de la circulation sanguine. En réponse à une agression, c’est l’activation de la microglie qui constitue la première réponse cellulaire.
Les oligodendrocytes
Les oligodendrocytes sont des cellules avec relativement peu de prolongement (Figure 8). Ces cellules se différencient après la mise en place des faisceaux axonaux et la fin de la synaptogenèse. Leur fonction principale est de synthétiser des gaines de myéline autour de l’axone de nombreux neurones du système nerveux central. Celle-ci isole électriquement les axones et permet une conduction très rapide de l’influx nerveux. Les cellules de Schwann jouent ce rôle dans le système nerveux périphérique.
Les astrocytes
Les astrocytes – astro, étoile et cyte, cellule – sont des cellules avec une forme souvent étoilée (Figure 6). Cependant, leur morphologie est aussi hétérogène que celle des neurones (Figure 9). On va retrouver des astrocytes avec de longs prolongements localisés dans la substance blanche du néocortex, dont certains atteignent la couche III. Ils sont également présents dans la couche I et forment une structure sur laquelle les artères piales reposent : la glia limitans. Les astrocytes aux prolongements courts sont présents en abondance dans la substance grise. Ils peuvent également avoir de multiples contacts entre les différents types cellulaires mais aussi sur les vaisseaux sanguins (Kacem et al., 1998). Les astrocytes projettent leurs pieds astrocytaires sur les vaisseaux sanguins et les neurones. Ce sont des constituants de la barrière hémato-encéphalique (Zlokovic, 2008). Ils jouent un rôle dans la régulation du métabolisme neuronal et dans l’apport énergétique (Magistretti, 1990;Pellerin and Magistretti, 1994;McEwen and Reagan, 2004;Pellerin et al., 2005;Rouach et al., 2008;Magistretti, 1990;McEwen and Reagan, 2004;Pellerin and Magistretti, 1994). Les astrocytes qui entourent les zones synaptiques sont impliqués dans la recapture de certains neurotransmetteurs comme le glutamate (Voutsinos Porche et al., 2003) ou dans l’homéostasie du potassium (Walz, 2000;Wang et al., 2012). Ils ont aussi la capacité de libérer des molécules comme le glutamate, la D sérine, l’ATP ou encore le GABA . Cette fonction est appelée gliotransmission (Perea et al., 2009).
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Table des matières
Introduction
A. Le néocortex : structure aux multiples facettes
I. Les premières observations du néocortex font apparaître une structure organisée
1. L’observation microscopique révèle une organisation en couche…
2. …et une organisation en colonne
II. Le néocortex est constitué de cellules gliales, de neurones et d’un système vasculaire étroitement liés
1. Il existe trois types de cellules gliales : les cellules microgliales, les oligodendrocytes et les astrocytes
2. Dans le cortex, le réseau neuronal est composé de neurones excitateurs et de neurones inhibiteurs
3. Le système vasculaire repose sur un réseau d’artères, de capillaires et de veines
4. L’étroite relation neuro-glio-vasculaire
5. L’acteur final des réponses vasculaires : la cellule musculaire lisse
B. Couplage neurovasculaire : relation étroite entre l’activité neuronale et le flux sanguin
I. Le couplage neurovasculaire comme source de détection de l’activité neuronale
1. Un principe fondamental découvert à la fin du XIXème siècle : l’hyperémie fonctionnelle
2. Le tissu cérébral doit réguler son apport énergétique
3. Comment mesurer les variations de débit sanguin cérébral et l’activité neuronale chez l’être humain?
4. L’activité neuronale et les variations de débit sanguin cérébral peuvent être disséquées par des méthodes sur des modèles animaux
II. La régulation du couplage neurovasculaire cortical a une origine extrinsèque et intrinsèque
1. La régulation extrinsèque périphérique agit de façon majoritaire sur les vaisseaux piaux
2. La régulation intrinsèque d’origine sous-corticale régule le flux sanguin du cortex
3. De nombreux messagers vasoactifs régulent le flux sanguin cortical local
III. Le couplage neurométabolique fournit l’énergie nécessaire aux fonctions neuronales
1. Il existe une étroite relation métabolique entre les astrocytes et les neurones
2. Les astrocytes assurent la capture du glutamate issu de l’activité synaptique
3. Recapture du glutamate et libération du lactate par les astrocytes : l’hypothèse de la « navette lactate »
Problématique
Matériels et Méthodes
I. RT-PCR sur cellule unique après patch-clamp
II. Analyse des propriétés de décharge des neurones
1. Propriétés électriques passives de membrane
2. Propriétés de décharge de PA au seuil
3. Propriétés de décharge de PA
4. Propriétés des potentiels d’action
III. Réactivité vasculaire ex vivo
III. Imageries cellulaires
1. Animaux et préparation des tranches
2. Autofluorescence du couple NAD+/NADH+H+
3. Expression en tranches du biosenseur FRET
4. Imagerie intracellulaire de l’ATP par biosenseur FRET
5. Analyse des données d’imagerie
Résultats
A. Article I : Origines et cibles des prostanoïdes vasodilatateurs dans le néocortex de rongeurs
I. Le couplage neurovasculaire cortical est régi par de nombreux messagers vasoactifs
II. Les neurones pyramidaux et la COX-2 dans les réponses vasculaires
1. Le NMDA induit des vasodilatations dépendantes de la COX-2
2. Les neurones pyramidaux sont équipés pour la synthèse de la PGE2 via l’activité COX-2
3. Les neurones pyramidaux à COX-2 induisent des vasodilatations in vivo
III. La libération de la PGE2 par les neurones pyramidaux déclenche une vasodilatation dans le néocortex de rongeurs
IV. Article
B. Article II : Influence du lactate et des canaux KATP sur l’activité neuronale
I. L’apport énergétique est essentiel pour les neurones
II. Le lactate comme substrat énergétique neuronal
1. Les canaux KATP régulent l’activité neuronale
2. Les neurones sont capables de métaboliser le glucose et le lactate
3. Les neurones ont une sensibilité plus élevée pour le lactate que pour le glucose
4. Les neurones ont une capacité de phosphorylation oxydative accrue
III. Les neurones tirent leur énergie principalement du lactate qui est transformé en ATP modulant leur activité par les canaux KATP
C. Article III : Preuve de l’existence d’une sous-population de neurones pyramidaux exprimant le tissue plasminogen activator dans le néocortex de rongeurs
I. Le tPA est une molécule multifonction mais sa localisation cellulaire reste peu connue
II. Le tPA est exprimé dans un type de neurone particulier…
1. L’expression du tPA dans le système nerveux central se localise dans certains types cellulaires
2. Le tPA est stocké dans des vésicules permettant sa libération dans le milieu extracellulaire
III. …formant une sous-population de neurones glutamatergiques excitateurs tPAergiques
IV. Article
Discussions
A. Origines et cibles des prostanoïdes vasodilatateurs dans le néocortex de rongeurs
I. Origine cellulaire de la PGE2 et de la PGI2
II. Contribution relative des récepteurs aux prostanoïdes dans les réponses vasculaires
III. Implication des prostanoïdes dans les processus physiopathologiques
B. Influence du lactate et des canaux KATP sur l’activité neuronale
I. Les canaux KATP dans la régulation de l’activité neuronale
II. Le substrat énergétique et les neurones
C. Preuve de l’existence d’une sous-population de neurones pyramidaux exprimant le tissue plasminogen activator dans le néocortex de rongeurs
I. Le tPA est exprimé dans les neurones pyramidaux
II. Le tPA dans la régulation du flux sanguin cérébral
Conclusion
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