Rappels

Quand on mesure un potentiel de membrane d’une cellule à -70mV cela indique qu’il existe un excès de charges négatives à l’intérieur de la cellule par rapport à l’extérieur. Une cellule dite « excitable » peut modifier son potentiel de membrane sous l’effet d’une excitation et générer un potentiel d’action. Les ions migrent alors de part et d’autre de la membrane à travers des protéines canal bien spécifiques et dans le sens du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. La cellule se dépolarise lorsque la différence de potentiel devient moins négative, elle s’hyperpolarise lorsque la différence de potentiel devient plus négative.

• • La modification de la perméabilité de la membrane plasmique postsynaptique sous l'effet de la fixation d'un neurotransmetteur sur son récepteur spécifique , neurotransmetteur libéré par exocytose lors de l'arrivée du potentiel d'action (PA) au bouton terminal présynaptique, modifie le potentiel de membrane de la cellule postsynaptique. Cette variation de potentiel génère un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE) ou inhibiteur (PPSI) selon la nature des ions impliqués. L'activation des récepteurs a un effet excitateur si elle induit une dépolarisation qui tend à amener le potentiel membranaire au seuil permettant de générer des potentiels d'action (PA). Exemple: activation synaptique des canaux ioniques liés à l'ACh et au glutamate (1).

  • A l'inverse, l'activation des récepteurs a un effet inhibiteur si elle induit une hyperpolarisation de la membrane qui tend à éloigner le potentiel de membrane du seuil. Exemple: activation synaptique des canaux ioniques liés à la glycine et au GABA (1).

Les potentiels postsynaptiques excitateurs sont le plus souvent infraliminaires, c'est-à-dire insuffisants pour générer un potentiel d'action postsynaptique (2). Ces potentiels postsynaptiques peuvent s’additionner dans l’espace, il s’agit de sommation spatiale (plusieurs PPS naissent sur le même segment postsynaptique, générés par différents axones présynaptiques) ou dans le temps, il s’agit de sommation temporelle (plusieurs PPS naissent sur le même segment postsynaptique, générés par la stimulation répétée dans un temps bref du même axone présynaptique). Ainsi, la dépolarisation est d’amplitude plus grande au segment postsynaptique. Ce potentiel local s’étend de proche en proche via le soma jusqu’au segment initial de l’axone où se trouvent en grandes concentrations des canaux Na+ et K+ voltage-dépendants, qui ne s’ouvrent que si la membrane sur laquelle ils se trouvent est dépolarisée au seuil ou au-delà. Si la valeur de ce PPS atteint le seuil (autour de -50mV), ces canaux pourront être activés et déclencher le potentiel d’action. Du fait des propriétés dites « d’amplitude décrémentielle » du potentiel électronique liée aux canaux de fuite, la sommation des PPS doit être suffisamment importante sur le segment postsynaptique dendritique ou somatique pour rester suffisamment ample lorsqu'elle arrive au segment initial de l’axone et déclencher le PA. La cellule postsynaptique est le site d'intégration des signaux électriques qui lui sont transmis par les synapses excitatrices et inhibitrices (2).

La plupart des neurones du SNC ont la capacité de recevoir plus ou moins simultanément des milliers d'informations synaptiques qui activent différentes combinaisons de récepteurs-canaux et de récepteurs couplés aux protéines G (1). Le neurone postsynaptique intègre tous les ces signaux chimiques et ioniques complexes, et génère en retour un signal simple: le PA. La transformation de nombreux influx synaptiques en un seul type d'énergie est à la base de l'intégration de l'information neuronale, le cerveau effectuant des milliards d'opérations à chaque seconde (1). L'intégration synaptique est le processus par lequel de multiples PPS se combinent dans un seul neurone postsynaptique (1).

Intégration des PPSE

La réponse postsynaptique la plus élémentaire est l'activation d'un seul récepteur-canal (1). Le courant entrant à travers les canaux ainsi ouverts par l'action du neurotransmetteur dépolarise la membrane postsynaptique, provoquant l'émergence de PPSE. Toutefois, au niveau de chaque synapse se trouvent de quelques dizaines à quelques milliers de récepteurs-canaux sensibles aux neurotransmetteurs; le nombre de récepteurs activés au cours de la transmission synaptique dépend alors de la quantité de neurotransmetteur qui est libéré par l'élément présynaptique (1).

L'unité élémentaire de libération des neurotransmetteurs correspond au contenu d'une seule vésicule synaptique (1). Chaque vésicule contient environ le même nombre de molécules de transmetteur (plusieurs milliers); la quantité de neurotransmetteur libéré correspond dès lors à un multiple de ce chiffre. En conséquence, l'amplitude du PPSE est également un multiple de la réponse au contenu d'une seule vésicule. En d'autres termes, au niveau d'une synapse donnée, les PPSE résultent de l'action des multiples d'une unité indivisible, le quantum, qui reflète le nombre de molécules de neurotransmetteur contenues dans une seule vésicule synaptique, mais aussi le nombre de récepteurs disponibles au niveau de la synapse (1).

Dans de nombreuses synapses, en l'absence de stimulation synaptique, l'exocytose des vésicules se réalise à un niveau très faible (1). L'amplitude de la réponse synaptique au neurotransmetteur libéré spontanément est très faible : cette réponse est dénommée potentiel postsynaptique miniature. L'amplitude du PPSE évoquée par un PA présynaptique correspond à un multiple entier (x1, x2, x3...) de l'amplitude du potentiel miniature (1). Au niveau de la jonction neuromusculaire, un seul PA présynaptique déclenche l'exocytose d'environ 200 vésicules synaptiques, ce qui produit un PPSE de 40 mV ou plus. Dans de nombreuses synapses du SNC cependant, un PA présynaptique déclenche l'exocytose d'une seule vésicule, ce qui produit un PPSE de seulement quelques dixièmes de millivolts (1). Ces différences paraissent s'expliquer par le rôle différent des synapses neuromusculaires ou centrales:

• • Au niveau de la jonction neuromusculaire, seul le déclenchement d'un PPSE de grande amplitude peut permettre le fonctionnement continu de la jonction (1).

  • Dans le SNC, les neurones effectuent des opérations plus complexes, nécessitant la sommation de tous les PPSE pour produire une dépolarisation postsynaptique significative. C'est cette opération qui correspond au processus d'intégration des PPSE (1). Si chaque synapse était capable, par elle-même de générer un PA postsynaptique (comme le font les jonctions neuromusculaires), le neurone serait à peine plus qu'un simple relais.

La sommation des PPSE représente la forme la plus simple de l'intégration synaptique dans le SNC. On distingue

• la sommation spatiale qui représente l'addition des PPSE générés simultanément au niveau de différentes synapses situées sur une même dendrite (1).

• la sommation temporelle qui représente l'addition des PPSE générés au niveau de la même synapse lorsque les PPSE se succèdent rapidement, à 5-15 ms d'intervalle (1).

Inhibition

Toutes les synapses ne sont pas excitatrices (1). Les synapses inhibitrices éloignent le potentiel de membrane du seuil du potentiel d'action car elles hyperpolarisent la membrane postsynaptique, diminuant la probabilité d’atteindre le seuil. Ces synapses inhibitrices sont situées sur les dendrites des neurones et, sur beaucoup de neurones du SNC, elles sont regroupées sur le soma et près du cône axonique (1). Cette position leur permet de jouer un rôle important de contrôle de l'activité du neurone postsynaptique.

Les récepteurs postsynaptiques des synapses inhibitrices sont également des récepteurs-canaux; la différence avec les synapses excitatrices porte sur les neurotransmetteurs avec lesquels ils sont associés et le type d'ions qu'ils laissent passer. Les récepteurs de la plupart des synapses inhibitrices ne sont perméables qu'à un seul ion, l'ion Cl- (1). L'ouverture du canal chlore laisse passer les ions Cl- dans un sens qui tend vers le potentiel d'équilibre du chlore, ECl, d'environ -65 mV (1).

Au moment où le neurotransmetteur est libéré,

• si le potentiel de membrane est supérieur à -65 mV, l'activation des canaux chlore produit un PPSI hyperpolarisant.

• si le potentiel de membrane est déjà de -65 mV, l'activation du canal chlore ne produit aucun PPSI puisque la valeur du potentiel de membrane est déjà équivalente à ECl (i.e. le potentiel d’inversion pour cette synapse). L'activation de la synapse inhibitrice va tout de même avoir un effet d'inhibition du potentiel dendritique en s'opposant à la propagation des influx excitateurs issus de synapses excitatrices:

  • • Considérons une synapse excitatrice située sur la partie distale d'une dendrite et une synapse inhibitrice située sur une partie plus proximale de la dendrite, plus proche du soma. L'activation de la synapse excitatrice entraîne un afflux de charges positives dans la dendrite. Ce courant dépolarise la membrane et se déplace en direction du soma. A l'endroit où la synapse inhibitrice est active, le potentiel de membrane est presque égal à ECl, c'est-à-dire -65 mV. Cette synapse empêche le courant de se propager à travers le soma vers le cône axonal: à cet endroit, le déplacement des ions Cl- vers l'intérieur de la dendrite correspond à un courant positif sortant. Celui-ci s'oppose au courant positif entrant lié à la dépolarisation membranaire induite en amont par la synapse excitatrice. Au final, quand les PPSI sont soustraits des PPSE, le neurone postsynaptique est moins susceptible de produire des PA (1).

Neuromodulation

Outre les synapses comportant des récepteurs-canaux, il existe de nombreuses synapses fonctionnant avec des récepteurs couplés aux protéines G. Ces synapses ne produisent pas de PPSE ou de PPSI, mais modifient l'efficacité des PPSE générés par les synapses utilisant des récepteurs-canaux (1). Ce type d'effet synaptique est qualifié de neuromodulation. Un exemple de neuromodulation est celui de la noradrénaline qui, se fixant au récepteur β, active une protéine G dont l'action finale est de rendre la cellule plus excitable, i.e. plus sensible aux effets d'autres neuromodulateurs excitant les dendrites (cf. Récepteurs des neurotransmetteurs).

Références

• 1. Neurosciences - A la découverte du cerveau. Mark-F Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso. PRADEL (EDITIONS)

  2. Neurosciences. Purves,‎ Augustine,‎ Fitzpatrick,‎ Hall,‎ Lamantia,‎ McNamara,‎ White et al. Ed. De Boek Université

  3. Précis de physiologie médicale. Guyton & Hall. Ed. Piccin