3. Noyaux gris centraux


Le système des noyaux gris centraux (NGC) également appelés ganglions de la base est constitué d’un ensemble de structures sous-corticales comportant anatomiquement quatre noyaux principaux: le noyau caudé, le noyau lenticulaire, la substance noire et le noyau subthalamique (ou sous-thalamique). A ces noyaux principaux, on associe également sur le plan fonctionnel le noyau pédonculopontin et l’aire tegmentale ventrale. Sur le plan fonctionnel, on associe aux noyaux gris centraux plusieurs noyaux thalamiques, en particulier le noyau ventral antérieur (VA), le noyau ventral latéral (VL) et plusieurs noyaux intralaminaires. Le thalamus représente la structure de relais des informations issues des noyaux gris centraux vers le cortex cérébral mais ne fait pas partie des noyaux gris centraux à proprement parler.

Site: Représentation anatomique des NGC chez l'homme, CHU Salpêtrière & Université Pierre et Marie Curie, D Hasboun et H. Fournié.

  • D'un point de vue fonctionnel, on regroupe la partie externe du noyau lenticulaire (le putamen) et le noyau caudé en striatum (ainsi dénommé du fait de l'aspect strié du putamen et du noyau caudé, reliés entre eux par des ponts de fibres nerveuses). Le striatum (ST) est subdivisé anatomiquement par le bras antérieur de la capsule interne qui passe entre le noyau caudé et le putamen.
  • A l'inverse, on dissocie les deux parties restantes du noyau lenticulaire en globus pallidus interne (GPi) et globus pallidus externe (GPe). Le globus pallidus (ou pallidum) est en effet anatomiquement subdivisé par la lame médullaire interne en pallidum interne et pallidum externe. Sur le plan fonctionnel, on rapproche classiquement le GPi de la substance noire réticulata et le GPe du noyau subthalamique.
  • La susbstance noire (ou substantia nigra) est également dissociée en deux parties, la substantia nigra pars compacta (SNpc) et la substantia nigra pars réticulata (SNpr). Le nom de substance noire tient au fait de sa haute teneur en pigment noir, la neuromélanine. La substance noire réticulata peut être considérée comme une extension du pallidum interne du fait d'une origine commune et de connections similaires avec les autres structures des NGC.
  • Le striatum (ST) et le globus pallidus ont une origine télencéphalique. Le noyau subthalamique (NST) a une origine diencéphalique. La substance noire a une origine mésencéphalique.



Organisation anatomique des noyaux gris centraux                                                Organisation fonctionnelle des noyaux gris centraux

                                 














Fonctions

Les circuits des NGC, i.e. les connections des NGC entre eux et avec les autres structures cérébrales sont particulièrement complexes et encore imparfaitement compris. On considère que les NGC agissent comme un filtre capable de moduler les informations corticales par l'intermédiaire de boucles cortico-sous-corticales (plus exactement de boucles cortico-NGC-thalamo-corticales).

Les ganglions de la base sont essentiellement connus pour leur rôle dans le contrôle moteur, mais leur fonction ne se limite pas au traitement de l’information sensorimotrice (segmentaire, axiale et oculomotrice) : ils participent également à diverses fonctions cognitives (fonctions exécutives) et comportementales, dites limbiques (support des émotions et de la motivation) (Middleton and Strick, 2000; Temel et al., 2005).

Pour le seul domaine du mouvement, les NGC étaient initialement perçus comme des structures uniquement impliquées dans le contrôle et l’exécution du mouvement (Marsden, 1982). Ils apparaissent aujourd’hui impliqués dans un ensemble plus large de fonctions sous-tendant le mouvement et situées en amont de l’exécution de l’action elle-même (Mink, 1996).

On attribue ainsi aux NGC un rôle majeur dans les processus attentionnels, la motivation, la mémoire de travail, la sélection, la planification, l’initiation, l’anticipation des différentes étapes d’une action. Les NGC permettent ainsi le maintien de l’action jusqu’à la réalisation de son but. Ils participent enfin à l’automatisation des tâches par implication de la mémoire dite procédurale. Chacune de ces fonctions serait sous le contrôle de territoires différents au sein de chacune des structures sous-corticales et en intime relation avec différentes régions fonctionnelles du cortex.

La reconnaissance du rôle des NGC dans les fonctions non-motrices est plus récente et provient principalement de l’observation des patients atteints de maladies dégénératives affectant les structures sous-corticales. L’étude attentive des patients souffrant de troubles hypokinétiques comme dans la maladie de Parkinson, ou hyperkinétiques comme dans la maladie de Huntington ou le syndrome de Gilles de la Tourette a en effet permis de révéler des désordres cognitifs et limbiques en sus des troubles moteurs. Ces observations ont été confortées par les études anatomiques chez l’animal qui ont révélé des voies fonctionnelles distinctes capables de traiter les différentes modalités motrices, associatives et limbiques (Alexander et al., 1990; DeLong, 1990).

Le corollaire de la reconnaissance du rôle des NGC dans les fonctions associatives et limbiques est qu’un plus grand nombre de pathologies paraissent aujourd’hui liées au dysfonctionnement des NGC. Ainsi, les NGC sont aujourd’hui impliqués dans les pathologies comme l’apathie, les troubles obsessionnels compulsifs, l’hyperactivité avec troubles de l’attention, la schizophrénie, les processus de prise et de dépendance de drogues...

L’extension du rôle des NGC aux fonctions motrices en amont de l’exécution de l’action a également eu pour conséquence une approche différente et une compréhension accrue des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson au premier plan desquels se place l’akinésie, prise au sens large du terme. Les modalités d’interaction entre les différentes fonctions sensori-motrices, associatives et limbiques restent cependant encore mal connues.


Organisation fonctionnelle

Les NGC sont interconnectés par un réseau complexe de voies afférentes et efférentes, excitatrices ou inhibitrices qui leur confèrent une fonction essentielle au sein d’activités cérébrales variées. De manière schématique, deux concepts permettent de décrire l'organisation fonctionnelle des NGC:
  • Ces noyaux fonctionnent via un système de boucles cortico-sous-cortico-corticales dont le rôle est d’intégrer les informations corticales et de les relayer vers le cortex via le thalamus ou vers le tronc cérébral (Mink, 1996; Parent and Hazrati, 1995; Saint-Cyr, 2003). L'entrée des signaux dans le circuit des NGC est représentée principalement par le striatum.
  • Les NGC forment entre eux deux voies parallèles, les voies dites "directes" et "indirectes" dont les effets sont opposés.

Les entrées du système des NGC

Le striatum représente l’entrée principale du système des NGC.
  • Les principales afférences des NGC sont issues du cortex, principalement des régions associatives frontales et pariétales (cortex secondaires). Les projections corticales sur le striatum sont organisées d’un point de vue anatomique et fonctionnel.
  • Outre le cortex, le striatum reçoit des projections du thalamus (complexe centromédian-noyau parafasciculaire).
  • Le striatum reçoit enfin des afférences modulatrices de la substance noire. Les projections dopaminergiques issues de la substance noire compacta se distribuent largement sur la totalité du striatum et sont capitales dans la modulation de celui-ci. La substance noire reçoit elle-même d'importantes projections corticales et du striatum.
La seconde entrée des NGC est représentée par le noyau subthalamique.

Les boucles cortico-sous-corticales

Les études anatomo-fonctionnelles chez le primate ont permis d’identifier différentes boucles cortico-sous-corticales initialement décrites sous la forme de cinq circuits dissociés et parallèles (Albin et al., 1989; Alexander and Crutcher MD, 1990; Alexander et al., 1986; Alexander et al., 1990; Parent and Hazrati, 1995). Ces circuits comportent les circuits moteur, oculomoteur, préfrontal dorsolatéral, orbitofrontal latéral et cingulaire antérieur.

Figure. Circuits cortico-sous-corticaux. Adapté de Alexander et al., (1986)

Cortex: AMS: Aire motrice supplémentaire; AOM: Aire oculomotrice; CxPFdl: cortex préfrontal dorsal latéral; CxOFl: Cortex orbitofrontal latéral; CxCA: Cortex cingulaire antérieur; CxPM: Cortex prémoteur; CxM: cortex moteur; CxSS: cortex somatosensoriel; CxPP: cortex pariétal postérieur; CxT: Cortex temporal; CxH: Cortex hippocampique; CxE: Cortex entorhinal

Striatum: Put: Putamen; Caud: noyau caudé (C, corps; t, tête); StV: striatum ventral

Pallidum/ Snpr: GPi: globus pallidus internalis (pallidum interne); PV: pallidum ventral; SNpr: Substance noire pars reticulata

Thal: thalamus: VA mc, pc: noyau ventral antérieur du thalamus, pars magno- et parvocellularis; VL m, o: noyau ventral latéral du thalamus, pars médialis et oralis; DM mc, pc, pl: noyau dorso-médian du thalamus, pars magnocellularis, parvocellularis, paralamellaris

Latéralisation: cl: caudolatéral; cdm: caudal dorsomédian; dl: dorsolatéral; l: latéral; ldm: latéral dorso-médian; m: médian; mdm: médian dorso-médian; pl: postéro-latéral; pm: postéro-médian; rd: rostro-dorsal; rl: rostro-latéral; rm: rostro-médian; vl: ventrolatéral; vm: ventromédian






Par la suite, ces cinq circuits ont été regroupés dans un modèle à trois territoires fonctionnels et distincts où chacun des noyaux gris centraux possédait un compartiment sensorimoteur, associatif (traitant les informations cognitives) et limbique (traitant les informations émotionnelles et motivationnelles) (Parent, 1990; Temel et al., 2005). Cette subdivision fonctionnelle a reçu une confirmation par des travaux chez le singe qui, par le biais de micro-injections d’agents pharmacologiques, ont démontré des réponses comportementales et une connectivité anatomique différente selon que l’un ou l’autre des territoires était injecté (François et al., 2004; Grabli et al., 2004). Cette description postule que chacun des circuits met en jeu des subdivisions différentes dans chacune des structures des NGC. Les trois circuits présentent la même organisation globale, les structures intermédiaires différant en fonction du type d’information traitée.

Figure. "Schematic illustration of the primate basal ganglia-thalamocortical associative, limbic and motor circuits" (Temel et al., 2005)

Figure: Compartimentation fonctionnelle des NGC (Mallet et al., 2007, free article)

Le circuit moteur

Le circuit moteur est le mieux connu : il prend naissance au niveau des aires corticales frontales associatives, principalement les régions prémotrice et motrice supplémentaire et le cortex préfrontal dorsolatéral et se poursuit par les projections de ces aires sur le striatum antérieur.

L’information est relayée via le thalamus moteur (complexe VA/VL) vers le cortex préfrontal (principalement par les afférences pallidales) et prémoteur, notamment l'aire motrice supplémentaire (principalement par les afférences nigrales).

Les NGC influencent ainsi le cortex moteur primaire de manière indirecte par l'intermédiaire de la modulation qu'ils exercent sur les aires motrices associatives. Ces signaux thalamo-corticaux modulent directement la planification du mouvement et indirectement les signaux émis par les neurones des voies corticospinale et corticobulbaire. Les NGC modulent au final à la fois le système moteur latéral (mouvements volontaires, en particulier des extrémités des membres) et le système moteur médian (posture et tonus des muscles proximaux).

Les NGC participent à la planification et au réglage des schémas moteurs complexes, en ajustant la puissance relative des mouvements, leurs directions et la suite ordonnée des mouvements successifs et simultanés nécessaires à la réalisation d'un objectif moteur spécifique et complexe.





Les voies directe et indirecte



  • Direct pathway: a pathway that links the BG to the cortex via the striatum, internal globus pallidus/substantia nigra and thalamus. In contrast to the indirect pathway, it acts to release the motor cortex from inhibition, thus promoting movement.
  • Hyperdirect pathway: a neuronal circuit through the BG that bypasses the striatum, unlike the direct and indirect pathways. Cortical input is directly received in the subthalamic nucleus and is relayed to the thalamus via the internal globus pallidus.
  • Indirect pathway: a neuronal circuit through the BG to the cortex via the striatum, external globus pallidus, subthalamic nucleus, internal globus pallidus/substantia nigra and thalamus in turn. Activity in the indirect pathway inhibits thalamic activity and decreases motor function.


Dans le schéma « classique » de fonctionnement des NGC proposé par Albin, Young et Penney en 1989 (Albin et al., 1989), le striatum influence l’activité du pallidum interne et de la SN pars reticulata, considérés comme les structures de sortie des NGC par l’intermédiaire de deux voies trans-striatales dites « directe » et « indirecte » dont les effets sont opposés (Albin et al., 1995; DeLong, 1990). L’information « sélectionnée » par le striatum est transmise aux structures de sortie par ces voies directe et indirecte puis redirigée vers le cortex frontal via les noyaux latéral (VL) et ventral antérieur (VA) du thalamus ou vers le tronc cérébral (colliculus supérieur, noyau pédonculopontin…).

  • La voie dite « directe » est représentée par les projections directes (monosynaptiques), inhibitrices, GABAergiques du striatum sur la SNpr et le GPi. Par cette voie, le striatum inhibe l’activité spontanée, tonique et inhibitrice et également GABAergique des structures de sortie des NGC.
  • La voie dite « indirecte », parallèle à la précédente comporte une étape supplémentaire impliquant successivement le pallidum externe (GPe) et le noyau subthalamique (NST): le striatum émet également des projections GABAergiques inhibitrices vers le pallidum externe d’où partent des projections GABAergiques inhibitrices vers le NST. Ce système comporte donc deux neurones inhibiteurs en série. En inhibant les neurones GABAergiques du GPe, les neurones striato-pallidaux désinhibent donc les neurones glutamatergiques du NST. Par l’intermédiaire de projections glutamatergiques excitatrices sur le pallidum interne et la substance noire pars reticulata, les neurones sous-thalamiques renforcent au final l'inhibition tonique que les structures de sortie des NGC exercent sur leurs cibles.

        Voie directe                                                                                Voie indirecte



Le modèle « classique » postule que l’effet du circuit des NGC résulte d’une régulation fine entre la voie directe, globalement activatrice et la voie indirecte, frénatrice (Chevalier and Deniau, 1990).

« À l’état basal », l’activité neuronale dans les structures de sortie est caractérisée par des potentiels électriques spontanés de fréquence élevée signe d’une inhibition tonique GABAergique s’exerçant sur les structures cibles (thalamus et tronc cérébral). Cette inhibition assure un filtrage permanent des informations qui transitent par les NGC. Elle est modulée dans le sens d’un accroissement ou d’une diminution par les circuits afférents qui influencent l’activité des neurones de sortie des NGC (Chevalier and Deniau, 1990; Hikosaka et al., 2000).

Selon le principe de dichotomie des voies directe et indirecte, l’équilibre entre les deux voies serait ajusté grâce au contrôle dopaminergique de la voie nigro-striatale provenant de la substance noire pars compacta (SNpc). On considère classiquement que la dopamine libérée à partir des terminaisons nigro-striatales agit sur deux sous-types de récepteurs dopaminergiques situés au niveau striatal et présentant des effets opposés.

Il est en effet admis que les neurones de projection GABAergique à l’origine de la voie directe co-expriment les récepteurs dopaminergiques de type D1, la substance P, la dynorphine et les récepteurs muscariniques M4 tandis que les neurones à l’origine de la voie indirecte co-expriment les récepteurs dopaminergiques de type D2, l’enképhaline et les récepteurs cholinergiques M1 (Bolam and Smith, 1990; Bolam and Smith, 1992; Gerfen, 1992; Gerfen, 2000; Gerfen et al., 1990; Le Moine and Bloch, 1995). La dopamine aurait ainsi un effet global facilitateur sur la voie directe par l’intermédiaire des récepteurs D1 et inhibiteur sur la voie indirecte pas l’intermédiaire des récepteurs D2.

Au final, par le biais des neurones de la voie directe, le striatum renforce l’inhibition au niveau du GPi et de la SNpr ce qui se traduit par une facilitation (levée d’inhibition par suppression du tonus inhibiteur) des réseaux thalamiques, du colliculus supérieur et du tronc cérébral qui sont sous son contrôle. Un concept important de fonctionnement des noyaux gris centraux est donc celui de la désinhibition. Ce processus de levée d’inhibition des structures cibles est considéré comme central dans la physiologie des NGC et indispensable à l’élaboration du mouvement. Ce fonctionnement a bien été démontré pour le contrôle des saccades oculaires volontaires réalisé par le biais de la voie striato-nigro-colliculaire (Hikosaka et al., 2000) mais reste plus hypothétique pour les autres fonctions attribuées aux NGC. La voie indirecte, exerçant un effet opposé (inhibition accrue des cibles) aurait comme fonction de moduler ce processus de désinhibition et de participer au contrôle de l'amplitude du mouvement et à l'inhibition des programmes moteurs inappropriés (Mink, 1996).

Les données neuro-anatomiques et fonctionnelles accumulées ces dernières années ont cependant conduit divers auteurs à reconsidérer ce schéma et à soulever les limites du modèle « classique » des NGC (Yelnik, 2002; Aizman et al., 2000; Levesque and Parent, 2005; Parent et al., 2001; Nambu et al., 2002; Braak and Del Tredici, 2008).


Lésions des NGC

Une lésion des ganglions de la base se traduit, entre autres, par des difficultés à planifier et à exécuter des séquences motrices complètes.

La description dite "classique" du fonctionnement des NGC permet de comprendre les pathologies du système des NGC impliquant un excès (syndromes dyskinétiques ou hémiballisme) ou un défaut d’activité (akinésie) par un déséquilibre entre les voies directe et indirecte (Albin et al., 1995; DeLong, 1990).


La maladie de Parkinson, de cause inconnue, est liée à une dégénerescence bilatérale de la substance noire. Elle s'exprime sur un versant hypokinétique et correspondrait à un déséquilibre des projections striatales en faveur de la voie indirecte ( hyperactivité de la voie indirecte et hypoactivité de la voie directe). Ce dysfonctionnement serait responsable des troubles hypokinétiques par renforcement du tonus inhibiteur que les NGC exercent sur les réseaux prémoteurs du thalamus et du tronc cérébral. Les enregistrements neuronaux réalisés chez des patients parkinsoniens et chez des primates intoxiqués au MPTP confirment une hyperactivité des structures de sortie, GPi et SNpr. On peut considérer que cette maladie traduit un défaut de réactivité des neurones épineux striataux aux signaux corticaux par diminution de l'effet facilitateur de la dopamine. L'effet de renforcement ou d'amplification de la dopamine s'exercerait normalement sur les récepteurs dopaminergiques de type D1, à l'origine de la voie directe. La diminution d'activité de la voie directe provoquerait une moindre inhibition du GPi et donc une majoration de son effet inhibiteur sur le cortex via thalamus. Au cours de la maladie, apparaissent ainsi une rigidité (dite extrapyramidale), une diminution de l'initiative des mouvements spontanés et un ralentissement de l'exécution des mouvements volontaires complexes (bradykinésie). Ces anomalies sont plus marquées dans la phase préparatoire du mouvement et lors de son démarrage. Les symptômes de la maladie peuvent être en partie corrigés par l'administration d'un précurseur de la dopamine capable de franchir la barrière hémato-encéphalique (la L-Dopa) ou d'agonistes dopaminergiques.


Syndromes parkinsoniens non liés à la maladie de Parkinson. Diverses pathologies peuvent s'exprimer par un syndrome parkinsonien, souvent non isolé et présentant des atypies par rapport à la maladie de Parkinson.

https://sites.google.com/site/aphysionado/home/orgsn/ngc/Fahr.png

La maladie de Huntington, de transmission autosomique dominante, est liée à une dégénerescence du striatum associée à un certain degré de dégenerescence concomittante du cortex frontal et temporal. Elle s'exprime sur un versant hyperkinétique. À l’inverse des syndromes hypokinétiques, la levée du contrôle inhibiteur par la voie directe ( hypoactivité de la voie indirecte et hyperactivité de la voie directe) serait génératrice de mouvements incontrôlés et excessifs (dyskinésies). Dans cette pathologie, la dégénerescence des neurones épineux serait à l'origine de la diminution des efférences inhibitrices se projetant sur le GPe. L'excès d'inhibition exercée par le GPe sur le NST entraînerait une diminution des influx excitateurs issus du NST sur le GPi. L'effet inhibiteur exercé par le GPi sur le thalamus s'en verrait donc diminué, augmentant la probabilité de survenue de signaux moteurs inappropriés vers le cortex. La mutation du gène responsable de la maladie de Huntington correspond à une répétition anormalement élevée d'un triplet CAG sur le gène codant pour la glutamine. Au stade précoce, les patients souffrent d'une incapacité à adapter les actes moteurs complexes au contexte social dans lequel ils sont exécutés (ex: tressaillement du visage, gestes automatiques inadaptés). Ces signes soulignent le rôle des noyaux gris centraux dans les aspects cognitifs du contrôle moteur. A un stade plus avancé, apparaît la choréo-athétose qui reflète la libération de programmes moteurs normalement réfrénés par les noyaux gris centraux. La chorée correspond à des mouvements involontaires, brusques, brefs, sans but apparent et inopinés mettant en jeu différentes parties du corps selon un enchaînement apparemment aléatoire. L'athétose correspond à des mouvements de torsion répétés et involontaires et des postures anormales des membres.

Dans la maladie de Huntington, tout comme dans la maladie de Parkinson, les signes ne sont pas uniquement moteurs, le comportement, la cognition, l'humeur, les émotions sont également affectés. Ceci reflète le rôle non moteur des NGC.


Dystonie

Exemple de lésions bilatérales des noyaux gris centraux responsables de dystonie chez une femme de 74 ans (examen n° A10081533571)


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