Les épines dendritiques

Les épines ont été identifiées pour la première fois par Santiago Ramon y Cajal en analysant les dendrites des cellules de Purkinje. Il les a décrits comme ceci : « Ces épines pourraient être les points de réception du courant électrique » (Portera Cailliau and Yuste, 2001). L’épine dendritique est une expansion latérale à tête ovoïde reliée aux branches dendritiques par un pédicule ou un cou plus au moins longue et représente la composante postsynaptique de la majorité des synapses excitatrices ou glutamatergique dans le cerveau (Bourne and Harris, 2008). Elles semblent jouer un rôle déterminant dans la force synaptique et constituer le site de stockage de la mémoire à long terme (Segal, 2002).

Les épines sont des structures très dynamiques qui changent de morphologies au cours de leurs vies. Plusieurs évidences expérimentales suggèrent que le changement de la morphologie des épines joue un rôle clé dans la formation de la mémoire et l’apprentissage (Yuste and Bonhoeffer, 2001, Kasai et al., 2003). Ces changements morphologiques et structuraux des épines sont gouvernés par la dynamique des filaments d’actine (Figure 16). En effet, la taille, la forme et la mobilité des épines dépend largement de la dynamique de l’actine (Ethell and Pasquale, 2005, Tada and Sheng, 2006). Un réseau complexe de protéines régulatrices de la dynamique de l’actine contrôle l’arrangement et la morphologie des épines, comprenant les facteurs de nucléation, de stabilisation et de déstabilisation de l’actine comme les facteurs GEF et GAP de la famille des Rho-GTPases.

Figure 16: Illustration de la morphologie générale d'une épine mature ainsi que l'organisation du cytosquelette dans cette structure. (A) Exemple d’une dendrite provenant d’une culture des

neurones d’hippocampe et recouvert d’épines. Barre : 5µm. (B) L’organisation du cytosquelette au sein d’une épine mature déterminée par ME. En jaune le shaft dendritique, en bleu claire l’épine dendritique et en mauve la terminaison axonale. (C) illustration schématique d’une épine mature et de sa composition en cytosquelette et en protéines de la densité postsynaptique. (B, C) La tête d’épine ou spine head contient un réseau dense de filaments d’actine branchés croisés entre eux, tandis que le cou ou spine neak contient des filaments d’actine arrangés longitudinalement. Au niveau de la base de l’épine ou spine base, les filaments d’actine forment un réseau branché en contact avec les microtubules (Hotulainen and Hoogenraad, 2010).

Des études de microscopie électronique ont permis d’identifier plusieurs catégories d’épines selon leurs formes et leurs tailles : i) le filopode est une épine immature avec une structure longue et mince, ii) le trapu ou stubby est une épine mature avec une structure sans nuque, et iii) le mushroom est une épine mature sous forme d’un champignon (Hering et al., 2003, Bourne and Harris, 2008).

Les épines dendritiques sont des structures qui présentent des formes très variables (Figure 17). Les changements morphologiques des épines sont fortement liés à la différence fonctionnelle au niveau synaptique (Yuste and Bonhoeffer, 2001). En effet, des études structurales et fonctionnelles ont montré une forte corrélation entre la plasticité synaptique et les changements morphologiques des épines. Par exemple,

l’induction de la LTP ou long-term potentiation cause l’élargissement de la tête de l’épine, alors que la LTD ou long-term depression cause son rétrécissement (Yuste and Bonhoeffer, 2001, Kasai et al., 2003).

Figure 17: les différentes morphologies d'une épine dendritique. Selon leurs morphologie, les

épines dendritiques sont divisées en épines matures comprenant les épines mushroom, stubby et branchée ou branched. Tandis que les épines non matures sont représentées par les filopodes ou

filopodium et thin (von Bohlen Und Halbach, 2009).

2.1. Origine et formation des épines dendritiques au cours de développement

Deux origines des épines dendritiques ont été proposées. Soit i) elles sont formées à partir de filopodes dendritiques (Ziv and Smith, 1996, Marrs et al., 2001), soit ii) elles sont issus des synapses formées directement à partir du shaft dendritique (Harris, 1999), avec ou sans un contact synaptique (Sotelo, 1990).

1.1.1. Le filopodes comme origine des épines

Au cours des premiers stades du développement neuronal, les dendrites sont recouvertes de filopodes. Ces structures ont une grande dynamique ; elles croissent et se rétractent rapidement (Ziv and Smith, 1996, Dunaevsky et al., 1999, Lendvai et al., 2000). Des analyses microscopiques ont montré que lors de la maturation, le nombre de synapses augmente, ainsi que le nombre des épines matures, tandis qu’en parallèle le nombre de filopodes diminue. Ceci suggère que les filopodes puissent être les précurseurs des épines matures (Ziv and Smith, 1996). Ces mêmes

du filopode avec l’axone induit la transformation du filopode en épine mature et stable. Cette transformation implique la réduction de la mobilité du filopode, sa régression et l’élargissement de l’extrémité distale du filopode formant ainsi la tête et la nuque de l’épine. D’ailleurs, d’autres études ont également montré que la formation des synapses induit la transformation de filopodes en épines matures (Maletic-Savatic et al., 1999, Marrs et al., 2001, Okabe et al., 2001, Trachtenberg et al., 2002). Selon ces études, la grande mobilité des filopodes sert à explorer son entourage et à trouver sa cible axonale, pour former le contact synaptique. En accord avec cette vision, il a été démontré que la libération du glutamate par l’élément présynaptique axonal influence l’initiation et l’élongation des filopodes (Portera-Cailliau et al., 2003, Tashiro and Yuste, 2003). Ces observations suggèrent que le glutamate puisse être la molécule qui guide les filopodes vers les sites présynaptiques libérant ce neurotransmetteur.

1.1.2. Origine dendritique

Ce modèle est proposé à partir des observations montrant que la majorité des synapses formées dans des neurones pyramidaux jeunes sont localisées sur le shaft dendritique et pas sur le filopodes (Harris et al., 1992), et qu’au fur et à mesure que le réseau neuronal devient mature, le nombre de synapses au niveau des épines augmente alors que celles du shaft dendritique diminuent (Marrs et al., 2001). Dans ce modèle ce sont les filopodes axonaux qui trouvent l’élément postsynaptique.

3. Les mécanismes moléculaires impliqués dans l’initiation et l’élongation d’un