Conductances actives

Au cours d’un potentiel d’action

Les propriétés et la distribution des conductances actives dans le motoneurone sont majoritairement basées sur des analyses en patch-clamp faites au niveau du soma. En effet, l’arborisation dendritique des motoneurones étant très importante, les enregistrements électrophysiologiques des dendrites sont fastidieux et les analyses se sont concentrées sur les enregistrements somatiques. Dans les années 1960, les premières analyses sur l’activité électrique des motoneurones se sont focalisées sur la caractérisation des conductances responsables de la production d’un potentiel d’action (Araki and Terzuolo 1962; Nelson and Frank 1964). Ces études mettent en évidences deux conductances majeures. Il s’agit d’une conductance sodique entrante à inactivation rapide responsable de la phase de dépolarisation du potentiel d’action et d’une conductance potassique sortante à inactivation plus lente responsable de la phase de repolarisation d’un potentiel d’action. Par la suite, il a été montré que la conductance sodique était sensible à la tétrodotoxine, TTX et la conductance potassique a été qualifiée de conductance de la rectification retardée (Barrett, Barrett, and Crill 1980; Barrett and Crill 1980). Dans les motoneurones, ce sont les isoformes Nav1.1 et Nav1.6 et les canaux Kv7.2, Kv1.1, Kv1.2 qui génèrent respectivement ces courants sodiques et potassiques (Duflocq et al. 2011; Duflocq et al. 2008).

Au cours de la AHP

Après la phase de repolarisation rapide du potentiel d’action, il y a une phase d’hyperpolarisation lente que l’on nomme « afterhyperpolarisation » ou AHP qui est médiée par l’activation de courants potassiques activés par le calcium (Coombs, Curtis, and Eccles 1957).

L’AHP peut se décomposer en « fast », « medium » et « slow » AHP notées fAHP, mAHP et sAHP. La fAHP serait médiée par les canaux potassiques activés par le voltage (Viana, Bayliss, and Berger 1993). Il a été démontré que la mAHP repose sur l’activation des canaux SK (SK2 et SK3) générant des courants potassiques activés par le calcium. En présence d’apamine ou d’ions bivalents bloquant les courants calciques ou en absence de calcium dans milieu extracellulaire, la mAHP est bloquée. De plus, l’ajout de chélateurs de calcium intracellulaire

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permet également de bloquer la mAHP (Deardorff et al. 2013; Hounsgaard and Mintz 1988; Krnjevic et al. 1978; Krnjevic, Puil, and Werman 1978; Mosfeldt Laursen and Rekling 1989; Schwindt and Crill 1981; Viana, Bayliss, and Berger 1993; Zhang and Krnjevic 1986, 1988).

À ce jour, bien que les sources de calcium nécessaires à l’activation des canaux SK ne soient pas clairement identifiées, il semble cependant primordial que cette source doive générer un flux de calcium à proximité des canaux SK (Fakler and Adelman 2008; Sah 1992; Sah 1996). La durée de la mAHP permet de fixer la fréquence de décharge des motoneurones. En modifiant la durée de la mAHP, le motoneurone contrôle alors le gain de la relation courant-fréquence (I- f). Plus l’amplitude et la durée de la mAHP sont faibles, plus la fréquence de décharge des motoneurones est élevée. D’un point de vue fonctionnel, les motoneurones de type S ayant une faible fréquence de décharge ont une amplitude et une durée de mAHP plus importante que les motoneurones de type F (Kernell 1983; Zengel et al. 1985). Ces différences d’amplitude et de durée de la AHP seraient dues à l’expression différentielle des canaux SK2 et SK3 dans les sous-types de motoneurones. En effet, si SK2 est exprimé dans tous les motoneurones, seule la sous-population de motoneurones de petite taille de type S exprime SK2 et SK3. L’expression supplémentaire du canal SK3 dans les motoneurones S semble ainsi contribuer à l’accroissement de l’amplitude et la durée de la mAHP comparés aux motoneurones F (Deardorff et al. 2013).

La mAHP est un élément central du fonctionnement physiologique du motoneurone qui est sous contrôle de neuromodulateurs tels que la noradrénaline et la sérotonine (Lee and Heckman 1999; Perrier et al. 2013) mais principalement sous contrôle de l’acétycholine via les synapses boutons-C où se concentrent les canaux SK (Miles et al. 2007).

Les courants persistants entrants

Les motoneurones ont longtemps été considérés comme des intégrateurs passifs des signaux synaptiques qu’ils reçoivent pour établir la commande motrice. Nous savons aujourd’hui que cette notion est inexacte puisque les motoneurones sont des intégrateurs actifs. Non seulement ils reçoivent des entrées synaptiques mais ils ont également la propriété de pouvoir amplifier ou diminuer ces signaux en fonction des tâches à accomplir (Heckman et al. 2009). Le courant persistant entrant fait partie des propriétés intrinsèques du motoneurones qui sous-tend une partie de l’intégration active des entrées synaptiques. Il s’active à un potentiel inférieur au seuil des potentiels d’action et permet d’amplifier les entrées synaptiques pour la production d’une commande motrice fonctionnelle et adaptée (Figure 9).

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Figure 9 : Effet du courant persistant entrant sur une entrée synaptique excitatrice

Lorsqu’un motoneurone reçoit une entrée synaptique excitatrice suffisante pour le courant persistant entrant, cette stimulation synaptique est amplifiée et dépolarise fortement la membrane plasmique. Même après la fin de la stimulation synaptique, le motoneurone reste dans un état dépolarisé.

(Figure adaptée de l’article (Heckman et al. 2009))

Il existe deux types de courant persistant entrant : le courant persistant entrant calcique et le courant persistant entrant sodique. Historiquement, c’est le courant persistant entrant calcique qui a été initialement découvert. En 1980, Schwindt et Crill sont les premiers à caractériser ce courant grâce à des travaux chez le chat anesthésié (Schwindt and Crill 1980c; Schwindt and Crill 1980a, 1980b).

Cependant, les barbituriques utilisés pour anesthésier les chats ayant la propriété de réduire le courant persistant entrant en inhibant les voies neuromodulatrices, ce sont les travaux sur animaux décérébrés qui ont permis de caractériser ces courants de façon plus précise (Bennett et al. 1998; Conway et al. 1988; Crone et al. 1988; Hounsgaard et al. 1988). Le courant persistant entrant est un courant dépolarisant à inactivation lente, d’où le caractère persistant, qui potentialise les activités synaptiques pour accroître l’excitation des motoneurones. Dans les motoneurones spinaux, il a été montré que les canaux calciques Cav 1.3 de type L sont le substrat moléculaire majoritaire du courant persistant entrant calcique (Hounsgaard and Kiehn 1989). Lors d’une augmentation linéaire de courant, le voltage du motoneurone atteint le seuil d’activation des canaux Cav1.3 (environ -50mV), le courant persistant entrant s’active pour générer une dépolarisation importante soutenue et s’inactive qu’à des niveaux de voltage plus faibles que ceux requis pour l’activer. Les canaux Cav1.3 ont la propriété de pouvoir se ré- ouvrir au cours de la repolarisation suivant une forte dépolarisation (Hivert et al. 1999). Le courant persistant entrant sodique s’active rapidement étant donné qu’il est certainement médié par une partie des canaux sodiques responsables de la dépolarisation du potentiel d’action

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et il s’inactive plus vite que le courant persistant entrant calcique (Li and Bennett 2003). Le courant persistant entrant sodique persiste tant que le potentiel membranaire dépasse le potentiel seuil d’activation des canaux sodiques.

La cinétique de ces courants sodiques et calciques étant différente, ils facilitent des entrées synaptiques de fréquence différente. Le courant persistant entrant calcique à cinétique lente potentialise les entrées synaptiques basses fréquences alors que le courant persistant entrant sodique amplifie les entrées synaptiques hautes fréquences (Manuel et al. 2007). D’un point de vue fonctionnel, les courants persistants entrants amplifient les entrées synaptiques neuromodulatrices sérotoninergiques, noradrénergiques et cholinergiques. De fait, un niveau modéré de signaux synaptiques est suffisant pour soutenir une activité motrice normale.

En conclusion du paragraphe 4.1, la combinaison des propriétés intrinsèques d’un motoneurone permet de définir le seuil d’excitabilité, c’est-à-dire la rhéobase, et le gain I-f, c’est-à-dire la capacité du motoneurone à augmenter sa fréquence de décharge face à une augmentation du courant entrant (Figure 10).

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4.2. Excitabilité extrinsèque des motoneurones et neuromodulation