R. Neumann en 1902 a été l’un des premiers à étudier les mécanismes de régulation qui permettent l’homéostasie du poids corporel (42). Dans les années 1930 à 1950, des expériences de lésions cérébrales chez les rats ont identifié certains noyaux de l’hypothalamus, comme structures importantes de la régulation du comportement alimentaire (29). Par exemple, l’absence du noyau ventromédian de l’hypothalamus provoque une obésité chez le rat (43) alors que l’absence de l’hypothalamus latéral provoque une diminution de la faim (44). Dans les suites de ces découvertes, la régulation hypothalamique a majoritairement dominé la littérature, opposant notamment l’hypothalamus latéral à l’origine des signaux de faim et l’hypothalamus ventromédian à l’origine de la satiété (31). La découverte dans les années 1990, d’abord de la leptine, puis de nombreuses autres hormones et neuropeptides, a permis d’affiner notre compréhension des maillons et de leurs interactions responsables de la modulation homéostasique de la prise alimentaire. Ces mécanismes peuvent être schématiquement divisés en 2 groupes : les régulateurs du système nerveux central (SNC) et les régulateurs périphériques. De nombreuses revues de la littérature ont été publiées dans les 5 dernières années à ce sujet (28,30,45–54).
a) Les régulateurs du système nerveux central
Le tronc cérébral joue un rôle important dans cette régulation homéostatique. Les neurones du tronc cérébral apportent une contribution essentielle par l’intégration des informations périphériques (50). Les signaux afférents véhiculés par le nerf glossopharyngien et le nerf vague, et transmis au tronc cérébral, comprennent des indications sur le goût, la distension gastrique ainsi que des informations sur les taux de glucose et de lipides contenus dans le foie (50,54). L’intégration dans le tronc cérébral des informations véhiculées par les hormones intestinales circulantes se fait via la zone postrema. La zone postrema est un organe circum-ventriculaire située en dehors de la barrière hématoencéphalique (55). Les neurones de la région postrema vont réagir aux hormones intestinales circulantes, telles que la
À l’étage du dessus, l’hypothalamus a une importance capitale dans la régulation centrale de l’appétit (56), et plus spécifiquement un noyau gris hypothalamique : le noyau arqué. Le noyau arqué hypothalamique comprend deux populations neuronales impliquées dans cette régulation. Le noyau arqué contient ainsi les deux populations de neurones, dites de « premier ordre » et qui sont impliquées dans l’intégration des signaux périphériques de faim et de satiété (57). Ce sont en quelques sortes les sentinelles du SNC quant à l’état métabolique de l’organisme (58), sensibles aux signaux hormonaux et nutritionnels. Cette population de premier ordre se compose de deux sous-populations neuronales d’intérêt. La première, les neurones à Neuropeptide Y (NPY) et Agouti Related Peptide (AgRP) qui stimulent la prise alimentaire (voie orexigène) ; la seconde avec les neurones à Pro-Opiomélanocortine (POMC) et Cocaïne and Amphetamine Related Transcript (CART) qui représentent la voie anorexigène, encore appelée voie des mélanocortines. Ces derniers neurones sécrètent l’alpha Mélanocyte Stimulating Hormone (αMSH), neuromédiateur chef de file des mélanocortines, qui inhibe la prise alimentaire (39).
Ces deux sous-populations neuronales interagissent de manière antagoniste et se projettent vers des neurones de « second ordre » localisés dans le noyau paraventriculaire (PVN), le noyau ventromédian (VMN) et l’hypothalamus latéral (LH). Ces interactions sont représentées sur la Figure 2.
Au niveau du noyau paraventriculaire sont présents des neurones à corticotropin releasing factor (CRF) et thyrotropine-releasing hormone (TRH). Ces neurones expriment des récepteurs aux mélanocortines dont l’αMSH est un agoniste. L’activation de ces récepteurs est à l’origine de l’effet anorexigène (39). Le NPY et l’AgRP ont une action orexigène par inhibition des neurones à CRH au niveau du noyau paraventriculaire (et par une inhibition directe des neurones à POMC du noyau arqué). Cette action orexigène passe aussi par l’effet antagoniste de l’AgRP sur les récepteurs à la mélanocortine (57). L’hypothalamus latéral contient des neurones exprimant les orexines A et B, peptides orexigènes, ainsi que la melanin-concentrating hormone (MCH).
La voie des mélanocortines est essentielle dans la régulation de la prise alimentaire et constitue un des maillons faibles du système. En effet, toute mutation génétique sur cette voie
à l’origine de la forme d’obésité monogénique la plus fréquente chez l’homme (59). Notons que les mutations sur la voie NPY/Orexine, stimulant l’appétit, n’induisent pas, à l’inverse, de phénotype particulier chez l’animal, probablement du fait de redondances de cette voie, indispensable à la survie.
Figure 2 : Représentation schématique simplifiée du fonctionnement du noyau arqué. Les populations de neurones de premier ordre NPY/AGRP (vert) et POMC/CART (rouge) dans le noyau arqué (ARC) sont régulées par les signaux périphériques et sont projetées vers le noyau paraventriculaire (PVN), l’aire périfornicale (PFA) et l’hypothalamus latéral (LHA), localisations hypothalamiques des neurones de second ordre, produisant des neuropeptidiques impliqués dans la régulation de l’apport alimentaire et de l’homéostasie énergétique. Modifié à partir de Schwartz et al. (60)
b) Les régulateurs périphériques Le tissu adipeux
Le tissu adipeux est le principal réservoir d’énergie de l’organisme et se compose de différents types de tissu adipeux : le tissu adipeux blanc et le tissu adipeux brun. Ces tissus sont directement régulés par le système nerveux autonome (61). L’innervation sympathique à une
Le tissu adipeux aide à l’intégration des signaux endocriniens, métaboliques et inflammatoires pour contrôler l’homéostasie énergétique, notamment via la production d’« adipokines » telles que la leptine, l’adiponectine, la résistine, la visfatine et le TNF-alpha (54,62).
La leptine
La leptine, qui inhibe la prise alimentaire est produite presque exclusivement par le tissu adipeux blanc (63). Chez la souris, l’injection de leptine induit une diminution de la prise alimentaire et du poids corporel, ainsi qu’une augmentation de la dépense énergétique (64,65).
Bien que la leptine circulante se lie principalement au niveau hypothalamique, les récepteurs de la leptine sont exprimés dans plusieurs sites extra-hypothalamiques, y compris le tronc cérébral. Les neurones sensibles à la leptine dans le noyau arqué comprennent à la fois les neurones NPY/AgRP (action inhibitrice) et les neurones POMC/CART (action stimulatrice). La leptine a d’ailleurs une action dépolarisante directe sur les neurones POMC qui expriment son récepteur (66). La leptine stimule également d’autres peptides anorexigènes tels que la CRH et le CART, entraînant des effets cataboliques d’action prolongée et une diminution de l’apport alimentaire avec une dépense énergétique accrue (67).
La ghréline
Si son existence avait été devinée dans les années 1980 (68), il a fallu attendre la fin du siècle pour qu’elle soit identifié (69). La ghréline est un peptide de 28 AA synthétisé majoritairement par les cellules XA-like du fundus gastrique, mais aussi en faible quantité par les cellules nerveuses spécifiques de l’hypothalamus et les cellules pancréatiques de l’ilot de Langerhans. Son taux augmente sous l’effet d’une privation de nourriture chez les animaux (69) et atteint, chez l’homme, son maximum avant les repas (70,71), pour s’effondrer après la prise alimentaire et ré-augmenter progressivement jusqu’au prochain repas. Son administration aigue périphérique ou centrale chez le rat induit une prise alimentaire et son administration chronique augmente l’adiposité. Elle est actuellement considérée comme la seule hormone orexigène de l’organisme.
Ses récepteurs sont exprimés en périphérie et surtout dans le système nerveux central (72). Dans le noyau arqué, ils sont exprimés sur les neurones NPY/AgRP où la ghréline stimule
Certaines observations suggèrent que la ghréline jouerait également un rôle clé dans la motivation à se nourrir. Elle pourrait notamment interagir avec l’amygdale, le cortex orbital et le striatum (75). La ghréline présenterait également des interactions avec le système endocanabinoïdes (46). Ces systèmes sont impliqués dans la régulation non homéostatique de la prise alimentaire et le système de la récompense (Cf I.C Mécanismes de régulation hédonique).
L’insuline
L’insuline est une hormone sécrétée par les cellules β des ilots de Langerhans du pancréas. La sécrétion d’insuline est stimulée par l’arrivée du glucose dans la circulation portale. Ses concentrations augmentent avec l’IMC, et ses effets centraux sont assez similaires à ceux de la leptine (67). Les souris dépourvues de récepteurs à l’insuline dans le SNC développent une hyperphagie et une augmentation du tissu adipeux, alors que les agonistes de l’insuline exercent l’effet inverse (76).
L’insuline a donc une action anorexigène qui passerait par l’hypothalamus (77). Comme la leptine, l’insuline cérébrale inhibe l’expression du NPY et active celle de la POMC. Lorsque le gène codant pour le récepteur à l’insuline au niveau du SNC est invalidé chez l’animal, il développe une hyperphagie et une obésité (78). Cependant, chez les patients souffrant d’obésité on observe une persistance des comportements hyperphagiques malgré des taux élevés circulants de cette hormone, phénomène pouvant s’intégrer dans le concept d’insulino-résistance.
Le GLP-1
Le glucagon-like peptide-1 (GLP-1) a été identifié comme une hormone circulante produite par l’intestin grêle en réponse à l’alimentation (incrétine) et pouvant activer la zone postrema. La libération de GLP-1 est déclenchée par l’ingestion de glucides, de lipides et de protéines et semble refléter, au moins en partie, la détection directe des nutriments par les processus apicaux des cellules L intestinales (79). Chez l’homme, l’administration de GLP-1
d’un renforcement gustatif aversif (81). En périphérie, le GLP-1 stimule la lipolyse, l’expression de l’adiponectine et augmente la dépense énergétique via la thermogénèse (54).
Autres signaux
Le peptide YY (PYY) a récemment été reconnu comme une autre hormone intestinale susceptible de réguler la prise de nourriture. Le PYY est libéré des cellules entéro-endocrines dans l’intestin grêle et inhibe la prise alimentaire chez les rongeurs et les humains (67). Il présente un effet satiétogène. Bien que le mécanisme d’action ne soit pas complètement élucidé, PYY semble inhiber les neurones NPY/AgRP et activer les neurones POMC/CART dans le noyau arqué via ses récepteurs Y2. La perfusion de PYY à des doses physiologiques inhibe la vidange gastrique ainsi que la sécrétion d’acide gastrique et la sécrétion exocrine pancréatique (82,83).
La cholécystokinine (CCK) est un peptide synthétisé par l’intestin et le cerveau et peut être considérée comme un « facteur de satiété » physiologique (84,85). Sa fonction première est de diminuer l’apport alimentaire, mais il inhibe également la vidange gastrique, favorise les sécrétions pancréatiques et provoque la contraction de la vésicule biliaire (84). La CCK possède deux types de récepteurs : les récepteurs 1 et les récepteurs 2. Les récepteurs CCK-1 sont situés sur les fibres afférentes du vagal dans le corps de l’estomac et sur le sphincter pylorique de l’estomac. Lors de leur activation, ces afférences vagales peuvent transmettre des informations au cerveau, entraînant une inhibition de la prise de nourriture (86,87). De plus, il est prouvé que la cholécystokinine peut provoquer la libération de CRH dans l’hypothalamus, ce qui contribue à une diminution de l’appétit (88).
Figure 3 : Vue schématique de la régulation homéostatique de la prise alimentaire, issue de Williams & Elmquist
(53).
(a) Il a été démontré que de multiples facteurs périphériques modifiaient l’apport alimentaire et la dépense énergétique en raison d’effets directs sur le SNC.
(b) Les preuves suggèrent que la signalisation par la mélanocortine régule ces processus physiologiques au moyen de projections neuronales distinctes provenant des neurones POMC du noyau arqué (Arc). En fin de compte, les neurones exprimant le récepteur MC4 (MC4R) en aval des neurones POMC agissent pour supprimer la prise de nourriture et augmenter la dépense énergétique. Les neurones NPY/AgRP hypothalamiques, le noyau paraventriculaire des neurones de l’hypothalamus (PVH) et du VMH, ainsi que les neurones de la CVC du cerveau postérieur, du noyau parabrachial (PBN) et de la colonne de cellules intermédiaires de la moelle épinière (IML), régulent également ou contre-régulent ces activités. PP, polypeptide pancréatique ; PYY, peptide YY ; 3V, troisième ventricule.
En quelques mots :
La régulation homéostatique a principalement lieu au niveau hypothalamique (cf Figure 3). Elle implique notamment les neurones de « premier ordre » à NPY/AgRP (voie orexigène) et POMC/CART (voie anorexigène). Ces deux sous-populations neuronales interagissent de manière antagoniste et se projettent vers des neurones de « second ordre » localisés dans le noyau paraventriculaire (PVN), le noyau ventromédian (VMN) et l’hypothalamus latéral (LH). Différentes hormones périphériques vont interagir avec ce système, en informant l’hypothalamus de l’état des réserves énergétiques de l’organisme, notamment la leptine, l’insuline, le GLP-1, la CCK (anorexigène et/ou satietogène) et la ghréline (orexigène).