Autres modèles

2.3.1 La réserpine

La réserpine est un neuroleptique pouvant provoquer des symptômes extra-pyramidaux similaires à ceux que l’on trouve dans la MP. Elle entraîne une déplétion en dopamine au niveau des neurones extra-pyramidaux, en vidant neurones et synapses de la dopamine qu’ils contiennent. Il s’agit donc d’un modèle d’inactivation fonctionnelle réversible du système dopaminergique dans les ganglions de la base. Ce modèle est particulièrement adapté aux études électrophysiologiques, car il engendre des signes de "parkinsonisme" sans entraîner la mort des neurones dopaminergiques (Betarbet et al., 2002).

Figure 4 : Mécanismes impliqués dans la toxicité de la 6-OHDA et du MPTP. (D’après Lambeng et al., 2002).

2.3.2 La roténone

Le modèle "roténone" est un modèle plus récent, qui vise à étudier l’impact de toxines environnementales sur l’étiologie de la MP. Il est basé sur l’administration de roténone, un insecticide naturel dérivé des racines de certaines plantes tropicales (notamment Derris elliptica, Lonchocarpus nicou et Tephrosia vogelii) qui inhibe spécifiquement le complexe I mitochondrial, à l’instar du MPTP. Toutefois, à la différence de celui-ci, la roténone n’utilise pas les transporteurs dopaminergiques pour s’accumuler dans les neurones, et n’est donc pas sélective du système dopaminergique. La destruction des neurones dopaminergiques de la SNc est obtenue par infusion intraveineuse régulière de roténone via une pompe osmotique (Betarbet et al., 2000). Les animaux développent ainsi une lésion bilatérale progressive des neurones de la voie nigro-striatale, couplée à une diminution du signal de la tyrosine hydroxylase et du transporteur de la dopamine. Des inclusions cytoplasmiques dans les neurones dopaminergiques de la SNc, ressemblant aux corps de Lewy et réagissant avec des

anticorps anti-ubiquitine et anti-alpha-synucléine, ont été observées. Du point de vue

comportemental, les rats présentent une bradykinésie, une instabilité posturale ainsi que de légers tremblements. Ces déficits sont améliorés par la prise d’agonistes dopaminergiques (apomorphine) et de L-Dopa.

Toutefois, bien qu’il possède de nombreuses caractéristiques de la maladie humaine, ce modèle présente quelques inconvénients. Tout d’abord, il existe une grande variabilité inter-individuelle dans la réponse à la roténone. Ensuite, les lésions engendrées au niveau du striatum sont focales, et ne correspondent donc pas à la dénervation diffuse observée chez l’homme. Enfin, il semblerait se poser le problème de la reproductibilité du modèle, car peu d’équipes ont réussi à le reproduire en dehors des travaux de Betarbet et al. (2000). Ainsi, Ferrante et al. (1997) ont montré que la roténone engendrait des lésions du striatum et du globus pallidus sans toucher le système dopaminergique chez le rat Sprague-Dawley.

En conclusion, son manque de spécificité pour le système dopaminergique et le manque de reproductibilité du modèle ne font pas de la roténone un très bon outil pour l’étude expérimentale de la MP. Cependant, depuis peu, d’autres pesticides tel le paraquat, un herbicide qui présente une structure similaire à celle du MPP+, sont utilisés pour développer un meilleur modèle animal de la MP (voir pour revue Bove et al., 2005 ; Ossowska et al., 2005).

2.3.3 Les modèles génétiques

La découverte de mutations associées aux formes familiales de la MP a fourni l’opportunité de développer des modèles génétiques qui permettraient une nouvelle approche de la pathogénèse de cette maladie. Les principaux modèles utilisés reposent sur des manipulations (mutation, sur-expression ou knock-out) des gènes impliqués dans des formes familiales de la MP, comme le gène de l’alpha-synucléine, celui de la parkine, de DJ-1 et de Pitx3. Le rôle des produits de ces gènes a été brièvement exposé dans le paragraphe 1.2. Les espèces animales utilisées sont essentiellement la drosophile et la souris.

L’avantage de la drosophile repose sur la bonne connaissance de sa génétique, ce qui permet une caractérisation rapide d’inducteurs ou de suppresseurs de mutation. Feany et Bender ont créé en 2000 un modèle de drosophile transgénique exprimant à la fois une version sauvage et une version mutée du gène de l’alpha-synucléine. Ces mouches montraient une perte de neurones dorso-médians contenant de la tyrosine hydroxylase (TH), l'enzyme de synthèse de la dopamine, des inclusions neuronales marquées pour l’alpha-synucléine, et développaient des dysfonctionnements moteurs avec l’âge. Toutefois, ces problèmes moteurs n’ont pas pu être clairement reliés à des dysfonctionnements des neurones dopaminergiques.

Les souris knock-out (KO) pour le gène de l’alpha-synucléine ne présentent pas de phénotype particulier. D’une part, elles sont viables, fertiles, possèdent une structure cérébrale normale et ne présentent aucun déficit en neurones et terminaisons dopaminergiques (Abeliovich et al., 2000). D’autre part, les neurones dopaminergiques de ces souris KO semblent résistants aux effets du MPTP (Dauer et al., 2002). Ces résultats suggèrent qu’une perte de fonction de l’alpha-synucléine n’est pas la cause de la maladie, et pourrait même représenter une mutation engendrant un "gain de fonction". A l’inverse, la sur-expression du gène normal de l’alpha-synucléine (Masliah et al., 2000) entraîne l’apparition progressive d’inclusions cytoplasmiques et nucléaires immunoréactives pour l’alpha-synucléine, mais qui diffèrent des corps de Lewy. D’autre part, aucune perte de neurones dopaminergiques n’a été décelée, malgré une légère diminution de la densité des terminaisons dopaminergiques intra-striatales. De légers déficits moteurs ont été mesurés chez ces souris, mais leur réversibilité sous traitement dopaminergique n’a malheureusement pas été testée. En revanche, chez les souris sur-exprimant la version mutée de l’alpha-synucléine humaine, des inclusions semblables aux corps de Lewy ont été trouvées dans de nombreuses régions du cerveau, et s’accompagnent de déficits moteurs (Van der Putten et al., 2000 ; Matsuoka et al., 2001 ; Giasson et al., 2002 ; Lee et al., 2002 ; Steece-Collier et al., 2002). Ce modèle représente donc

un bon outil pour l’étude de l’étiologie de la MP, bien que les souris mutées ne présentent pratiquement pas de perte neuronale.

Des souris KO pour la parkine ont été obtenues à partir de la délétion de certains exons : l’exon 3 (Itier et al., 2003 ; Goldberg et al., 2003), l’exon 7 (Von Coelln et al., 2004) et l’exon 2 (Perez et Palmiter, 2005). La délétion de l’exon 3 entraîne une absence de la protéine parkine. Chez ces souris, il n’y a pas de perte manifeste de neurones immuno-positifs pour la TH dans la SNc ou de leurs projections dans le striatum. Cependant, on détecte une augmentation des taux de base de dopamine dans le striatum, une diminution de l’excitabilité des neurones de projection striataux, des désordres sensori-moteurs progressifs, ainsi qu’une certaine vulnérabilité au stress oxydatif (Goldberg et al., 2003 ; Perez et Palmiter, 2005). La délétion de l’exon 7 a pour conséquence une perte de fonction de la parkine (Von Coelln et al., 2004), sans qu’il y ait perte de neurones dopaminergiques nigro-striés, à l’instar de la délétion de l’exon 3. Toutefois, les souris "knock-out" (KO) pour l’exon 7 ne montrent pas tout à fait le même phénotype que celles KO pour l’exon 3. On remarque notamment une perte de neurones du locus coeruleus immunopositifs pour la TH, qui est une caractéristique de la MP (German et al., 1992). Enfin, la délétion de l’exon 2 entraîne également une perte de fonction de la parkine, sans perte neuronale dans la SNc, ni dans le locus coeruleus (Perez et Palmiter, 2005). Ces souris ne présentent pas non plus d’altérations au niveau des taux de catécholamines ou au niveau comportemental.

Tout comme chez les souris KO pour l’alpha-synucléine et la parkine, il n’y a pas de perte des neurones dopaminergiques nigro-striés chez les souris KO pour le gène DJ-1 (Goldberg et al., 2005 ; Kim et al., 2005). Toutefois ces animaux montrent une sensibilité exacerbée à l’effet du MPTP (Kim et al., 2005).

Les souris homozygotes KO pour le gène Nurr1 ne développent pas de neurones dopaminergiques dans la SNc, et meurent peu après la naissance (Zetterstrom et al., 1997). En revanche, les animaux KO hétérozygotes sont viables et normaux en ce qui concerne l’innervation dopaminergique nigro-striatale, mais ils manifestent une vulnérabilité aux neurotoxiques tels que le MPTP (Le et al., 1999). De récentes données montrent qu’avec l’âge apparaissent des désordres touchant les taux de dopamine striataux, les neurones dopaminergiques et l’activité locomotrice (Jiang et al., 2005).

Enfin, les souris déficientes pour le facteur de transcription Pitx3 (souris pitx3-aphakia) montrent une perte sélective des neurones dopaminergiques nigro-striés, ainsi qu’une réduction d’environ 90% des taux de dopamine striataux, sans atteinte des neurones de

l’ATV (Hwang et al., 2003). Des désordres sensorimoteurs accompagnent ce phénotype, mais peuvent être améliorés grâce à un traitement L-Dopa (Hwang et al., 2005).

Les animaux KO pour les gènes Nurr1 et Pitx3-aphakia constituent des modèles très pertinents car ils présentent les caractéristiques de perte neuronale nigro-striée que ne possèdent pas les modèles précédents, et qui pourraient être associées à un stade avancé de la MP. Les modèles de KO pour l’alpha-synucléine, pour la parkine et DJ-1 peuvent néanmoins s’avérer très utiles pour l’étude des phénomènes intervenant durant la phase pré-symptomatique, voire débutante, de la maladie.

3- Les Ganglions de la Base

3.1 Généralités

Les ganglions de la base, également dénommés noyaux gris centraux, sont des structures d’origine diencéphalique et mésencéphalique impliquées dans le contrôle du mouvement volontaire et de la posture, ainsi que dans différentes modalités non motrices, comme la modalité limbique. L’organisation générale de ces structures a été très fortement conservée durant l’évolution depuis la transition Anamniotes/Amniotes.

Ce réseau a été décrit comme étant une juxtaposition de cinq circuits parallèles : moteur, oculo-moteur, dorsolatéral préfrontal, latéral orbitofrontal et cingulaire antérieur (Alexander et al., 1986). Plus précisément, et selon de récentes études, les ganglions de la base apparaîtraient davantage comme acteurs dans la sélection du programme moteur adapté plutôt que dans l’élaboration de celui-ci (Mink, 1996). Partie intégrante d’une boucle fonctionnelle cortex-ganglions de la base-thalamus-cortex, les ganglions de la base intègrent les informations venant du l’ensemble du cortex, puis les ré-envoient une fois traitées vers le cortex frontal via certaines structures mésencéphaliques et diencéphaliques internes ou externes aux ganglions de la base (Figure 5 page 21).

Dans un premier temps, nous présenterons une par une les différentes structures composant les ganglions de la base, puis nous exposerons les différents modèles d’organisation existant, des plus anciens aux plus récents.

3.2 Les structures des ganglions de la base

3.2.1 Le striatum

Le striatum est considéré comme étant la structure d’entrée principale des ganglions de la base, et reçoit des afférences massives issues de l’ensemble du cortex cérébral. Situé dans la partie antérieure du diencéphale à la face ventrale du corps calleux, il est composé de trois

Projections glutamatergiques Projections GABAergiques Projections dopaminergiques Projections cholinergiques Cortex Striatum NST GP SNr GPi/EP SNc Thalamus PPN CS

Figure 5 : Représentation schématique simplifiée du circuit des ganglions de la base.

Les structures faisant partie des ganglions de la base sont signalées par les cadres jaunes. CM/Pf, complexe noyau centromédian-noyau parafasciculaire ; CS, colliculus supérieur ; GP, globus pallidus (segment externe) ; GPi/EP, globus pallidus interne/noyau entopédonculaire ; NST, noyau subthalamique ; PPN, noyau pédonculopontin ; SNc, substance noire compacte ; SNr, substance noire réticulée ; VA, noyau ventral antérieur du thalamus ; VL, noyau latéro-ventral du thalamus ; VM, noyau ventro-médian du thalamus.

parties ou territoires striataux : le noyau caudé, le putamen et le noyau accumbens. Chez les primates, le noyau caudé et le putamen sont séparés par une cloison dans laquelle le réseau corticofugal fusionne avec la capsule interne. Chez le rat, et de manière plus générale chez les rongeurs, les fibres corticofugales sont dispersées, faisant disparaître la séparation entre ces deux noyaux. L’association anatomique noyau caudé-putamen constitue le striatum dorsal, tandis que le noyau accumbens associé de manière fréquente aux tubercules olfactifs forme la partie ventrale du striatum.

3.2.1.1 Anatomie du striatum

Structure des ganglions de la base recevant le plus d’afférences, le striatum est riche en neurones, répartis en deux compartiments anatomiques distincts.

Les compartiments striataux

Le striatum est formé de deux compartiments distincts : les striosomes et la matrice, distincts par leur contenu neurochimique. Les striosomes ou "îlots" représentent des régions bien individualisées, riches en récepteurs morphiniques de type mu (Coyle et Pert, 1976). Ces îlots sont englobés par la matrice occupant plus de 85 % de la surface du striatum, et caractérisée par une forte activité en acétylcholinestérase (Figure 6 page 25) (Gerfen, 1984 , 1985 ; Gerfen et Wilson, 1996). La plupart des autres marqueurs striataux (par exemple : le neuropeptide Y, la substance P, la dynorphine, la calbindine 28K, etc…) se retrouvent à la fois dans les striosomes et dans la matrice, avec toutefois une localisation préférentielle dans l’un ou l’autre des compartiments (voir pour revue Graybiel et Ragsdale, 1983 ; Graybiel 1990).

Cette compartimentation neurochimique est aussi étroitement liée à la topographie des afférences et des efférences striatales (Graybiel et Ragsdale, 1978 ; Herkenham et Pert, 1981 ; Divac, 1983 ; Gerfen, 1984, 1989, 1992 ; Gerfen et al., 1985, 1987 ; Gerfen et Young, 1988). La matrice reçoit d’une part des afférences dopaminergiques provenant de la partie dorsale de la SNc, de l’ATV et du noyau rétrorubral, et d’autre part des afférences corticales sensimotrices et cingulaires. Les striosomes quant à eux reçoivent des afférences dopaminergiques de la SNc ventrale, des îlots dopaminergiques de la substance noire réticulée (SNr) et des cortex limbique et pré-limbique. Pour ce qui est des projections efférentes, la matrice envoie des fibres préférentiellement dans la SNr et le globus pallidus interne (GPi) (noyau entopédonculaire (EP) chez le rat), tandis que les striosomes se projettent dans la SNc (Jimenez-Castellanos et Graybiel, 1987). Ces projections striosomes-SNc sont d’ailleurs

considérées comme une boucle de retour assurant une régulation de la voie dopaminergique nigro-striée (Domesick, 1981).

Les neurones striataux (Tableau 2 page 25)

Le striatum est composé de plusieurs populations neuronales se différenciant essentiellement par des critères morphologiques (taille du soma et aspect des prolongements neuritiques), ainsi que par les neurotransmetteurs qu’ils expriment (GABA, somatostatine, acétylcholine, neuropeptide Y, enképhaline…). Globalement, on distingue des neurones à corps cellulaire de taille moyenne (10 à 20 µm de diamètre) qui représentent plus de 95 % des neurones striataux, et des neurones à gros corps cellulaire (20-60 µm de diamètre), qui représentent seulement 2 à 3% de la population neuronale (voir pour revue Kawaguchi, 1997). Au sein de la population de neurones à corps cellulaire de taille moyenne, on distingue les cellules portant des épines dendritiques et appelées plus communément "medium spiny neurons" ou encore "spiny neurons" de type I, qui sont les neurones de projection du

striatum (DiFiglia et al., 1976 ; Wilson et Groves, 1980 ; Bishop et al., 1982 ; Chang et Kitai,

1982). Leur soma est de forme ovoïde ou polygonale et donne naissance à une arborisation locale importante (nombreuses collatérales intrinsèques), ainsi qu’à environ 7 à 10 troncs dendritiques primaires abondamment fournis en épines (Kemp et Powell, 1971 ; Bolam et al., 1983). L’arbre dendritique de l’une de ces cellules peut atteindre en moyenne 200 µm de diamètre. Ces neurones reçoivent des afférences corticales massives (Somogyi et al., 1981), bien que ces contacts ne soient pas exclusifs, et sont à l'origine des deux grandes voies issues du striatum et projetant soit vers le globus pallidus externe (GPe), soit vers la SNr et le globus GPi (Loopuijt et Van der Kooy, 1985 ; Beckstead et Cruz, 1986 ; Gerfen et Young, 1988 ; Kawaguchi et al., 1990). De nature GABAergique, ces neurones co-expriment, selon le territoire sur lequel ils se projettent, de l'enképhaline (neurones striato-pallidaux) ou de la dynorphine et de la substance P (neurones projetant sur la SNr et le GPi) (Haber et Watson, 1983 ; Beckstead et Kersey, 1985 ; Gerfen et Young, 1988). Les connexions qu’établissent ces neurones jouent un rôle déterminant dans l’organisation fonctionnelle des ganglions de la base (Figure 7 page 25).

Parmi les neurones de taille moyenne, une faible proportion (<3 %) ne porte pas ou peu d'épines dendritiques (respectivement "aspiny neurons" de type I et III, et "spiny neurons" de type II) et constituent une population interneuronale du striatum (DiFiglia et al., 1976 ; Bishop et al., 1982). Certains interneurones sont de nature peptidergique et utilisent comme transmetteurs le neuropeptide Y et la somatostatine, tandis que d’autres sont essentiellement

GABAergiques et contiennent de la parvalbumine (Kita, 1993 ; Kubota et Kawaguchi, 1993 ; Kubota et al., 1993). Ces interneurones reçoivent également des contacts de type symétrique établis par des afférences dopaminergiques au niveau de leur soma et de leurs troncs dendritiques proximaux (Lehmann et Langer, 1983 ; Kubota et al., 1986a ; Kubota et al., 1986b ; Kubota et al., 1987a ; Kubota et al., 1987b ; Vuillet et al., 1989 ; Ovtscharoff, 1992). De plus, sur un type défini de neurone striatal efférent, la position des terminaisons dopaminergiques nigro-striées (cou des épines/tronc dendritique) joue un rôle stratégique pour réguler les entrées corticales et thalamiques situées à un niveau plus distal de l'arborisation dendritique (tête des épines) de ce même neurone. De ce fait, les afférences dopaminergiques nigro-striées peuvent influer directement sur une large variété de neurones striataux.

Enfin, les neurones à gros corps cellulaire sont dépourvus d'épines dendritiques et correspondent à des interneurones de nature cholinergique (Lehman et Langer, 1983 ; Bolam et al., 1984 ; Yelnik et al., 1991; Kawaguchi et Kubota, 1993). Ils présentent un soma oblong, duquel partent des branches dendritiques relativement longues (250-400 µm, voire plus selon

les auteurs). Le champ dendritique ainsi formé pourrait couvrir une aire de plus d’un mm²

sans aucun axe d’orientation particulier.

Récemment, un autre type de neurones striataux exprimant la TH et/ou la

décarboxylase des acides aminés aromatiques (enzyme qui convertit la L-Dopa en

dopamine) a été caractérisé chez le rongeur (Tashiro, 1989a, 1989b ; Mura et al., 1995, 2000 ; Meredith et al., 1999 ; Baker et al., 2003), le singe (Ikemoto et al., 1996 ; Betarbet et al., 1997 ; Betarbet et Greenamyre, 1999 ; Smith et Kieval, 2000) et l’homme (Ikemoto et al., 1997 ; Cossette et al., 1999, 2003, 2004, 2005a). Plus précisément, les travaux de Cossette et al. (2003, 2005a) ont révélé l’existence de quatre types de neurones striataux positifs pour l’immuno-marquage de la TH :

1) des neurones de taille moyenne (≈ 200 µm²) , qui constituent la majeure part des

neurones à TH (58%) ;

2) des neurones à corps cellulaire plus petit (≈ 140 µm2), qui représentent 35% des

neurones à TH;

3) des neurones à gros corps cellulaire (200-600 µm2), qui possèdent des épines

dendritiques et représentent environ 6,5% de ces neurones à TH ;

4) des cellules positives pour la TH qui possèdent une morphologie mixte

neurone/cellule gliale. De plus, il semblerait que ces neurones soient pour la plupart des neurones matures (70%), qui tous exprimeraient l’isoforme 65000 Daltons de la glutamate

décarboxylase, l’enzyme de synthèse du GABA, et dont 30% exprimeraient également de la calrétinine (Cossette et al., 2005b).

Figure 7 : Principales afférences des neurones de projection striataux. (D’après Smith et Bolam, 1990a).

Figure 6 : Coupe coronale de cerveau humain réalisée au niveau striatal et

traitée par marquage de l’enzyme acétylcholinestérase .

Les striosomes, contenant peu

d’acétylcholinestérase, sont faiblement marqués (zones plus claires), tandis que la matrice extra-striosomale riche en

acétylcholinestérase apparaît plus

sombre (zones gris foncé).

Tableau 2 : Récapitulatif non exhaustif des principaux types de neurones de projection et interneurones du striatum (D’après Alexi et al., 2000).

* et ^$ : respectivement 75% et 20% de ces cellules contiennent de la calbindine. ACh :

acétylcholine ; GPe, globus pallidus externe ; GPi, globus pallidus interne ; NADPHd, nicotinamide adenine diphosphate diaphorase ; NOS, nitric oxide synthase ; SNc, substance noire compacte ; SNr, substance noire réticulée.

Type de neurones Structure-cible

Neurotransmetteur Phénotype

(molécules co-exprimées)

Neurones de projection

medium spiny GPe GABA Enkephaline, calbindine*

medium spiny GPi/SNr GABA Substance P, calbindine*

medium spiny SNc GABA Substance P

Interneurones

large aspiny ACh

medium aspiny GABA

medium aspiny GABA NADPHd, NOS, somatostatine,

neuropeptide Y, calbindine^$

medium aspiny GABA Parvalbumine

3.2.1.2 Afférences striatales

Les structures projetant des fibres sur le striatum sont principalement issues de territoires dopaminergiques mésencéphaliques (A8, A9 et A10), du cortex et du thalamus (Figure 8A page 29).

Afférences mésencéphaliques

Les projections issues du mésencéphale, essentiellement de nature dopaminergique, ont été identifiées grâce aux techniques d'histofluorescence qui ont permis de différencier trois ensembles de corps cellulaires dopaminergiques dans le mésencéphale de rat :

- Le groupe A8, correspondant à l’extension postéro-latérale de la SNc, - Le groupe A9, correspondant à la SNc,

- Le groupe A10, correspondant à l'ATV.

Deux systèmes de projection ascendants ayant leur origine parmi l'un ou l'autre de ces groupes ont été mis en évidence : le système méso-striatal et le système méso-cortico-limbique (Björklund et Lindvall, 1984 ; pour revue, Smith et Kieval, 2000).

Le système méso-striatal regroupe d'une part les projections de la SNc sur la région dorsale du striatum (avec quelques projections minoritaires provenant de la SNr, de la région