Article pp.25-41 du Vol.24 n°1 (2004)

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FOCUS : Neurobiologie du comportement alimentaire

SUBSTRATS NEUROANATOMIQUES DE LA PRISE ALIMENTAIRE

P.-Y. Risold*, B. Griffond¹

SUMMARY

From several decades ago, it has been pointed out that the hypothalamus is essential for the expression of feeding behaviors. Several interconnected structures within the hypothalamus are recipients of afferents from the periphery, and play a primary role in maintaining homeostasis and in repro- ductive behaviors. However, many other areas of the brain localized in dif- ferent levels of the central nervous system, are involved in circuits concerned with feeding, suggesting several levels of controls.

Key words

hypothalamus, motor pattern generator, feeding behavior.

RÉSUMÉ

Depuis plusieurs décennies, l’hypothalamus est désigné comme étant un acteur essentiel de l’expression des comportements liés à la prise alimentaire. Certaines structures interconnectées de ce territoire reçoivent des informations nerveuses ou humorales de la périphérie, et jouent un rôle essentiel pour le maintien des grands équilibres homéostatiques et la reproduction.

Cependant, l’analyse des circuits neuronaux susceptibles d’intervenir dans le contrôle de ces comportements laisse apparaître que de très nombreuses régions du SNC sont impliquées, trahissant l’existence de plusieurs niveaux de contrôle localisés dans divers étages du système nerveux central.

Mots clés

hypothalamus, « motor pattern generator », comportement.

1. Laboratoire d’histologie, Faculté de médecine et de pharmacie, 19, rue Ambroise-Paré, 25041 Besançon cedex, France.

Correspondance : pierre-yves.risold@univ-fcomte.fr

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L’hypothalamus (petite région à la base du diencéphale – figure 1A) a été suspecté depuis plus de 150 ans d’être une structure essentielle du contrôle de la prise alimentaire, notamment afin d’assurer le maintien des grands équilibres homéostatiques (HOEBEL, 1997 ; SCHWARTZ et al., 2000). Cette région du sys- tème nerveux central semble indispensable à l’initiation des comportements liés à la recherche et l’ingestion de nourriture, et que l’on peut rassembler sous le terme de comportements de prise alimentaire. Le substrat anatomique sous- jacent a fait l’objet d’un nombre impressionnant de travaux, essentiellement chez le rat. L’organisation générale des connexions qui associent entre elles les structures hypothalamiques impliquées commence à être connue chez cette espèce, encore que beaucoup de points très obscurs restent à élucider. Par ailleurs, l’intégration de ces circuits intra-hypothalamiques dans des réseaux plus étendus susceptibles de les contrôler, de leur fournir les informations sensorielles indispensables, ou de relayer les informations motrices, a aussi fait l’objet d’intenses recherches.

Dans ce travail, nous avons tenté d’effectuer une synthèse des principales données anatomiques concernant les réseaux expérimentalement impliqués dans la prise alimentaire chez le rongeur. Puisque l’hypothalamus semble occu- per une position centrale dans l’expression de ces comportements, la descrip- tion de ces réseaux se fera en plusieurs volets qui concerneront l’analyse de l’organisation des circuits intra-hypothalamiques, puis celle des voies afférentes sensorielles, et enfin des liens anatomiques les connectant aux centres moteurs ou supérieurs.

Figure 1A

Localisation de la région hypothalamique sur une coupe schématisée du cerveau de rat dans le plan sagittal, et représentation schématique d’une coupe horizontale

idéalisée de l’hypothalamus de rat (d’après SWANSON L.W. (1992).

Brain Maps : Structure of the Rat Brain. Amsterdam : Elsevier) sur laquelle sont figurées les principales divisions de l’hypothalamus.

Voir le texte pour plus de détails.

LHApfx

MPN AHN

PVH

SON VMH

DMH

ARH

MM SUM

PMv PMd

NSC

LHA zone latérale LPO

zone médiane

zone périventriculaire aire préoptique

aire antérieure aire tubérale aire postérieure Cortex Cérébral

Bulbe Olfactif

Thalamus Hypothalamus

Cervelet

Tronc Cérébral

corps calleux commissure antérieure

commissure postérieure

chiasma optique

commissure supramammillaire

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1 – CIRCUITS INTRA-HYPOTHALAMIQUES

L’hypothalamus a été reconnu en tant que structure du système nerveux à la fin du 19^e siècle, mais il a fallu les travaux de Cajal, Gurdjan, Rose, LeGros Clark pour que s’imposent les premières théories de l’organisation anatomique de cette région obscure du SNC (références et détails historiques complémen- taires dans MORGANE, 1979 ; SWANSON, 1987). De ces travaux, augmentés de ceux de beaucoup d’autres auteurs dans les décennies suivantes, il apparaît que l’hypothalamus peut être divisé en quatre aires rostrocaudales et trois zones longitudinales qui circonscrivent ainsi environ douze « secteurs » (figure 1A). Cette représentation très géométrique a été jusqu’à présent accep- tée plus par convention que conviction, aucun neuroanatomiste sérieux ne pou- vant véritablement reconnaître de limites claires entre ces différentes régions sur ses coupes histologiques. Par ailleurs, les données hodologiques, chémoar- chitecturales et ontogénétiques récentes ne parviennent pas à étayer cette perception très ordonnée des principales divisions de l’hypothalamus. De nouvelles théories émergent donc, dépassant le cadre de l’hypothalamus et qui remodèlent les schémas classiques de l’organisation de l’ensemble du cerveau antérieur. Cependant, s’il est perceptible que les choses sont sur le point de changer, les modèles ne sont pas encore prêts et la forme qu’ils revêtiront reste encore imprécise. Néanmoins, il apparaît maintenant évident que les notions de centres hypothalamiques sont erronées ; elles étaient déjà vertement et juste- ment combattues il y a plus de 20 ans par certains auteurs tel que MORGANE

(1979). Qu’on le veuille ou non, le cerveau est constitué au moins en partie de neurones qui, se connectant les uns aux autres, constituent des réseaux. La compréhension de l’organisation de ces réseaux est indispensable à la compré- hension du fonctionnement de l’organe.

L’hypothalamus n’échappe pas à cette règle, et très récemment, plusieurs circuits intra-hypothalamiques ont été décrits (RISOLD et al., 1997). Au moins cinq systèmes semblent identifiés jusqu’à présent, mais l’évolution rapide des connaissances dans ce domaine devrait aboutir à la caractérisation d’un plus grand nombre. Quatre de ces systèmes impliquent les noyaux de la zone médiane de l’hypothalamus, et jouent un rôle dominant dans l’expression de comportements sociaux (noyaux préoptique, antérieur, ventromédian, préma- millaires qui interviennent dans les comportements liés à la reproduction et de défense), dans certains aspects liés à la mémoire spatiale (noyaux mamillaires), ou dans la genèse des rythmes circadiens (noyau suprachiasmatique). Les neurones neuroendocriniens, bien qu’impliqués dans des fonctions distinctes suivant la nature de l’hormone qu’ils sécrètent, partagent entre eux des caractéristiques communes, notamment des projections vers l’éminence médiane et/ou le lobe postérieur de l’hypophyse, et une localisation quasi- exclusive dans la zone périventriculaire de l’hypothalamus. Dans ces noyaux périventriculaires, les neurones neuroendocriniens côtoient des neurones non neuroendocriniens qui développent d’abondantes projections intra- et extra- hypothalamiques. Ces neurones sont largement interconnectés, formant un cin- quième système. Ce cinquième système reçoit des afférences différenciées des structures hypothalamiques et extra-hypothalamiques impliquées dans les comportements sociaux, contrôlant ainsi la composante neuroendocrinienne

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nécessaire à l’expression de ces comportements (THOMPSON et SWANSON, 2003).

Cependant, la zone périventriculaire de l’hypothalamus renferme aussi des populations de neurones qui sont expérimentalement impliqués dans le contrôle de la balance énergétique et le maintien du poids corporel. Le noyau arqué renferme plusieurs populations de neurones caractérisés par l’expression de neuropeptides dont les effets opposés sur la prise alimentaire sont recon- nus. Parmi ces peptides, il faut citer le neuropeptide Y qui a une action orexi- gène très importante, notamment lorsqu’il est injecté dans le noyau paraventriculaire, suggérant que les projections des neurones du noyau arqué producteurs du neuropeptide Y sur le noyau paraventriculaire sont essentielles pour le contrôle de la prise alimentaire. Ces mêmes neurones co-expriment le peptide AGRP (pour agouti-related peptide) qui possède aussi des effets orexi- gènes importants. La pro-opiomélanocortine, et donc certains des peptides issus de ce précurseur (en particulier l’α-mélanotropine), joue un rôle opposé à celui du neuropeptide Y comme en témoigne l’obésité qui frappe dès le très jeune âge les sujets atteints d’anomalies génétiques empêchant la transcription de l’ARNm de ce précurseur (KRUDE et al., 1998). Le noyau arqué projette dans divers territoires hypothalamiques et extra-hypothalamiques, mais ce sont les projections des neurones à NPY sur le noyau paraventriculaire qui ont été le plus étudiées en ce qui concerne la prise alimentaire. Cependant, outre par des projections directes, les noyaux arqué et paraventriculaire sont connectés aussi par l’intermédiaire du noyau dorsomédian (figure 1B). Les connexions de ce dernier noyau ont été réexaminées en détail récemment chez le rat (THOMPSON

et al., 1996). Ces travaux confirment des projections très abondantes sur le noyau paraventriculaire. Toutefois, les fonctions de ces projections ne sont pas encore élucidées. Certaines d’entres elles contiennent le peptide galanine dont l’action sur la prise alimentaire a été démontrée. Certains axones issus du noyau dorsomédian empruntent une route périventriculaire pour atteindre le noyau paraventriculaire, mais d’autres, plus nombreux, empruntent une voie latérale, innervant au passage les aires périfornicales tubérales de l’hypothalamus latéral.

Figure 1B

Les noyaux paraventriculaire (PVH), arqué (ARH) et dorsomédian (DMH) sont étroitement interconnectés et reliés aux aires périfornicales de l’hypothalamus

latéral (LHApfx). Ce circuit intrahypothalamique joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la balance énergétique, et est donc essentiel à l’expression

des comportements liés à la prise alimentaire. Les peptides NPY, POMC, galanine (GAL), MCH et Hcrt sont certains des médiateurs principaux

impliqués dans ces connexions.

MCH, Hcrt LHApfx

PVH

DMH

ARH

NPY POMC

GAL

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Jusqu’à présent, l’hypothalamus latéral n’a été associé à aucun des systè- mes décrits plus haut parce que trop peu est connu concernant son organisation anatomique et ses fonctions. Cependant, plusieurs populations de neurones caractérisées par l’expression d’un ou plusieurs neuropeptides semblent participer aux comportements d’ingestion. Il s’agit des neurones producteurs de l’hormone de mélano-concentration (MCH) et ceux producteurs des récemment identifiées hypocrétines/orexines (Hcrt). Les neurones à prépro-Hcrt sont localisés dans les aires périfornicales tubérales (au niveau du noyau dorso- médian) (PEYRON et al., 1998 ; SAKURAI et al., 1998 ; WANG et al., 1998). Les neurones à MCH ont une aire de distribution qui englobe des aires tubérales antérieures, médiales, mais aussi plus dorsales et postérieures (BITTENCOURT et al., 1992). Une fraction de ces neurones est la cible d’une innervation des fibres du noyau arqué, mais aussi du noyau dorsomédian. Cependant ces projections n’affectent pas tous les neurones de ces deux populations, loin de là, et les peptides MCH et Hcrt sont impliqués dans d’autres fonctions (voir GRIFFOND et BAKER, 2002, pour revue). La caractéristique essentielle des connections de ces neurones tient dans le caractère très ubiquiste (mais pas uniforme) de la distribution de leurs projections.

2 – AFFÉRENCES

L’hypothalamus reçoit des afférences (sensorielles ou à informations poly- modales complexes dites limbiques) de diverses origines. L’analyse de leur distribution montre que beaucoup d’entre elles se superposent aux systèmes hypothalamiques précédemment décrits. Ainsi, par exemple, les noyaux qui contrôlent les comportements sociaux reçoivent des afférences phéromonales abondantes originaires des bulbes olfactifs accessoires et relayées par le noyau médian de l’amygdale et des informations limbiques essentiellement des régions septales. Les noyaux mamillaires sont la cible de projections descendantes depuis le subbiculum dorsal qui contient de nombreux neurones qui déchargent suivant la place de l’individu dans un espace particulier ; le noyau suprachiasmatique quant à lui est la cible d’afférences rétiniennes abondantes.

Deux grands types d’afférences atteignent l’hypothalamus qui vont influencer les comportements de prise alimentaire (pour revue, voir SWANSON, 1987 ; RISOLD et al., 1997). Il s’agit d’afférences sensorielles (viscérales essentielle- ment), mais aussi d’afférences descendantes à information plus cognitive (émo- tionnelle, environnementale).

2.1 Afférences sensorielles

Chez le rongeur, et en particulier le rat de laboratoire sur lequel a porté la vaste majorité des travaux de recherche, l’olfaction et les informations quant à l’équilibre de la balance énergétique sont essentielles pour l’expression des comportements de prise alimentaire. En effet, des rats auxquels l’ensemble du néocortex a été enlevé sont capables de se nourrir et de maintenir leur poids corporel en laboratoire, bien qu’il soit évident que, dans des conditions

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sauvages, l’individu a besoin de l’intégrité de son système nerveux central pour être capable de trouver sa nourriture (KOLB et TEES, 1990).

2.1.1 Afférences olfactives (figure 2)

L’hypothalamus est très largement influencé par des informations olfactives.

Cependant, seuls les bulbes olfactifs (glomérules) sont directement innervés par les fibres des neurones sensoriels de la muqueuse olfactive (1^re paire de nerfs crâniens), et les bulbes olfactifs eux-mêmes semblent très peu irriguer directement l’hypothalamus (seul le noyau supraoptique reçoit des afférences directes très peu abondantes de cellules mitrales). La vaste majorité des projections olfactives font donc synapse dans des territoires assimilés à des aires du cortex olfactif (noyau olfactif antérieur, cortex pyriforme, noyaux corticaux antérieur et postérolatéral de l’amygdale) ou du striatum/pallidum olfactif (tubercule olfactif et régions sous-jacentes de la substance innominée), avant d’atteindre l’hypothalamus. Les projections de ces territoires pénètrent l’hypothalamus par le faisceau médian du télencéphale. De nombreuses études à la fois anatomiques et électrophysiologiques ont montré que certaines parties très postérieures de l’hypothalamus latéral, voisines du pédoncule cérébral, sont les plus intensé- ment innervées. Malheureusement, parce que l’hypothalamus latéral est peu différencié, il est très difficile actuellement de définir plus précisément leurs frontières cytoarchitecturales.

Figure 2

Représentation schématique sur une coupe sagittale idéalisée du cerveau de rat (d’après SWANSON L.W. (1992) Brain Maps : Structure of the Rat Brain.

Amsterdam : Elsevier) des trajets empruntés par les informations olfactives (flèches grises) et viscérales (flèches noires). La région plus foncée dans le tronc cérébral et l’hypothalamus correspond aux cavités ventriculaires

sur ce schéma et les suivants.

Des noyaux de la zone médiane de l’hypothalamus (noyaux préoptique médian, antérieur, ventromédian) reçoivent des projections issues du noyau cortical postérolatéral de l’amygdale et transitant par la strie terminale. Ces noyaux hypothalamiques sont également la cible de projections beaucoup plus denses qui transitent par la même voie mais sont issues des noyaux amygda- liens médian et postérieur, et transmettent des informations phéromonales originaires des bulbes olfactifs accessoires. Ces dernières afférences sont le plus souvent associées aux comportements sociaux (reproduction, défense) et ne seront pas analysées plus avant.

OB

AON

TO SI

AMY LHA I

PVH ARH

PB

NTS VM

VII, IX, X

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Enfin, les zones périventriculaire et médiane de l’hypothalamus reçoivent des afférences olfactives, en plus de celles déjà citées sur le noyau supraoptique, depuis certaines aires télencéphaliques ventrales (substance innominée, noyaux du lit de la strie terminale).

2.1.2 Afférences viscérales

Les informations renseignant le SNC sur l’état physiologique de l’individu sont toutes ici rassemblées sous le terme de viscérales, mais concernent des phénomènes aussi divers que la pression artérielle ou la motilité gastro-intestinale. Dans le même chapitre seront abordées les voies du goût qui suivent dans le SNC des trajets parallèles à ceux empruntés par les afférences viscérales proprement dites. Par ailleurs, certains organes sont des glandes endocrines, et les hormones qu’ils sécrètent influencent le SNC. Ainsi, parallèlement à des afférences viscérales nerveuses, le SNC, et en particulier l’hypothalamus, expriment des récepteurs à beaucoup de ces hormones circulantes dont certaines sont importantes pour l’expression des comportements de prise alimentaire.

D’autres molécules, par exemple issues de la digestion, franchissent la barrière hémato-encéphalique, et peuvent être rassemblées avec les hormones dans un groupe d’afférences viscérales humorales.

2.1.2.1 Nerveuses (figure 2)

Le noyau du tractus solitaire est le principal récipiendaire des afférences sensorielles des nerfs VII, IX et X qui transmettent les informations issues de la bouche, du pharynx, de l’oesophage, et du reste de l’appareil digestif vers le SNC. D’une manière générale, il semble que le VII et le IX irriguent les régions rostrales du noyau du tractus solitaire, et le X l’ensemble du même noyau.

Le noyau du tractus solitaire projette directement dans l’hypothalamus, et il n’est pas déraisonnable de penser que l’analyse de la distribution de ses projections doit aider à la caractérisation des noyaux ou aires intervenant dans des processus liés au traitement de l’information viscérale, et donc, pour une part d’entre eux, dans le maintien de la balance énergétique et les comportements de prise alimentaire. Les travaux effectués par diverses équipes, par des techni- ques de marquage antérograde des axones, concordent tous sur le fait que ces projections ne se distribuent pas de manière homogène. Par ailleurs, les régions rostrales et caudales du noyau du tractus solitaire ne contribuent pas de la même manière à ces projections. Les aires les plus rostrales ne semblent innerver significativement que des territoires très postérieurs et latéraux du LHA. Par contre, les aires plus postérieures du NTS projettent dans de très nombreux noyaux hypothalamiques. Les noyaux de la zone périventriculaire de l’hypothalamus (incluant le noyau dorsomédian), ainsi que de nombreuses aires indiffé- renciées du LHA et l’aire préoptique médiane sont les principales cibles de ces projections. Les autres noyaux de l’hypothalamus médian (noyaux antérieur, ventromédian, prémamillaire dorsal, et mamillaires médian et latéral) ne sont que peu innervés.

Le noyau du tractus solitaire peut également influencer indirectement l’hypothalamus par l’intermédiaire du noyau parabrachial ou des groupes caté- cholaminergiques A5, A1, et C1 (le noyau du tractus solitaire contenant lui- même les groupes A2 et C2). Les projections de ces noyaux sur l’hypothalamus

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se superposent relativement bien à celles du noyau du tractus solitaire, et on peut considérer qu’elles convergent sur les mêmes noyaux et aires. Pour se convaincre de ce phénomène, il suffit d’observer que la distribution du marquage pour l’adrénaline, la noradrénaline ou leurs enzymes de synthèse se situe essentiellement dans les structures hypothalamiques précédemment citées.

Cependant, les efférences du noyau parabrachial innervent aussi certains territoires ou noyaux peu innervés directement par le noyau du tractus solitaire ; en particulier, on peut noter des projections très denses de certaines régions laté- rales du parabrachial sur le noyau hypothalamique ventromédian.

2.1.2.2 Humorales/hormonales

Dans un travail de synthèse récent, BROBERGER et HÖKFELT (2001) compa- raient le noyau arqué de l’hypothalamus à un relais ou senseur métabolique. En effet, ce petit noyau est sensible à la majorité des hormones circulantes susceptibles d’affecter au niveau central la prise alimentaire. En particulier, des neurones de ce noyau expriment les récepteurs à la leptine, insuline, glucocorti- coïdes, estrogènes, progestérone, hormone de croissance. Les neurones à NPY et à POMC précédemment cités expriment plusieurs de ces récepteurs.

En fait, de très nombreuses molécules sont capables de traverser la barrière hémato-encéphalique, soit directement (molécules lipophiles ; ex : stéroïdes), soit par les organes circumventriculaires (ex : angiotensine par l’organe subfor- nical), ou encore par l’intermédiaire de récepteurs agissant comme des trans- porteurs (ex : glucose). Il est impossible en quelques pages de détailler l’organisation de ces interactions qui restent encore souvent peu connues.

Nombre de ces molécules jouent cependant un rôle essentiel dans les comportements de prise alimentaire. Un des meilleurs exemples est la leptine qui est une hormone synthétisée par les adipocytes blancs. Une déficience de la syn- thèse de cette hormone ou de celle de son récepteur se traduit par une obésité sévère et précoce (FLIER, 1998). La forme longue du récepteur à cette hormone, par laquelle elle agirait sur la prise alimentaire, est exprimée dans de nombreux territoires du SNC, en particulier corticaux et de nombreux noyaux du thalamus.

Dans l’hypothalamus, elle est observée avec le plus d’abondance dans les noyaux arqué, dorsomédian, ventromédian, prémamillaire ventral, paraventriculaire, et dans des aires hypothalamiques latérales.

2.1.3 Autres afférences sensorielles

Rétiniennes

Dans l’hypothalamus, le noyau suprachiasmatique est la cible principale des afférences issues de la rétine et qui transitent par le tractus rétino-hypothalamique. Ces afférences sont indispensables à la genèse et au maintien du rythme circadien par le noyau suprachiasmatique qui, par l’intermédiaire de projections sur la région subparaventriculaire et sur les noyaux antéroventral périventricu- laire, paraventriculaire, dorsomédian et ventromédian, impose le cycle circadien à la sécrétion des hormones neurohypophysaires et influence l’expression de comportements instinctifs, tels que ceux liés à la prise alimentaire ou la reproduction.

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Chez certaines espèces (ex : prédateurs), la vision joue un rôle essentiel.

Cependant, les voies concernées (les premières synapses) connectent essentiellement le tectum, des noyaux du thalamus et les aires corticales occipitales, mais n’impliquent pas l’hypothalamus.

Auditives et somatosensorielles

L’hypothalamus ne reçoit pas d’afférence directe depuis les noyaux cochléaires ou le tubercule quadrijumeau inférieur. En revanche, une région peu différenciée, ventrale au corps genouillé médian (thalamus auditif) et souvent appelée aire péripédonculaire, reçoit des projections depuis le tubercule quadrijumeau inférieur et d’abondantes fibres issues des cornes dorsales de la moelle épinière. Cette aire péripédonculaire projette abondamment dans l’hypothalamus, en particulier dans le noyau ventromédian, et les informations qu’elle transmet sont indispensables à l’expression du réflexe de lordose. Ses autres projections sont encore peu connues.

Enfin, certaines aires hypothalamiques latérales et le noyau paraventriculaire reçoivent quelques fibres directement des cornes dorsales de la moelle épi- nière.

2.2 Afférences cognitives

L’hypothalamus reçoit des afférences cognitives susceptibles d’exercer un contrôle volontaire sur l’expression des comportements instinctifs. Encore une fois, il est impossible ici de détailler l’organisation de ces connexions. Parmi les grands principes à retenir, il faut noter la très grande convergence d’afférences de certaines aires préfrontales, de l’hippocampe, et de l’amygdale sur l’hypothalamus. Ces projections empruntent des faisceaux bien caractérisés depuis l’application de la technique de Golgi, notamment du plus médian au plus laté- ral, la strie terminale, le faisceau cortico-hypothalamique médian, le fornix, le faisceau médian du télencéphale. L’ensemble de la zone périventriculaire de l’hypothalamus (incluant encore le noyau dorsomédian) est épargné par ces projections corticales directes. En revanche, les noyaux de la zone médiane sont intensément irrigués par la strie terminale et certains d’entre eux par le faisceau cortico-hypothalamique médian, ce qui signifie une convergence d’informations du cortex amygdalien et de régions ventrales des formations hip- pocampiques (subbiculum). Le fornix est constitué des projections issues du subbiculum dorsal, et innerve les noyaux mamillaires médian et latéral. Enfin le faisceau médian du télencéphale renferme des fibres du cortex amygdalien et autre cortex olfactif (noyau olfactif antérieur, cortex piriforme) ainsi que des fibres issues de régions préfrontales médianes et insulaires.

L’ensemble de l’hypothalamus reçoit des informations corticales indirectes, c’est-à-dire depuis les noyaux de la base. Trois grands points sont à noter :

– à l’inverse des projections directes qui sont glutamatergiques (excitatrices), les indirectes sont massivement gabaergiques (inhibitrices) et pepti- dergiques (excitatrices ou inhibitrices) ;

– ces projections sont issues des aires striatales ventrales, médiales et amygdaliennes (pour la définition de ces termes, se reporter à RISOLD et al., 1997 ; SWANSON et PETROVICH, 1998 ; SWANSON et RISOLD, 2000), ainsi que des aires pallidales associées (substance innominée, complexe du

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septum médian, noyaux du lit de la strie terminale). Par l’intermédiaire de ces territoires, l’ensemble de la formation hippocampale (y compris le cortex entorhinal et périrhinal), la vaste majorité du cortex préfrontal (médial, orbital et insulaire) ainsi que du cortex olfactif (voir plus haut le paragraphe sur l’olfaction) influencent l’hypothalamus ;

– enfin, ces projections indirectes intéressent massivement les trois zones de l’hypothalamus, donc y compris la zone périventriculaire.

Analyser plus en détail la signification de ces projections n’est pas aisé parce que leur organisation n’est pas toujours très bien comprise. Cependant, il semble clair que certaines aires du cortex insulaire (ex : agranulaires insulaires, gustative) jouent un rôle important dans l’intégration viscéro-sensorielle et les comportements de prise alimentaire, et projettent directement dans l’hypothalamus. D’après ce qui a été décrit plus haut, ces projections vont innerver quasi- exclusivement l’hypothalamus latéral. À titre d’exemple, l’hypothalamus latéral est associé au circuit d’aversion conditionnée au goût (conditioned taste aver- sion) qui fait intervenir le cortex gustatif et plusieurs noyaux de l’amygdale, ainsi que les noyaux du tractus solitaire et parabrachial (figure 3) (YAMAMOTOet al., 1994). Par ailleurs, l’hypothalamus latéral est un des sites impliqués dans les réponses « de récompenses, d’autostimulation et de motivation ». Ces phéno- mènes font intervenir certaines aires striatales ventrales (accumbens), pallidales ventrales et tegmentales ventrales. Ces régions sont interconnectées, et les projections entre striatum ventral et aire tegmentale ventrale (de Tsaï) transitent par le faisceau médian du télencéphale, donc traversent l’hypothalamus latéral.

Il n’est pas clairement établi de quelle manière ces projections impliquent ce dernier territoire, cependant les aires hypothalamiques latérales sont également la cible d’afférences cholinergiques excitatrices (BAYER et al., 1999) ; les noyaux pontomésencéphaliques à l’origine de ces projections sont, eux, étroitement connectés aux aires tegmentales ventrales et à la substance noire.

Figure 3

Amsterdam : Elsevier) des trajets empruntés par les circuits liés au phénomène d’aversion conditionnée au goût

(flèches noires : voies ascendantes ; flèches grises : voies descendantes).

PB

NTS VII, IX, X LHA

TH AMY GU

GSM

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3 – EFFÉRENCES ET ASPECTS MOTEURS

Dans l’introduction, nous avons insisté sur le fait que de très nombreuses régions du SNC sont impliquées dans la prise alimentaire. Il est donc quasi- impossible d’entrer dans le détail des efférences somatomotrices et végétatives ou hormonales responsables de l’expression de ces comportements. Cepen- dant, s’il est des réponses qui semblent plus particulièrement spécifiques à ces comportements, ce sont bien celles qui gouvernent l’ingestion proprement dite (mastication, déglutition), et les aspects viscéro-moteurs associés à la digestion (ou la préparation de la digestion) (ex : sécrétion gastrique et péristaltisme gastro-intestinal).

Chez des animaux ayant subi une décérébration supracolliculaire (GRILL et KAPLAN, 1990), il a été clairement démontré que le tronc cérébral gouverne les aspects moteurs et sensoriels de l’ingestion proprement dite. Les rats survivant à ce type de préparation sont aphagiques et adipsiques et doivent être nourris par intubation gastrique. Cependant, ils répondent à des stimuli de la cavité buccale, et notamment ils sont capables d’effectuer les séquences motrices nécessaires à l’ingestion de nourriture lorsque celle-ci est introduite dans la bouche, de discriminer certains goûts, et de répondre à des signaux intérocep- tifs régulant l’ingestion (remplissage stomacal, hormone gastro-intestinale indui- sant la satiété). Ces expériences s’accordent avec l’hypothèse d’un générateur bulbaire de schémas moteurs (motor pattern generator) pour la mastication – déglutition, qui projette sur les motoneurones des VII, X, et XII, eux-mêmes innervant les muscles de la mâchoire, de la langue, et du pharynx, mais elles plaident aussi en faveur d’un centre (fonctionnel mais peut-être pas anatomiquement localisé dans une structure unique) initiateur de ce générateur, contrôlé lui-même par les afférences sensorielles issues du tractus digestif (LUND, 1991 ; THEXTON, 1992 ; TRAVERS et al., 1997 ; LUND et al., 1998). Comme indiqué plus haut, ces afférences sensorielles pénètrent le SNC par le VII, IX, et X, et se terminent dans le noyau du tractus solitaire. Le noyau du tractus solitaire est aussi connecté au noyau moteur dorsal du X et participe au contrôle de l’appareil digestif, il contient également des neurones assimilés au généra- teur de schéma moteur lié à la déglutition.

Le noyau du tractus solitaire n’est probablement pas la seule structure fai- sant partie de ce que nous avons appelé l’initiateur, d’autres structures du tronc cérébral doivent aussi participer au traitement initial de l’information sensorielle reçue par le noyau du tractus solitaire. Par exemple, le noyau parabrachial est un des noyaux qu’il est le plus tentant de rattacher à cet initiateur, notamment pour le traitement de l’information gustative. L’ensemble initiateur et générateur de schémas moteurs est responsable de l’expression de ce qui peut être appelé le réflexe d’ingestion (plutôt que comportement), l’initiateur étant probablement également concerné par un réflexe de satiété.

Les générateurs de schémas moteurs de ces systèmes sont localisés dans les noyaux réticulés bulbaires. Ils sont sous le contrôle d’afférences diverses (figure 4) : notamment, l’aire motrice de la mâchoire et de la langue, et certaines aires insulaires granulaires projettent abondamment dans ces territoires bulbaires (ZHANG et SASAMOTO, 1990). La stimulation électrique de chacune d’entre elles provoque des mouvements rythmiques des mâchoires. Ces aires

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corticales innervent également certaines régions des noyaux de la base (du noyau caudoputamen et du fundus striatum) qui par leurs connexions avec la substance noire sont également susceptibles d’influencer les générateurs bulbaires (NAKAMURA et al., 1990). Chez le rat, ces aires corticales ne semblent pas développer de liens anatomiques réciproques abondants ; en revanche, les aires insulaires granulaires sont étroitement associées aux aires corticales vis- cérales et insulaires agranulaires, ainsi qu’aux noyaux central et basomédial antérieur de l’amygdale, donc aux circuits impliqués dans les phénomènes d’aversion conditionnée au goût et de médiation de la saveur. Ces mêmes aires projettent encore dans la région postéro-latérale de l’hypothalamus latéral qui, elle-même, développe des connexions abondantes avec le générateur bulbaire.

Enfin, ce dernier est aussi irrigué par des afférences du NTS ainsi que par d’autres trigeminales.

Figure 4

Amsterdam : Elsevier) de certains des circuits centraux intervenant dans le contrôle de la mastication/déglutition. (Flèches grises : voies descendantes depuis les aires

corticales ; flèches noires : voies ascendantes au cortex et descendantes depuis le striatum ; flèche pointillée noire : voie pontocérébelleuse.

Le NTS reçoit des afférences descendantes très diversifiées. Ce noyau est constitué d’une mosaïque de groupes de cellules dont seules certaines sont concernées par l’activité du tractus digestif, alors que d’autres interviennent dans des processus physiologiques tels que le contrôle de la respiration ou du rythme cardiaque. Depuis l’hypothalamus, l’ensemble des structures intercon- nectées qui interviennent dans le contrôle de la balance énergétique (noyaux paraventriculaire, arqué, dorsomédian, et hypothalamus latéral) projette sur le noyau du tractus solitaire (figure 5). Cependant, ce n’est pas par cette seule voie que ces noyaux sont susceptibles d’influencer l’activité viscérale. En effet, les noyaux paraventriculaire et arqué contiennent de nombreuses populations de neurones neuroendocriniens, dont les hormones vont intervenir directement ou indirectement (axe hypothalamo-hypophysaire-organes périphériques) pour contrôler un grand nombre de processus physiologiques.

NTS GU

GSM MO

STR

PAL SN

SC PB

PG

CER

TH

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Figure 5

Amsterdam : Elsevier) de certains des circuits centraux intervenant dans le contrôle des réponses neuroendocriniennes et végétatives liées au maintien de l’homéostasie

et contrôle de la reproduction. Flèches grises (pleines et pointillées) : voies descendantes vers les structures végétatives du tronc cérébral ;

flèches noires : voies neuroendocriniennes.

4 – PRINCIPAUX CIRCUITS

L’organisation des circuits responsables de l’expression des phénomènes moteurs, physiologiques et cognitifs (au moins certains d’entre eux) qui accompagnent la prise alimentaire est bien sûr très complexe. Plusieurs cons- tatations générales s’imposent : tout d’abord l’expression de ces phénomènes dépend de circuits qui connectent des structures télencéphaliques, diencépha- liques et du tronc cérébral. Ces circuits concernent le traitement de l’information viscérale, gustative, d’aversion conditionnée au goût, ou les efférences motrices depuis le cortex moteur ou insulaire vers les neurones prémoteurs et moteurs du tronc cérébral et de l’hypothalamus. Ces circuits sont très souvent interconnectés. Néanmoins, on peut tenter de les regrouper dans de grandes familles suivant les fonctions qu’ils servent et/ou les informations qu’ils traitent ou intègrent.

4.1 Circuits somatomoteurs

Ils servent notamment les fonctions de mastication-déglutition, mais aussi de locomotion, préhension, ... Nous n’allons pas revenir sur leur anatomie si ce n’est pour préciser qu’ils mettent en jeu les systèmes pyramidal et extrapyrami- dal qui contrôlent les générateurs de schémas moteurs du tronc cérébral (locomotion, déglutition).

PVH ARHLHA

nX

Amb IML

GH, TRH, ACTH, PRL, LH, FSH, VP, OX BST

AMY LS

HF

IL X

NTS

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4.2 Circuits de la gustation

Ces circuits sont constitués en partie par les afférences depuis les aires rostrales du noyau du tractus solitaire vers les aires gustatives du cortex cérébral (voir plus haut). Il est possible également d’y adjoindre le circuit d’aversion con- ditionnée au goût. Ainsi, ils font intervenir essentiellement certaines régions du noyau du tractus solitaire, parabrachial, hypothalamus latéral, thalamus, cortex préfrontal (surtout péri-insulaire), amygdale, et striatum ventral. Certaines de ces régions reçoivent également des afférences olfactives depuis le cortex olfactif et peuvent participer à la perception de la saveur qui est un des principaux renforceurs de la prise alimentaire, notamment pendant la phase de consommation. Ce dernier phénomène met probablement en jeu les circuits responsables des réponses de récompense, en particulier le striatum ventral, l’aire tegmentale ventrale (de Tsaï) et aussi l’hypothalamus latéral.

4.3 Circuits viscérosensorimoteurs / maintien de l’homéostasie Ces circuits sont très proches et très largement interconnectés avec les pré- cédents. Ils comportent une composante ascendante depuis les noyaux du tractus solitaire et parabrachial vers le cortex viscéral, et une descendante.

Cette dernière est essentiellement contrôlée par l’hypothalamus qui en contient certains des éléments majeurs puisque la quasi-totalité des neurones neuroendocriniens sont localisés dans la zone périventriculaire, et notamment dans les noyaux hypothalamiques paraventriculaire et arqué. Les neurohormones syn- thétisées par l’hypothalamus sont déterminantes pour le maintien des grands équilibres homéostatiques et pour la reproduction. Certaines d’entre elles interviennent ainsi dans le contrôle du métabolisme glucidique et lipidique. D’autres neurones des noyaux paraventriculaire et arqué, non neuroendocriniens, projettent vers le complexe dorsal du vague et vers les colonnes intermédiolatérales de la moelle, et sont susceptibles de moduler l’expression des réponses viscé- rales directement liées à la prise alimentaire (sécrétion gastrique, motilité gastro-intestinale). Comme nous l’avons vu précédemment, noyaux paraventriculaire et arqué sont très étroitement anatomiquement associés au noyau dorsomédian et à certaines régions périfornicales de l’hypothalamus latéral. Ce circuit intrahypothalamique est sous le contrôle direct et indirect de nombreuses aires télencéphaliques liées au système dit limbique (hippocampe, amygdale).

5 – CONCLUSIONS

De la synthèse exposée dans ce travail, il ressort clairement qu’il n’y a pas un circuit susceptible de contrôler la prise alimentaire. En fait, il existe plusieurs niveaux de contrôle, localisés dans les différents étages du SNC, et qui reflètent une certaine organisation horizontale des circuits gouvernant la prise alimentaire. Dans nos exemples, le tronc cérébral gouverne, en connexion directe avec l’appareil digestif, certains aspects réflexes de l’ingestion et de la satiété ;

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l’hypothalamus contrôle de manière réflexe de nombreux processus métaboli- ques liés au maintien de l’homéostasie, à la croissance, la maturation sexuelle et la reproduction; le télencéphale contrôle l’ensemble des processus cognitifs.

Ces différentes structures sont connectées (organisation longitudinale) pour for- mer les circuits décrits précédemment et qui permettent l’expression du comportement dans sa complexité.

Chez l’homme, les pathologies liées à la prise alimentaire sont en passe de devenir un véritable problème de société. Cependant, à l’exception de rares cas de déficience génétique (ex : leptine, POMC), la très vaste majorité de ces pro- blèmes sont la conséquence de troubles psychologiques (boulimie, anorexie mentale), comportementaux (majeure partie des obésités dues à des problèmes de régime alimentaire) ou pathologiques (ex : SIDA, cancer). Il est clair que comprendre l’organisation des circuits intrahypothalamiques qui contrôlent les divers processus liés au maintien des grands équilibres homéostatiques est indispensable. Cependant, ces structures sont sous la dépendance à la fois de signaux d’origine périphérique et venant d’autres régions du système nerveux central (notamment du système dit limbique). L’étude de l’ensemble de ces interactions devrait permettre de mieux connaître l’origine des troubles ou défi- cits conduisant à la dysrégulation du comportement de prise alimentaire.

ABRÉVIATIONS

AHN : noyau antérieur de l’hypothalamus ; Amb : noyau ambigu ; AMY : amygdale ; AON : noyau olfactif antérieur ; ARH : noyau arqué ; BST : noyaux du lit de la strie terminale ; CER : cervelet ; DMH : noyau dorsomédian ; GSM : générateur de schéma moteur ; GU : aire corticale gustative ; HF : formation hippocampale ; IL : aires corticales infralimbiques ; IML : colonne intermédiola- térale de la moelle ; LHA : aire hypothalamique latérale ; LHApfx : région périfor- nicale du LHA ; LPO : aire préoptique latérale ; LS : noyau latéral du septum ; MM : noyau mamillaire ; MO : aires du cortex moteur ; MPN : noyau préoptique médian ; NSC : noyau suprachiasmatique ; NTS : noyau du tractus solitaire ; nX : noyau moteur du X ; OB : bulbe olfactif ; PAL : pallidum; PB : noyau parabrachial ; PG : noyau du pont ; PMd : noyau prémamillaire dorsal ; PMv : noyau prémamillaire ventral ; PVH : noyau paraventriculaire ; SC : colliculus supérieur ; SI : substance innominée ; SN : substance noire ; SON : noyau supraoptique ; STR : striatum ; SUM : noyau supramamillaire ; TH : thalamus ; TO : tubercule olfactif ; VM : ventrale medulla ; VMH : noyau ventromédian ; I, VII, IX, X : première, septième, neuvième et dixième paires de nerfs crâniens.

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