Etude de la neuromodulation des réseaux neuronaux du cortex

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cortex

Claire Meunier

To cite this version:

Claire Meunier. Etude de la neuromodulation des réseaux neuronaux du cortex. Neurosciences. Université Paris Sud - Paris XI, 2013. Français. �NNT : 2013PA11T089�. �tel-01413774�

UNIVERSITE PARIS-SUD

ÉCOLE DOCTORALE : 419 – Signalisations et Réseaux intégratifs en biologie

Centre de Neurosciences Paris-Sud (CNPS)

DISCIPLINE : Neurosciences

THÈSE DE DOCTORAT

soutenue le 10/12/2013

par

Claire MEUNIER

Etude de la neuromodulation des réseaux

neuronaux du cortex

Composition du jury :

Président du jury : Pr Hervé DANIEL Université Paris-Sud

Rapporteurs : Dr Bertrand LAMBOLEZ CNRS UMR 7102 Université Pierre & Marie Curie Pr Thibault COLLIN Université Paris VII – Diderot

Examinateurs : Dr Pascal CHAMEAU University of Amsterdam Dr Olivier BERGIS Sanofi Exploratory Unit Dr Bruno BITTON Sanofi Exploratory Unit

Remerciements

J’aimerais tout d’abord remercier les membres de mon jury de thèse : le Pr Hervé Daniel pour avoir accepté la présidence de jury, le Dr Bertrand Lambolez et le Pr Thilbault Collin qui ont accepté d’être rapporteurs, le Dr Pascal Chameau, le Dr Olivier Bergis et le Dr Bruno Biton qui ont accepté d’être examinateurs de mon travail de thèse.

Ce travail a été réalisé en partie dans le laboratoire de Neurobiologie Cellulaire et Moléculaire (NBCM) de Gif-sur-Yvette dirigé par le Dr Gérard Baux, que je remercie pour ses nombreux conseils avisés sur la recherche. La suite de mon travail a été réalisée au sein du Centre de Neuroscience Paris-Sud (CNPS) d’Orsay dirigé par le Dr Serge Laroche, que je remercie pour son accueil.

Je tiens à exprimer ma très vive reconnaissance au Dr Philippe Fossier, mon directeur de thèse, pour m’avoir accueillie dans son équipe dès mon stage de 2ème _{année de licence et de} m’avoir encouragée pendant ma formation universitaire pour arriver à faire cette thèse. Je le remercie pour m’avoir fait partager son expérience d’électrophysiologiste et ses connaissances scientifiques. Enfin, un grand merci à lui pour sa gentillesse, sa grande écoute et la confiance qu’il su m’accorder pendant toutes ces années.

Je tiens aussi à remercier le Dr Muriel Amar pour m’avoir appris la technique de patch-clamp, au cœur de la plupart de mes expériences.

Je remercie le Dr José-Manuel Cancela pour les nombreuses conversations qui m’ont ouvert vers les techniques d’imagerie couplée à l’électophysiologie et pour tous ses conseils scientifiques.

Bien évidemment, je remercie le Dr Glenn Dallerac pour sa gentillesse, sa bonne humeur et ses précieux conseils sur le monde de la recherche.

J’ai obtenu pour réaliser cette thèse un cofinancement CNRS et Sanofi. Je remercie les responsables du laboratoire Sanofi pour la confiance qu’ils m’ont accordée.

Je remercie Valérie, Calette, Céline et Noémie pour leur travail sans lequel je n’aurai pas eu d’animaux pour réaliser cette thèse. Je remercie Karine Tuphile pour son travail très soigné et rapide, et pour sa bonne humeur.

PREAMBULE ... 16

INTRODUCTION ... 19

I. LE CORTEX PREFRONTAL ... 21

1. Anatomie du cortex préfrontal ... 21

2. Le cortex préfrontal à l’échelle microscopique ... 23

3. Organisation laminaire du cortex préfrontal ... 24

4. Organisation des connexions neuronales dans le cortex préfrontal ... 25

4.1. Connexions cortico-corticales ... 25

4.2. Connexions inter et intra-laminaires du cortex préfrontal ... 26

4.3. Connexions intra et extra-corticales du cortex préfrontal ... 27

4.4. Connexions du cortex préfrontal avec des structures sous-corticales ... 30

4.4.1. Connexions thalamo-corticales ... 30

4.4.2. Connexions entre cortex préfrontal et ganglions de la base ... 31

4.4.3. Connexions entre le cortex préfrontal et l’hippocampe ... 32

4.4.4. Connexions entre le cortex préfrontal et l’amygdale ... 34

II. LES RESEAUX NEURONAUX DU CORTEX PREFRONTAL ... 35

1. Les neurones excitateurs ... 35

2. Les neurones inhibiteurs ... 36

2.1. Caractérisation morphologique des interneurones ... 37

2.2. Propriétés électrophysiologiques des interneurones ... 40

2.3. Relation entre les propriétés électrophysiologiques et la morphologie des interneurones ... 41

3. Importance des relations entre interneurones et neurones pyramidaux dans le cortex ... 42

III. BALANCE EXCITATION-INHIBITION ... 45

1. Notion de balance ... 45

2. Pathologies liées à un dysfonctionnement de la balance excitation-inhibition ... 46

IV. PLASTICITE SYNAPTIQUE ... 47

1. Mécanismes responsables de la potentialisation à long terme (LTP) des synapses excitatrices ... 49

1.1. Au niveau post-synaptique ... 49

1.2. Au niveau pré-synaptique ... 51

1.3. Plasticité excitatrice indépendante du récepteur NMDA ... 53

2. Mécanismes responsables de la dépression à long terme (LTD) des synapses excitatrices ... 54

3. Mécanismes responsables de la plasticité à long terme des synapses inhibitrices ... 56

3.1. Formes post-synaptiques de plasticité synaptique inhibitrice ... 56

3.1.1. Plasticité dépendante des récepteurs GABAergique ... 56

3.1.2. Rôle du calcium dans la plasticité des synapses inhibitrices ... 58

3.2. Formes pré-synaptiques de plasticité synaptique inhibitrice ... 61

V. ORIENTATION DE LA PLASTICITE SYNAPTIQUE ... 64

1. Rôle des récepteurs NMDA et du Ca2+ _{... 64}

2. Rôle des récepteurs AMPA et du Ca2+ _{... 67}

3. Interactions entre récepteurs NMDA et AMPA ... 68

4. Interactions entre synapses excitatrices et inhibitrices ... 69

5. Mécanismes dépendant des potentiels d’action... 69

6. Rôle de la dopamine ... 70

7. Rôle des voies de signalisation communes à la dopamine et la sérotonine ... 71

VI. LES SYSTEMES NEUROMODULATEURS ... 72

1. La sérotonine ... 72

1.1. Le système sérotoninergique ... 72

1.2. Les récepteurs 5-HT1A pré et post-synaptiques ... 74

1.5. Le récepteur 5-HT1A, cible de la dépression ... 78

2. La dopamine ... 79

2.1. Biologie de la dopamine ... 79

2.2. Les récepteurs dopaminergiques ... 81

2.3. Modulation du récepteur NMDA par les récepteurs D1 et D2 ... 82

2.4. Implication de GSK3 dans les effets dopaminergiques ... 84

3. Interactions entre système sérotoninergique et système dopaminergique ... 84

3.1. Mécanisme ... 84

3.2. Effets thérapeutiques ... 86

4. La D-sérine ... 87

5. La glycine ... 90

VII. LE STRESS ... 91

1. Réponse hormonale au stress ... 91

2. Récepteurs des hormones du stress ... 93

2.1. Mécanismes moléculaires liés aux récepteurs GR génomiques ... 93

2.2. Mécanismes moléculaires liés aux récepteurs aux glucocorticoïdes et aux minéralocorticoïdes non-génomiques ... 94

3. Effets délétères du stress sur le cortex préfrontal... 96

4. Stress et neuromodulateurs ... 97

5. Effet du stress sur la transmission glutamatergique et sur la plasticité synaptique ... 98

6. Stress et pathologies ... 100

MATERIEL ET METHODES ... 103

I. MODELE ANIMAL ... 105

II. EXPERIENCES D’ELECTROPHYSIOLOGIE ... 106

1. Méthode ... 106

1.1. Préparation des tranches ... 106

1.2. Enregistrement électrophyisiologique ... 106

1.3. Enregistrement en courant imposé ... 107

1.3.1. Profil de décharge ... 107

1.3.2. Résistances ... 108

1.4. Enregistrement en voltage imposé ... 109

1.4.1. Protocole de stimulation ... 109

1.4.2. Protocole pour la détermination la balance E-I ... 110

1.4.3. Protocole de stimulation à haute fréquence ... 111

2. Paramètres intrinsèques à la technique et au neurone enregistré ... 112

2.1. Potentiel de jonction ... 112

2.2. Dérive du potentiel de l’électrode... 112

2.3. Analyse de la réponse enregistrée ... 113

2.3.1. La relation courant-potentiel... 113

2.3.2. Décomposition des réponses composites évoquées ... 114

2.3.3. Analyse de la plasticité ... 118

3. Enregistrement du courant NMDA ... 118

III. MARQUAGES IMMUNOCYTOCHIMIQUES DE LA D-SERINE, DE LA SERINE RACEMASE ET DES RECEPTEURS GLYCINE DANS LE CORTEX VISUEL DE RAT ... 119

IV. DOSAGE DE LA SEROTONINE, DE LA DOPAMINE ET DE LEURS METABOLITES PAR HPLC ... 120

V. ETUDE DU STRESS : LE STRESS DE CONTENTION ... 121

RESULTATS ... 123

PREAMBULE DES RESULTATS ... 125

1.1. Position du problème ... 126

1.2. Résultats ... 127

1.3. Conclusion ... 137

2. Rôle des récepteurs 5-HT1A et D1 dans le cortex préfrontal ... 138

2.1. Position du problème ... 138

2.2. Résultats ... 139

2.3. Conclusion ... 172

3. GSK3 : carrefour des voies de signalisation induites par activation des récepteurs 5-HT1A et D2 ... 173

3.1. Position du problème ... 173

3.2. Résultats ... 174

3.3. Conclusion ... 200

II. EFFET DU STRESS DE CONTENTION SUR LE FONCTIONNEMENT DES RESEAUX NEURONAUX ET SUR LA PLASTICITE ... 201

1. Position du problème ... 201

2. Résultats ... 202

2.1. Effet du stress répété sur la libération de sérotonine et de dopamine dans le CPF chez les souris 129/Sv et KO 5-HT1A ... 202

2.2. Comparaison des effets d’un stress de contention aigu de 45 min par jour pendant un jour et d’un stress de contention de 45 min par jour répété pendant 4 jours sur la balance E-I chez les souris 129/Sv et KO 5-HT1A . 204 2.3. Effets du stress aigu et du stress répété sur la plasticité du cortex préfrontal ... 207

2.3.1. Modulation de la LTP suite à un stress aigu ou répété chez les souris 129/Sv et KO 5-HT1A ... 207

2.3.2. Modulation de la LTD suite à un stress aigu ou répété chez les souris 129/Sv et KO 5-HT1A ... 210

2.4. Effet du stress aigu et répété sur l’orientation de la plasticité chez les souris 129/Sv et KO 5-HT1A ... 212

2.5. Action des récepteurs aux glucocorticoïdes non-génomiques sur le fonctionnement du CPF ... 215

2.5.1. Mesure de la balance excitation-inhibition en présence de dexaméthasone ... 215

2.5.2. Effet de la dexaméthasone sur la plasticité du CPF ... 215

3. Conclusion ... 218

III. ROLE DE LA D-SERINE ET DE LA GLYCINE DANS LE CORTEX ... 219

1. Rôle de la glycine et de la D-sérine dans la plasticité synaptique du cortex visuel ... 219

1.1. Position du problème ... 219

1.2. Résultats ... 219

1.3. Conclusion ... 262

2. Etude des effets de deux inhibiteurs de la recapture de la glycine dans le cortex préfrontal ... 263

2.1. Position du problème ... 263

2.2. Résultats ... 264

2.2.1. Effet des inhibiteurs de la recapture de la glycine sur la plasticité du CPF ... 264

2.2.2. Modulation du courant NMDA par les inhibiteurs de la recapture de la glycine ... 270

2.2.3. Effet des inhibiteurs de la recapture de la glycine sur la concentration de dopamine dans le CPF ... 271

2.2.4. Modulation du courant NMDA par les récepteurs glycinergiques ou dopaminergiques ... 272

2.3. Conclusion ... 275

DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES ... 277

I. INTERACTION DES NEUROMODULATEURS ET ORIENTATION DE LA PLASTICITE ... 279

1. Sérotonine / dopamine ... 279

2. Dopamine / acétylcholine ... 280

3. D-sérine / glycine ... 280

II. STRESS ET ORIENTATION DE LA PLASTICITE ... 281

III. ROLE DES RECEPTEURS DOPAMINERGIQUES DANS LA PLASTICITE SYNAPTIQUE DU CORTEX PREFRONTAL ... 282

IV. DYNAMIQUE MEMBRANAIRE DES RECEPTEURS AMPA,NMDA ET DOPAMINERGIQUES LORS DE L’INDUCTION DE LA PLASTICITE SYNAPTIQUE... 282

13

FIGURE 1–REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU CORTEX PREFRONTAL EN COUPE SAGITTALE ET CORONALE

... 22

FIGURE 2–MODELE DE COLONNE CORTICALE ... 24

FIGURE 3–REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE L’ORGANISATION LAMINAIRE DU CORTEX ... 25

FIGURE 4–EXEMPLE DE DISTRIBUTION DES CONNEXIONS INTER-LAMINAIRES ... 27

FIGURE 5–SCHEMA DES CONNEXIONS INTRA-CORTICALES AU NIVEAU DE LA COUCHE 5 ... 28

FIGURE 6–SCHEMA RESUMANT LA MORPHOLOGIE ET LA CONNECTIVITE DES NEURONES PYRAMIDAUX DE COUCHE 5 DANS LE CORTEX PREFRONTAL ... 29

FIGURE 7–PRINCIPALES CONNEXIONS DU THALAMUS AVEC LE CORTEX PREFRONTAL... 30

FIGURE 8–REPRESENTATIONS SCHEMATIQUES DE L’ORGANISATION DES PROJECTIONS DU CPF ... 32

FIGURE 9–COUPE SAGITTALE DU CORTEX REPRESENTANT LES FIBRES AFFERENTES PROJETANT DORSALEMENT DE L’HIPPOCAMPE VERS LE CORTEX PREFRONTAL ... 33

FIGURE 10–SCHEMA REPRESENTANT LES CONNEXIONS ENTRE LES DIFFERENTES COUCHES DU CORTEX PREFRONTAL ET L’AMYGDALE (GHASHGHAEI ET AL.,2007) ... 34

FIGURE 11–SCHEMA RESUMANT LES CONNEXIONS PREFERENTIELLES SUR LES NEURONES PYRAMIDAUX EN FONCTION DU TYPE D’INTERNEURONE ... 37

FIGURE 12–SCHEMA RESUMANT LA DIVERSITE ANATOMIQUE DES DIFFERENTS INTERNEURONES INHIBITEURS DU NEOCORTEX ... 39

FIGURE 13–SCHEMA DE LA CONNEXION ENTRE UN INTERNEURONE AXO-AXONIQUE ET UN NEURONE PYRAMIDAL ... 40

FIGURE 14–PROFILS ELECTROPHYSIOLOGIQUES DE DECHARGE DES INTERNEURONES ... 41

FIGURE 15–SCHEMA ILLUSTRANT LE LIEN ENTRE LA DIVERSITE ELECTROPHYSIOLOGIQUE ET ANATOMIQUE DES INTERNEURONES ... 42

FIGURE 16–SCHEMA ILLUSTRANT LES DEUX MODES D’INHIBITION ... 43

FIGURE 17–SCHEMA RESUMANT LES DIFFERENTES INTERCONNEXIONS ENTRE LES SOUS-TYPES NEURONAUX MIS EN JEU LORS DE LA GENERATION D’OSCILLATIONS LENTES DANS LE CORTEX ENTHORINAL ... 44

FIGURE 18–AJUSTEMENT DE LA BALANCE ENTRE LES SIGNAUX D’ENTREE ET DE SORTIE DU CORTEX ... 46

FIGURE 19–MECANISME D’INDUCTION DE LA LTP AU NIVEAU POST-SYNAPTIQUE ... 49

FIGURE 20–SCHEMA SIMPLIFIE DE LA VOIE D’ACTIVATION DU RECEPTEUR NMDA ... 50

FIGURE 21–SCHEMAS D’INDUCTION DE LA PLASTICITE PAR LES RECEPTEURS NMDA EN LIEN AVEC LES RECEPTEURS AMPA ... 51

FIGURE 22–MODELE DE PLASTICITE PRE-SYNAPTIQUE NMDA-DEPENDANTE ... 52

FIGURE 23–MODELE DE PLASTICITE PRE-SYNAPTIQUE DEPENDANTE DU NO ... 53

FIGURE 24–MODELE D’INDUCTION DE LA LTD DANS LE STRIATUM ... 55

FIGURE 25–MODELE D’INDUCTION DE LTD FAISANT INTERVENIR LES RECEPTEURS PRE-SYNAPTIQUES NMDA ET CB1 ... 56

FIGURE 26–SCHEMA REPRESENTANT LES DIFFERENTS MECANISMES RESPONSABLES D’UN CHANGEMENT DE LA TRANSMISSION GABAERGIQUE D’ORIGINE POST-SYNAPTIQUE ... 58

FIGURE 27–ROLE DES RECEPTEURS GABAB AU NIVEAU POST SYNAPTIQUE ... 59

FIGURE 28–SCHEMA REPRESENTANT LES DIFFERENTS ACTEURS PERMETTANT UNE MODULATION DU CA2+ POST-SYNAPTIQUE DANS LES SYNAPSES INHIBITRICES ... 60

FIGURE 29–MECANISMES CELLULAIRES SOUS-TENDANT DIFFERENTES FORMES DE LA PLASTICITE INHIBITRICE D’ORIGINE PRE-SYNAPTIQUE (D’APRES CASTILLO ET AL.2011) ... 62

FIGURE 30–MECANISMES CELLULAIRES DE LA PLASTICITE INHIBITRICE D’ORIGINE PRE-SYNAPTIQUE CHEZ LE RAT ADULTE ... 63

14

FIGURE 33–MODELE DE REGULATION DES RECEPTEURS AMPA ... 68

FIGURE 34–REGULATION DE GSK3Β PAR LE RECEPTEUR NMDA DANS LE CONTROLE DE LA PLASTICITE ... 71

FIGURE 35–PROJECTIONS SEROTONINERGIQUES CHEZ LE RAT ... 73

FIGURE 36–SCHEMA DES DIFFERENTES VOIES DE SIGNALISATION REGULEES PAR LE RECEPTEUR 5-HT1A . 77

FIGURE 37–VOIES DOPAMINERGIQUES DANS LE CERVEAU D’UN RAT ... 80

FIGURE 38–MARQUAGE PAR AUTORADIOGRAPHIE DES PROJECTIONS DOPAMINERGIQUES EN COUCHE II ET COUCHE V DANS LE CPF(VAN DE WERD ET AL.,2010) ... 81

FIGURE 39–VOIES DE SIGNALISATION INTRACELLULAIRE DES RECEPTEURS DOPAMINERGIQUES ... 82

FIGURE 40–SCHEMA DES FIBRES SEROTONINERGIQUES QUI PROJETTENT SUR L’AIRE TEGMENTALE

VENTRALE ... 85

FIGURE 41–ROLE DES RECEPTEURS NMDA SYNAPTIQUES ET EXTRA-SYNAPTIQUES ET DE LEURS CO

-AGONISTES ENDOGENES ... 89

FIGURE 42–EFFET DU STRESS SUR L’AXE CORTICOTROPE... 92

FIGURE 43–ACTION INTRACELLULAIRE DES RECEPTEURS GR ... 94

FIGURE 44–EFFET NON-GENOMIQUE DE LA CORTICOSTERONE SUR LA TRANSMISSION GLUTAMATERGIQUE VIA LES RECEPTEURS GR ... 95

FIGURE 45–MODELE D’ACTION DES GLUCOCORTICOIDES VIA LES RECEPTEURS GR SUR LES NEURONES MAGNOCELLULAIRES ... 95

FIGURE 46–EFFET NON-GENOMIQUE DE LA CORTICOSTERONE SUR LA TRANSMISSION GLUTAMATERGIQUE VIA LES RECEPTEURS MR ... 96

FIGURE 47–EFFETS DES DIFFERENTES FORMES DE STRESS AU NIVEAU SYNAPTIQUE ... 99

Matériel et méthodes

FIGURE 48–PROTOCOLE DE STIMULATION EN MODE COURANT IMPOSE ... 107

FIGURE 49–COMPENSATION DE LA RESISTANCE SERIE ... 108

FIGURE 50–DETERMINATION DE LA RESISTANCE MEMBRANAIRE DU NEURONE PYRAMIDAL DE COUCHE 5 109

FIGURE 51–ENREGISTREMENT DES REPONSES SOMATIQUES... 110

FIGURE 52–CARACTERISATION PHARMACOLOGIQUE DE LA REPONSE COMPOSITE ... 111

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Préambule

Le cerveau possède d’extraordinaires mécanismes capables d’intégrer et de combiner des informations sensorielles provenant de l’environnement, dans le but de produire un comportement complexe. Une question cruciale qui se pose dans le domaine des neurosciences est de savoir comment ce comportement complexe peut émerger de la coordination de l’activité de milliards de neurones distribués dans des aires corticales différentes ou bien conduire dans certains cas au développement de maladies psychiatriques (Artigas, 2010).

Pour répondre à cette question, dans le cadre de ma thèse, je me suis intéressée aux microcircuits neuronaux du cortex, qui sont connus pour assurer une incroyable diversité de fonctions (perception sensorielle, processus cognitifs, mémorisation) grâce à une association de neurones excitateurs et inhibiteurs interconnectés de façon récurrente par des synapses dynamiques (i.e. capables de modifier leur « poids » respectif). La compréhension de la complexité des réseaux est un élément de réponse important à la question posée plus haut. J’ai utilisé dans ce but une méthode de décomposition me permettant de séparer les conductances excitatrices et inhibitrices de la réponse totale enregistrée par patch clamp au sein d’un réseau neuronal, ce qui constitue un bon moyen de saisir les bases fonctionnelles des microcircuits neuronaux. En effet, à un instant donné au niveau du soma d’un neurone pyramidal de couche 5 (NPy5) (qui génère la majeure partie des signaux de sortie du cortex), le poids respectif de l’excitation et de l’inhibition donne une « image résultante » du fonctionnement intégré d’un réseau neuronal en amont et permet d’en déterminer les éventuelles modulations.

Il est également connu que le cortex est de nature très plastique et que, dans les maladies psychiatriques, on observe des altérations de la plasticité synaptique. J’ai donc étudié la plasticité synaptique des synapses excitatrices et inhibitrices (long term potentiation ; LTP, long term depression ; LTD) pour comprendre le fonctionnement des réseaux corticaux.

La neuromodulation des réseaux neuronaux est un autre élément déterminant du fonctionnement des réseaux, pour lequel il ne faut pas envisager séparément les effets d’un neuromodulateur mais plutôt s’intéresser à des interactions entre neuromodulateurs. J’ai concentré mon travail sur les effets conjugués de deux couples de neuromodulateurs tels que sérotonine/dopamine et D-sérine/glycine sur la plasticité des réseaux neuronaux du cortex. Mes études s’inscrivent aussi dans le but de mieux appréhender des pathologies telles que la

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Enfin, des études récentes montrent que l’environnement est capable de modifier la connectivité des circuits neuronaux, ce qui peut conduire à des altérations comportementales, voire au développement de maladies psychiatriques. J’ai initié une étude des effets du stress sur la transmission synaptique et les mécanismes de plasticité dans le cortex, sachant que ces altérations peuvent constituer un des facteurs de développement de la dépression.

Mon travail de thèse a eu pour objectif principal de caractériser l’effet de l’interaction des neuromodulateurs sur le fonctionnement du cortex. Ce travail a été réalisé grâce à la combinaison de techniques d’électrophysiologie, de pharmacologie, de dosages biochimiques et de comportement en comparant des souris contrôles (129/Sv) et un modèle de souris anxieuses, les souris knock-out pour le récepteur à la sérotonine 5-HT1A, sachant que ce récepteur est une cible pour le développement de nombreux anxiolytiques.

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I. Le cortex préfrontal

Parmi l’ensemble des aires corticales, le cortex préfrontal (CPF) fait l’objet, ces dernières années, d’une augmentation du nombre d’études à tous les niveaux possibles d’analyse comportementale, électrophysiologique, biochimique, le fonctionnement physiologique de cette région restant peu connu. Le CPF est la région cérébrale altérée dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques comme la schizophrénie, la dépression et les troubles liés à l’hyperactivité. Cependant, la compréhension du fonctionnement des réseaux neuronaux du CPF reste inconnue, que ce soit dans des conditions natives ou pathologiques.

On sait que le CPF est le siège de fonctions cognitives élaborées telles la perception, l’attention, la mémorisation, le langage et la conscience. Il joue également un rôle clef dans la mémoire de travail, dans les fonctions exécutives ainsi que dans la planification des actions, la prise de décision et les processus incluant un signal émotif (Fuster 2001; Miller and Cohen 2001). Le CPF est l’aire corticale sollicitée dans la mémoire de travail qui demande des capacités à évoquer une certaine activité neuronale en l’absence de stimulation sensorielle, c'est-à-dire que l’information est stockée pendant une courte période avant que la tâche exécutive soit réalisée (Fuster 1973). Le CPF est aussi capable d’intégrer les informations sensorielles de l’environnement et de les combiner afin de produire un comportement. Cette capacité est rendue possible par un grand nombre de connexions afférentes venant des aires sensorielles et de connexions efférentes vers les aires motrices et les structures sous corticales (Miller and Cohen 2001; Uylings et al.,2003, Groenewegen ,2003).

1. Anatomie du cortex préfrontal

Le CPF fait partie de la zone externe des hémisphères cérébraux que l’on nomme le néocortex. Il correspond à la partie la plus antérieure du lobe frontal, située en avant du cortex prémoteur et du cortex moteur. On sait maintenant que chez le primate et les rongeurs, le CPF est constitué de 6 couches mais ne possède pas de couche 4. Cette définition a longtemps été remise en cause pour définir la présence du CPF dans différentes espèces. En 1909, Brodmann a décrit une région « regiofrontalis » au niveau des lobes frontaux du cerveau humain par des études cytoarchitectoniques qui permettaient de caractériser le CPF comme possédant une couche 4 granulaire (présence de cellules étoilées). Mais le fait que cette couche ne soit pas retrouvée dans toutes les parties du CPF que Brodmann avait caractérisées est à l’origine de

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l’exclusion le cortex cingulaire antérieur et le cortex limbique du CPF (Fuster 2001;Uylings et al. 2003). Ce dernier critère n’est finalement pas non plus applicable chez les rongeurs dont la partie frontale est agranulaire (ne possédant pas de couche 4). Le CPF est maintenant classiquement défini selon les bases de Rose and Woolsey(1948) comme recevant des connexions réciproques du noyau médiodorsal (MD) du thalamus. Mais cette définition ne permet pas encore de réaliser une identification homologue parfaite chez le singe (Barbas 1988), le rat (Ray and Price 1992) et la souris (Guldin et al. 1981). En fait, on considère le CPF comme la partie des lobes frontaux possédant le plus grand nombre de connexions réciproques avec le noyau MD (Van Eden et al. 1990). Enfin, le CPF peut être défini par le fait qu’une stimulation électrique ne provoque pas de mouvements observables chez l’animal (Ferrier, 1890). Chez le rongeur, le CPF regroupe l’ensemble des structures se situant entre le bulbe olfactif et le cortex moteur primaire M1.

Représentations du cerveau en vue sagittale (a) et du cortex frontal en vue coronale (b) du Rat selon l’atlas stéréotaxique de Paxinos et Watson (1998). Abréviations : ACg : cortex cingulaire antérieur ; cc : corps calleux ; IL : cortex infralimbique ; LO : cortex orbital latéral ; M1 : cortex moteur primaire ; PrC : cortex précentral médian ; PrL : cortex prélimbique ; VO : cortex orbital ventral ; MO : cortex orbital médian. Le CPF est situé en avant du cortex moteur M1.

Le CPF est divisé en 3 régions : orbitale, médiane et latérale. La région du CPF médian peut être subdivisée en une partie dorsale qui inclut le cortex précentral (PrC) et le cortex cingulaire antérieur (ACg) et en une partie ventrale qui inclut le cortex prélimbique (PrL), le

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cortex infralimbique (IL) et le cortex orbital médian (OM). La région latérale du CPF comprend les parties dorsales et ventrales du cortex insulaire agranulaire et le cortex orbital latéral. Enfin, la région du CPF ventral peut être délimitée par le cortex ventral orbital et le cortex ventro-latero-orbital (Dalley et al. 2004).

2. Le cortex préfrontal à l’échelle microscopique

Les aires du cortex sont constituées de circuits locaux comprenant un ensemble de colonnes verticales de quelques centaines de neurones dont l’organisation s’avère particulièrement similaire entre les espèces (Mountcastle 1997). Des études de neuroanatomie chez le rat montrent que chaque colonne corticale peut être divisée en mini-colonnes (80-100 neurones), qui correspondent à une population de neurones étroitement connectés entre eux (Buxhoeveden and Casanova 2002). Ces colonnes corticales ont une organisation verticale, orthogonale à l’organisation laminaire du cortex (voir Figure 2) et constituent les modules élémentaires de l’architecture de l’ensemble des aires corticales. La nature des connexions entre ces modules met en évidence des entités de plus haut niveau, les macro-colonnes de 200 à 500 μm de diamètre, regroupant généralement 60-80 mini-colonnes. Cette organisation est nécessaire à la production d’un signal de sortie corticale. Ces colonnes reçoivent des afférences à la fois du cortex et des aires sous-corticales et elles génèrent en réponse un signal projeté vers l’ensemble du cortex (Mountcastle, 1997). Les colonnes corticales sont constituées de 75 à 80% de neurones pyramidaux (Jones EG 1984) et de 20 à 25% d’interneurones (Hendry et al. 1987). Ces proportions se retrouvent dans la plupart des espèces (voir II – Les réseaux neuronaux du cortex préfrontal).

Ces colonnes corticales sont divisées en 6 couches : la couche 1 contient de nombreux axones et dendrites ; les couches 2-3 appelées « couches supragranulaires » sont spécialisées dans les connexions cortico-corticales ; la couche 4 dite « couche granulaire » est non présente dans le CPF de rongeur ; les couches 5-6 appelées « couches infragranulaires » génèrent les signaux de sortie vers les aires sous-corticales (striatum et thalamus).

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Schéma d’une colonne corticale où sont représentées les 6 couches du néocortex. En rouge sont représentés les neurones issus de la couche 2/3 et 5. En gris sont représentés les neurones issus de la couche 4. En vert sont représentés les neurones issus de la couche 6. (Adapté d’après Mountcastle 1997; Lübke and Feldmeyer 2007)

3. Organisation laminaire du cortex préfrontal

L’ensemble du CPF présente une organisation laminaire comparable aux autres régions corticales. La couche I, ou couche moléculaire, est essentiellement composée de fibres parallèles à la surface corticale et de dendrites des cellules situées dans les couches plus profondes. La couche II, ou couche granulaire externe, contient des cellules pyramidales de petite taille qui reçoivent principalement des afférences en provenance des autres zones corticales. La couche III, ou couche pyramidale externe, contient une grande concentration de cellules pyramidales dont les dendrites s’étendent vers la surface du cortex. De plus, ces cellules projettent majoritairement vers d’autres régions corticales (connexions cortico-corticales efférentes). La couche IV, ou couche granulaire interne, correspond à la zone de projection principale des axones en provenance du noyau médiodorsal du thalamus. Cette couche n’est pas présente chez le rongeur chez qui elle serait regroupée avec la couche V. La couche V, ou couche pyramidale, contient une grande concentration de grands neurones pyramidaux qui envoient leurs axones vers les zones sous-corticales. Enfin la couche VI, ou couche polymorphe, contient notamment des cellules pyramidales projetant directement vers le thalamus (Uylings et al. 2003).

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Dans le CPF de souris, les couches II-III et V sont clairement séparables à l’observation sous microscope car la couche II-III est plus foncée que de la couche V (Van De Werd et al. 2010a).

A gauche et au centre, le cortex cérébral est une structure laminaire à 6 couches (numérotées de I à VI de la superficie vers la profondeur, SB substance blanche). On peut observer des cellules pyramidales (numérotées 1, 2, 3) en particulier dans les couches II, III, V et VI, et des cellules granulaires ou étoilées (4) dans la couche IV. Le cortex contient de nombreux interneurones (5). Il reçoit des afférences d’origine thalamique (6), corticale (7), et de plusieurs systèmes méso-corticaux de projection diffuse noradrénergique (NA), dopaminergique (DA), sérotoninergique (5HT), cholinergique (Ach) (8). Les neurones pyramidaux projettent eux-mêmes sur d’autres structures corticales ou sous-corticales (d'après Guénard, 2001).

A droite, disposition des différentes couches (I, II-III, V et VI) sur une tranche coronale de CPF médian.

4. Organisation des connexions neuronales dans le cortex

préfrontal

4.1. Connexions cortico-corticales

Chez le rat, le CPF est fortement connecté aux différentes aires corticales comme les cortex prémoteur, somatosensoriel, auditif, visuel, olfactif, gustatif et limbique (Uylings et al., 2003). La partie ventrale du CPF, qui comprend les aires pré et infra-limbique reçoit

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principalement les projections du cortex périrhinal. Les deux tiers de la partie caudale du CPF dorsomédian reçoivent les projections du cortex visuel secondaire, de l’aire insulaire agranulaire postérieure et de l’aire retrospléniale. Enfin, un tiers du CPF dorsomédian reçoit principalement des projections des aires somato-sensorielles et motrices et de l’aire insulaire agranulaire postérieure (Van Eden et al. 1992). Plus précisément, les projections provenant des aires corticales ou sous-corticales sont spécifiques à une couche. Les projections cortico-corticales arrivent principalement en couches 2 et 6, alors que les projections cortico-sous corticales arrivent dans les couches 5 et 6. Le CPF apparait donc comme un centre intégrateur recevant de toute part des informations corticales et sous-corticales.

4.2. Connexions inter et intra-laminaires du cortex préfrontal

Dans les trois paragraphes suivants, des notions de morphologie et de profils de décharges des neurones pyramidaux et des interneurones sont nécessaires pour présenter les différents types de connexions dans le cortex. Ces notions seront approfondies dans la partie II – Les réseaux neuronaux du cortex préfrontal.

Les entrées corticales provenant du thalamus arrivent au niveau des couches superficielles du cortex (2/3) et sont relayées dans les couches plus profondes du cortex qui vont générer un signal de sortie vers les aires sous corticales (Bureau et al. 2004; Lübke and Feldmeyer 2007). Les populations de neurones pyramidaux qui projettent dans les différentes régions du cerveau sont interconnectées au niveau de la couche 5. Cette couche est donc importante dans la genèse des signaux de sortie du cortex (Jones et al.1984).

Des études récentes montrent que l’établissement des connexions inter-laminaires est lié au type des neurones cibles considérés (Otsuka and Kawaguchi 2008). Par exemple, les neurones pyramidaux de couche 2/3 innervent préférentiellement des interneurones en couche 5 de type « non fast-spiking » (cellule de Martinnotti) plutôt que des interneurones de type « fast-spiking (FS) » (Otsuka and Kawaguchi 2009). Les neurones pyramidaux de couche 2-3 innervent les NPy5 selon le sous-type de NPy5 (profils des décharges différents) et selon l’existence ou non d’une connexion entre ces NPy5 (Otsuka and Kawaguchi, 2008) (voir Figure 4).

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Les neurones pyramidaux de couche 2-3 projettent sur les neurones pyramidaux de couche 5 de manière sélective. Les connexions entre un neurone pyramidal de couche 2-3 et des neurones pyramidaux de couche 5 sont d’autant plus fréquentes que les neurones pyramidaux de couche 5 appartiennent au même sous-type (même profil de décharge) et sont interconnectés entre eux. Lorsque les neurones pyramidaux de couche 5 appartiennent à des sous-types différents, les connexions entre les neurones pyramidaux de couche 2-3 et les neurones pyramidaux de couche 5 sont peu fréquentes (voir en bas à gauche). (D’après Otsuka et Kawaguchi, 2008).

Des connexions intra-laminaires sont aussi présentes dans le CPF. Elles correspondent dans la couche 5 à des connexions réciproques entres interneurones « fast-spiking (FS) » et neurones pyramidaux. Elles assurent une régulation des entrées synaptiques par des feedbacks récurrents qui régulent la décharge des neurones pyramidaux (Otsuka et Kawaguchi, 2009).

4.3. Connexions intra et extra-corticales du cortex préfrontal

Les neurones de la couche 2/3 et ceux de la couche 5 communiquent d’un hémisphère cérébral à l’autre par le corps calleux. Ils sont caractérisés par une physiologie et des propriétés morphologiques hétérogènes qui dépendent de l’aire corticale où ils projettent (ipsilatérale ou controlatérale) (Otsuka and Kawaguchi, 2011) (voir Figure 5).

Figure 4 – Exemple de distribution des connexions inter-laminaires

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Figure 5 – Schéma des connexions intra-corticales au niveau de la couche 5

En vert, connexions intra-corticales de type ipsilatéral. En rouge, connexions de type contralatéral entre des neurones pyramidaux voisins dans le cortex. (D’après Brown and Hestrin, 2009)

Les connexions intra-corticales et extra-corticales reflètent une identité fonctionnelle des neurones. Cette identité des neurones pré et post-synaptiques est supportée par leur fréquence de décharge. De manière générale, une connexion intra-corticale présente une fréquence de décharge pré et post synaptique plus faible que celle des neurones assurant des connexions extra-corticales (Brown and Hestrin,2009 ; Numakawa et al. 2010).

Les cellules pyramidales du néocortex peuvent être classées en plusieurs groupes selon leur cible extra-corticale (le cervelet ou les ganglions de la base). On distingue les NPy5 dits « corticopontins (CPn) » qui projettent vers le cervelet et les NPy5 dits « cortico-striataux (CCS) » qui projettent en contra-latéral vers le striatum (Morishima and Kawaguchi, 2006). L’étude de Morishima et al. (2011) révèle que ces deux types de NPy5 présentent également une morphologie différente et que le couplage électrique au sein d’un même type de NPy5 entraîne deux types de transmission synaptique (voir Figure 6).

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Figure 6 – Schéma résumant la morphologie et la connectivité des neurones pyramidaux de couche 5 dans le cortex préfrontal

Les neurones cortico-pontins (CPn) possèdent une dendrite apicale plus touffue leur conférant une plus grande connectivité en couche 1 par rapport aux neurones cortico-striataux (CCS). Il n’y a pas de différence de longueur dendritique entre les neurones des couches 5a et des couches 5b pour les CPn, alors que la dendrite des CCS de la couche 5a est plus longue que pour la couche 5b. En couche 2/3 il y a très peu de branches dendritiques obliques pour les neurones pyramidaux de couche CPn 5b par rapport à tous les autres neurones pyramidaux de couche 5. L’amplitude des EPSC (réponses synaptiques excitatrices) issus des connexions réciproques entre deux neurones pyramidaux CPn est plus grande qu’entre deux neurones pyramidaux CCS. Le couplage entre CPn présente une facilitation de la plasticité synaptique alors que le couplage entre CCS se traduit par une dépression de la plasticité synaptique (D’après Morishima et al., 2011).

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4.4. Connexions du cortex préfrontal avec des structures

sous-corticales

4.4.1. Connexions thalamo-corticales

Les différentes régions du CPF reçoivent des axones en provenance d’un grand nombre de structures sous-corticales (Hoover and Vertes 2007).

Les connexions réciproques des noyaux médiodorsaux (MD) du thalamus vers le CPF sont importantes pour définir le CPF (voir 0.1 – Anatomie du cortex préfrontal). Les principales connexions entre ces deux structures sont schématisées ci-dessous.

Figure 7 – Principales connexions du thalamus avec le cortex préfrontal (Adapté d’après Hoover and Vertes 2007)

Chez le rat, les noyaux dorsomédians (DM) du thalamus peuvent être divisés en plusieurs parties : médiane, centrale, latérale, paraténiale et paraventriculaire selon leur localisation et leurs connexions axonales. Le noyau médiodorsal projette sur tout le CPF. Les cortex prélimbique et infralimbique du CPF peuvent être distingués du cortex agranulaire et du cortex cingulaire car ils ne reçoivent pas d’afférences des parties médianes et latérales des noyaux thalamiques. Les noyaux thalamiques paraténial et paraventriculaire projettent vers les aires prélimbiques et infra-limbiques. Les noyaux ventrolatéraux projettent seulement dans la partie dorsale du CPF médian. Les autres noyaux du thalamus rhomboïde, reuniens et

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dorsomédian projettent sur l’ensemble du CPF médian. En conclusion, les cortex prélimbique et infralimbique se caractérisent par des afférences différentes du CPF médian. D’après ces observations, l’afférence très riche de l’aire prélimbique par des fibres issus du thalamus permet de l’intégrer dans le CPF chez le rat (Hoover and Vertes 2007).

Les terminaisons thalamo-corticales des neurones MD du thalamus contactent de façon prédominante les épines dendritiques basales et apicales des neurones pyramidaux des couches 2/3 et 5 (Kuroda et al. 1998). Le CPF médian (CPFm), à son tour, envoie des fibres dans le thalamus MD, à partir des couches cellulaires 5 et 6 (Groenewegen 1988; Kuroda et al. 1998; Chiba et al. 2001).

4.4.2. Connexions entre cortex préfrontal et ganglions de la base

Les principales entrées reçues par le CPF en provenance des ganglions de la base passent par un relais au niveau du thalamus (Middleton FA 2000). De fait, les connexions se font selon un schéma complexe, allant du CPF vers le striatum, puis des projections sont envoyées vers le pallidum, puis vers le noyau dorsomédian du thalamus pour revenir au niveau du CPF. Il existe également des projections allant du CPF vers le thalamus (voir Figure 8). Des boucles parallèles indépendantes ont été identifiées aussi bien chez le primate que chez le rongeur (Groenewegen and Berendse 1994). Il apparaît aujourd’hui que les boucles cortico-striatales ont un rôle complexe englobant des fonctions motrices, émotionnelles, motivationnelles et cognitives permettant la sélection, la planification, l’expression et le contrôle des actions (Alexander et al. 1986; Haber 2003; Haber and Knutson 2010). Au moins cinq systèmes cortico-striataux distincts ont été identifiés chez le primate. Parmi ces systèmes, quatre sous-tendent des processus liés au contrôle de l’action, et le cinquième système est impliqué dans les saccades oculomotrices et reste essentiellement décrit chez le primate (Alexander et al. 1986; Chudasama and Robbins 2006).

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Figure 8 – Représentations schématiques de l’organisation des projections du CPF

Les territoires interconnectés entre le CPF, le striatum, le pallidum et le thalamus sont représentés par différents niveaux de gris et hachures. AC : cortex cingulaire antérieur ; ACd : cortex cingulaire antérieur dorsal ; AId : cortex insulaire agranulaire dorsal ; AIv : cortex insulaire agranulaire ventral ; CP : complexe caudé-putamen (striatum) ; GP : globus pallidus ; IL : cortex infralimbique ; MDc : région centrale du noyau dorsomédian du thalamus ; MDl : région latérale du noyau dorsomédian du thalamus ; MDm : région médiane du noyau dorsomédian du thalamus ; OT : tubercule olfactif ; PLd : région dorsale du cortex prélimbique ; PLv : région ventrale du cortex prélimbique ; PV : noyau paraventriculaire du thalamus ; VP : pallidum ventral. (D’après Groenewegen and Berendse 1994).

4.4.3. Connexions entre le cortex préfrontal et l’hippocampe

L’hippocampe et le CPF jouent tous deux un rôle important dans les processus de mémorisation. La manière exacte dont ces deux structures interagissent pour traiter des informations mnésiques reste encore à élucider, mais il est évident que ces deux structures sont interconnectées de façon directe puisque les connexions passent par le noyau reuniens du thalamus médian.

Plusieurs études ont montré l’existence d’une projection directe de la formation hippocampique (HF) vers le CPF, et notamment vers la partie médiane de ce dernier (Ferino et al. 1987; Jay et al. 1989; Jay and Witter 1991).

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Chez le rat, cette projection prend naissance au niveau de la région CA1 de l’hippocampe ventral et du subiculum dorsal, et se termine dans la partie ventrale du CPFm, plus particulièrement dans les aires infra-limbique, pré-limbique et cingulaire (Jay et al. 1989; Jay and Witter 1991; Naber and Witter 1998; Hoover and Vertes 2007).

Les aires prélimbique, infralimbique et cingulaire du cortex préfrontal reçoivent des projections de l’hippocampe. (Adapté de Parent et al. 2010)

Il n’a été décrit aucune projection en provenance des régions hippocampiques CA2/CA3 ou bien du gyrus denté (Jay et Witter, 1991). Il n’y a pas de projection directe entre le CPFm et l’hippocampe (CA1 et subiculum) (Laroche et al. 2000; Vertes 2004; Hoover and Vertes 2007). Cette observation suggère que le noyau reuniens du thalamus est un important relais dans le transfert d’information du CPFm vers l’hippocampe (Bokor et al. 2002; Vertes 2004; Hoover and Vertes 2007). En effet, les projections du noyau reuniens se distribuent vers CA1, le subiculum ventral, les cortex entorhinaux latéral et médian, ainsi que, dans une moindre mesure, le subiculum dorsal et le parasubiculum.

Figure 9 – Coupe sagittale du cortex représentant les fibres afférentes projetant dorsalement de l’hippocampe vers le cortex préfrontal

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4.4.4. Connexions entre le cortex préfrontal et l’amygdale

Les connexions entre le CPF et l’amygdale sont réciproques (Ghashghaei et al. 2007). L’amygdale est divisée en 3 noyaux : le noyau basolatéral (BL), le noyau basomédian (BM) et le noyau central (CE) (Ghashghaei et al., 2007). Les projections sortantes du CPF en direction du centre de l’amygdale (BM, BL, CE) prennent leur origine dans la couche 5 et plus minoritairement en couche 2/3. Quelques axones provenant de la partie latérale de l’amygdale projettent sur le cortex préfrontal latéral de façon éparse dans les couches superficielles et profondes (Ghashghaei et al.,2007). Le CPF latéral projette quant à lui dans la partie BL de l’amygdale. La plupart des connexions entre l’amygdale et le CPF sont des projections des noyaux BL et BM vers les couches 1et surtout 2-3 du CPF. L’information est transmise par ces connexions jusque dans les couches profondes du CPF à travers les différentes colonnes corticales (Carmichael and Price 1995; Ghashghaei and Barbas 2002; Ghashghaei et al. 2007) (voir Figure 10).

En rouge sont représentées les connexions entre le CPF médian et l’amygdale. En vert sont représentées les connexions entre le cortex orbitofrontal et l’amygdale. En bleu sont représentées les connexions entre CPF latéral et l’amygdale.

Cortex préfrontal

Amygdale

Cortex préfrontal

Figure 10 – Schéma représentant les connexions entre les différentes couches du cortex préfrontal et l’amygdale (Ghashghaei et al., 2007)

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La grande diversité de connexions du CPF vers les autres aires corticales et sous-corticales suggèrent que le CPF joue de nombreux rôles dans les processus cognitifs et comportementaux (Petrides 2005). La question qui se pose est donc de comprendre comment les différents types de neurones assurent ce fonctionnement complexe du CPF.

II. Les réseaux neuronaux du cortex préfrontal

1. Les neurones excitateurs

Les cellules pyramidales sont des cellules glutamatergiques de taille variable en fonction des couches corticales. Le soma des neurones pyramidaux se situe entre les couches II, V et VI. Ces cellules présentent de nombreuses collatérales et projettent localement au sein du CPF mais également vers d’autres structures corticales et sous-corticales. Ces neurones sont capables d’intégrer des signaux reçus et de les modifier dans le but de créer un signal de sortie cohérent. Les neurones pyramidaux constituent la population neuronale la plus importante du cortex cérébral (Peters and Kara 1987). On peut distinguer in vivo par électrophysiologie dans le CPFm de rat 3 types de cellules pyramidales : les neurones regular spiking (RS) (70% des neurones pyramidaux), les intrinsic bursting (IB) (10-20% des neurones pyramidaux) et les neurones non-inactivating bursting (NIB). Les RS sont caractérisés par une décharge de potentiel d’action prolongée en réponse à un courant dépolarisant. On peut diviser ce groupe en 2 sous-groupes en fonction de l’adaptation de la décharge des potentiels d’action en slow-adapting RS et en fast-adapting RS. Les slow-adapting RS présentent une faible fréquence d’émission alors que les fast-adapting RS sont caractérisés par une fréquence élevée d’émission de potentiel d’action, en général sous forme de trains. Les IB présentent un profil composé de « bursts » de 3 à 5 potentiels d’action suivis d’une inactivation (Connors et al. 1982). Le soma de ces neurones est localisé au niveau de la couche V. Enfin, les NIB présentent également des

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« burst » contenant 3 à 8 potentiels d’action. Leurs soma se trouvent dans la couche V (Adapté de Yang et al. 1996; Dégenètais et al. 2002).

On trouve également dans le néocortex un autre type de neurones excitateurs non pyramidaux : les cellules étoilées ou « spiny stellate » (Jones 1975; Lund, 1984). Ces derniers sont exclusivement localisés dans la couche IV, ils sont de petite taille et leurs dendrites peuvent présenter une forte densité d’épines dendritiques (Staiger et al. 2004). Ces neurones assurent la majorité de la transmission excitatrice glutamatergique intracolonne et avec les colonnes voisines en établissant de nombreux contacts synaptiques avec les dendrites apicales des neurones pyramidaux de couche V (Okhotin 2006).

2. Les neurones inhibiteurs

Les cellules non pyramidales sont essentiellement des interneurones GABAergiques inhibiteurs qui régulent localement l’activité des cellules pyramidales voisines. Ces interneurones GABAergiques présentent une forte hétérogénéité morphologique (chandelier, double bouquet, …), physiologique (dans leurs modes de fonctionnement), moléculaire (expression de protéines de liaison du Ca2+ comme la parvalbumine, la calbindine…) ou de leurs cibles de projection (axone ou dendrite) (Kawaguchi et al., 2002; Lewis et al. 2005; Gabbott et al. 2006).

Les interneurones se distinguent des neurones pyramidaux par le fait que les interneurones matures ne présentent pas d’épines dendritiques (Douglas ,2004). Ils forment des circuits inhibiteurs locaux et sont hautement connectés entre eux. De plus, selon les types d’interneurones, les projections synaptiques s’établissent sur différents domaines d’un neurone cible (dendrite, soma ou axone) (Lewis et al. 2012).

Dans les paragraphes suivants, je présente à la fois la morphologie et les propriétés électrophysiologiques des différents types d’interneurones.

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Les interneurones en chandelier ciblent les neurones pyramidaux au niveau du segment initial de l’axone aussi bien pour les neurones pyramidaux de la couche 3 que de la couche 5 alors que les cellules en panier vont cibler le corps cellulaire. Les cellules de Martinotti innervent les neurones pyramidaux au niveau des épines dendritiques. Les cellules en panier ciblent le soma des neurones pyramidaux (D’après Lewis et al., 2011).

2.1. Caractérisation morphologique des interneurones

Les descriptions des différents types d’interneurones sont adaptées d’après les travaux de Markram (2004) chez le rat.

Les cellules en panier (« basket cell ») représentent 50% des neurones inhibiteurs et sont présentes dans toutes les couches du néocortex. Ces cellules en panier ciblent tout particulièrement le soma et la dendrite proximale des neurones pyramidaux et peuvent établir des connexions avec d’autres interneurones. Elles peuvent être divisées en 3 sous-catégories selon la morphologie de leur axone et de leurs dendrites : les « large basket cells » (LBC), les « small basket cells » (SBC) et les « nest basket cells » (NBC).

Figure 11 – Schéma résumant les connexions préférentielles sur les neurones pyramidaux en fonction du type d’interneurone

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Les LBC sont les cellules en panier les plus classiques. Elles sont de taille importante par rapport aux autres interneurones, ne possèdent pas d’épines dendritiques, mais possèdent des dendrites multiples et une arborisation axonale qui peut inhiber les neurones aussi bien dans les couches superficielles que profondes. Les SBC ne possèdent pas non plus d’épines dendritiques, ciblent le soma des interneurones voisins et possèdent de nombreuses varicosités au niveau de l’arborisation axonale. Elles forment le plus grand nombre de synapses avec les neurones pyramidaux. Les NBC possèdent une arborisation irrégulière et leur forme est hybride entre celle des LBC et celle des SBC.

Les cellules en forme de chandelier (ChC) ciblent le segment initial de l’axone des neurones pyramidaux. Ces cellules ont donc un rôle clef dans le contrôle de l’émission de potentiels d’action par les neurones pyramidaux. Ces interneurones sont le plus souvent localisés dans les couches 2 et 6 du néocortex.

Les cellules de Martinotti (MC) sont aussi particulièrement nombreuses dans les couches 2 et 6. Elles possèdent des axones qui projettent jusque dans la couche 1 où elles peuvent jouer un rôle inhibiteur distal sur la dendrite apicale des neurones pyramidaux.

Les cellules bipolaires (CB) sont de petites cellules qui possèdent une dendrite qui s’étend de façon verticale vers la couche 1 ou vers la couche 6. Les CB peuvent être des cellules excitatrices ou inhibitrices selon le type de neuromédiateur qu’elles synthétisent (glutamate ou GABA). Elles possèdent peu de boutons synaptiques par rapport aux autres interneurones et contactent peu de cellules. Elles sont localisées dans les couches 2 et 6 du néocortex.

Les cellules à double bouquet (DBC) présentent de nombreuses bifurcations dendritiques. Elles sont caractérisées par des axones cylindriques fins avec de nombreuses ramifications et varicosités. Elles ciblent les épines dendritiques des neurones pyramidaux et sont présentes dans les couches 2 et 5.

Les « bitufted cell » (BTC) possèdent des dendrites de chaque côté de leur corps cellulaire et un axone présentant de nombreuses bifurcations. Ces interneurones projettent peu dans les différentes couches corticales et ciblent les dendrites des neurones pyramidaux ; on les trouve dans les couches 2 et 6.

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Figure 12 – Schéma résumant la diversité anatomique des différents interneurones inhibiteurs du néocortex

Les « neurogliaform cell » (NGC) sont petites, ciblent les dendrites des cellules voisines selon un champ symétrique et sphérique. Les axones partent du soma et forment une arborisation autour du corps cellulaire.

Chaque type de neurone possède une couleur différente pour le soma. En rouge : les dendrites, en bleu : les axones (D’après Makram et al.,2004)

Les interneurones axo-axoniques sont des interneurones présents dans le néocortex en couche 2/3 qui ont été décrits chez le rat et chez l’Homme. Ils projettent uniquement sur le segment initial des neurones pyramidaux. Ces interneurones sont les seuls qui ne communiquent pas avec d’autres interneurones. Cet emplacement de l’inhibition est stratégique pour contrôler les signaux de sortie des neurones pyramidaux de couche 2/3 (Szabadics et al. 2006). Le rôle des interneurones axo-axoniques est complexe car ils dépolarisent le neurone pyramidal. Cette particularité résulte de l’existence d’une faible densité dans les neurones mature du cotransporteur K+/Cl- de type 2 au niveau du segment initial de l’axone du neurone pyramidal. A ce niveau, une augmentation de [Cl-]i (Misgeld et al. 1986; Staley et al., 1995)

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déplace le potentiel d’inversion des ions Cl- vers des valeurs de potentiel de repos dépolarisées. La stimulation des interneurones provoque donc une réponse excitatrice (sortie de Cl-).

L’interneurone axo-axonique en rouge cible le segment initial de l’axone du neurone pyramidal de couche 2/3 en noir (D’après Szabadics et al.,2006).

2.2. Propriétés électrophysiologiques des interneurones

De façon générale, la plupart de cellules non pyramidales sont des cellules dites « fast-spiking » qui présentent une haute fréquence de décharge sans accommodation (Mccormick et al. 1985; Tahvildari et al. 2012). Cependant, les schémas d’émission des potentiels d’action peuvent être répartis en 5 groupes : sans accommodation (NAC) ; avec accommodation (AC) ; avec « bégaiement » (STUT) ; « burst » (BST) ; irrégulier (IS). Les NAC émettent des potentiels d’action de façon répétitive et régulière sans fréquence d’adaptation. Les AC émettent des potentiels d’action de façon répétée avec adaptation de la fréquence. Les STUT génèrent des potentiels d’action sous forme de bouffées avec des périodes aléatoires de silence. Les BST sont caractérisés par un cluster de 3 à 5 potentiels d’action initial suivi de l’émission régulière de potentiels d’action. Les ISs présentent une bouffée initiale de potentiels d’action suivie de potentiels d’action irréguliers (Makram et al., 2004).

Figure 13 – Schéma de la connexion entre un

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Figure 14 – Profils électrophysiologiques de décharge des interneurones

5 classes de réponses différentes sont observées après dépolarisation somatique : non-accommodating (NAC); non-accommodating (AC) ; stuttering (STUT) ; bursting (BST) and et irregular spiking (IS) (D’après Makram et al.,2004).

2.3. Relation entre les propriétés électrophysiologiques et la

morphologie des interneurones

L’étude détaillée des différents types d’interneurones du néocortex montre qu’un type de morphologie spécifique peut correspondre à plusieurs comportements de décharges de potentiels d’action (Gupta 2000) (voir Figure 15).

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Une même classe anatomique peut correspondre à différentes classes ou sous-classes de profils électrophysiologiques et inversement.

AC : accommodating ; b : burst subtype ; BPC : bipolar cell ; BTC : bitufted cell ; BST : bursting ; c : classic subtype ; ChC : chandelier cell ; d : delay subtype ; DBC : double bouquet cell ; IS : irregular spiking ; LBC : large basket cell ; MC : Martinotti cell ; NAC : non-accommodating ; NBC : nest basket cell ; NGC : neurogliaform cell ; r : repetitive ; SBC : small basket cell ; STUT : stuttering (D’après Makram et al.,2004).

3. Importance des relations entre interneurones et neurones

pyramidaux dans le cortex

Malgré le faible nombre de neurones inhibiteurs dans le néocortex (25% par rapport au nombre total de neurones dans le néocortex) (White, 1989), ces neurones sont fortement connectés aux neurones pyramidaux. On admet que les interneurones sont responsables de l’ajustement dynamique du niveau d’excitation corticale, et que l’activation de l’ensemble des microcircuits inhibiteurs est essentielle pour maintenir de façon dynamique un équilibre entre excitation et inhibition pendant le fonctionnement cortical (Shu et al. 2003).

Un exemple de contrôle dynamique des circuits inhibiteurs sur les circuits excitateurs a récemment été proposé. Il s’agit de la FDDI (frequency-dependent disynaptic inhibition), faisant intervenir le plus souvent une action des cellules de Martinotti (MC) sur les neurones pyramidaux de couche 5. Les cellules de Martinotti ne représentent que 5% de la population neuronale (Markram et al., 2004) mais sont les seules à cibler à la fois une dendrite apicale oblique et l’arborisation dendritique terminale des neurones pyramidaux voisins. En réponse à

Figure 15 – Schéma illustrant le lien entre la diversité électrophysiologique et anatomique des interneurones

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Figure 16 – Schéma illustrant les deux modes d’inhibition

une décharge à haute fréquence au niveau du NPy5, les cellules de Martinotti sont activées par les neurones pyramidaux et déclenchent une inhibition (GABAergique) dépendant du niveau d’excitation du neurone pyramidal (Silberberg and Markram 2007; Berger et al. 2010). Ce phénomène est appelé rétrocontrôle inhibiteur (« feedback inhibition ») (voir Figure 16).Ce mécanisme de maintien du fonctionnement cohérent du réseau cortical n’existe pas dans toutes les couches du néocortex, il n’est présent que dans les couches 3 et 5 (Berger et al., 2010).

On connaît aussi une inhibition dite « feedforward inhibition » qui est générée quand des afférences excitatrices divergent à la fois vers des neurones pyramidaux et des interneurones locaux (voir Figure 16).

(A) Feedback inhibition déclenchée quand un neurone pyramidal (en gris) réalise un contact excitateur (en rouge) avec un interneurone (en bleu) qui se projette sur une population de neurones pyramidaux (triangles bleus).

(B) Feedforward inhibition générée quand plusieurs afférences excitatrices (en rouge) sont dirigées vers des neurones pyramidaux (en gris) et des interneurones locaux (en bleu).

(D’après Isaacson and Scanziani 2011)

Un exemple intéressant d’interactions fonctionnelles complexes de types feedback et feedforward concerne la genèse d’ondes lentes qui est dépendante de circuits excitateurs et inhibiteurs au sein des réseaux corticaux (Wehr et Zador 2003). Dans le cortex enthorinal, ces ondes lentes correspondent à des interactions récurrentes entre neurones pyramidaux et interneurones de type fast-spiking (FS) avec un recrutement plus modéré des neurones excitateur spiny (ST) (voir Figure 17).

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Les ondes lentes correspondent à des interactions récurrentes entre neurones pyramidaux et interneurones de type fast-spiking (FS) avec un recrutement plus modéré des neurones excitateur spiny (ST) et des interneurones neuropeptides Y (NPY). Les interneurones FS projettent les uns sur les autres et régulent la réponse excitatrice initiée par les neurones pyramidaux et les ST. A proximité, les interneurones NPY sont dépolarisés par l’activité des neurones excitateurs et des FS inhibitrices. Les interneurones somatostatine (SOM) sont occasionnellement activés par la décharge modérée des neurones excitateurs. Les interneurones 5HTR3a et VIP reçoivent peu d’entrées excitatrices malgré leur forte action pour limiter l’activité des interneurones FS et des neurones excitateurs.

(D’après Tahvildari et al.,2012)

Ces résultats illustrent une remarquable diversité et une forte hétérogénéité dans les connexions entre neurones pyramidaux et les différents types d’interneurones inhibiteurs dans le cortex (Tahvildari et al. 2012).

Le cortex est constitué d’une incroyable diversité de neurones excitateurs et de neurones inhibiteurs dont l’organisation complexe établit des interactions fortes entre microcircuits excitateurs et inhibiteurs. Comment un fonctionnement harmonieux entre ces deux types de microcircuit est-il maintenu au sein des réseaux corticaux afin de générer des signaux nerveux cohérents ?

Figure 17 – Schéma résumant les différentes interconnexions entre les sous-types neuronaux mis en jeu lors de la génération d’oscillations lentes dans le cortex enthorinal

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III. Balance excitation-inhibition

1. Notion de balance

Les exemples précédents d’inhibition feedforward ou feedback mettent en évidence un fonctionnement qui tend à équilibrer les entrées excitatrices et inhibitrices sur un neurone cible. L’équilibre entre excitation et inhibition est appelé balance et est observé dans de nombreux processus physiologiques (perception sensorielle, mémorisation et développement…), qui demandent de façon concomitante un ajustement permanent du poids des entrées excitatrices et inhibitrices. L’importance d’une balance entre signaux excitateurs et signaux inhibiteurs a été mise en évidence in vivo à plusieurs reprises dans la perception sensorielle. Dans le système visuel par exemple, la sélectivité à l’orientation des neurones du cortex visuel primaire dépend du recrutement d’une part plus ou moins importante des microcircuits excitateurs ou des microcircuits inhibiteurs lors d’un stimulus (Hirsch et al. 2003; Monier et al. 2003; Mariño et al. 2005; Priebe and Ferster 2005). Le maintien d’un niveau de sélectivité sensorielle est donc basé sur une stabilité de la balance excitation-inhibition (E-I). A d’autres niveaux, la balance E-I est impliquée dans la mémorisation à court terme (Egorov et al. 2002) ou à long terme (Saghatelyan et al. 2001). Enfin, dans une étude récente qui s’intéresse au développement des réseaux neuronaux dans le cortex à tonneaux, Zhang et ses collaborateurs en 2011 montrent que la balance entre excitation et inhibition est maintenue à une valeur similaire dans les différentes couches corticales et que durant la phase entre le jour 8 et le jour 18 on observe une diminution de ce ratio due à une augmentation de la conductance inhibitrice sans effet sur la conductance excitatrice.

La balance entre excitation et inhibition est donc un concept qui permet d’estimer à un instant donné le poids de l’excitation et de l’inhibition dans le cortex (Isaacson and Scanziani 2011). La mesure de la balance E-I reflète ainsi l’activité corticale d’un réseau enregistré à un instant précis. On peut penser qu’une inhibition trop forte limite le transfert d’informations tandis qu’une excitation excessive génère une transmission aberrante d’informations (Haider and McCormick 2009). Le maintien d’une balance autour d’un point de consigne devient alors critique pour assurer le transfert d’informations cohérentes aussi bien au sein du cortex que vers les structures sous-corticales.

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Sur la gauche du schéma, quand un signal d’entrée arrive avec peu d’inhibition, on favorise alors le signal excitateur, ce qui conduit à une augmentation du signal de sortie. Sur la droite du schéma, quand un signal d’entrée arrive avec beaucoup d’inhibition, il diminue l’émission du signal de sortie. Au centre, ajustement de la balance entre excitation et inhibition permettant d’induire un signal de sortie. (D’après Ernst and Pawelzik 2011)

2. Pathologies liées à un dysfonctionnement de la balance

excitation-inhibition

Des altérations dans le maintien de la balance E-I ont été observées dans différentes pathologies telles que l’épilepsie, la schizophrénie, l’autisme et l’anxiété mais la valeur de la balance n’a jamais été mesurée directement. Ces maladies semblent entrainer des modifications de la balance qui pourraient être due à de très nombreux facteurs (génétiques, environnementaux, comportementaux, …) mais qui restent encore très mal compris faute de mesure précise.

Dans l’épilepsie, on observe une perte ou une altération de la maturation d’interneurones de type « cellules en chandelier », ce qui va entrainer une altération de la régulation du fonctionnement des neurones pyramidaux (Marco et al. 1996) et par conséquent une perte de la stabilité de la balance E-I (Cobo et al.,2005). Une autre cause de l’épilepsie serait liée à l’augmentation de la transmission GABAergique, qui conduit à une modification de l’excitation (Cossart et al. 2001).

Figure 18 – Ajustement de la balance entre les signaux d’entrée et de sortie du cortex