Comment la coïncidence temporelle est-elle transmise dans le cerveau ?

Publié par Isabelle le 12/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB
La coïncidence temporelle de l'activité neuronale représente un paramètre essentiel du fonctionnement du cerveau. Jusqu'à présent, on ignorait comment cette information était transmise d'un neurone à l'autre. Une publication dans la revue Science Advances révèle que les canaux sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le...) de l'axone (Un axone ou fibre nerveuse est le prolongement long, mince et cylindrique d'un neurone qui conduit les impulsions électriques en dehors du corps cellulaire. Les axones sont...) lisent et transmettent les niveaux de coïncidence des entrées synaptiques d'un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire...) à l'autre en modulant l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du potentiel d'action dans l'axone. Ainsi cette étude fait tomber le dogme du caractère tout-ou-rien du potentiel d'action.


Principe de la facilitation de la transmission synaptique dépendant de la synchronisation des entrés synaptiques. Un neurone pyramidal (gris) reçoit des entrées synaptiques sur sa dendrite apicale et est connecté à un autre neurone (blanc) par une synapse via un axone.
A: cas où les entrées sont désynchronisées. Le potentiel d'action est déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) avec un long délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire...) (flèche oblique). Dans l'axone, le potentiel d'action est de faible amplitude (bleu). Il produit une faible libération de neurotransmetteur (Les neurotransmetteurs, ou neuromédiateurs, sont des composés chimiques libérées par les neurones (et parfois par les cellules gliales) agissant sur d'autres...) (flèche bleue) et une petite réponse synaptique.
B: cas où les entrées sont synchronisées. Le potentiel d'action est déclenché avec un délai court (flèche oblique). Dans l'axone, le potentiel d'action est de grande amplitude (rouge) ; il produit donc une forte libération de neurotransmetteur (flèches rouges) et une grande réponse synaptique.
© Dominique Debanne.

Les processus sensoriels comme la vision ou l'audition (L'audition est le fruit d'un mécanisme complexe assuré principalement par les deux oreilles (pour permettre la perception binaurale...) requièrent des mécanismes de détection ultrarapides (de l'ordre du millième de seconde) afin de discriminer les informations pertinentes codées par des entrées synaptiques fortement synchronisées de celles moins importantes et qui sont donc faiblement synchronisées. Jusqu'à présent, on pensait que cette discrimination était opérée par des mécanismes de détection de coïncidence au niveau post-synaptique comme l'activation (Activation peut faire référence à :) des récepteurs NMDA (N-methyl-D-aspartate), l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) des potentiels postsynaptiques excitateurs ou l'adaptation du seuil du potentiel d'action qui dépend des canaux sodium localisés dans l'axone. Contrairement aux deux autres, ce dernier mécanisme est particulièrement bien adapté pour discriminer des évènements rapides. En effet, les canaux sodium qui régissent l'adaptation du potentiel d'action permettent une discrimination temporelle de l'ordre du millième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) en raison de leur cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) d'ouverture et de fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) rapide. Jusqu'à présent, on ignorait comment la lecture de la synchronisation était transmise aux autres neurones.

En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...), la disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on obtient en divisant la durée durant laquelle...) des canaux sodium est maximale si le seuil du potentiel d'action est atteint de manière instantanée. Cette configuration correspondant à une inactivation minimale des canaux sodium peut être obtenue si le potentiel d'action présynaptique est déclenché par des entrées fortement synchronisées. Ainsi, en combinant l'enregistrement électrophysiologique de paires de neurones issus de tranches de cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire,...) de rat (Le mot « rat » désigne en français, dans le langage vernaculaire certains mammifères rongeurs, le plus souvent du genre Rattus ou au moins de la famille des muridés. Mais certains...), l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...) du calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), l'enregistrement simultané de l'axone et du corps cellulaire ainsi que la modélisation, les chercheurs ont identifié un nouveau mécanisme de transmission de la synchronisation.

Ils démontrent en effet que la transmission synaptique est facilitée quand le potentiel d'action présynaptique est généré par une entrée synchronisée avec une latence courte alors qu'elle est réduite lorsque le potentiel d'action est généré par une entrée désynchronisée avec plus longue latence. Cette facilitation dépendant de la synchronisation repose sur la modulation de l'amplitude du potentiel d'action axonal de plusieurs millivolts qui lui-même conditionne l'entrée de calcium dans la terminaison présynaptique. Il est intéressant de noter qu'en raison des propriétés différentes des canaux sodium dans les compartiments somatique et axonal, la modulation de l'amplitude du potentiel d'action n'est visible que dans l'axone mais pas dans le corps cellulaire. Cette facilitation est observée dans les circuits locaux du néocortex (entre cellules pyramidales de la couche 5) et de l'hippocampe (entre cellules pyramidales de CA3) et affecte l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) propagée dans ces circuits locaux.

Cette étude fait tomber un dogme bien établi: le potentiel d'action n'est pas aussi stable qu'on le pensait mais il peut varier considérablement en amplitude en fonction des conditions dans lesquelles il est déclenché. De plus, les chercheurs pensent avoir identifié ici le premier substrat biologique du codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des données vers une autre.) temporel par la latence absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus...) des potentiels d'action, le mode de codage neuronal considéré comme le plus puissant d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) théorique. Les propriétés des canaux sodium axonaux définissent une nouvelle forme de modulation de la transmission synaptique par laquelle le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'arrivée d'un potentiel d'action présynaptique devient un facteur critique dans la transmission de l'information neuronale dans le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.). Il reste cependant encore bien des questions à explorer comme la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils...) de ce principe aux différents neurones et circuits du cerveau et sa vérification chez l'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de...) entier.

Pour en savoir plus:
Axonal Na+ channels detect and transmit levels of input synchrony in local brain circuits.
Zbili M, Rama S, Yger P, Inglebert Y, Boumedine-Guignon N, Fronzaroli-Molinieres L, Brette R, Russier M & Debanne D.
Science Advances 6 mai 2020. DOI: 10.1126/sciadv.aay4313

Laboratoire:
Unité de Neurobiologie des canaux Ioniques et de la Synapse (UNIS) - (Inserm/AMU)
51, Boulevard (Au sens premier, un boulevard est une voie de communication reposant sur d'anciens remparts, puisque le mot vient du néerlandais bolwerc signifiant rempart. Il permet donc de...) Pierre Dramard, 13015 Marseille.

Contact:
Dominique Debanne - Directeur de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'Unité de Neurobiologie des canaux Ioniques et de la Synapse (UNIS)
dominique.debanne at inserm.fr
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