Contrôle homéostatique de l'activité corticale - Page 1 - test Tous nos livres sont imprimés dans les règles environnementales les plus strictes Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente publication sans autorisation du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20 rue des Grands- Augustins – 75006 PARIS – Tél. : 01 44 07 47 70 / Fax : 01 46 34 67 19. © Éditions Edilivre – Collection Universitaire – 2008 ISBN : 978-2-8121-0036-9 Dépôt légal : Octobre 2008 Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays. - 1 - UNIVERSITÉ PARIS XI FACULTÉ DE MÉDECINE PARIS SUD Année 2006 2007 THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS XI spécialité : Signalisations, Neurosciences, Endocrinologie, Reproduction présentée et soutenue publiquement par Nicolas LE ROUX le 21 juin 2007 Titre Contrôle homéostatique de l’activité corticale : Etude de la balance Excitation / Inhibition des neurones pyramidaux de couche 5 du cortex visuel Directeur de thèse : Dr. Philippe FOSSIER JURY M. Hervé DANIEL Président M. Bertrand LAMBOLEZ Rapporteur M. Jean Luc GAIARSA Rapporteur Mme. Anne JOUVENCEAU Examinatrice M. Marc PANANCEAU Examinateur M. Philippe FOSSIER Directeur de thèse - 2 - Contrôle homéostatique de l’activité corticale : Etude de la balance Excitation / Inhibition des neurones pyramidaux de couche 5 du cortex visuel Homeostatic control of cortical activity: Study of the Excitation / Inhibition balance of layer 5 pyramidal neurons in visual cortex - 3 - RÉSUMÉ : La plasticité homéostatique est un processus qui consiste à réguler l’efficacité globale des entrées synaptiques (excitatrices et inhibitrices) sur un neurone afin d’empêcher des modifications trop importantes de son niveau d’activité. Afin de caractériser les mécanismes à l’origine de ce processus, la balance Excitation/Inhibition des neurones pyramidaux de couche 5 du cortex visuel a été estimée. Elle est composée de 20 % d’excitation et de 80 % d’inhibition. A l’aide de protocoles de stimulation induisant des changements à long terme de l’efficacité des entrées synaptiques, les phénomènes de potentiation homéostatique et de dépression homéostatique ont été mis en évidence. L’induction de ces phénomènes, qui requiert l’activation de récepteurs NMDA et d’un signal NO, est sous le contrôle des systèmes inhibiteurs GABAergique et glycinergique. La récurrence entre signaux excitateurs et inhibiteurs apparaît comme l’élément clé de la régulation de l’activité neuronale. DISCIPLINE : Neurobiologie MOTS-CLÉS : balance Excitation/Inhibition, plasticité homéostatique, neurones pyramidaux, cortex, réseaux neuronaux, interactions récurrentes. SUMMARY: The process of homeostatic plasticity consists in the regulation of the strength of excitatory and inhibitory neuronal inputs in order to prevent a deregulation of neuonal activity. To characterize the mechanisms underlying this process, the Excitation/Inhibition balance of cortical layer 5 pyramidal neurons was estimated. It is composed by 20 % of excitation and 80 % of inhibition. Using stimulation protocols inducing long term changes of the strength of neuronal inputs, the processes of homeostatic potentiation and homeostatic depression were observed. Their induction, which requires the activation of NMDA receptors and a NO signal, is controlled by inhibitory GABAergic and glycinergic systems. The recurrence between excitatory and inhibitory circuits appears as the key element of the regulation of neuronal activity. KEYWORDS: Excitation/Inhibition balance, homeostatic plasticity, pyramidal neurons, cortex, neuronal networks, recurrent interactions. ADRESSE DU LABORATOIRE : Institut de Neurobiologie Alfred Fessard – FRC2118 Laboratoire de Neurobiologie Cellulaire et Moléculaire – UPR9040, CNRS 91198 Gif sur Yvette cedex - 4 - Ce travail a été réalisé sous la direction du Dr. Philippe Fossier, dans le laboratoire de Neurobiologie Cellulaire et Moléculaire (CNRS, Gif-sur-Yvette) dirigé par le Dr. Gérard Baux. Je tiens à remercier tout particulièrement le Dr. Philippe Fossier pour m’avoir accueilli au sein de son équipe depuis mon stage de DEA et de m’avoir formé à la recherche scientifique. Je le remercie pour sa disponibilité, son écoute, ses conseils et pour m’avoir toujours donné les moyens de travailler dans de bonnes conditions. Je tiens à lui exprimer toute ma gratitude et mon amitié. Je remercie également le Dr. Muriel Amar pour son assistance technique et sa disponibilité de tous les instants. Je remercie aussi le Dr. Jordi Molgó sans qui la réalisation de cette thèse n’aurait pas été possible. Je remercie également tout spécialement les Drs. Evelyne Benoît et Seana O’Regan pour leur bravoure face à la lecture de certains de mes articles. Leurs critiques m’auront été d’une aide précieuse. Un grand merci au Dr. Jean-Pierre Mothet pour son aide et ses conseils. Je remercie également tous les membres du laboratoire chercheurs, ingénieurs ou étudiants avec une pensée particulière pour Emmanuelle, Pierre, Hua, Sabine, Stéphane, Nathalie, Martine, Gilles… Je remercie également tout particulièrement Cendrine Lecardeur, Morgane Roulot, Bernadette Wiszniowsky, Patrick Parra ou encore Jean-Yves Tiercelin sans qui mon travail n’aurait pas été possible. Je ne voudrais surtout pas oublier de remercier, pour leur bonne humeur, les membres de l’INAF que sont ou qu’étaient Suzie Pagel, Elise Alvaro Diaz et Pascal Abbas. Qu’ils soient assurés de ma sincère amitié. Un autre grand merci pour mon « exceptionnel » collègue de travail Alexandre Moreau, qui a illuminé bon nombre de mes journées de par sa seule présence. Enfin, un grand merci à mes parents et mes sœurs pour leur soutien sans faille. - 5 - A la mémoire du Football Club de Nantes Atlantique (1963-2007) - 6 - Table des matières Table des illustrations…………………………………………………………………….......10 Liste des principales abréviations…………………………………………………………….12 Introduction…………………………………………………………………...13 I. Le cortex cérébral............................................................................................................. 14 A) Organisation du cortex visuel....................................................................................... 14 1. Organisation morphologique................................................................................................ 14 2. Traitement de l’information................................................................................................. 17 B) Les réseaux neuronaux corticaux ................................................................................. 19 1. Les réseaux excitateurs corticaux ........................................................................................ 19 a) Les neurones excitateurs .................................................................................... 19 b) Les projections excitatrices interlaminaires corticales :..................................... 21 2. Les réseaux inhibiteurs corticaux......................................................................................... 21 a) D’un point de vue anatomique ........................................................................... 21 b) D’un point de vue électrophysiologique ............................................................ 24 c) D’un point de vue neurochimique...................................................................... 26 d) D’un point de vue fonctionnel............................................................................ 27 3. Les connexions corticales .................................................................................................... 29 II. L’intégration corticale...................................................................................................... 31 A) La transmission synaptique .......................................................................................... 31 B) intégration dendritique ................................................................................................. 33 1. La partie distale de la dendrite apicale................................................................................. 33 a) Les signaux excitateurs ...................................................................................... 33 b) Les signaux inhibiteurs....................................................................................... 36 2. La propagation des signaux le long de la dendrite apicale................................................... 40 a) Rôle des canaux dendritiques sensibles au potentiel.......................................... 40 b) Les différents signaux dépolarisants .................................................................. 41 c) Le contrôle dendritique de l’amplitude des signaux .......................................... 41 3. La partie basale proximale de la dendrite apicale................................................................ 42 III. Balance excitation / inhibition.......................................................................................... 43 A) La balance E/I au cours du développement des connexions corticales........................ 43 B) Importance physiologique de la balance E/I ................................................................ 44 IV. La plasticité synaptique.................................................................................................... 44 A) La plasticité des synapses excitatrices ......................................................................... 46 1. La potentiation à long terme (LTP)...................................................................................... 46 - 7 - a) Induction de la LTP............................................................................................ 46 b) Expression de la LTP ......................................................................................... 49 c) Maintien de la LTP............................................................................................. 52 2. La dépression à long terme (LTD)....................................................................................... 53 a) Induction de la LTD ........................................................................................... 53 b) Expression de la LTD......................................................................................... 55 c) Maintien de la LTD............................................................................................ 57 3. Induction différentielle de la LTP ou de la LTD au niveau des synapses excitatrices......... 58 a) La fréquence de stimulation ............................................................................... 58 b) La synchronisation des activités présynaptique et postsynaptique .................... 58 c) L’hypothèse NMDA........................................................................................... 60 4. Modulateurs de la plasticité ................................................................................................. 62 B) La plasticité des synapses inhibitrices.......................................................................... 63 1. Induction de la plasticité des synapses inhibitrices.............................................................. 63 a) La fréquence de stimulation ............................................................................... 65 b) La dépolarisation postsynaptique....................................................................... 65 c) Le signal calcique............................................................................................... 67 2. Mécanismes cellulaires à la base de l’induction de la plasticité des synapses inhibitrices.. 67 a) La potentiation à long terme............................................................................... 67 b) La dépression à long terme................................................................................. 68 3. Induction différentielle de la LTP ou de la LTD au niveau des synapses inhibitrices......... 68 4. Importance fonctionnelle des synapses inhibitrices............................................................. 69 a) Les connexions inhibitrices et le modelage des réponses neuronales................ 69 b) La synchronisation de l’activité des réseaux neuronaux par les interneurones.. 70 c) Les synapses GABAergiques et l’épileptogénèse.............................................. 72 C) La plasticité homéostatique.......................................................................................... 73 1. Définition............................................................................................................................. 73 2. Mise en évidence de la plasticité homéostatique ................................................................. 75 a) Mise en évidence au niveau de synapses excitatrices ........................................ 75 b) Mise en évidence au niveau de synapses inhibitrices ........................................ 76 c) Mise en évidence au niveau d’un réseau neuronal............................................. 78 Objectifs du travail....................................................................................................................81 Matériels et Méthodes………………………………………………………...83 I. Le patch des neurones sur tranche de cortex visuel ......................................................... 83 II. Enregistrements électrophysiologiques............................................................................ 87 A) Acquisition ................................................................................................................... 87 B) Enregistrement en mode courant imposé ..................................................................... 87 - 8 - C) Enregistrement en mode voltage imposé ..................................................................... 89 III. Analyse de la réponse....................................................................................................... 92 A) Paramètres liés à la technique d’enregistrement. ......................................................... 92 1. Le potentiel de jonction de liquide....................................................................................... 92 2. La dérive du potentiel de l’électrode.................................................................................... 93 3. La résistance série................................................................................................................ 93 B) Paramètres liés aux propriétés des neurones enregistrés.............................................. 94 1. Les caractéristiques intrinsèques du neurone....................................................................... 94 2. La relation courant/voltage .................................................................................................. 94 C) Décomposition de la réponse synaptique..................................................................... 95 1. Principe de la décomposition............................................................................................... 95 2. Les paramètres de la décomposition .................................................................................... 95 3. La décomposition de la réponse synaptique ........................................................................ 96 D) Les paramètres caractérisant la réponse..................................................................... 101 1. Les variations de conductance ........................................................................................... 101 2. Détermination des latences ................................................................................................ 103 3. La balance des conductances excitatrice et inhibitrice ...................................................... 103 4. Reconstitution de la réponse en voltage............................................................................. 103 5. Le facteur M....................................................................................................................... 103 E) Analyse statistique...................................................................................................... 105 IV. Marquages immunocytochimiques ................................................................................ 105 Résultats……………………………………………………………………...107 I. Etude du contrôle homéostatique de la balance excitation/inhibition des neurones pyramidaux de couche 5 du cortex......................................................................................... 107 A) Position du problème.................................................................................................. 107 B) Résultats ..................................................................................................................... 108 C) Conclusions................................................................................................................ 121 II. Etude de l’implication du système inhibiteur GABAergique dans le contrôle homéostatique de la balance excitation/inhibition des neurones pyramidaux de couche 5. .. 123 A) Position du problème.................................................................................................. 123 B) Résultats ..................................................................................................................... 124 1. Implication des récepteurs GABAA dans le contrôle homéostatique de la balance Excitation / Inhibition des neurones pyramidaux de couche 5 du cortex..................................................... 124 2. Marquages immunocytochimiques des récepteurs GABAA contenant la sous-unité G...... 151 3. Rôle des récepteurs GABAB dans la régulation de la balance E/I ..................................... 153 4. Rôle des récepteurs GABAB dans la potentiation homéostatique...................................... 155 C) Conclusions................................................................................................................ 157 1. Le contrôle GABAergique de la balance E/I ..................................................................... 157 - 9 - 2. Le contrôle GABAergique de la potentiation homéostatique............................................ 157 3. Les mécanismes du contrôle inhibiteur de l’activité corticale........................................... 158 III. Etude du rôle des récepteurs NMDA dans l’induction de la plasticité homéostatique.. 160 A) Position du problème.................................................................................................. 160 B) Résultats ..................................................................................................................... 161 1. Rôles des sous-unités NR2A et NR2B des récepteurs NMDA dans la potentiation homéostatique des afférences excitatrices et inhibitrices. .......................................................... 161 2. Rôles des co-agonistes D-serine et glycine de la sous-unité NR1 des récepteurs NMDA dans la potentiation homéostatique des afférences excitatrices et inhibitrices........................... 189 C) Conclusions................................................................................................................ 213 1. Les récepteurs NMDA ....................................................................................................... 213 2. Les récepteurs glycinergiques............................................................................................ 214 3. Les gliotransmetteurs......................................................................................................... 214 IV. Etude du rôle du monoxyde d’azote dans les processus corticaux. ............................... 215 A) Position du problème.................................................................................................. 215 B) Résultats ..................................................................................................................... 216 C) Conclusions................................................................................................................ 231 1. Le NO et la régulation de la balance E/I............................................................................ 231 2. Le NO et la potentiation homéostatique des signaux excitateurs et inhibiteurs................. 231 Discussion - Perspectives…………………………………………..………..233 I. La régulation de la balance E/I....................................................................................... 233 A) Le contrôle inhibiteur de la balance E/I ..................................................................... 234 B) L’inhibition shuntante ................................................................................................ 234 II. La plasticité homéostatique............................................................................................ 236 A) La potentiation homéostatique ................................................................................... 236 1. Les récepteurs NMDA et la potentiation homéostatique ................................................... 236 2. La synthèse de NO et la potentiation homéostatique......................................................... 236 B) La dépression homéostatique ..................................................................................... 237 1. L’induction de la dépression homéostatique...................................................................... 237 2. Les récepteurs NMDA et la dépression homéostatique ..................................................... 239 C) Le contrôle de la plasticité homéostatique ................................................................. 240 1. Le contrôle inhibiteur de la plasticité homéostatique ........................................................ 240 a) Les récepteurs GABAA et la potentiation homéostatique ................................ 240 b) Les récepteurs GABAB, glycinergiques et la potentiation homéostatique....... 241 2. Le contrôle glial de la plasticité homéostatique................................................................. 241 III. Conclusions - Perspectives............................................................................................. 242 Bibliographie…………………………………………………………….......245
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