NERVEUX (SYSTÈME) Neurobiologie

Propriétés électriques du neurone (rappel)

Une connaissance minimale de la morphologie du neurone ainsi que de ses propriétés électriques est nécessaire si on veut comprendre le mécanisme de la neurotransmission chimique.

Morphologiquement, le neurone se distingue d'une cellule ordinaire par la présence de deux types de prolongements qui émanent généralement du corps cellulaire :

– les dendrites qui sont des prolongements nombreux, courts et ramifiés ;

– l'axone, prolongement unique, plus long que les dendrites, également ramifié et dont les regroupements forment les nerfs.

L' axone est électriquement excitable, de façon à déterminer des potentiels d'action. Une fois le seuil atteint, un (ou plusieurs) potentiel d'action est émis, qui se propage sans diminution d'amplitude jusqu'au bout de l'axone. Les dendrites et le corps cellulaire peuvent être considérés quant à eux comme des compartiments électriquement passifs. Cette dichotomie électrique est associée à une dichotomie dans la neurotransmission chimique : lorsqu'il arrive au niveau des terminaisons de l'axone, le potentiel d'action provoque la libération d'une substance chimique (transduction électrochimique) et le messager chimique libéré (neurotransmetteur) agit principalement sur les dendrites et les corps cellulaires d'autres neurones pour induire un changement électrique (transduction chimioélectrique). Les terminaisons axonales jouent ainsi généralement le rôle d'élément présynaptique alors que les dendrites et le corps cellulaire jouent le rôle d'élément postsynaptique. Le neurone est donc une cellule polarisée où les messages vont circuler préférentiellement de l'amont à partir des dendrites et du corps cellulaire vers l'aval, c'est-à-dire l'axone et ses terminaisons. La seule condition nécessaire à cette circulation d'information est la genèse d'un potentiel d'action (ou plusieurs) au niveau du segment initial de l'axone.

Schéma général de la neurotransmission chimique

Dans le cas le plus simple, les événements qui ont lieu au niveau d'une synapse chimique sont les suivants : lorsque le potentiel d'action arrive au niveau de la terminaison axonale, il y provoque l'ouverture de protéines-canaux (cf. canaux ioniques) perméables au calcium et sensibles aux variations positives du potentiel membranaire. L'entrée de calcium induit l'ouverture des vésicules contenant un neurotransmetteur qui se trouve ainsi libéré dans l'espace synaptique. Il se lie sur le neurone postsynaptique à des récepteurs qui lui sont spécifiques. La liaison du neurotransmetteur avec ses récepteurs provoque alors un changement positif (potentiel postsynaptique excitateur ou P.P.S.E.) ou négatif (potentiel postsynaptique inhibiteur ou P.P.S.I.) du potentiel membranaire du neurone en aval de la synapse. Après s'être lié à ses récepteurs, le neurotransmetteur est inactivé par dégradation et/ou par recapture au niveau du neurone présynaptique (et parfois au niveau du neurone postsynaptique) (fig. 1). La quantité de neurotransmetteur libéré est fonction de la fréquence et du nombre de potentiels d'action qui arrivent au niveau de la terminaison axonale et l'amplitude des potentiels postsynaptiques est fonction de la quantité de neurotransmetteur libéré. On peut donc estimer qu'il existe un codage fréquence/amplitude au niveau de la synapse chimique.

Nous verrons qu'au-delà de leur complexité, les nombreuses étapes biochimiques qui constituent le mécanisme de neurotransmission chimique offrent des possibilités de variation et de modulation très nombreuses (cf. Modulations de la neurotransmission chimique ci-après).

Modulations de la neurotransmission chimique

Le processus de la neurotransmission évolue au cours du temps, de sorte qu'un potentiel d'action bien défini au niveau présynaptique ne donne pas toujours la même réponse postsynaptique. En effet toutes les étapes biochimiques de la neurotransmission (entrée de calcium, libération du neurotransmetteur, liaison du neurotransmetteur à son récepteur, efficacité du récepteur et inactivation du neurotransmetteur) peuvent être modulées, par exemple en fonction de l'activité de la synapse ou sous l'effet de substances pharmacologiques comme on le verra ci-après. Ces modulations peuvent être transitoires ou aboutir à des modifications prolongées de l'efficacité de la neurotransmission.

Les changements d'efficacité de la neurotransmission liés à l'activité de la synapse n'ont lieu que dans des conditions particulières de stimulation de la synapse (fréquence d'activité par exemple) et parfois même nécessitent la stimulation conjointe d'autres synapses ou un état particulier du neurone postsynaptique. Ces changements peuvent durer plusieurs heures voire plusieurs jours (long terme), et peuvent correspondre à une diminution ou à une augmentation de la neurotransmission (dépression ou potentialisation). Si on prend l'exemple de la potentialisation à long terme, on sait qu'elle peut mettre en jeu une augmentation de la libération mais aussi un changement du nombre voire du type de récepteurs, et pourrait même être sous-tendue par des changements morphologiques de la synapse (voir Pour la science, dossier n^o 31 hors série, avril-juillet 2001).

Cette capacité générale de la synapse à retenir les changements d'activité est nommée plasticité synaptique et semble tenir une place importante dans les processus d'apprentissage et de mémoire.

La source de modulation peut aussi être artificielle, comme c'est le cas lors de l'absorption de drogues psychoactives. En effet, la plupart des drogues qui modifient l'activité nerveuse exercent leur influence via une modulation de la neurotransmission en agissant au niveau d'une ou plusieurs de ses étapes. Pour ne prendre que deux exemples, la cocaïne exerce son effet en empêchant la recapture d'un groupe de neuromodulateurs – les monoamines – ,tandis que le cannabis exerce son effet psychotrope en se liant à des récepteurs synaptiques normalement activés par un neurotransmetteur endogène. Là encore une prise chronique de ces substances peut se traduire par des modifications à long terme qui sont à la base des phénomènes de tolérance et peuvent entraîner une dépendance ainsi qu'un syndrôme de sevrage à l'arrêt de la prise de drogue.

Ces modulations de la neurotransmission par les drogues sont aussi à la base de traitements thérapeutiques : la plupart des antidépresseurs rétablissent le niveau de sérotonine en empêchant l'inactivation de ce neurotransmetteur. De même la neurodégénérescence particulière responsable de la maladie de Parkinson peut être suppléée par l'absorption du précurseur de la dopamine (neuromodulateur qui fait défaut dans cette pathologie).

Toutefois ces traitements pharmacologiques ont souvent des effets indésirables : l'exposition prolongée provoque la mise en place d'une tolérance et le traitement pharmacologique affecte souvent l'ensemble du système nerveux alors que les pathologies sont dues à des atteintes localisées du système nerveux (cas de la maladie de Parkinson), cette différence expliquant la présence d'effets secondaires. C'est pourquoi la recherche médicale doit tenter sans cesse d'augmenter la spécificité des agents pharmacologiques aussi bien qu'emprunter d'autres pistes thérapeutiques pour traiter les troubles du système nerveux (cf. chap. 2 Neuropharmacologie).

Drogues. Conduction et transmission de l'influx nerveux

Pharmacologie des structures jonctionnelles

Historique

L' action des médicaments sur les jonctions nerveuses constitue l'un des chapitres fondamentaux de la neuropharmacologie, depuis que les pharmacologues ont mis en évidence, entre 1900 et 1940, le mode de transmission neurohumorale de l'influx nerveux, qui s'est substitué à celui d'une transmission électrique. Suivant cette théorie, le passage de l'influx nerveux d'un nerf à un muscle, ou d'un axone au soma d'un autre neurone, met en jeu un mécanisme purement chimique : l'action d'une substance spécifique, le médiateur chimique. Ce résultat découle de l'analogie constatée entre les effets de l'excitation des nerfs sympathiques ou parasympathiques et les effets respectifs de l'adrénaline et de l'acétylcholine. Les découvertes fondamentales furent effectuées, en 1921, par O. Loewi, puis par W. B. Cannon. Loewi montre que l'excitation du nerf vague (parasympathique) d'un cœur isolé de grenouille libère dans le liquide de perfusion une substance capable de ralentir un autre cœur. Cette substance devait bientôt être identifiée à l'acétylcholine. Par ailleurs, Cannon démontre que l'excitation des nerfs sympathiques, hépatiques ou spléniques accélère le cœur énervé d'un chat. Cette action ne peut se produire que par libération d'une substance, appelée « sympathine », qui sera d'abord identifiée à l'adrénaline, puis à la noradrénaline (U. S. von Euler, 1946). La preuve de la transmission chimique au niveau de la plaque neuromusculaire fut acquise en 1944 ; au niveau du système nerveux central, en 1953.

Pour établir une corrélation entre une synapse donnée et un médiateur, il faudrait pouvoir répondre aux questions suivantes :

– Cette molécule est-elle libérée par la terminaison nerveuse sous l'effet de l'influx nerveux ?

– Cette molécule, appliquée artificiellement au niveau de la synapse, y produit-elle des effets identiques à ceux de la transmission synaptique normale ?

– Les drogues qui modifient le fonctionnement normal de la synapse ont-elles les mêmes effets sur une excitation artificiellement provoquée par le médiateur supposé ?

– Existe-t-il au niveau de la synapse un système d'inactivation rapide de cette molécule ?

Mécanismes d'action des drogues

Les progrès de la pharmacologie montrent que les drogues perturbent la transmission nerveuse de différentes façons :

1. Au niveau du système nerveux autonome, les drogues peuvent mimer les effets du médiateur chimique. Ce sont : les parasympathomimétiques qui reproduisent les effets de l'acétylcholine sur les organes innervés par les nerfs parasympathiques ; les nicotiniques, ou excitoganglionnaires, qui imitent les effets de la même substance au niveau des ganglions ; les acétylcholinomimétiques, qui agissent comme l'acétylcholine au niveau de la plaque neuromusculaire ; les sympathomimétiques qui ont des effets analogues à ceux de la noradrénaline sur les organes innervés par le système sympathique.

Au niveau du système nerveux central, l'identité du médiateur excitant n'étant pas connue, il n'existe donc pas encore de classes de substances mimétiques ; le médiateur excitant est un des deux diacides aminés : l'acide glutamique ou l'acide aspartique. Certaines substances miment les effets de ces acides sur la membrane neuronale. Il en est ainsi, par exemple, au moins à certaines doses, de l'acide kaïnique. Dans la moelle épinière du chat, le médiateur inhibiteur a été identifié avec un acide aminé, le glycocolle. Le rôle de médiateur de l'acide γ-aminobutyrique (GABA) est établi dans l'action des nerfs inhibiteurs des crustacés. Injecté par iontophorèse, il mime les actions pré- et postsynaptiques du médiateur, agit aux mêmes sites et est bloqué par les mêmes drogues. Dans le cerveau des mammifères, le GABA est également présent ; il crée une hyperpolarisation de la membrane et son action pharmacologique est donc inhibitrice ; son rôle de médiateur inhibiteur a été établi dans de nombreuses structures : cervelet, cortex, hippocampe, etc.

Des substances mimant l'action du GABA sont aujourd'hui connues et le muscimol est l'une des plus employées. Les benzodiazépines semblent interférer par un mécanisme complexe avec les récepteurs au GABA.

2. Les substances pharmacologiques peuvent être des antagonistes en empêchant le médiateur de se fixer sur les récepteurs et d'y engendrer un potentiel d'action. Les antagonistes sont des parasympatholytiques, des ganglioplégiques et des curarisants pour l'acétylcholine, les adrénolytiques pour la noradrénaline. Au niveau spinal, la strychnine s'oppose à l'action inhibitrice du glycocolle et provoque des convulsions. La bicuculline a été reconnue comme un antagoniste de l'acide γ-aminobutyrique.

3. Les substances pharmacologiques peuvent perturber la synthèse ou le stockage du médiateur chimique dans les terminaisons préjonctionnelles, paralysant de cette façon la transmission de l'influx nerveux. Elles libèrent le médiateur, ou au contraire inhibent sa libération. Parfois elles se substituent à celui-ci, et sont libérées à sa place ; ces « faux médiateurs », généralement moins actifs que la substance naturelle, diminuent donc l'efficacité de la transmission synaptique. Enfin, ces substances peuvent dérégler les mécanismes ioniques qui se déclenchent lors de la transmission de l'influx nerveux.

On voit donc la richesse des interprétations que permet la théorie neurohumorale, et ce n'est pas un de ses moindres mérites.

Réflexes et tonus musculaire

Certaines drogues pharmacologiques perturbent les réflexes médullaires. Les réflexes monosynaptiques, ne mettant en jeu qu'une synapse d'une fibre sensorielle afférente à un motoneurone, sont le plus souvent résistants. En revanche, les réflexes polysynaptiques, mettant en œuvre une fibre afférente sensitive, des neurones jonctionnels courts – appelés interneurones – et un motoneurone, sont sensibles à un grand nombre de drogues. Ces poisons des interneurones spinaux et mésencéphaliques ont reçu le nom de relaxants musculaires et comprennent les barbituriques, les benzodiazépines et le méprobamate.

De nombreuses drogues provoquent, le plus souvent, une chute du tonus musculaire ( hypotonie) et, à plus forte dose, une paralysie flasque ascendante. La transmission neuromusculaire n'étant pas affectée, on en conclut que les drogues agissent directement sur le système nerveux central. Cette action, difficile à localiser, se situe soit au niveau de la moelle épinière, ce qui empêche les systèmes supraspinaux d'exercer leurs influences toniques sur les motoneurones, soit, comme pour le diazépam, au niveau de la formation réticulée bulbaire (fig. 2). Quoi qu'il en soit, cette dépression aboutit toujours à un amoindrissement des effets facilitateurs et inhibiteurs que la formation réticulée exerce sur les réflexes mono- et polysynaptiques spinaux.

En fait, il existe deux systèmes qui accroissent le tonus musculaire (fig. 3) :

– Le système des grosses fibres motrices α innerve les fibres musculaires extra-fusoriales ; son hyperactivité est obtenue par la décérébration ischémique : ligature des deux artères carotides et du tronc basilaire. Le méprobamate, le diazépam, la méphénésine agissent sur ce système.

– Le système des fines fibres motrices γ innerve les fibres musculaires intrafusoriales ; son hyperactivité est obtenue par la décérébration intercolliculaire : section du tronc cérébral entre les tubercules quadrijumeaux antérieurs et postérieurs. La chlorpromazine et de nombreuses phénothiazines neuroleptiques dépriment ce système ; au contraire, certaines drogues sont capables d'accroître le tonus musculaire : ainsi la réserpine, la trémorine et l' oxotrémorine, bien qu'elles dépriment le système des fibres γ, excitent davantage le système des fibres α ; l' imipramine augmente le tonus extenseur en déprimant spécifiquement l'inhibition présynaptique et l'inhibition directe récurrente qui s'exercent surtout sur les motoneurones extenseurs.

États de veille et de sommeil

De nombreuses substances pharmacologiques sont capables de modifier les états de veille et de sommeil (cf. sommeil). Ainsi, les hypnotiques induisent le sommeil, tandis que les psychostimulants ( amphétamine et caféine) l'empêchent. Les travaux de neuropharmacologie ont localisé le lieu d'action de ces substances au niveau de la formation réticulée mésencéphalique ascendante, responsable du maintien de l'état de veille.

Certaines drogues, tels les hallucinogènes, agissent sur la formation réticulée bulbaire, inhibitrice naturelle de la formation réticulée mésencéphalique ; la dépression de la formation réticulée bulbaire provoque donc l'éveil.

L'analyse pharmacologique a révélé la présence de systèmes cholinergiques et adrénergiques dans la formation réticulée mésencéphalique. L'amphétamine entraîne, en effet, une réaction d'éveil et la libération de noradrénaline à ce niveau. Au contraire, la réserpine et la tétrabénazine provoquent le sommeil et la déplétion en noradrénaline. En outre, les drogues cholinomimétiques, susceptibles de traverser la barrière hémato-encéphalique, déclenchent une réaction d'éveil électro-encéphalographique, et l' atropine l'apparition d'un tracé électro-encéphalographique de sommeil. Toutefois, l'administration d'oxotrémorine dans certaines parties du tronc cérébral induit le sommeil paradoxal (ou sommeil rapide), caractérisé par une désynchronisation corticale et une perte du tonus musculaire. Des récepteurs muscariniques et même nicotiniques (activés respectivement par les parasympathomimétiques et la nicotine) sont à l'origine de l'activation corticale.

Sommeil lent et 5-hydroxytryptamine

Les progrès récents les plus significatifs ont souligné l'importance, dans la genèse du sommeil lent, d'une part des noyaux mésencéphaliques et pontiques du raphé médian, d'autre part de la 5-hydroxytryptamine (ou sérotonine). Le rôle de la 5-hydroxytryptamine dans la genèse du sommeil lent repose sur un nombre relativement impressionnant d'arguments.

– La méthode d'histofluorescence révèle que les noyaux du raphé médian, se trouvant sur la ligne médiane, sont formés de cellules contenant de la 5-hydroxytryptamine.

– La destruction électrolytique de ces noyaux chez l'animal engendre la perte du sommeil et une déplétion de l'encéphale en 5-hydroxytryptamine et en acide 5-hydroxy-indolacétique, produit d'élimination.

– L'excitation électrique de ces noyaux déclenche, au contraire, le sommeil lent ; la teneur en 5-hydroxytryptamine de l'encéphale s'abaisse, celle de l'acide 5-hydroxy-indolacétique s'élève ; cette expérience conduit à penser que l'excitation électrique accélère l'utilisation de la 5-hydroxytryptamine.

– La parachlorophénylalanine inactive la tryptophane-hydroxylase, enzyme qui catalyse la première étape de la synthèse de la 5-hydroxytryptamine ; il en résulte une inhibition du sommeil ; celui-ci est rétabli après administration de 5-hydroxytryptophane.

– Les drogues – telle l'imipramine – qui empêchent le recaptage, c'est-à-dire le pompage, le stockage et par suite l'inactivation de la 5-hydroxytryptamine des espaces intercellulaires par les terminaisons des fibres nerveuses, favorisent le sommeil lent. Ce résultat est observé également avec les drogues qui, de même que les inhibiteurs de la monoamine-oxydase (IMAO), s'opposent au catabolisme de la 5-hydroxytryptamine.

– Les antagonistes de la 5-hydroxytryptamine, tel le méthysergide, favorisent l'activité de veille et diminuent les deux phases du sommeil. Ils inhibent l'accélération de l'apparition du sommeil paradoxal provoqué par le tryptophane.

Il faut noter que, si des expériences convaincantes ont été faites sur certaines synapses de l'Aplysie, on ne possède aucune certitude, dans le cas du cerveau des vertébrés, que la 5-hydroxytryptamine joue un rôle de médiateur, bien que certains faits tendent à le prouver.

Noyaux bulbo-mésencéphaliques

De nombreuses drogues perturbent l'activité des noyaux bulbo-mésencéphaliques impliqués dans la régulation de la vie neurovégétative. Ainsi, la morphine déprime les neurones respiratoires et les neurones sympathiques, pouvant provoquer apnée et hypotension ; elle stimule les neurones vagaux situés au niveau du tractus solitaire et du noyau ambigu, ralentissant le cœur ; elle excite le noyau de la VI^e paire crânienne, provoquant le rétrécissement de la pupille (myosis). Ces actions sont consécutives à l'action sur des récepteurs opiacés spécifiques. La clonidine inhibe les neurones sympathiques bulbaires et excite les neurones vagaux, pour ceux-ci probablement au niveau du noyau du tractus solitaire. La clonidine agit sur des récepteurs spécifiques appelés α₂-adrénocepteurs. Un progrès décisif fut réalisé en 1953 quand H. L. Borison et S. C. Wang montrèrent le mécanisme d'action des émétisants. Le vomissement déclenché par certaines drogues survient en effet par excitation de récepteurs périphériques, généralement gastro-intestinaux comme c'est le cas avec le sulfate de cuivre. Au contraire, certaines drogues sont plus actives lorsqu'elles sont administrées par voie intraveineuse ; leur activité est même plus intense lorsqu'elles sont introduites directement au niveau du bulbe. On avait classé ces drogues, morphine et apomorphine par exemple, comme émétisants centraux. Borison et Wang ont montré que leur activité disparaît après ablation de l'area postrema, région voisine de l'obex du bulbe, constituée de fibres nerveuses, de cellules gliales et de vaisseaux sanguins. Ils ont donc conclu que l'excitation du centre bulbaire du vomissement est secondaire à la stimulation de l'area postrema. Il est possible que l'area postrema soit impliquée dans d'autres actions pharmacologiques, comme une partie de la hausse tensionnelle provoquée par l'angiotensine ; les noyaux bulbo-pontiques sérotoninergiques sont impliqués en partie dans l'action analgésique des morphinomimétiques.

Hypothalamus et système limbique

L'intégration des émotions et de la peur s'effectue principalement au niveau de l' hypothalamus et du système limbique (hippocampe, septum et en particulier amygdale, ). Certains tranquillisants, tels que les benzodiazépines (chlordiazépoxide, diazépam), dépriment ces régions et inhibent les réactions neurovégétatives, émotionnelles et électriques, qui apparaissent après stimulation du système limbique. Les neuroleptiques, les antidépresseurs, les benzodiazépines, ainsi que la destruction bilatérale des noyaux amygdalien, s'opposent à l'agressivité du rat porteur de lésions du septum. On en conclut que ces drogues modéreraient l'activité de l'amygdale.

Les phénothiazines neuroleptiques et les antidépresseurs tricycliques accroissent la durée des convulsions d'origine rhinencéphalique, que l'on provoque en stimulant le noyau amygdalien ; ces produits engendrent même parfois des convulsions spontanées. On a supposé qu'ils agissaient en réalisant une sorte d'ablation fonctionnelle de cette structure, d'où découleraient l'indifférence émotionnelle et, par là, l'amélioration de certaines psychoses.

Au niveau de l'hypothalamus, les substances pharmacologiques perturbent la sécrétion des hormones antéhypophysaires, créant ainsi des troubles endocriniens.

Excitabilité corticale, sous-corticale et noyaux gris centraux

Les substances pharmacologiques, phénobarbital, phénytoïne par exemple, diminuent l'excitabilité du cortex, ce qui justifie leur emploi dans le traitement de l'épilepsie.

Au niveau des noyaux gris centraux (thalamus, corps strié), certaines substances permettent d'améliorer les troubles de la maladie de Parkinson, causés par des lésions du locus niger (fig. 5). La constatation que les substances antiparkinsoniennes sont des parasympatholytiques avait conduit à supposer que l'hyperactivité d'un système cholinergique était responsable de cette maladie. Cette conception fut étayée par la découverte d'une substance parasympathomimétique, la trémorine, capable de passer dans le cerveau et qui produit des symptômes voisins de ceux de la maladie de Parkinson : tremblements, rigidité, acinésie, auxquels il faut adjoindre des signes périphériques (salivation, larmoiement, diarrhée, bradycardie). Les anticholinergiques inhibent les actions périphériques et centrales. En outre, l'administration du métabolite de la trémorine – l' oxotrémorine – dans la formation réticulée mésencéphalique ou dans le noyau caudé provoque le tremblement.

Les travaux poursuivis depuis une vingtaine d'années ont conduit au concept d'un faisceau dopaminergique qui s'oppose au système cholinergique. Dans la plupart des organes, la dopamine est une catécholamine (fig. 6), précurseur de la noradrénaline ; elle joue le rôle de médiateur au niveau du corps strié. L'intervention de ce faisceau repose sur les faits suivants :

– On a constaté au niveau des noyaux gris centraux, à l'état normal, une teneur très élevée en dopamine (10 μg/g).

– On a mis en évidence, par les méthodes d'histofluorescence, l'existence d'un faisceau nerveux qui part du locus niger et aboutit au noyau caudé et au pallidum ; ce faisceau est formé de cellules contenant de la dopamine.

– On a démontré que les noyaux gris centraux des malades décédés de maladie de Parkinson renferment une très faible teneur en dopamine.

– La dopa, précurseur métabolique de la dopamine, présente une efficacité thérapeutique dans la maladie de Parkinson : elle pallierait l'absence de la dopamine cérébrale.

– Après administration parentérale de dopa, la concentration en dopa et en dopamine s'élève au niveau des noyaux gris centraux.

– L'injection dans le locus niger de 6-hydroxydopamine, substance provoquant la dégénérescence des fibres dopaminergiques, diminue le taux de dopamine dans le néostriatum (noyau caudé et putamen).

– La stimulation électrique du locus niger entraîne la libération de dopamine au niveau du putamen et de son métabolite, l'acide homovanillique.

– Dans 60 p. 100 des cas, l'injection micro-iontophorétique de dopamine (à l'aide d'une microélectrode servant de micropipette) au niveau des cellules du noyau caudé inhibe leur décharge, comme le fait la stimulation du locus niger.

– Les drogues, telle la réserpine, qui provoquent la déplétion en dopamine, sont à l'origine chez l'animal de la catalepsie et chez l'homme d'un syndrome parkinsonien. Les phénothiazines neuroleptiques se fixeraient sur les récepteurs dopaminergiques et c'est ainsi qu'ils donneraient lieu à des effets analogues à ceux de la réserpine.

Les antiparkinsoniens classiques, outre leur action anticholinergique, inhibent le recaptage de la dopamine et augmentent la concentration de cette substance au niveau du récepteur. Les inhibiteurs de la dopa-décarboxylase du système nerveux périphérique accroissent la concentration en dopa au niveau des noyaux gris centraux ; cette technique offre l'avantage d'utiliser des doses moindres de dopa et de réduire les effets secondaires périphériques.

Méthodes et objectifs

L'étude des constituants du tissu nerveux fait appel aux techniques de la chimie analytique. Ces constituants sont généralement présents en très faible quantité, quelquefois à l'état de traces. Cela impose la mise en œuvre des techniques de dosage et de purification les plus avancées, comme celles de la spectrométrie de masse ou, surtout, de la chromatographie gazeuse et de la chromatographie liquide à haute performance. Dans ce dernier cas, les chromatographes sont couplés à des détecteurs de molécules extrêmement sensibles donnant accès à des quantités infimes de matériel analysé ; tels les détecteurs électrochimiques permettant l'identification et le dosage, de nombreuses molécules oxydables présentes à l'état de traces au sein du tissu nerveux. Une fois obtenue la purification des neuromolécules, et en particulier dans le cas des protéines et des peptides, c'est leur analyse structurale qui permet, en déterminant leur séquence d'aminoacides, de découvrir, grâce à l'élaboration de modèles conformationnels, des structures moléculaires tertiaires, modèles ayant valeur heuristique dans l'interprétation des fonctions de ces molécules. Des progrès considérables dans l'identification des constituants du système nerveux sont également réalisés par l'utilisation de méthodes liées au développement d'autres disciplines fondamentales comme l'immunologie (cf. figure). La purification et la caractérisation d' anticorps spécifiques contre les constituants cellulaires permettent la réalisation de dosages d'une sensibilité extrême, d'abord utilisés pour les hormones et aujourd'hui pour des molécules de plus en plus nombreuses impliquées tant dans la structure du cytosquelette que dans les processus métaboliques, et ceux de reconnaissance ou de communication intercellulaires. Les mêmes anticorps sont par ailleurs utilisés, chaque fois que cela est possible, dans des techniques de visualisation des constituants du système nerveux grâce aux moyens de l'immunohistochimie combinés à la microscopie photonique et électronique en vue de préciser l'organisation structurale du tissu nerveux. Quant à l'introduction récente en neurobiologie des moyens de la biologie moléculaire, elle autorise, grâce à la détermination des structures primaires des protéines notamment, la production de sondes, le plus souvent marquées par des radioéléments, représentant des fragments du patrimoine génétique sous forme d'ARN messagers ou de l'ADN complémentaire. L'investigation qui découle des régulations moléculaires intervenant au niveau du génome permet d'aborder par exemple, au-delà de l'identification des constituants cellulaires, leurs processus de maturation. L'hybridation in situ constitue de ce fait l'un des moyens d'approche les plus performants des constituants protéiques et peptidergiques de la cellule nerveuse et de la régulation de leur métabolisme.

L'étude des propriétés élémentaires de la cellule nerveuse débouche encore sur l'évidence de propriétés adaptatives sur le plan cytophysiologique, ce qui confère au système nerveux une neuroplasticité fonctionnelle reconnue non seulement au cours des processus ontogénétiques mais aussi chez l'individu adulte.

L'approche de ces propriétés élémentaires, tant au niveau cellulaire que moléculaire, conduit à sélectionner des modèles expérimentaux dont les propriétés se veulent également heuristiques. L'une des grandes orientations actuelles de la neurochimie privilégie le développement de modèles d'étude in vitro permettant l'approche des propriétés élémentaires des cellules nerveuses, des cellules gliales ou de leurs constituants : utilisation de cultures de cellules embryonnaires, maintien en survie de coupes de cerveau ou purification, à l'aide de techniques de fractionnement cellulaire, de fragments membranaires ou encore de synaptosomes représentant des entités fonctionnelles utilisées comme matériel d'étude, par exemple des récepteurs membranaires, par les techniques de liaison ou d'autres éléments liés à la reconnaissance et à la communication intercellulaires.

La considération essentielle dans le choix de ces modèles est la recherche de systèmes relativement simples par leur homogénéité et le nombre d'éléments mis en jeu. La neurochimie utilise aussi de façon complémentaire une gamme de modèles animaux permettant quant à eux l'approche in vivo des grandes fonctions de régulation abordée sur un plan plus global concernant l'étude des réseaux nerveux et des interactions cellulaires. L'un des axes essentiels de cette approche est consacré à l'étude de populations neuronales ayant par exemple en commun un même médiateur chimique de la communication interneuronale dont on va tenter de préciser le rôle fonctionnel. Au cours des deux dernières décennies, l'un des concepts majeurs introduit en neurobiologie a été la considération d'une organisation tant anatomique que fonctionnelle du système nerveux fondée sur l'identification de molécules spécifiques impliquées dans la communication interneuronale, les neuromédiateurs. Leur diversité apparente ainsi que leur colocalisation fréquente dans une même cellule nerveuse amènent par exemple à définir sur le plan théorique des sous-catégories neuronales rendant compte d'une organisation multidimensionnelle du système nerveux plus complexe et potentiellement plus performante que celle qu'ont initialement proposée les neuroanatomistes et les électrophysiologistes. De même, l'utilisation de mutants neurologiques permet-elle de localiser et d'étudier tel mécanisme lié à l'activité fonctionnelle.

La neurochimie tend à aborder enfin le fonctionnement du cerveau de l'homme normal et pathologique. Jusqu'à une période récente, les moyens d'approche du sujet humain étaient relativement réduits, limités pour l'essentiel à la recherche d'indices pertinents au niveau des liquides physiologiques (liquide céphalo-rachidien, sang, urine) ou à des analyses effectuées à l'autopsie. Ces démarches sont toujours activement poursuivies mais elles sont supplantées par le développement de méthodes d'investigation, atraumatiques pour la plupart d'entres elles, permettant d'approcher le fonctionnement neuronal du sujet humain au niveau cellulaire et même moléculaire. Ainsi en est-il des études du métabolisme et de la circulation cérébrale, de certains récepteurs membranaires aux neuromédiateurs, voire de la pénétration intracérébrale de certains médicaments par l'utilisation d'isotopes radioactifs et de la caméra à positons associée aux méthodes les plus performantes de l'imagerie médicale (tomographie).

L'utilisation de ces méthodologies nouvelles, dont on constate qu'elles n'impliquent pas seulement le développement de techniques biochimiques, conduit ainsi à une connaissance plus approfondie du système nerveux imputable aux données neurochimiques. Aujourd'hui, les méthodes de la biologie moléculaire permettent l'identification de gènes impliqués sélectivement dans certaines maladies du système nerveux, comme la trisomie 21, une atteinte possible du même chromosome dans les démences corticales de type maladie d'Alzheimer, ou encore dans certaines maladies hérédo-dégénératives comme la chorée de Huntington ou certaines myopathies. Ces études révèlent par ailleurs la potentialité qu'auraient des cellules nerveuses à exprimer dans certaines conditions une capacité fonctionnelle qui se trouverait réprimée dans les conditions physiologiques, illustrant ainsi une autre forme de neuroplasticité au niveau transcriptionnel. Les données actuelles permettent d'envisager à terme des corrections des déficits moléculaires correspondant à ces anomalies génétiques et, plus immédiatement, des possibilités de diagnostic précoce des maladies dont ces indices représenteraient des marqueurs biologiques. L'application des différentes stratégies de recherche utilisées sur le plan neurochimique contribue enfin aux développements d'hypothèses neurobiologiques concernant la genèse des maladies du système nerveux, car la recherche de concomitants biochimiques de ces maladies permet, par l'identification de systèmes neuronaux préférentiellement impliqués dans ces pathologies, de développer des orientations nouvelles dans le domaine de la neuropsychopharmacologie. Même si cette conception de la pathologie cérébrale peut, à de nombreux égards, paraître primaire, et si aucun neurobiologiste n'envisage aujourd'hui la possibilité qu'une pathologie quelle qu'elle soit et, a fortiori, impliquant des désordres de type cognitif puisse être limitée à un simple déficit biochimique, cette démarche aboutit néanmoins à des hypothèses de travail extrêmement fructueuses permettant d'avancer dans la connaissance des processus pathologiques. Dans le cas de lésions tissulaires majeures, les études neurochimiques ont contribué aussi au développement du concept de chirurgie réparatrice du système nerveux, où on a vu récemment une population neuronale déficiente, biochimiquement identifiée par son neuromédiateur, la dopamine, remplacée avec un succès apparent au niveau de la structure centrale dénervée au cours de la maladie de Parkinson, le striatum, par un implant de cellules catécholaminergiques périphériques prélevées au niveau de la glande médullo-surrénale du même malade ou même au niveau du mésencéphale d'un fœtus humain, réalisant ainsi une hétérogreffe de tissu nerveux.

Les constituants du système nerveux

Le tableau montre que le tissu nerveux est très riche en lipides (plus de 50 p. 100 du poids sec) et en protéines (40 p. 100), alors que les glucides ne représentent qu'une très faible partie des constituants cérébraux (environ 1 p. 100). Les lipides sont représentés essentiellement sous forme de phospholipides localisés préférentiellement au niveau des membranes et de la myéline. Au-delà de leur rôle structural, des phospholipides membranaires interviennent dans les fonctions de transfert de l'information neuronale, tels les dérivés des inositols phosphates. D'autres lipides, sous forme de gangliosides, jouent un rôle dans la régulation de la fluidité membranaire dont l'importance est primordiale dans les processus de transfert et d'échanges membranaires, telle la libération calcium-dépendante des neuromédiateurs, ou encore dans les processus de croissance cellulaire. Les protéines représentent aussi des constituants majeurs des membranes, où elles interviennent de façon essentielle dans les processus de perméabilité et de transport et dans la communication intercellulaire en plus de leur rôle structural. De nombreuses enzymes donc des protéines, tant membranaires que cytosoliques, contribuent à l'ensemble des mécanismes de la vie cellulaire. Synthétisées au niveau des corps cellulaires (périkaryones), les protéines sont transportées au niveau des terminaisons axoniques pour celles d'entre elles qui y exercent préférentiellement leur fonction. La biosynthèse neuronale des protéines représente un processus très actif par rapport à celle des autres cellules de l'organisme. Certaines protéines apparaissent spécifiquement synthétisées par des populations de neurones déterminées. C'est le cas des enzymes de biosynthèse des neuromédiateurs produits sélectivement dans certaines catégories cellulaires, déterminant ainsi des sous-populations identifiables par la nature du neuromédiateur qu'elles contiennent. Par ailleurs, certaines protéines semblent plus globalement spécifiques du système nerveux, telle la protéine S-100. Le métabolisme de ces protéines est soumis à des processus de régulation extrêmement puissants, déterminant leur activité fonctionnelle et impliquant entre autres des réactions de phosphorylation et de glycosilation. Concernant les glucides, le principal substrat d'oxydation est le glucose. La dégradation aérobie du glucose produit de l'énergie utilisée par les neurones. Le glucose peut également représenter une source centrale de certaines molécules neuroactives, tel l'acide glutamique.

La cellule nerveuse contient un certain nombre d'autres constituants, en particulier des acides nucléiques – ADN et ARN – et des nucléotides libres jouant un rôle déterminant dans les processus de communication intercellulaire, tel l'ATP et le GTP. Les molécules neurorégulatrices impliquées dans la communication intercellulaire, directement comme neuromédiateurs, neuromodulateurs et neurohormones, appartiennent à trois catégories particulières présentes dans des populations neuronales globalement différentes : ce sont soit des amines, et en particulier des monoamines (catécholamines, indolamines), soit des acides aminés libres, tels l'acide glutamique, l'acide aspartique, la glycine, la taurine et, par extension dans cette catégorie, l' acide gamma-aminobutyrique (GABA) représentant un neuromédiateur inhibiteur majeur du système nerveux, soit enfin des neuropeptides dont le nombre ne cesse de croître grâce à l'utilisation des techniques immunohistochimiques.

Cytophysiologie nerveuse

Communication interneuronale

Les récepteurs postsynaptiques

L' utilisation de techniques biochimiques, pharmacologiques et neuroanatomiques très fines a permis de préciser la nature et la localisation des récepteurs aux neuromédiateurs qui font aujourd'hui l'objet d'études considérables au niveau de la biologie moléculaire. Les résultats montrent une pluralité de sites d'action membranaires pour un seul neuromédiateur. Ces sites de reconnaissance membranaires sont en général couplés à des effecteurs de nature différente, traduisant à ce niveau une hétérogénéité supplémentaire des processus transductionnels dont la mise en jeu conduit, pour un neuromédiateur déterminé, à une diversité extrême des réponses cellulaires. De façon schématique, deux grands types de mécanismes peuvent être activés par la mise en jeu de ces récepteurs. Dans le cas le plus simple, et en rapport avec des changements d'excitabilité de la cellule nerveuse, la liaison d'un neuromédiateur sur son récepteur induit des modifications sélectives de la perméabilité membranaire au sodium, au potassium ou au chlore. Ici, le canal ionique est représenté par le récepteur lui-même (récepteurs de classe I ou ionotropiques : exemple, le récepteur nicotinique cholinergique au niveau de la jonction neuromusculaire, où la fixation de l' acétylcholine sur le récepteur a pour conséquence d'augmenter transitoirement la conductance au sodium ; cela déclenche une entrée massive de cet ion dans la cellule d'où une dépolarisation de la fibre musculaire qui peut alors se contracter). Le récepteur nicotinique de l'organe électrique du poisson torpille est particulièrement bien connu. Il s'agit d'une protéine formée de cinq sous-unités, dont deux, identiques, fixent chacune une molécule d'acétylcholine. La fixation de l'acétylcholine a pour conséquence de provoquer un changement conformationnel de cette protéine réceptrice régulant la conductance au sodium. La purification biochimique de ce récepteur a été entreprise avec succès, et la structure primaire de chacune de ces sous-unités protéiques a été précisée, conduisant à proposer des modèles théoriques de la structure moléculaire du récepteur, dont certains éléments représenteraient également des sites de régulation. Dans d'autres cas (récepteurs de classe II ou métabotropiques), l'action du neuromédiateur sur son récepteur a pour effet d'activer, par l'intermédiaire de protéines particulières appelées protéines G sensibles au GTP, des enzymes membranaires spécifiques conduisant à la production de molécules spécialisées, agissant au niveau intracellulaire comme seconds messagers de l'information neuronale via des protéines spécifiques impliquées dans les processus de phosphorylation intracellulaire appelées protéines-kinases ; on en connaît de nombreuses sous-catégories selon le ou les seconds messagers qui les activent (cf. signalisaton [biologie]). Elles ont la particularité de phosphoryler des protéines substrats spécifiques conduisant à des réponses cellulaires extrêmement diverses, allant, parmi d'autres réponses, de la régulation de l'activité d'enzymes de synthèse des neuromédiateurs à celle de la perméabilité membranaire, ou encore à des actions au niveau du cytosquelette ou de la libération des neuromédiateurs. Dans ces deux derniers cas, les protéines substrats sont représentées respectivement par la MAP-2 (microtubule associated protein) et diverses protéines des vésicules synaptiques dont la synapsine I. Le second messager, habituel, produit par l'activation de très nombreux récepteurs aux neuromédiateurs, tel le récepteur β-adrénergique ou le récepteur dopaminergique D1 par exemple, est l' AMP-cyclique, formé à partir de l'ATP par l'enzyme membranaire adénylate cyclase. Certains neuromédiateurs ont la propriété d'agir sur d'autres enzymes membranaires, dont la phospholipase C, dont l'activation, également par l'intermédiaire d'une protéine G, conduit à la formation de deux autres seconds messagers intracellulaires, l'inositol triphosphate et le diacylglycérol. Ces molécules ont la propriété, pour la première de provoquer une augmentation de calcium ionisé intracellulaire par mobilisation du calcium à partir de sites de stockage cellulaires et, pour la seconde, d'activer sélectivement une protéine-kinase particulière, appelée protéine-kinase C, dont les fonctions cellulaires, apparemment déterminantes, restent encore à préciser. L'augmentation de la concentration intracellulaire de calcium a elle-même pour effet de provoquer l'activation de diverses protéines-kinases différentes de la protéine-kinase C et d'activer notamment une protéine appelée calmoduline agissant comme véritable récepteur intracellulaire du calcium (cf. cellule - La régulation du métabolisme). Il est alors intéressant de noter que certains neuromédiateurs, agissant simultanément par plusieurs types de ces récepteurs, conduisent, pour un neuromédiateur déterminé, à plusieurs types de réponses cellulaires.

La régulation de la concentration intracellulaire de calcium, pouvant également interférer avec le fonctionnement de canaux membranaires au potassium et avec l'activité même des canaux calcium, apparaît ainsi comme un paramètre déterminant de l'activité cellulaire. L'homéostasie du calcium est placée, outre sous la dépendance de l'activation des récepteurs couplés au métabolisme des inositols phosphates, sous celle de mécanismes multiples faisant intervenir d'abord une entrée de cet ion par deux types au moins de canaux membranaires sélectifs, dépendant d'une part du degré de polarisation membranaire (canaux calcium sensibles au potentiel de membrane) et de la fixation de certains neuromédiateurs sur l'un de leur récepteur, couplé à un canal ionique, tel le récepteur de type N-méthyl-D-aspartate (NMDA) des acides aminés neuro-excitateurs, perméable aux ions sodium, potassium et calcium. Elle dépend par ailleurs d'un mécanisme de transport, toujours au niveau membranaire, assurant des fonctions d'échange entre le sodium et le calcium (échangeur sodium/calcium). Enfin, la concentration intracellulaire de calcium ionisé est régulée par des translocations de cet ion au niveau intracellulaire, non seulement à partir du réticulum endoplasmique, mais également à partir des mitochondries et d'organites de stockage particuliers récemment dénommés « calciosomes ». Toute variation de la concentration intracellulaire du calcium hors des limites physiologiques peut avoir des conséquences fatales pour la cellule nerveuse. Ainsi propose-t-on aujourd'hui que les effets neurotoxiques de certains acides neuro-excitateurs, tel l'acide glutamique, seraient dus à une stimulation trop intense des récepteurs de type NMDA, amenant à une entrée massive de calcium dans la cellule. L'excitabilité neuronale, dépendante de façon primordiale des transferts transmembranaires de sodium, potassium et chlore, apparaît ainsi modulée par les neuromédiateurs, directement par un couplage des récepteurs avec les canaux ioniques, ou indirectement par les seconds messagers. De fait, l'activation de certaines protéines-kinases, telle la protéine-kinase dépendante de l'AMP-cyclique, agit-elle pour réguler l'activité des canaux, notamment potassium et sodium. Là aussi, la structure des canaux sodium est analysée et les techniques de la biologie moléculaire vont jusqu'à l'expression de ces protéines par l'oocyte de Xenopus, permettant leur étude, notamment par l'électrophysiologie au niveau du canal unique (méthode de « patch-clamp »).

Vers une neurochimie fonctionnelle

La neurochimie a donc dépassé le caractère descriptif des premières études réalisées sur l'analyse biochimique des constituants de la cellule nerveuse pour atteindre une dimension fonctionnelle amenant à introduire ses propres concepts sur l'organisation du système nerveux. L'approche neurochimique des fonctions cérébrales réalisée principalement à des niveaux élémentaires apparaît ainsi très largement complémentaire d'approches plus globales. L'étude des fonctions peut alors faire appel aux connaissances établies aux niveaux cellulaire et moléculaire, par exemple par l'utilisation de méthodes neuropharmacologiques ou de lésion spécifique, conduisant à l'implication préférentielle de systèmes neuronaux et, au-delà, de neuromédiateurs particuliers, par exemple dans la régulation de ces fonctions. Et c'est à la clinique humaine que l'ensemble de ces données est confronté, amenant à proposer, comme on l'a dit plus haut, un certain nombre d'hypothèses neurobiologiques de l'expression de certaines maladies neurologiques ou mentales et, de là, à développer des thérapeutiques médicamenteuses de substitution en rapport avec les systèmes impliqués dans ces désordres.

Dans les meilleurs cas, des corrélations ont été établies entre des lésions cérébrales sélectives et certaines de ces maladies, telle la maladie de Parkinson, où une atteinte préférentielle d'un système dopaminergique est compensée chez le patient par l'administration de médicaments agonistes pharmacologiques de la dopamine comme la L-DOPA ou certains dérivés de l'ergot de seigle. Dans les autres cas où les corrélations sont plus difficiles à établir, l'approche neurochimique tente de fournir des modèles animaux analogues expérimentaux de certains symptômes de ces maladies. C'est le cas de la chorée de Huntington, où l'on reproduit des lésions du striatum par l'utilisation de substances neurotoxiques, ou encore de la maladie d'Alzheimer, où l'on tente de reproduire la baisse d'activité cholinergique corticale observée chez les patients par lésion d'afférences au cortex cérébral.

À des niveaux plus élémentaires, c'est la causalité même de ces maladies qui est recherchée. L'approche fait ici appel aux méthodes les plus modernes de la biologie moléculaire, de la génétique moléculaire et de l'immunologie pour tenter, par exemple, de caractériser ces maladies au niveau du génome ou de préciser leur origine auto-immune, mais cette approche est aussi la plus difficile. Elle aboutit déjà cependant à développer des marqueurs biologiques à valeur diagnostique. Ainsi, la neurochimie contribue-t-elle à accroître nos connaissances du système nerveux en association étroite avec des approches réalisées à d'autres niveaux, constituant avec elles la neurobiologie moderne sur laquelle tant de grands espoirs sont fondés.