Les cellules oubliées du cerveau

En 1999, à l’Institut américain pour
la santé (
NIH ), Beth Steves et moi-
même nous préparions à envoyer
un faible courant électrique dans
des neurones fœtaux de souris en
culture cellulaire. Nous utilisions une nou-
velle technique de microscopie qui devait
nous permettre de voir l’activité électrique
de ces neurones sous forme d’une lumière
fluorescente émise par un colorant ajouté à
la culture. Nous espérions voir si un autre
type de cellules du système nerveux – des cel-
lules de Schwann, qui fabriquent la couche
d’isolant, la myéline, entourant les neuro-
nes – réagirait aussi. Nous ne pensions pas
que ce serait le cas, car ces cellules sont inca-
pables de communiquer électriquement. Les
neurones se sont alors immédiatement « allu-
més ». Mais les cellules de Schwann aussi !
Elles réagissaient à la stimulation électrique.
De nombreux dogmes bien ancrés sur le
fonctionnement cérébral tombent les uns
après les autres. À l’instar des astronomes
médiévaux qui eurent du mal à accepter que
la Terre ne soit pas au centre de l’Univers, les
neuroscientifiques sont aujourd’hui confron-
tés à des découvertes concernant le système
nerveux tout aussi déstabilisantes.
Plusieurs types
de cellules gliales
Jusqu’à récemment, les neurobiologistes
pensaient que toute l’information nerveuse
était transmise sous forme d’impulsions élec-
triques qui se propagent dans des réseaux de
neurones, les synapses assurant la liaison entre
deux neurones. Mais ce principe n’est pas tout
à fait vrai : des résultats récents montrent
qu’une partie de l’information n’implique pas
les neurones et circule sans impulsions élec-
triques dans des réseaux de cellules qui ne
sont pas des neurones, mais que l’on nomme
cellules gliales, qui forment la glie. Ces études
bousculent notre compréhension du fonc-
tionnement cérébral, sain et pathologique, et
permettent d’élucider d’anciennes énigmes
concernant la mémoire et l’apprentissage.
Les cellules gliales interagissent avec les
neurones, les contrôlent et coopèrent avec
eux ; leurs fonctions sont innombrables. Les
astrocytes, en forme d’étoiles, transportent
les neurotransmetteurs (les molécules de la
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Neurobiologie
• Les neurones ne représentent qu’environ 15 pour cent
des cellules cérébrales. Les autres sont des cellules gliales.
• Ces cellules peuvent contrôler la communication entre
neurones et participent à l’apprentissage ; pourtant, pendant
des décennies, on les a considérées comme de simples
cellules de soutien.
• De nombreuses maladies neurologiques et psychiatriques
impliquent la glie : de nouveaux traitements ciblent ces cellules.
En Bref
Douglas FIELDS
dirige la Section
Plasticité
et développement
du système nerveux
à l’Institut national
pour la santé,
aux États-Unis.
Les neurones attirent toute l’attention.
Pourtant, d’autres cellules cérébrales, formant la glie,
participent au fonctionnement du cerveau.
Elles sont aussi impliquées dans diverses pathologies.
Les cellules oubliées
du cerveau
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communication entre neurones), les nutri-
ments et les déchets. Les oligodendrocytes
ressemblant à des pieuvres et les cellules de
Schwann entourent les prolongements neu-
ronaux de myéline, laquelle augmente la
vitesse de transmission des signaux électri-
ques. La microglie, une petite cellule plus ou
moins ramifiée, est la première cellule céré-
brale à réagir en cas de lésion et de maladie :
elle détruit les cellules pathogènes qui appa-
raissent dans le cerveau et déclenche les pro-
cessus de réparation (voir la figure 2).
Les recherches récentes montrent que la glie
joue un rôle central dans le traitement de l’in-
formation, ainsi que dans la lutte contre les
maladies du cerveau. Certaines cellules glia-
les accélèrent le transfert de l’information
entre des régions cérébrales éloignées, ce qui
améliore les fonctions cognitives. D’autres
s’atrophient avec le vieillissement, et leur
défaillance est impliquée dans les démences.
Ces résultats permettent aux neuroscientifi-
ques non seulement de mieux comprendre
comment le cerveau fonctionne, mais aussi de
développer de nouveaux traitements.
Pourtant, on a considéré pendant plus de
100 ans ces cellules gliales comme une sim-
ple « glu ». Au
XIX
esiècle, les pionniers de la
recherche furent stupéfaits de découvrir, sous
leur microscope, que la substance grise
contient une cellule qui ne ressemble à
aucune autre dans l’organisme : le neurone.
À une extrémité de cette cellule se trouve une
structure longue ressemblant à un câble et
nommée axone ; elle transporte des impul-
sions électriques vers un ensemble de termi-
naisons. À l’autre extrémité du neurone, des
dendrites, semblables à des racines, reçoivent
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1. Les cellules
gliales (en rouge)
sont neuf fois
plus nombreuses
que les neurones
dans l’ensemble
du système nerveux.
© Jeff Johnson / Hybrid Medical Animation
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les signaux transmis par les axones d’autres
neurones, via les espaces les séparant, les
synapses. La transmission des signaux par les
synapses met en œuvre des molécules nom-
mées neurotransmetteurs. Les premiers neu-
roanatomistes constatèrent que les neurones
sont répartis dans tout le cerveau, mais, à cette
époque, personne n’examina le « ciment »
blanc où baignaient les neurones.
Les scientifiques négligeaient alors le fait que
ces neurones ne représentent que 15 pour cent
des cellules cérébrales. Le reste n’était considéré
que comme un simple matériel d’enrobage.
Aussi, le pathologiste allemand Rudolf Virchow,
l’un des premiers à étudier la glie, compara cette
substance cérébrale à un tissu conjonctif et la
nomma Nervenkitt, ce qui signifie colle neuro-
nale, soit en français « neuroglie ».
Peu de neuroscientifiques étudient la glie.
On ne dispose toujours pas de description
précise équivalente à celle des neurones
pour reconnaître les diverses cellules gliales.
Virchow distinguait à peine les différents types
de glie. Et aucune de ces cellules ne présente
une seule des caractéristiques essentielles à
la communication neuronale, à savoir des axo-
nes, des dendrites ou des synapses. De sorte
que les chercheurs n’avaient aucune raison de
penser que les cellules gliales communiquent.
Les neurones utilisent à la fois l’électricité et
la chimie pour communiquer : l’électricité
transmet des influx nerveux le long des axo-
nes et les molécules chimiques transportent
ces signaux à travers la synapse jusqu’au neu-
rone voisin. Ce neurone receveur (postsynap-
tique) émet alors un influx électrique, relayant
ainsi le signal au neurone suivant.
Depuis quelques années, les scientifiques
ont montré qu’un type de cellules gliales, les
astrocytes, contrôle la communication synap-
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Neurobiologie
Cellule microgliale
Globule
blanc
Interneurone
Neurone
Macrophage
Globule
rouge
Oligodendrocyte
Gaine
de myéline
Vaisseau
sanguin
Andrii Muzika / Shutterstock - Raphael Queruel
2. La glie est l’ensemble des cellules cérébrales,
qui ne sont pas des neurones. Considérée aupara-
vant comme du simple matériel de soutien, la glie
représente 85 pour cent des cellules du cerveau et
l’on sait aujourd’hui qu’elle contrôle de nombreuses
fonctions cérébrales. Les astrocytes transportent
des nutriments et des déchets, et participent à la
communication neuronale. Les oligodendrocytes
enveloppent les axones d’une gaine de myéline
isolante, ce qui accélère la transmission des signaux
électriques. La microglie lutte contre les agents
pathogènes et stimule la réparation des régions
endommagées. Quand ces cellules microgliales sont
défaillantes, le cerveau fonctionne mal.
Astrocyte
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tique. Les premiers anatomistes les ont nom-
més ainsi parce que ces cellules ressemblent
à des étoiles. On pensait qu’elles n’assuraient
que des tâches ménagères, tels le transport
des nutriments du sang aux neurones et l’éva-
cuation des déchets des neurones vers le sang.
En effet, on a observé que de nombreux astro-
cytes sont ancrés aux vaisseaux sanguins par
certains de leurs prolongements, et qu’ils agrip-
pent les neurones et leurs synapses avec d’au-
tres de ces prolongements (voir la figure 3).
Puis les scientifiques ont montré que les neu-
rones dépendent de la glie pour émettre leurs
potentiels d’action et transmettre des messa-
ges dans les synapses. Ils ont découvert que
les cellules gliales portent les mêmes récep-
teurs des neurotransmetteurs que les neuro-
nes. Ces récepteurs permettent aux cellules
gliales d’« écouter» les neurones et de com-
muniquer entre elles sans utiliser l’électricité.
La glie contrôle la discussion
entre neurones
Pour ce faire, il a fallu attendre l’invention
de nouvelles techniques permettant aux scien-
tifiques de suivre l’activité électrique sous
forme de lumière. En général, on utilise des
microélectrodes avec les neurones, mais elles
ne détectent pas la communication gliale. C’est
grâce à la vidéo et aux microscopes laser, déve-
loppés dans les années 1980 et 1990, que les
chercheurs ont suivi les décharges neurona-
les en ajoutant des « traceurs» colorés dans les
cellules. Ces colorants brillent quand des ions,
tel le calcium, entrent dans les neurones, preuve
que leurs axones transmettent un signal.
En utilisant cette méthode, on a observé que
quand on stimule un neurone pour lui faire
émettre un potentiel d’action, les astrocytes réa-
gissent aussi. Ils détectent l’activité électrique
des neurones et des ions calcium entrent dans
les cellules gliales. En outre, cette technique a
permis de montrer que les astrocytes commu-
niquent entre eux. Lorsque les neurotransmet-
teurs issus des neurones activent les récepteurs
des cellules gliales, ces dernières libèrent aussi
des neurotransmetteurs. Et cette sécrétion
active une réaction en chaîne, le message étant
transmis à d’autres cellules gliales. La commu-
nication gliale est visible sous forme d’une
lumière fluorescente qui se propage d’une cel-
lule à une autre dès qu’un neurone actif libère
un neurotransmetteur.
Le réseau glial utilise-t-il cette information
récupérée dans les synapses pour contrôler
l’activité d’autres synapses dans des régions
cérébrales éloignées ? Si tel est le cas, la glie
pourrait jouer un rôle central dans le traite-
ment de l’information. Des recherches récen-
tes semblent confirmer cette hypothèse.
En 2011, en utilisant un laser pour provo-
quer l’entrée d’ions calcium dans un astro-
cyte situé près d’un neurone, l’équipe du neu-
robiologiste Norio Matsuki, de l’Université
de Tokyo, a montré que les neurotransmet-
teurs libérés par l’astrocyte augmentent la
puissance de l’impulsion électrique dans
l’axone. En 2005, l’équipe du neurobiologiste
Philip Haydon, de l’Université Tufts, a
confirmé que les astrocytes fournissent un
mode de communication non électrique
entre synapses dans une région cérébrale par-
ticipant à la mémoire, l’hippocampe. En effet,
les astrocytes réagissent à un neurotransmet-
teur, le glutamate, sécrété dans les synapses,
et libèrent un autre neurotransmetteur, l’adé-
nosine. Ce dernier augmente l’activité du
neurone voisin et celle de synapses éloignées.
Ainsi, en contrôlant l’information transmise
dans les synapses, la glie participe au traite-
ment des données visuelles, mnésiques, à la
contraction musculaire et à des fonctions
cérébrales inconscientes telles que le sommeil.
La vitesse et l’étendue de la communica-
tion gliale renforcent le rôle de la glie dans
le traitement de l’information. Contrairement
aux neurones qui communiquent de proche
en proche, de synapse en synapse, la glie dif-
fuse ses signaux sur de grandes distances.
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Les cellules oubliées du cerveau
© Hybrid Medical Animation
Vaisseau sanguin Astrocyte
Neurone
Synapse
3. Les « bras»
des astrocytes
s’ancrent aux vaisseaux
sanguins et aux neurones.
Ils apportent ainsi
les nutriments
aux neurones
et en éliminent
les déchets, rejetés
dans le sang.
Les astrocytes assurent
aussi la transmission
des signaux
d’un neurone à l’autre
dans les synapses.
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L’information électrique circulant entre neu-
rones est rapide, se propageant dans le réseau
neuronal en quelques millièmes de seconde.
En revanche, la communication chimique de
la glie est lente, se répandant comme un raz
de marée dans le tissu nerveux en quelques
secondes ou quelques dixièmes de seconde.
Certaines fonctions cérébrales, par exemple
les mouvements réflexes après un stimulus
douloureux, nécessitent une réaction rapide,
mais de nombreux processus cérébraux se
produisent sur des périodes plus longues.
L’apprentissage en est un exemple. Grâce
aux techniques d’imagerie cérébrale, on a
montré chez l’homme que l’apprentissage
d’un instrument de musique ou de la lecture
modifie la structure de certaines régions céré-
brales. Or ces changements sont observés
dans des régions où il n’y a pas de neurones
entiers : ce sont des zones de substance blan-
che, formées de faisceaux d’axones entourés
de myéline blanche. Avant ces observations,
les théories de l’apprentissage affirmaient que
le cerveau incorporait de nouvelles informa-
tions en renforçant les connexions synap-
tiques. Mais il y a peu de synapses dans la
substance blanche. D’autres mécanismes sont
donc à l’œuvre.
Dans mon laboratoire, depuis dix ans,
nous avons obtenu des résultats intéressants
concernant deux types de cellules gliales qui
s’accrochent aux axones et les enrobent
d’une gaine isolante de myéline : les oligo-
dendrocytes dans le cerveau et les cellules de
Schwann dans le reste de l’organisme. Comme
une pieuvre, un oligodendrocyte agrippe un
segment d’axone avec ses tentacules, qui s’en-
roulent en formant jusqu’à 150 couches com-
pactes (voir la figure 4). Cette isolation aug-
mente la vitesse de propagation des potentiels
d’action dans l’axone, qui sont jusqu’à 50 fois
plus rapides que sans myéline.
La glie fixe
les neurotransmetteurs
Ces cellules gliales formant la myéline peu-
vent aussi détecter les impulsions transmises
le long des axones. Nous ignorions comment
elles font, car ces cellules sont loin des synap-
ses, sites de libération des neurotransmetteurs.
Mais nous avons découvert que les neurones
libèrent aussi des neurotransmetteurs le long
des axones via des canaux membranaires qui
s’ouvrent au passage des potentiels d’action.
J’ai vu la libération de l’un de ces neurotrans-
metteurs – l’adénosine triphosphate ou
ATP –
en équipant mon microscope d’un amplifica-
teur capable de détecter des photons uniques.
Dans cette expérience, j’ai utilisé la réac-
tion chimique responsable de l’émission de
la lumière verte caractéristique des lucioles.
J’ai inséré la protéine fluorescente et une
enzyme de luciole dans des cultures de neu-
rones de souris. Ces protéines de la luciole
ont besoin d’une molécule supplémentaire
pour briller : l’
ATP , normalement fourni par
les cellules de la luciole. Quand j’ai stimulé
électriquement les axones des neurones de
souris, ils ont libéré de l’
ATP , provoquant
l’émission d’une rafale de photons.
La formation de myéline dépendrait donc
de certains stimulus neuronaux (voir la
figure 6), ce qui signifie que les stimulations
neuronales du début de la vie participent au
développement de la myéline. En augmentant
la vitesse du transfert d’information entre dif-
férentes régions cérébrales impliquées dans
des tâches cognitives complexes, ces cellules
gliales participent à l’apprentissage.
Qui plus est, les cellules gliales apparaissent
aujourd’hui comme des acteurs majeurs d’un
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Neurobiologie
4. Les bras
d’un oligodendrocyte
(en vert) agrippent
des axones (en rouge)
et commencent
à les entourer
de couches d’isolant.
Les premières étapes
de la formation
de cette myéline
sont visibles
sur cette micrographie
de neurones de rats.
Varsha Shukla National Institute of Health
M. Simard et al., J. of Neuro., vol.23(27), 2003
5. Les astrocytes
régulent le flux sanguin
selon la demande
des neurones.
Sur cette photo,
ils sont regroupés
autour d’un vaisseau
sanguin cérébral
(flèche rouge).
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