Neuropsychopharmacologie 2015
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Neuropsychopharmacologie 2015-2016 cours de Michel Vignes 1-Plasticité(s) synaptique(s) dans l'amygdale 2-Plasticité synaptique dans le cervelet 3-Plasticité synaptique et modèles physiopathologies: -Rappel sur la LTD et bidirectionnalité de la plasticité -Effet du stress chronique et du vieillissement -Effet du stress prénatal -Effet de traitement chronique à la L-DOPA -Modèles de maladie d'Alzheimer -Syndrome du retard mental lié à l'X fragile -Drogues d'abus et plasticité 1-Plasticité(s) synaptique(s) dans l’amygdale Cortex sensoriel (Auditif) Thalamus évaluation objet contexte Hippocampe Noyau latéral Information sensorielle Nombreux circuits synaptiques dans chaque noyaux Noyau basolatéral Noyau basal accessoire Amygdale Noyau central Substance grise périaquéducale Strie terminale Hypothalamus latéral Axe hypothalamo-hypophysaire Réponse motrice Système nerveux autonome Rappels 1 Voie ‘courte’ du thalamus dans la LA: l’information brute arrive rapidement et déclenche une réaction de peur. Ex: quelqu’un entre à l’improviste dans une pièce, on sursaute avant de réaliser qu’il s’agit d’un être connu de soi-Vision d’un morceau de bois qui ressemble à un serpent. Même non spécifique, cette voie permet d’alerter le système et d’augmenter l’attention du sujet. Voie corticale : l’information est évaluée et arrive avec un certain retard. Le cortex peut moduler l’information initiale et la réfréner. Ex: on réalise que le ‘serpent’ n’est en fait qu’un morceau de bois inoffensif. Rappels 2 •Le rôle de l’Amygdale dans le comportement de peur a été mis en évidence à la suite de lésions pathologiques chez l’humain et expérimentales chez l’animal. •Chez l’humain, des lésions de l’Amygdale diminuent le comportement de peur, l’anxiété, les manifestations du stress (ulcère gastrique) et l’appréciation du danger, ainsi que la perte de reconnaissance de l’expression faciale visages surtout l’expression de la peur. Chez des patients dont l’hippocampe est lésé mais pas l’Amygdale, le conditionnement de peur* fonctionne sans que le patient ne puisse évoquer consciemment ce qui lui arrive (mémoire déclarative). En effet, l’hippocampe est le siège de la mémoire déclarative alors que l’Amygdale est plutôt un des centres de la mémoire implicite accédée de manière automatique/inconsciente. L’exposition à un stimulus subliminal (de très courte durée pour être perçu consciemment) peut faire l’objet d’une mémorisation inconsciente. *Le fear conditioning chez l’humain est produit par association d’un CS (stimulus neutre-son neutre) à un stimulus aversif (son de forte intensité 100dB). On peut mesurer les paramètres du stress et utiliser l’IRM pour quantifier la réponse émotionnelle. Rappels 3 •Mémoire implicite et déclarative: par exemple, une personne se brûle avec une casserole étant enfant. A l’âge adulte, l’individu sait qu’il ne faut toucher de trop près les casseroles trop chaudes. Mais si en plus l’individu a la phobie des casseroles et des cuisines, cela veut dire qu’implicitement (grâce à l’Amygdale), les casseroles sont assimilées à des stimuli aversifs. •L’émotion peut améliorer la mémoire déclarative, grâce à l’influence de l’Amygdale sur l’Hippocampe. En général on se souvient bien d’évènements s’ils sont chargés d’émotion. Des patients avec des lésions de l’Amygdale ne se souviennent pas mieux d’évènements chargés d’émotion que d’évènements neutres. Par contre, des patients avec un hippocampe altéré se souviendront mieux d’évènements émotionnels. •Un défaut d’activité de l’Amygdale peut conduire à une diminution de perception des expressions faciales, en particulier la peur. Ceci suggère que l’Amygdale pourrait jouer un rôle dans le comportement social. • Une expérience a été réalisée sur des primates: l’inactivation de l’Amygdale chez les adultes entraîne une diminution du comportement de peur (serpents), mais n’altère pas le comportement social. Par contre chez des primates jeunes, l’inactivation de l’Amygdale entraîne, à l’état adulte, un comportement social fortement altéré avec une absence de lecture des expressions faciales. Ceci a conduit à avancer l’hypothèse d’un dysfonctionnement de l’Amygdale dans l’autisme. Une forte activité de l’amygdale est associée à un retrait social, à une diminution de la confiance dans les autres et aux phobies. En particulier, la confiance est augmentée quand l’amygdale est endommagée. Conditionnement de peur et extinction chez l’animal (test comportemental de référence pour tester l’activité de l’amygdale chez les rongeurs) Hippocampe + Amygdale Amygdale Autres situations conduisant à une activation de l’amygdale: -exposition à un prédateur (odeur ou présence); -perturbation de la hiérarchie sociale (dominantdominé); -situation anxiogène (‘elevated plus maze’). rappel du CS Amygdale Rappel répété du CS Extinction du conditionnement Approches expérimentales utilisées : -Electrophysiologie : Tranches de cerveau et stimulation des afférences; -Pharmacologiques : Inactivation des noyaux amygdaliens (activation des récepteurs GABAA); -Inactivation par lésion des différents noyaux; -Comportement: fear conditioning; -Utilisation de l’expression de gènes précoces (c-fos, par exemple) pour déterminer une implication sélective des noyaux amygdaliens dans différentes situations : approche expérimentale moins invasive que des lésions des noyaux amygdaliens. Exposition à un prédateur Comportement agressif de dominant Stimulus nociceptif Fear conditioning et plasticité dans le noyau latéral Cortex Auditif Thalamus CS Noyau latéral Afférences excitatrices (glutamate) Etude de la plasticité entre les afférences thalamiques et les neurones amygdaliens (LA): La stimulation à haute fréquence des afférences déclenche une LTP post-synaptique dépendantes des récepteurs NMDA. Rôle de la NOsynthase NOS activée après stimulation des récepteurs NMDA 7-Ni : 7 nitroindazole inhibiteur de NOsynthase Entre les afférences corticales et la LA, la LTP est présynaptique induite par association de stimulations sur les afférences corticales et thalamiques Cette LTP serait dépendante de récepteurs NMDA ‘présynaptiques’: bloquée par le CPP (antagoniste NMDA) mais insensible à un antagoniste intracellulaire (MK-801) ainsi qu’au Ca2+ intracellulaire. Par contre, elle est dépendante du Ca2+ (canaux calciques de type L) et d’une augmentation du taux d’AMPc. Dans le noyau central la LTP a aussi un caractère présynaptique Neurone Cortical Neurone Thalamique AMPA NMDA GABAA GABAB Neuromodulateur Interneurone Neurone LA Modulations de la plasticité synaptique dans l’Amygdale par modulation des interneurones GABAergiques: Interneurone GRP Monoamines Neuropeptides (ocytocine, vasopressine) Le renforcement de l’activité des interneurones a des effets anxiolytiques , diminue l’acquisition de souvenirs aversifs et atténue la LTP [d’où l’intérêt des benzodiazepines qui renforcent l’action du GABA]. La recherche de gènes exprimés dans l’Amygdale par rapport à l’hippocampe a permis de démontrer la présence de gastrin releasing peptide (GRP) sélectivement dans l’Amygdale Le gastrin releasing peptide exprimé sélectivement dans l’Amygdale Augmentation du freezing à long terme chez les KO GRPR Piscine de Morris Contrôles réalisés avec d’autres tests comportementaux Rôle physiologique du GRP : augmentation de la transmission synaptique GABAergique dans les neurones de l’Amygdale basolatérale Rôles controversés du GRP dans la plasticité amygdalienne ? Ici, les animaux déficients en GRPR ont un freezing augmenté à un seul CS mais pas à plusieurs. De plus, la LTP n’est absolument pas augmentée. La Noradrénaline facilite la LTP aux niveau des synapses thalamo-amygdaliennes (LA) en inhibant des interneurones GABAergiques. Des antagonistes des récepteurs β-adrénergiques (propranolol) diminuent la rétention de mémoire aversive en particulier lors de la reconsolidation. La Dopamine semble produire les mêmes effets. [Effet de ‘gating’] ‘Microcircuiterie’ synaptique dans le noyau CENTRAL Entrées sensorielles Cellules intercalées (médianes)-GABA La modulation des circuits inhibiteurs dans le noyau central peut moduler les manifestations de la peur [phénomènes de gating] LA CEL (GABA) Cellules intercalées (latérales)-GABA CEm TRONC CEREBRAL Cellules intercalées GABA (PEUR) BA Cortex préfrontal Hippocampe Rôles de l’ocytocine et de la vasopressine dans le noyau central Rappel : action opposées des deux peptides sur l’anxiété: effet anxiolytique de l’ocytocine et anxiogène de la vasopressine Récepteurs de l’ocytocine dans le CEL et ceux de la vasopressine dans le CEm. Effets excitateurs des deux neuropeptides (action des agonistes AVP, TGOT). Neurone à ocytocine Neurone à vasopressine Action inhibitrice de la stimulation des neurones à ocytocine sur l’activité des neurones à vasopressine (réponse extracellulaire globale) La stimulation des récepteurs de l’ocytocine entraîne une augmentation des courants inhibiteurs GABAergiques dans les neurones du noyau Cem. Cette inhibition est dépendante de la TTX Action inhibitrice de la stimulation des neurones à ocytocine sur l’excitation des neurones à vasopressine produite par la stimulation des afférences. Approche optogénétique pour évaluer l’impact de la stimulation BLACeA sur l’anxiété non spécifique Les neurones du noyau basolatéral sont infectés avec un virus portant la channelrhdopsine 2 ChR2 sensible à une lumière bleue (YFP en contrôle). L’illumination du BLA entraîne une excitation des neurones BLA. L’illumination des terminaisons BLACeA excite les neurones du noyau CeL. Cette illumination induit une forte inhibition de l’activité des neurones du CeM même si activés par dépolarisation Glu CeL GABA CeM BLA ChR2 Approche optogénétique pour évaluer l’impact de la stimulation BLACeA sur l’anxiété non spécifique Les neurones du noyau basolatéral sont infectés avec un virus portant la channelrhdopsine 2 ChR2 sensible à une lumière bleue (YFP en contrôle). L’illumination du BLA entraîne une excitation des neurones BLA. L’illumination des terminaisons BLACeA excite les neurones du noyau CeL. Cette illumination induit une forte inhibition de l’activité des neurones du CeM même si activés par dépolarisation Glu CeL GABA CeM BLA ChR2 L’illumination in vivo des terminaisons BLACeA produit un effet anxiolytique immédiat dans les tests de l’EPM et l’open field. video Glu CeL GABA CeM BLA halorhodopsine A l’inverse l’inhibition des neurones BLA par illumination (après infection par un virus portant une halorhodopsine qui induit une inhibition neuronale) augmente l’anxiété. Rôle différent du CEL et CEm dans le comportement de peur Inactivation par injection localisée d’un agoniste GABAergique (le muscimol) L’injection de muscimol dans le CEL augmente par ellemême un freezing non conditionné. L’injection de muscimol dans le noyau central total ou le CEL inhibe le freezing après fear conditionning Si l’injection est réalisée après un premier apprentissage, c’est l’inactivation du CEm qui altère le freezing. Deux types de neurones dans le CEL: des neurones qui sont excités en réponse à la présentation du CS après conditionnement (CELon) et d’autres qui sont inhibés par le CS (CELoff) Les neurones CELon et CELoff sont connectés synaptiquement entre eux et avec les neurones du CEm. Pas de synapses de CEm vers CEL. L’inactivation sélective des neurones CELoff (positifs pour la PKCδ) augmente très fortement le freezing: rôle régulateurs de ces neurones dans la réponse après conditionnement de peur. Rôle des MAPkinases dans l’acquisition de mémoire L’injection intrathalamique de U0126 (inhibiteur de MEKK) empêche la mémoire à long terme dans le fear conditionning (5 entraînements). Effet du U0126 après un seul entraînement : inhibition de mémoire à long terme et reconditionnement possible. L’injection de U0126 après l’entraînement empêche aussi la consolidation Pas d’effet sur la ré-activation Inhibition de la LTP dans la LA Le U0126 n’affecte pas la perception auditive MECANISMES DE L’EXTINCTION: Rôle du cortex préfrontal Neurones de ‘la peur’ et de ‘l’extinction’ dans le noyau BA •La BLA a des afférences réciproques avec le cortex préfrontal. L’activité du cortex préfrontal semble particulièrement sollicitée lors de l’extinction de mémoire émotionnelle. Lorsque le CS est présenté plusieurs fois après conditionnement l’animal s’habitue, il y a une inhibition, mais pas effacement de l’information émotionnelle. L’extinction représente une trace mnésique en soi parallèle à la trace mnésique aversive. •Des lésions du cortex préfrontal empêchent l’extinction, alors que des stimulations l’accélèrent. De plus, ce mécanisme nécessite l’activation des R NMDA, car des antagonistes NMDA empêchent cette extinction. •Un modulateur allostérique positif des récepteurs NMDA, la D-cyclosérine, faciliterait chez l’humain l’extinction des phobies. Cortex préfrontal médian BLA La combinaison de techniques d’électrophysiologie in vivo, de comportement et pharmacologique a permis de mettre en évidence ces propriétés des neurones du noyau basal de l’amygdale (le conditionnement de peur est réalisé dans un contexte donné avec un CS, l’extinction est réalisée dans un autre contexte avec rappel du CS; le comportement de peur peut être restauré par rappel du contexte de conditionnement): -Des neurones de la BA s’activent lors du rappel du contexte CS (‘fear neurons’), leur activité décline avec l’extinction; -D’autres neurones (‘extinction neurons’) voient leur activité augmenter lors de l’extinction; -Après l’extinction, un rappel du contexte dans lequel le conditionnement de peur a été réalisé éteint les neurones d’extinction et réactivent les fear neurons (réapparition du freezing chez les animaux); -Les connexions de ces neurones avec l’hippocampe ventral et le cortex préfrontal sont les suivantes : vHipp vHipp mPFC Fear neurons mPFC Extinction neurons Rôle des MAPkinases dans l’extinction Augmentation de la phosphorylation de ERK dans l’amygdale basolatérale lors de l’extinction retardée L’extinction du conditionnement de peur par un son nécessite l’activation de ERK dans le noyau basolateral de l’amygdale Activité de l’amygdale chez l’humain • • • • Fear conditioning : CS = son neutre – US = son de forte intensité (100dB) aversif; La présentation de CS augmente le signes du stress (transpiration, élévation du rythme cardiaque,…) et active l’amygdale (IRM); On peut produire une extinction de ce comportement; Des stimuli ‘effrayants’ augmentent l’activité de l’amygdale (visages, scènes, sons) Activation de l’Amygdale en réponse à des stimuli émotionnels par rapport à des neutres. Diminution de l’activité corticale chez des patients Atteints au niveau de l’hippocampe (H) ou de l’hippocampe et amygdale (H+A). Activation de l’Amygdale suite à la présentation subliminale (17ms) d’images d’yeux ‘effrayés’. Pendant l’extinction, le cortex préfrontal s’active (A). Activation de l’Amygdale en réponse à CS (B). Impact de l’anxiété de trait sur l’activité de l’amygdale. Augmentation de l’activité de la BLA en fonction de l’anxiété de trait (échelle de Spielberger) L’ocytocine diminue l’activité de l’amygdale en réponse à certains stimuli. Elle diminue aussi le couplage avec les noyaux du tronc cérébral impliqués dans les manifestations de la peur. Phobies et amygdale Différence d’activité de l’amygdale (araignées vs serpents) Arachnophobes Témoins Différence d’activité de l’amygdale (arachnophobes vs témoins) serpents araignées Cas de l’arachnophobie 2-Plasticité synaptique dans le cervelet Rôle moteur majeur: coordination motrice, équilibre, gestion des mouvements complexes, corrections des mouvements, réflexes moteurs (réflexe vestibulo-oculaire, réflexe de clignement des paupières,…). Dysfonctionnements du cervelet associés à des désordres moteurs (ataxies) d’origine génétique ou accidentelle. La plasticité synaptique, notamment la LTD, est associée aux contrôles moteurs. Rappels anatomiques Fibres parallèles (PF) Cellule de Purkinje (PC) Cellule granulaire (GC) Fibre grimpante (‘Climbing fifer’, CF) Fibre moussues (MF) Le cortex cérébelleux se présente sous forme de couches. L’élément central est la cellule de Purkinje qui reçoit deux afférences: en provenance des fibres parallèles et des fibres grimpantes. Fibres parallèles Cellule granulaire Cellule de Purkinje Fibres moussues GABA Noyaux du Pont Cortex (auditif, visuel,…) Noyau interposé Noyau rouge Réponse motrice Fibres grimpantes Noyau de l’olive (bulbe) Entrées sensorielles périphériques (proprioception,…) Fibres parallèles Cellule de Purkinje Cellule granulaire Fibres moussues GABA Noyaux du Pont Noyau interposé Fibres grimpantes Noyau de l’olive (bulbe) Souffle d’air sur la paupière (SNC) Son (SC) Noyau rouge Réponse conditionnée de clignement de la paupière en réponse au stimulus conditionnant Protocole pour l’obtention du réflexe conditionné de clignement de paupière Avant conditionnement SC SNC Après conditionnement SC SNC L’acquisition de ce réflexe se fait avec un ‘timing’ précis: il faut un temps de 200-400ms entre SC et SNC pour avoir le réflexe. Si SC et SNC sont délivrés ensemble, il n’y a pas d’apprentissage. Par ailleurs, ce réflexe nécessite l’intégrité du circuit synaptique. Le blocage pharmacologique du noyau interposé empêche l’acquisition du réflexe. Lien entre conditionnement et plasticité : la LTD cérébelleuse • • • • Découverte par Masao Ito en 1982; Elle se produit au niveau des synapses entre les cellules granulaires (fibres parallèles) et les cellules de Purkinje après activation conjointe des fibres parallèles et des fibres grimpantes; Au plan mécanistique, elle met en jeu les récepteurs mGlu1 et une forte augmentation de Ca2+ intracellulaire qui produit une forte activation de la PKC. La phosphorylation des récepteurs AMPA localisés au niveau des synapses fibres parallèles/cellule de Purkinje par la PKC entraîne leur endocytose. D’un point de vue fonctionnel, la LTD se traduit par une diminution de l’excitabilité des cellules de Purkinje, donc d’une moindre inhibition sur les noyaux profonds du cervelet. Canaux calciques de type P (Cav2.1) Ca2+ Fibre grimpante AMPAr GluA2 P P GLU Ca2+ PKC RIP3 IP3 Gq PLC Ca2+ Fibre parallèle Canaux TRPC GLU Rôle particulier de la protéine GluD2 (ou δ2) •Récepteur homologue aux récepteurs AMPA et NMDA, longtemps considéré comme orphelin car pas de ligand trouvé. •Chez des mutants de ce récepteurs: désorganisation des synapses, absence de LTD et d’apprentissage moteur. •Actions extracellulaires : liaison de cérébelline (cbln1) protéine de stabilisation synaptique et de D-sérine (nécessaire à l’induction de la LTD). •Actions intracellulaires : liaison à des protéines d’échaffaudage et modulation de kinases. La cerebelline permet de maintenir les contacts synaptiques. Chez des animaux mutants déficients en cerebelline, on observe des déficits moteurs qui sont rapidement récupérés par injection de cerebelline. On observe une reformation des contacts synaptiques dans ces conditions. Les récepteurs GluD2 contribuent à la LTD et à l’apprentissage moteur en maintenant le récepteur GluA2 déphosphorylé sur la tyrosine 876 qui facilite la phosphorylation par la PKC sur sérine 880. En absence de GluD2, la phosphorylation par la PKC ne se fait pas, car la phosphorylation sur la tyrosine 876 créé un encombrement stérique. Donc il n’y a pas de LTD. Rappels sur la LTD et bidirectionnalité de la plasticité Stimulation 1Hz 15minutes Niveau initial Amplitude des PPSE temps La LTD (ou dépression à long terme) correspond à une diminution durable de la transmission synaptique excitatrice. Elle est obtenue par une stimulation des afférences à basse fréquence 1Hz de longue durée 15 minutes. La LTD, initialement découverte dans le cervelet, se rencontre au niveau de la plupart des synapses excitatrices du SNC et est surtout observée chez les animaux immatures. Les corrélats comportementaux faisant intervenir une dépression à long terme de la transmission synaptique sont par exemple le phénomène d’habituation chez l’Aplysie ou l’inhibition des neurones corticaux lors de la reconnaissance d’objets chez le rat. Régulation développementale de la LTD induite par 1Hz, 15 min. et dépendance des récepteurs NMDA et mGlu5 (adapté de Escobar et al., 2011, Biological Psychiatry) ANTAGONISTE NMDA 1Hz, 15’ 1Hz, 15’ PPSE temps Dans l’aire CA1 de l’hippocampe, la LTD met en jeu des mécanismes moléculaires similaires à ceux activés lors de la LTP: activation des récepteurs NMDA et, dans certains cas, celle des récepteurs métabotropes couplés à PLC (mGluR1 et mGluR5). L’induction de la LTD nécessite un influx calcique. Elle peut être aussi induite par application directe de NMDA ou d’un agoniste des récepteurs métabotropes comme le DHPG (Di-hydroxyphényl-glycine). D’un point de vue mécanistique, l’expression de la LTD est le résultat de la déphosphorylation et l’endocytose des récepteurs AMPA. Toutefois, certaines formes de LTD résultent de modifications présynaptiques conduisant à une diminution de la libération de glutamate. NMDA ou DHPG L’aspect ‘bidirectionnel’ de la plastifié synaptique peut en partie s’expliquer par une régulation de l’activité de la phosphatase PP1. Dans le cas de la LTP, un influx important de Ca2+ entraîne une activation de la CaMKll (permettant la phosphorylation des récepteurs AMPA) et de la PKA. La PKA activée peut alors phosphoryler l’inhibiteur I1 de la phosphatase PP1 le rendant actif (donc inhibition de la PP1). Dans le cas de la LTD, une augmentation faible mais soutenue de Ca2+ entraîne l’activation de la calcineurine (CN) qui déphosphoryle l’inhibiteur I1 le rendant alors inactif . La PP1 peut alors déphosphoryler les récepteurs AMPA et inactiver la CaMKII. La surexpression de la Calcineurine inhibe la L-LTP, mais pas la E-LTP. Plasticité synaptique et stress chronique Amygdale (noyau central) Hippocampe Noyau paraventriculaire ACTH Adénohypophyse CRH cortisol/corticosterone Surrénale Inhibition Rappel sur la structure de l’axe HPA Excitation Les glucocorticoïdes et le stress chronique affectent la fonction hippocampique de différentes manières: -1) Atrophie réversible des dendrites des neurones de l’aire CA3 (une telle atrophie est observée chez les animaux qui hibernent) -2) Modulation de la neurogénèse dans le gyrus dentelé -3) Modulation de l’excitabilité par des changements de LTP/LTD Conséquences électrophysiologiques : modulation de l’excitabilité par des changements de LTP/LTD Etudes dans l’aire CA1 : la LTP Le stress chronique conduit à une diminution de l’amplitude de la LTP (100Hz, 1s) dans l’aire CA1. Cette diminution serait due à l’activation des récepteurs NMDA (car l’inhibition est bloquée en présence de CGP). Une inhibition de la LTP obtenue par une stimulation de type theta peut aussi être obtenue après un stress chronique. Modulation par la 5HT contrôle fenfluramine fluoxetine tianeptine Chez le rat normal, la LTP est bloquée par les inhibiteurs d’uptake de 5HT, mais insensible à un activateur (tianeptine) tianeptine Chez le rat stressé, l’inhibition de LTP est renversée par l’activateur d’uptake de 5HT Etudes dans l’aire CA1 : la LTD Le stress chronique facilite la LTD dans l’aire CA1 de manière dépendante des récepteurs NMDA (inhibition par l’APV). Etudes dans l’aire CA3 et le gyrus dentelé Fibres d’association (C/A) Fibres moussues (MF) CA3 Faisceau perforant (MPP) GD enregistrement Dans l’aire CA3, seule la LTP induite au niveau des Fibres d’association est sensible au stress chronique, de même que la LTP mesurée au niveau du gyrus. -D’ une manière générale, le stress chronique a un effet inhibiteur sur la LTP dépendant des récepteurs NMDA (CA1, CA3 (fibres d’associations) et gyrus dentelé). -Les récepteurs 5HT sont impliqués dans cet effet inhibiteur du stress chronique. -Le stress module la LTD en ayant un rôle facilitateur via les récepteurs NMDA. Plasticité synaptique et vieillissement Relation stress, vieillissement et inflammation Les cytokines libérées par le système immunitaire, IL1 , IL6 TNF- , à la suite d’une stimulation par les lipopolysaccharides (LPS, infection), peuvent stimuler l’axe HPA, ainsi que le système noradrénergique. D’autre part le cortisol réprime cette activité des cellules immunitaires. L’ IL1 , médiateur de l’inflammation, semble impliquée dans les phénomènes de mort neuronale. Au cours du vieillissement, il y a une diminution de la plasticité synaptique (LTP) ainsi qu’une augmentation du taux d’IL1 . Hippocampe Noyau paraventriculaire Locus coeruleus ACTH Adénohypophyse CRH IL1 , IL6, TNF Noradrenaline adrénaline cortisol/corticosterone Surrénale Système immunitaire LPS Le vieillissement et le stress chronique conduisent à une diminution de la LTP dans le gyrus dentelé et sont associés à une augmentation du taux d’IL1 ainsi que des radicaux libres (ROS). L’IL1b et l’inflammation chronique entraînent une diminution de la LTP Le stress chronique (contention et nage forcée) entraîne l’activation des kinases de stress cellulaire, les JNK (chaleur, UV, etc…) Interleukine 1 , kinases de stress et vieillissement Au cours du vieillissement, il y a une augmentation de l’activité des kinases de stress. Par ailleurs, le stress oxydant (H2O2) et l’IL1 induisent ces activités. L’inhibition des kinases de stress inhibe l’action de l’IL1 et de l’inflammation Stress chronique Inflammation (LPS) Relations entre vieillissement, stress chronique, inflammation et stress oxydant Renversement de l’action du vieillissement par une limitation du stress oxydant L’IL1 comme l’H2O2 (Per) augmente le taux de lipides peroxydés (MDA). Les ROS sont augmentés par et l’âge. La Vitamine E et la mélatonine réduisent ces deux paramètres. Un régime supplémenté en Vitamine E réduit le taux d’ IL1 , de lipides peroxydés et restaure le taux d’acide arachidonique. Donc … …la LTP est préservée chez les animaux ayant reçu un régime alimentaire à base de Vitamine E. Les acides gras w3 renversent les effets du vieillissement sur la LTP et l’activation des kinases de stress Le stress chronique et le vieillissement ont des mécanismes communs. En particulier, une diminution de l’activité mnésique, caractérisée par une diminution de LTP. Un des points communs semble être la sécrétion d’IL1 , médiateur de l’inflammation, qui augmente le stress oxydant fragilisant les neurones. Stress psychologique et stress oxydant (production exagérée de radicaux libres) semblent donc relativement proches ! Analyse de la plasticité synaptique au cours du vieillissement Utilisation du modèle rat Lou/C, modèle animal de ‘vieillissement réussi’: -Durée de vie augmentée d’environ 5 mois par rapport à une souche de rat (SpragueDawley) -Au niveau métabolique faible prise de poids : meilleur contrôle de la prise de nourriture. Altération de la reconnaissance d’objets et de la LTP chez rat SD par rapport au rat Lou/c au cours du vieillissement PERTE DE LA TRANSMISSION NMDA CHEZ LE RAT SD AU COURS DU VIEILLlSSEMENT. Sujet Michel Vignes (1 heure) Question de cours (20 minutes): Décrivez brièvement comment mettre en évidence le phénomène d’habituation chez l’Aplysie ? Question de réflexion (40 minutes): Deux lignées de souris transgéniques déficientes en protéine R(AB)-1 ou R(AB)-2 sont générées. Chez ces animaux, on mesure la LTP dans l’aire CA1 de l’hippocampe après stimulation à haute fréquence (voir figure 1) et on analyse les performances mnésiques grâce au test de la piscine de Morris (voir Figure 2A et 2B). Dans le test de la piscine, on mesure la latence de découverte de la plate-forme en fonction des jours d’entraînement (Figure 2A) et la rétention en retirant la plate-forme au bout de 14 jours d’entraînement (Figure 2B). On mesure alors le temps passé dans chaque quadrant : ‘T’ étant le quadrant où se trouvait la plate-forme lors de l’apprentissage. On rappelle qu’un ‘quadrant’ est un quart de la piscine. 1-Commentez ces graphes. 2-En fonction de ces données que peut-conclure quant à l’effet d’une déficience en protéine R(AB)-1 ou R(AB)-2 ? 3-Quelles pourraient être les protéines R(AB)-1 et R(AB)-2 ? Souris sauvage Stimulation Haute fréquence Souris mutante R(AB)-1 Amplitude des PPSE Souris mutante R(AB)-2 Temps (minutes) FIGURE 1 Latence de découverte (secondes) Souris sauvage Souris mutante R(AB)-1 Souris mutante R(AB)-2 Jours d’entraînement FIGURE 2A Souris sauvage Souris mutante R(AB)-1 Temps passé dans chaque quadrant (%) Souris mutante R(AB)-2 T 2 3 Quadrants FIGURE 2B 4 Sujet Michel Vignes (1h) Un stress prénatal provoqué par la prise de drogue, d'alcool ou l'infection bactérienne, peut perturber profondément les fonctions cérébrales de la progéniture. Dans ce travail, Lanté et al. ont examiné l'effet d'un stress prénatal, obtenu en simulant une infection bactérienne par injection de lipopolysacharride (LPS), à une rate gestante, sur la progéniture. Dans un premier temps, la LTP dans l'aire CA1 a été testée. Les résultats sont présentés dans la figure 1. Sur les figures, 'LPS' = rats issus de mère stressée avec le LPS, 'contrôle' = rats issus de mère non Amplitude des fEPSPs (% du contrôle) stressée. Figure 1 280 260 240 220 100Hz,1s 200 180 160 140 120 contrôle 100 LPS 80 60 0 10 20 30 40 50 temps (min) Ensuite, les animaux sont testés dans la piscine de Morris et les résultats suivants sont obtenus (voir figure 2A et 2B). Le schéma de la piscine avec le nom des différents quadrants (T, AL, AR et O) est donné. La position de la plateforme est marquée par un rond gris. latence de découverte de la plateforme (s) Figure 2 temps passé dans les quadrants (%) A jours d’entraînement AL B T plateforme O contrôle quadrant AR LPS Enfin, les potentiels post synaptiques excitateurs (PPSE) produits par l'activation des récepteurs NMDA sont étudiés chez les rats contrôles et LPS dans les neurones de l'aire CA1 en réponse à une stimulation des afférences (collatérales de Schaffer/fibres commussirales). contrôles Figure 3 LPS 8mV 50 ms 1-Commentez ces figures. 2-Rappeler le principe du test de la piscine de Morris. Comment sont obtenus les résultats de la figure 2B? 3-Les courants synaptiques NMDA sont mesurés en absence de Mg2+ extracellulaire. Pourquoi ? 4-Quel(s) pourrait(ent) être le(s) mécanisme(s) moléculaire(s) conduisant aux perturbations mises en évidence chez les rats LPS ? Sujet Michel Vignes (1 heure) Des chercheurs étudient la contribution de Calcium Calmoduline Kinase 2 (ou CaM-KII) à la transmission synaptique dans l’aire CA1 de l’hippocampe (voir figure). Pour cela ils injectent des neurones avec la CaM-KII (ronds noirs) ou de la CaM-KII inactive (ronds blancs) et mesurent les réponses synaptiques en réponse à une stimulation des afférences (collatérales de Schaffer). 1-Commentez l’action de cette kinase dans l’expérience présentée. Quel phénomène produitelle dans l’aire CA1? 2-En fonction de vos connaissances, décrire comment cette kinase s’active et dire quels sont les mécanismes qu’elle peut stimuler. 3-Quel contrôle pourrait-on faire pour démontrer que l’injection de CaM-KII telle qu’elle est Transmission synaptique PPSE (% de l’amplitude) réalisée ici interfère avec un phénomène de plasticité synaptique que vous connaissez ? Temps (Minutes) Sujet de Michel Vignes (1 heure) Pour mesurer l’impact de la sous unité NR2B du récepteur NMDA, on utilise des animaux transgéniques déficients en cette sous unité sélectivement dans l’aire CA1 de l’hippocampe. On mesure les phénomènes de LTP et de LTD chez les animaux mutants par comparaison avec des animaux sauvages (control). Les résultats sont présentés dans la figure 1 : Figure 1 En parallèle, les animaux subissent le test de la piscine de Morris (Figure 2). On mesure la latence de découverte de la plateforme (graphe de gauche) et aux jours d’entraînement 5 et 7 on effectue le teste de rétention de mémoire (ou ‘probe test’) en retirant la plateforme et en mesurant le temps passé dans le quadrant cible (ou ‘target’) par rapport aux autres quadrants (‘non target’ ) (voir graphe de droite et schéma). Questions : Rappeler brièvement la structure des récepteurs NMDA et leur importance dans la plasticité synaptique. Pourquoi muter sélectivement la sous unité NR2B de ces récepteurs dans l’hippocampe ? (20 min) En fonction de l’ensemble des données présentées ici que peut on conclure quant à l’importance de la sous unité NR2B dans la fonction de l’hippocampe ? (40 min) Impact d’un stress prénatal sur la plasticité synaptique (stress immuno-inflammatoire, exposition à des substances toxiques ou addictives) LPS (au stade E19) Activation CB1 EtOH Acide valproïque toxiques Apprentissage Plasticité synaptique Chez l’humain, un stress prénatal augmente le risque d’apparition de maladies neurodéveloppementales comme l’autisme ou la schizophrénie ou d’autres altérations comportementales. Cas d’un stress immunoinflammatoire Le stress prénatal déclenche un stress oxydant dans le cerveau foetal. Le stress prénatal inhibe la plasticité synaptique dans l’hippocampe (P30). Le stress prénatal accélère la diminution naturelle de LTD. Cette diminution est associée à une diminution de la contribution des récepteurs NMDA synaptiques Le stress prénatal perturbe l’apprentissage chez la progéniture mâle (stade P30). N-acetyl-cysteine La N-acetyl-cysteine (donnée avant stress) diminue l’impact du stress oxydant. La NAC prévient les dommages causés par le stress prénatal sur l’apprentissage et la plasticité. Est-ce que la NAC est encore protectrice après le stress prénatal? La NAC garde une activité jusqu’au stade P2. La supplémentation par la Vitamine E n’a aucun effet dans ce modèle... POSTNATAL OFFSPRING LPS MOTHER TLR-4 IL-1 amniotic fluid brain Chemokines Complement Prostaglandines Leucotrienes TNF-α FETUS blood IL1 Placenta TNF-α, IL-1, IL6 IL-6 brain IL-1 Oxidative stress PGE2 POMC NPY CRF Placental dysfunction blood brain Oxidative stress Altered Cytokines Effects on brain development Microglial activation White matter injury Hippocampal changes Atered levels of monoamines ACTH Fever Anorexia GCs Behavioral deficits (learning and memory,…) Effet des cannabinoïdes en prénatal Dose journalière de 0,5mg/kg de WIN55212-2, un agoniste cannabinoïde du jour 5 à 20 de gestation. L’activation des récepteurs cannabinoïdes entraîne un blocage de la LTP chez la progéniture. L’activation des récepteurs cannabinoïdes chez les adultes bloque la LTP de manière réversible. Effet du bisphenol A en prénatal Contrôles 14j Bisphénol 14j LTP Contrôles 28j Bisphénol 28j LTD Le bisphénol A inhibe la LTP au niveau des synapses cortico-striatales et convertit la LTD en LTP Plasticité cortico-striatale et dyskinésie induite par la L-DOPA -Rappel: les neurones striataux sont excités par les neurones corticaux par des synapses glutamatergiques et leur activité est modulée par la dopamine en provenance des neurones de la substance noire. Les neurones striataux sont séparés en deux familles suivant qu’ils portent des récepteurs D1 et D2. -Les synapses cortico-striatales sont le siège des phénomènes de LTP et de LTD. Ces deux phénomènes nécessitent l’activation des récepteurs dopaminergiques D1 et D2. -L’efficacité des synapses cortico-striatale varie en permanence: on observe une plasticité ‘dynamique’ à savoir alternance de LTP et de dépotentiation, qui est nécessaire à l’apprentissage moteur. -En contexte de maladie de Parkinson, il y a une diminution de la régulation dopaminergique (dégénérescence des neurones dopaminergiques), qui peut être restaurée par la L-DOPA, précurseur de la dopamine. -Toutefois, le traitement chronique avec la L-DOPA entraîne l’apparition de troubles moteurs ‘dyskinésies tardives’ et un effet ‘on-off’. La dépotentiation est induite par application de basse fréquence (LFS). Ce phénomène dépend de l’activité de phosphatases (bloqueur Calyculin A et acide okadaïque). L’activation des récepteurs D1 (SKF38393 et SKF38393+SCH23390) empêche la dépotentiation. L’activation des récepteurs D1 est mimée par la forkoline (+AMPc). Caractérisation du phénomène de ‘dépotentiation’ au niveau cortico-striatalc Pour étudier la dyskinésie induite par la L-DOPA, on utilise un modèle animal de maladie de Parkinson qui revient à léser sélectivement les neurones dopaminergiques de la substance noire par application d’une toxine (MPTP ou 6OH-DA). On traite ensuite ces animaux avec de la L-DOPA. 50% d’entre eux développent une dyskinésie tardive, observée par l’apparition de mouvements ‘anormaux’ et une diminution des performances motrices: Etude de la LTP au niveau cortico-striatal chez les animaux dyskinésiques La lésion des neurones de la substance noire entraîne une inhibition de la LTP au niveau corticostrital [le blocage pharmacologique des récepteurs D1 ou D2 empêche aussi cette LTP]. La L-DOPA restaure la LTP chez les animaux 6OH-DA. Par contre la dépotentiation est perdue chez le groupe d’animaux dyskinésiques. L-DOPA dopamine AMPA D1 Gs AC AMPc NMDA P P Phosphatase PP1 + PKA DARPP-32 P Sachant que la dépotentiation est bloquée par l’activation des récepteurs de type D1 et que le traitement à la L-DOPA renforce fortement la quantité de dopamine, la perte de dépotentiation pourrait être associée à une stimulation excessive des voies de transduction associées à l’activation des récepteurs de type D1 en particulier la DARPP-32 qui inhibe la phosphatase PP1. En effet, on observe une forte augmentation de la phosphorylation de cette protéine chez les animaux dyskinésiques traités à la L-DOPA. L’activation de la DARPP-32 inhibe la phosphatase PP1 dont l’activité est nécessaire à la dépotentiation notamment pour déphosphoryler les récepteurs AMPA (et NMDA). Ainsi la synapses restent en mode ‘LTP’ soit en fonctionnement maximal. La dyskinésie induite par la L-DOPA s’accompagne aussi d’une altération dans le trafic des sous-unités NMDA GluN2A et GluN2B à la synapse. En effet, on observe une augmentation du nombre de récepteurs NMDA contenant GluN2A à la synapse. Ce phénomène est aussi observée au niveau du striatum de patients parkinsoniens. De manière intéressante, l’inhibition de l’expression des sous-unités GluN2A avec des peptides interférents (TAT-2A) permet d’inhiber De manière intéressante, l’inhibition de l’expression des sous-unités GluN2A avec des peptides interférents (TAT-2A) au niveau synaptique permet d’inhiber l’induction des mouvements anormaux observés chez les animaux rendus dyskinésiques par la L-DOPA. Plasticité synaptique et maladie d’Alzheimer -Dans la plupart des modèles de la maladie d’Alzheimer, on observe une dégradation de la plasticité synaptique avec la progression des symptômes. -Modèles animaux: souris transgéniques présentant les mutations humaines conduisant à cette pathologie: APPswe, 3XTg, 5XFAD,… -Injections ou applications directes du peptide Abeta in vivo et in vitro. -Effets intracellulaires ou extracellulaires, stress oxydant; glucorticoïdes… Souris 5XFAD: 3 mutations sur l’APP, 2 sur la PSEN1 (γ sécrétase) modèle le plus agressif car les plaques et les déficits apparaissent dès deux mois d’âge, à cause de la production accrue de peptide Aβ1-42. Ce modèle est aussi associé à une perte précoce de LTP. Souris 5XFAD: progression des plaques et astrogliose. Souris 5XFAD: progression des déficits comportementaux (‘olfactory tubing’). Souris 5XFAD: l’inhibition de la MMP5 améliore le phénotype. Effets directs du peptide Abeta: LTP in (et ex)vivo. Protection par des antagonistes NMDA. Effets directs du peptide Abeta: LTP in vivo. Protection par des antagonistes GluN2B. Plasticité synaptique et retard mental lié à l'X fragile La perte de fonction de FMRP augmente la mGlu-LTD entraîne une perte du contrôle de la transcription. Plasticité synaptique et drogues d’abus La cocaine provoque une augmentation de la contribution des récepteurs AMPA à la transmission synaptique dans des neurones dopaminergiques (Aire tegmentale ventrale). Elle provoque une inhibition de la plasticité synaptique après une seule injection. Ces effets sont dépendants des récepteurs NMDA et dopaminergiques. Beaucoup de drogues d’abus reproduisent ces effets. Une absence de LTD est un signe prédictif sur l’addiction à la cocaïne. Inhibition de la LTP après injection in vivo de cocaïne Inhibition de la LTP après injection in vivo de cocaïne: dépendance des récepteurs NMDA Action de la cocaïne dépendante des récepteurs D5 dopaminergiques et de la synthèse protéique Dans le contexte de l’autoadministration de cocaïne, l’inhibition permanente de la LTD cortico-accumbens conduit à la transition à l’addiction.
