Plasticité(s) synaptique(s) dans l`Amygdale et le cervelet

Plasticité(s) synaptique(s) dans l’Amygdale
et le cervelet
Neuropsychopharmacologie 2015-2016
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 BLACeA 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
BLACeA 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 BLACeA 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
BLACeA 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 BLACeA
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
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.