III-2 : LA NEURORETINE : ASPECTS FONCTIONNELS Florence Rigaudière Jean-François Le Gargasson

Œil et Physiologie de la Vision – III-2
III-2 : LA NEURORETINE : ASPECTS FONCTIONNELS
Florence Rigaudière
Jean-François Le Gargasson
Pour citer ce document
Florence Rigaudière et Jean-François Le Gargasson, «III-2 : LA NEURORETINE : ASPECTS
FONCTIONNELS», Oeil et physiologie de la vision [En ligne], III-La physiologie rétinienne,
mis à jour le 18/06/2013, URL :
http://lodel.irevues.inist.fr/oeiletphysiologiedelavision/index.php?id=215,
doi:10.4267/oeiletphysiologiedelavision.215
Plan
La neurorétine à l’obscurité
La membrane externe des photorécepteurs
Canaux ioniques membranaires du bâtonnet
Dépolarisation du bâtonnet
Canaux ioniques membranaires des cônes
Dépolarisation du cône
Les photopigments des bâtonnets et des cônes
Localisation des photopigments
Structure et composition des photopigments
La neurorétine à la lumière
La transduction
Définition
Initiateurs de la transduction : les photopigments
Mécanismes de la transduction des bâtonnets
Mécanisme de la transduction des cônes
Anomalies dans les étapes de la transduction
Conséquences de la transduction
Stimulation brève d’intensité croissante délivrée en…
… ambiance scotopique
… ambiance photopique
Conséquences pour l’exploration clinique par ERG flash
Fonctionnement des cellules du 2ième étage
Cellules horizontales
Cellules bipolaires
Conséquences du fonctionnement des cellules du 2ième étage
Rôle des bipolaires ON & OFF pour le codage du contraste
Rôle des bipolaires ON & OFF pour l’onde-b de l’ERG flash
Cellules amacrines
De l’obscurité à la lumière
Rôle des cellules amacrines
Fonctionnement des cellules du 3ième étage
Agencement en trois voies P, M et K
Mode de fonctionnement des cellules ganglionnaires
Les cellules de Müller
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Rôle dans la structure rétinienne
Métabolisme
Courants potassiques
Conclusion
Petit glossaire…
Texte intégral
« … ou la rencontre entre photons et photorécepteurs… »
Le fonctionnement de la neurorétine est déclenché par l’absorption des photons lumineux
par les photopigments des photorécepteurs. Il s’en suit une cascade, comme un jeu de
domino qui modifie l’état de l’épithélium pigmentaire en amont et du deuxième et
troisième étage rétinien, en aval…
Le signal rétinien initial correspond, au niveau des deux premiers étages, à des
propagations de variations de différences de potentiels, pour devenir, au troisième étage,
un influx visuel formé de potentiels d’action qui se propagent le long des voies visuelles,
jusqu’aux nombreuses aires visuelles corticales.
Seules sont décrites les principales étapes fonctionnelles qui introduisent à la
compréhension de la genèse des signaux électrophysiologiques utilisés en exploration
clinique. Elles mettent en lumière les propriétés fonctionnelles différentielles des
systèmes scotopique et photopique en soulignant leur comportement spécifique vis-à-vis
des caractéristiques de la stimulation.
Ces propriétés sont mises à profit dans le cadre de l’exploration fonctionnelle clinique
pour isoler de façon indirecte la réponse et le mode de fonctionnement de chacun de ces
deux systèmes.
Le fonctionnement de l’épithélium pigmentaire est exposé au chapitre suivant. Il ne sera
cependant pas oublié ici que son niveau de potentiel se modifie au cours de différents
états d’adaptation de la neurorétine à la lumière ou à l’obscurité avec de possibles
retentissements sur l’état fonctionnel rétinien.
La neurorétine à l’obscurité
A l’obscurité, la neurorétine n’est pas stimulée ; elle est cependant dans un état
fonctionnel spécifique en comparaison des autres cellules neurologiques de l’organisme.
A la lumière, cet état se modifie pour déclencher les phénomènes qui aboutissent à la
vision.
La membrane externe des photorécepteurs
Les photorécepteurs sont séparés de l’espace extracellulaire par une membrane externe.
Pour le cône, la membrane sépare le milieu extra et intracellulaire ; elle porte
directement les photopigments. Pour le bâtonnet, elle sépare le milieu extra et
intracellulaire qui contient les disques sur lesquels se trouvent les photopigments (figure
III-1-7).
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Les caractéristiques et les propriétés membranaires des bâtonnets résumées ci-dessous,
sont mieux connues que celles des cônes.
Canaux ioniques membranaires du bâtonnet
Situation
La membrane plasmatique du segment externe du bâtonnet est le siège de canaux
transmembranaires luminodépendants spécifiques des ions sodium et calcium (figure III2-1). Ces canaux sont situés uniquement sur la membrane externe et ne sont pas
retrouvés sur la membrane des disques. Ils représentent environ 7% des protéines
transmembranaires [Molday, 1998].
Les autres protéines transmembranaires de la membrane plasmique se composent d’environ 60% de molécules
de rhodopsine, 7% d’échangeur d’ions Na+/Ca2+-K+. 4% de transporteurs du glucose et les 22% restant étant
de natures diverses [Molday, 1998].
Composition
Ces canaux transmembranaires sodium et calcium de la membrane plasmique se
composent de deux sous unités différentes alpha et béta. La sous unité alpha peut être
ouverte par le GMPc (Guanosine monophosphate cyclique) tandis que la sous unité béta
permet la modulation du canal par la calmoduline via le taux de calcium intracellulaire
[Ebrey, Koutalos, 2001].
Etat à l’obscurité
A l’obscurité, ces canaux sodium et calcium sont maintenus ouverts grâce à trois
molécules de GMPc lorsque la concentration de GMPc est forte. Ces canaux ouverts
permettent l’entrée en permanence d’un flux d’ions sodium (80%) et calcium (20%)
[Korenbrot, Rebrik, 2002].
L’équilibre ionique de ces ions sodium et calcium entre le milieu intra et extracellulaire
est maintenu par deux mécanismes (figure III-2-1) :
1- un contre-transport insensible à la lumière, situé sur le segment externe et assuré par
un échangeur d’ions Na+/Ca2+-K+. Il permet la sortie d’un ion calcium et d’un ion
potassium, contre l’entrée de quatre ions sodium. Son effet permanent est cependant
limité à un flux sortant d’environ 500 ions calcium par seconde [Doly, 1997] ;
2- un mécanisme actif de pompes ATP-dépendantes, situées au niveau du segment
interne du bâtonnet. Elles permettent la sortie de trois ions sodium contre l’entrée de
deux ions potassium. Ce mécanisme actif ne joue pas de rôle direct sur les flux des ions
calcium.
Dépolarisation du bâtonnet
Cet équilibre ionique à l’obscurité correspond à un excès de sodium intracellulaire par
rapport à l’état d’équilibre observé pour toutes les autres cellules de l’organisme ; en
l’absence de stimulation, la cellule est dépolarisée.
Diminution de la barrière de potentiel : dépolarisation du bâtonnet
En l’absence de stimulation, la barrière de potentiel (ou différence de potentiel)
transmembranaire est de -40 mV ± 10 mV alors qu’elle est de -70 mV ± 10 mV pour
toutes les autres cellules de l’organisme. Cette valeur ne correspond pas à une différence
de potentiel spécifique en l’absence de stimulation, mais bien à une véritable diminution
de la barrière de potentiel par rapport à ce qui est normalement observé en l’absence de
stimulation. Cette valeur correspond à un état de dépolarisation du bâtonnet.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
En effet, au niveau de sa synapse avec les cellules horizontales et bipolaires sousjacentes, on observe une libération continue de son neurotransmetteur, le glutamate
[Barnes, 1995].
Abaissement de la barrière de potentiel transmembranaire (par rapport aux valeurs
habituellement observées en l’absence de stimulation) associé °à des ouvertures de
canaux sodium en nombre important et °à la libération du neurotransmetteur au niveau
des synapses avec les cellules sous-jacentes sont caractéristiques de l’état de
dépolarisation d’une cellule.
Courant d’obscurité
Cet état de dépolarisation permet l’ouverture de canaux sodium-calcium ; on observe
alors une circulation d’ions ou courant d’obscurité, constitué essentiellement d’un flux
d’ions sodium (80% d’ions sodium et 20% d’ions calcium)
°il est entrant au niveau du segment externe du bâtonnet, par les canaux sodium et
calcium maintenus ouverts par trois molécules de GMPc [Doly, 1997], [McIlwain, 1996],
puis
°il se dirige vers le segment interne de la cellule pour
°ressortir vers le milieu externe, grâce à des mécanismes actifs de pompes et de contretransports ioniques, fermant ainsi le circuit (figure III-2-1).
L’intensité de ce courant d’obscurité est maximale à l’obscurité.
Canaux ioniques membranaires des cônes
Situation
Pour les cônes, les canaux ioniques sodium-calcium sensibles à la lumière, sont situés
tout le long des replis de la membrane plasmique et contigus aux molécules de
photopigments.
Bien que la surface de membrane repliée soit supérieure à celle de la membrane externe
des bâtonnets, le nombre de canaux ioniques sodium-calcium situés sur les cônes est
semblable à celui des bâtonnets car leur densité par cône est inférieure à celle par
bâtonnet [Yau, 1994].
Composition
Ces canaux ioniques sodium-calcium ont des sites de fixations différents de ceux des
bâtonnets [Picones, Korenbrot, 1992] ; ils sont également codés par des gènes différents
[Bonigk et al., 1993].
Etat à l’obscurité
A l’obscurité, ces canaux sodium-calcium sont maintenus ouverts grâce une forte
concentration de molécules de GMPc. Ces canaux sodium-calcium ouverts permettent
l’entrée en permanence d’un flux d’ions sodium (65%) et calcium (35%) avec une
régulation par un échangeur d’ions calcium-sodium-potassium où la clairance des ions
calcium est beaucoup plus rapide que pour le bâtonnet [Korenbrot, Rebrik, 2002].
Dépolarisation du cône
En l’absence de stimulation, les cônes comme les bâtonnets sont dépolarisés. Il s’agit
bien d’une véritable dépolarisation. En effet, on observe une libération en continu de leur
neurotransmetteur, le glutamate, au niveau de leurs synapses avec leurs cellules sousjacentes : les cellules bipolaires de cônes.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Les photopigments des bâtonnets et des cônes
Chez l’homme, il a été mis en évidence quatre types de photopigments : la rhodopsine
portée pour les bâtonnets et trois pigments, L, M et S portés chacun par un groupe de
cônes. Leurs compositions en acides aminés sont différentes et en grande partie
responsables de leurs propriétés qui les différencient.
Localisation des photopigments
Des bâtonnets
La rhodopsine constitue 85% des protéines transmembranaires des disques [Molday,
1998], [Menon et al., 2001] ; on la trouve également au niveau de la membrane
plasmique où elle constitue 60% des protéines transmembranaires [Molday, 1998]. Elle
est donc principalement mais non pas uniquement localisée sur les disques.
Des cônes
Les photopigments des cônes sont également des protéines transmembranaires situées
sur les replis de la membrane plasmique.
Structure et composition des photopigments
Structure tertiaire
Les quatre photopigments sont composés de façon similaire par °une opsine ou chaîne
protéique, associée à °un chromophore, le rétinal, sous sa forme 11-cis dans l’état
inactivé (figure III-2-2).
Figure III-2-2 : schéma de la structure spatiale d’une molécule de rhodopsine. Le chromophore est au centre de
la poche dans sa configuration 11-cis.
Ces protéines transmembranaires présentent :
°une partie membranaire, composée de sept hélices alpha dont l’inclinaison, les unes par
rapport aux autres, varie selon la profondeur dans la membrane [Hargrave, 2001]
°pour les cônes : une partie extracellulaire et une partie intracellulaire et
°pour les bâtonnets : une partie cytoplasmique et une partie intradiscale (figure III-23).
Figure III-2-3. La partie extracellulaire pour les cônes et cytoplasmique pour les bâtonnets comporte quatre
boucles (polypeptides- B1 à B4). B4 est ancrée dans la membrane par des palmytoyle-cystéines (P) reliée à
l’extrémité C terminale où se trouvent les sites de phosphorylation (Ph) aussi bien pour les cônes [Lolley, Lee,
1990] que pour les bâtonnets [Gordon, Bazan, 1997].
Le rectangle rouge situé à la base de B2 est la zone de fixation de la protéine G.
Les sept hélices alpha sont transmembranaires [Gordon, Bazan, 1997]. Elles forment une poche [Das et al.,
1999] à l’intérieur de laquelle se situe le chromophore qui est accroché à deux hélices en des positions
différentes pour la rhodopsine et les photopigments L et M [Jacobs, 1998]. Le chromophore est parallèle à la
surface membranaire.
La partie intradiscale pour le bâtonnet et intracellulaire pour le cône, comprend trois boucles B5 à B7 et une
extrémité N terminale avec ses deux sites de glycosylation (G).
Si la structure tertiaire de la rhodopsine et celle des photopigments des cônes sont
similaires, les séquences et le nombre d’acides aminés sont différents. La partie
membranaire est la plus importante pour la sélectivité spectrale.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Structure primaire
La séquence des opsines des quatre photopigments a pu être établie précisément lorsque
les gènes codant ont été connus [Nathans, 1990].
Rhodopsine
La rhodopsine est codée par un gène porté par le chromosome 3 ; elle comporte 348
acides aminés [Nathans, Hogness, 1984] dont la numérotation de 1 à 348 sert de repère.
Photopigments L et M
Les photopigments L et M sont codés par plusieurs gènes portés par le chromosome X
[Sjoberg et al., 1998]. Ils comportent 364 acides aminés, identiques à 96% ; ils ne
diffèrent que par 15 acides aminés (figure III-2-4).
Parmi ces quinze, seuls les sept acides aminés localisés aux positions 116, 180, 230, 233, 277, 285 et 309,
sont impliqués dans le changement de sélectivité spectrale du pigment L par rapport au pigment M.
Dans le cadre d’erreur de codage pour une photopigment donné, la substitution d’un acide aminé par un autre
aux cinq sites 116, 180, 230, 233 et 309 n’entraîne qu’une variation de sélectivité spectrale mineure allant de 1
à 2 nm voire de 4 nm pour la substitution Sérine/Alanine fréquemment observée au site 180 [Kraft et al.,
1998].
Par contre, lorsque les substitutions se produisent aux sites 277 et 285, elles entraînent une variation de
sélectivité spectrale plus importante, allant de 16 à 24 nm [Neitz, Neitz, 1998] par modifications significatives
de répartitions de charges électroniques à l’intérieur de la poche. Ces deux sites jouent donc un rôle majeur
dans la variation de sélectivité spectrale du photopigment concerné lorsqu’ils sont le siège de substitutions, à
l’origine de dyschromatopsies (déficiences de la vision des couleurs) [Leid, 2008].
Les photopigments L et M n’ont que 43% d’acides aminés communs avec le
photopigment S et environ 40% d’acides aminés commun à la rhodopsine [Lolley, Lee,
1990].
Photopigment S
Le photopigment S est codé par un gène porté par le chromosome 7 ; il comporte,
comme la rhodopsine, 348 acides aminés [Nathans et al., 1986] dont 58 % diffèrent de
ceux de la rhodopsine (figure III-2-4).
Propriétés spécifiques des cônes S
Les cônes S sont particulièrement vulnérables. Dans tous les cas de pathologies
rétiniennes débutantes, ils présentent des dysfonctionnements précoces et ce, de façon
spécifique, tandis que les cônes L et M continuent à fonctionner normalement [Adams,
1982], [Mollon, 1982], [Haegerstrom-Portnoy, Adams, 1983], [Yamazaki et al., 1988],
[Haegerstrom-Portnoy et al., 1989], [Swanson et al., 1993], [Cho et al., 2000].
La neurorétine à la lumière
Les photons (lumière) qui arrivent sur la neurorétine initient une activité
électrophysiologique, transmise le long des voies visuelles jusqu’aux centres cérébraux
pour aboutir à la perception.
La première étape de cette transformation est la transduction. Elle se réalise après
capture des photons par les photopigments des bâtonnets et des cônes. Ses mécanismes
sont mieux connus pour le bâtonnet que pour le cône.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La transduction
Définition
C’est un ensemble de phénomènes physiques et biochimiques qui engendrent des
modifications de la polarisation membranaire des photorécepteurs par rapport à celles
observées à l’obscurité.
Initiateurs de la transduction : les photopigments
Les photons lumineux sont captés par des molécules de photopigments qui changent de
conformation ; ils déclenchent une cascade à l’origine de signaux électrophysiologiques.
Les propriétés des photopigments sous-tendent celles des photorécepteurs.
Energie seuil des photopigments
Seuil absolu pour les bâtonnets
La rhodopsine
correspondant, à
lumineux absolu.
de l’ordre de 300
est capable d’absorber des lumières de très faibles énergies
la limite, à un ou deux photons arrivant sur un bâtonnet : c’est le seuil
Le temps de latence de la variation seuil de polarisation du bâtonnet est
ms [Schnapf, Baylor, 1987].
Cette propriété fait des bâtonnets les détecteurs des très faibles et faibles intensités
lumineuses ou niveaux lumineux scotopiques. La sensation est uniquement en nuance de
gris.
Seuil mésopique pour les cônes
Il faut une énergie 1000 fois supérieure à celle du seuil absolu (c'est-à-dire
correspondant à des niveaux lumineux mésopiques) pour que les photons soient captés
par les photopigments des cônes [Donner, 1992]. Le temps de latence de la variation de
polarisation du cône est de l’ordre de 70 ms, beaucoup plus court que celui du bâtonnet.
Cette différence de seuil est liée aux caractéristiques biochimiques de leur protéine G
respective (transducine) qui sont différentes [Lee et al., 1992], [Gordon, Bazan, 1997],
[Deng et al., 2009].
Ce n’est qu’à partir de niveaux énergétiques 107 fois supérieurs au seuil absolu et
correspondant à des valeurs proches de 10 cd/m2 (c'est-à-dire à des niveaux lumineux
photopiques) que les photons lumineux absorbés par les trois types de cônes sont à
l’origine d’une sensation colorée.
Probabilité d’absorption des photopigments
Variation en fonction de la longueur d’onde
Lorsque l’énergie lumineuse est bien supérieure à celle du seuil de réponse des bâtonnets
et des cônes respectivement, la probabilité d’absorption des photons par les
photopigments varie en fonction de leurs longueurs d’onde. Cette variation de probabilité
d’absorption ou sensibilité spectrale est différente pour les quatre photopigments.
°Rhodopsine. Figure III-2-5. La probabilité d’absorption des photons de niveaux lumineux
scotopique est nulle en deçà de 400 nm et au-delà de 650 nm environ, intervalle en
dehors duquel il n’y a donc pas de sensation lumineuse.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La probabilité d’absorption varie pour les longueurs d’onde comprises dans cet intervalle
-400 - 650 nm- avec une probabilité maximale d’absorption pour des longueurs d’ondes
situées aux environs de 497 nm [Nathans, Hogness, 1984].
Pour ce groupe de longueurs d’onde, la sensation est la plus claire, en gris.
°Trois photopigments de cônes. Figure III-2-6. Les photons de niveaux lumineux
photopiques sont absorbés par un ou plusieurs photopigments de cônes à l’intérieur
d’une gamme de longueurs d’onde comprise entre 400 et 700 nm ; la perception est
donc limitée à cette gamme restreinte de longueurs d’onde.
La probabilité d’absorption du photopigment S est maximale aux environs de 420 nm
[Nathans, et al., 1986], celle du photopigment M, aux environs de 530 nm [Nathans, et
al., 1986] et celle du pigment L, aux environs de 560 nm [Nathans, et al., 1986].
Probabilité maximale et environnement électronique des 7 hélices alpha
Ces probabilités d’absorptions maximales pour un groupe de longueurs d’onde données
s’expliquent par l’environnement électronique à l’intérieur de la poche formée par les
sept hélices alpha, qui favorise la capture d’un groupe précis de longueurs d’ondes
[Bailey, Gouras, 1985].
Les mécanismes d’absorption des photons par les quatre photopigments sont semblables.
Ils induisent une série de modifications à l’échelle moléculaire avec variations de
polarisation des photorécepteurs qui se transmettent aux cellules rétiniennes sousjacentes.
Ces réponses en cascade des cellules rétiniennes sont en partie à l’origine des signaux
enregistrés sous forme d’électrorétinogrammes.
Mécanismes de la transduction des bâtonnets
A l’éclairement, c'est-à-dire en présence d’une stimulation lumineuse, l’absorption
transitoire (stimulation de type flash) ou continue (éclairement constant) de photons par
la rhodopsine modifie l’équilibre ionique d’obscurité.
Initiation de la cascade
Rhodopsine activée
L’énergie des photons absorbés par une molécule de rhodopsine R permet l’isomérisation
du rétinal qui passe de sa forme 11-cis à sa forme isomère tout-trans rétinal. La
rhodopsine change de conformation stéréochimique ; elle est dite activée R* (figure III2-7).
Protéine G ou transducine
R* interagit avec une protéine G, la transducine (Gt). Cette protéine est abondante,
située sur la face externe de la membrane des disques, très près de la rhodopsine.
Elle se compose de trois sous unités : alpha-béta-gamma. La sous unité alpha estliée à
une molécule de GDP (guanosine di-phosphate) : Gtalpha-GDP.
R* catalyse l’échange de GDP en GTP (guanosine tri-phophate) de la sous unité alpha de
plusieurs molécules de protéine G. La sous unité alpha est activée Gt alpha* ; elle se
détache de ses deux autres sous unités béta-gamma. 
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Phospho-di-estérase : PDE
La phospho-di-estérase PDE est formée de trois sous unités : alpha-béta et gamma.
PDEgamma inhibe l’activité enzymatique des deux autres sous unités PDE alpha-béta.
Gtalpha* est capable de se lier à la sous unité inhibitrice PDEgamma pour former un
complexe actif Gtalpha-PDE* qui libère l’activité des deux autres sous unités PDE alpha-béta.
Ces deux sous unités PDEalpha-béta actives sont capables d’hydrolyser le GMPc en
5’GMP inactif, ce qui entraîne une diminution du GMPc.
Fermeture transitoire des canaux sodium
Il y a donc fermeture transitoire des canaux sodium-calcium ce qui entraîne une
diminution de l’intensité du courant d’obscurité et une hyperpolarisation du bâtonnet. La
sécrétion du glutamate diminue au niveau de sa synapse avec les cellules sous-jacentes
[Pepe, 2001].
Phénomène d’amplification
[Lolley, Lee, 1990], [Leskov et al., 2000]. L’activation d’une molécule de rhodopsine R*
par un seul photon est capable d’activer plusieurs centaines de molécules de protéine G*
(transducine), premier stade de l’amplification.
Gtalpha* peut, à son tour, activer une centaine de molécules de phospho-di-estérase,
deuxième stade de l’amplification.
Chaque molécule de phospho-di-estérase ouvre le cycle d’environ 800 molécules de
GMPc… Ainsi, la capture d’un seul photon résulte-t-il en l’hydrolyse d’environ 100.000
molécules de GMPc permettant la fermeture de 300 à 400 canaux sodium-calcium
[Stryer, 1986] soit environ 3 à 5% des canaux ouverts à l’obscurité [Tovée, 1996].
Régulation de l’ouverture-fermeture des canaux sodiumcalcium
Lorsque la stimulation se poursuit, des processus de régulation se mettent en place pour
régler l’équilibre des taux de GMPc et moduler les ouvertures-fermetures des canaux
membranaires. L’absorption des photons et la transduction peuvent se faire ainsi en
continu, permettant une vision « sans interruption » !
Plusieurs mécanismes simultanés interviennent [Burns, 2010], [Burns, Pugh, 2010].
Désactivation de la rhodopsine
R* reste active jusqu’à la conjugaison de deux actions : sa phosphorylation par une
rhodopsine kinase (GRK1) puis fixation de l’arrestine (ARR1) sur ses sites phosphorylés.
Le complexe -rhodopsine phosphorylée et arrestine- provoque le passage du
chromophore de la forme tout-trans rétinal à la forme 11-cis rétinal ; l’arrestine se
sépare alors de la rhodopsine qui est déphosphorylée par une rhodopsine kinase puis
rapidement désactivée.
La rhodpsine peut de nouveau interagir avec un photon (figure III-2-8).
Ce n’est qu’après un éclairement d’une certaine durée qu’il y a dissociation de la
rhodpsine avec séparation du chromophore de l’opsine (voir ci-dessous).
Désactivation du complexe d’hydrolyse du GMPc
Le complexe actif Gtalpha-PDE* est désactivé par un régulateur RGS9-1 (Regulator of G
protein Signalling, 9th family member, first splice variant) spécifique de la protéine G.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
RGS9-1 catalyse l’hydrolyse du GTP de la sous unité Gtalpha, en GDP ; Gtalpha-GDP restitué
se sépare de la phospho-di-estérase puis se recombine ensuite à ses deux autres sous
unités béta-gamma pour reformer la protéine G.
A son tour, la sous unité gamma de la phospho-di-estérase se recombine avec ses deux
autres sous unités (figure III-2-9).
Ces molécules redevenues inactives, peuvent être réactivées. La cascade peut donc
recommencer et les photons être absorbés de nouveau…
Synthèse du GMPc
La fermeture des canaux sodium-calcium et la poursuite du fonctionnement des
échangeurs d’ions sodium/calcium-potassium concourent à une chute du taux
intracellulaire du calcium. Cette baisse de calcium intracellulaire active des guanyles
cyclases qui permettent la synthèse de GMPc à partir de GTP cytoplasmique.
Le taux de GMPc ré-augmente, la réouverture de canaux sodium-calcium est possible
(figure III-2-10).
Régénération de la rhodopsine par l'épithélium
pigmentaire
Lorsque le niveau lumineux de la stimulation est élevée et qu’environ 10% du taux de
rhodopsine total est activé [Kawamura, 1995], pour une molécule de rhodopsine, le
retour du chromophore de la forme tout-trans rétinal à la forme 11-cis n’est plus
possible.
Il y a séparation de l’opsine et du tout-trans rétinal qui est réduit en tout-trans rétinol. La
molécule de rhodopsine est dégénérée, il y a « blanchiment » car, macroscopiquement,
elle prend un aspect incolore.
La régénération de la rhodopsine s’effectue selon le cycle visuel initialement décrit par
Wald [Wald, 1968]. Après 50 ans de travaux, il est bien établi que ce cycle s’effectue
conjointement dans le bâtonnet et l'épithélium pigmentaire [Lamb, Pugh, 2006], [Muniz
et al., 2007]. Les différentes séquences en sont simplifiées sur la figure III-2-11.
Quand la stimulation lumineuse cesse, l’ensemble des processus décrits sont inactivés ;
la concentration en calcium intracellulaire reprend son niveau d’obscurité initial et les
photorécepteurs retrouvent progressivement leur sensibilité optimale.
Note. Une belle animation de ces mécanismes d’adaptation présentés par Lamb et Pugh [Lamb,
Pugh, 2006] peut être vue sur http://www.iovs.org/cgi/content/full/47/12/5138/DC1 .
Mécanisme de la transduction des cônes
Cascade similaire à celle de la rhodopsine
Les étapes de la transduction des photopigments des cônes sont similaires à celles de la
rhodopsine mais leurs mécanismes précis, en particulier ceux de la désactivation, sont
encore à venir [Burns, Pugh, 2010].
La protéine G des cônes (la transducine) a des sous unités [Tachibanaki et al., 2007] et
des affinités entre elles différentes de celle de la transducine de la rhodopsine [Lee, et
al., 1992]. Cette propriété pourrait en partie, expliquer le seuil à la lumière plus élevé
pour le cône que pour le bâtonnet [Gordon, Bazan, 1997].
La phospho-di-estérase serait aussi spécifique des cônes [Farber, 1995].
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La régulation des ouvertures-fermetures des canaux sodium-calcium des cônes est
contrôlée, comme pour le bâtonnet, par le taux de GMPc [Rebrick et al., 2000] avec
cependant des cinétiques différentes, probablement liées à des processus moléculaires
régulés par le taux de calcium cytoplasmique libre [Ebrey, Koutalos, 2001], [Korenbrot,
Rebrik, 2002].
Le mécanisme de désactivation des photopigments de cônes est également beaucoup
plus rapide que celui de la rhodopsine [Tachibanaki, et al., 2007].
La plus grande originalité des photopigments des cônes est leur régénération au cours
d’exposition de longue durée à la lumière qui passe par les cellules de Müller et non par
l'épithélium pigmentaire comme pour la rhodopsine…
Régénération des photopigments de cônes par les cellules
de Müller
La régénération des photopigments des cônes -c’est-à-dire la ré-isomérisation du
chromophore de sa forme tout-trans rétinol en 11-cis rétinal nécessaire pour être réassocié à l’opsine- passe par les cellules de Müller [Reichenbach, Robinson, 1995],
[Gordon, Bazan, 1997].
Après son détachement de l’opsine, le tout-trans rétinol est fixé par les cellules de
Müller qui l’isomérise en 11-cis rétinol.
Ce dernier est relargué dans le milieu extracellulaire puis capté par les cônes. Les cônes
procèdent alors à son oxydation en 11-cis rétinal, qui est ensuite ré-associé à l’opsine. Le
11-cis rétinol peut aussi être oxydé dans la cellule de Müller puis transporté dans le cône.
Le photopigment de cône est alors reformé [Arshavsky, 2002], [Muniz, et al., 2007]
(figure III-2-12).
Ce mécanisme rétinien explique la régénération rapide des photopigments de cônes et la
possibilité de voir en continu dans une ambiance lumineuse photopique [Wang, Kefalov,
2009].
Anomalies dans les étapes de la transduction
Chez l’homme, des mutations ont été décrites à plusieurs étapes de l’inactivation de la
transduction et corrélées à diverses pathologies [Maubaret, Hamel, 2005], [Burns, Pugh,
2010], par exemple :
° la maladie d’Oguchi serait liée à une mutation de l’arrestine ou de la rhodpsine kinase
(figure III-2-8) [Hayashi et al., 2007] ;
° la bradyopsie : c’est une maladie rare correspondant à des difficultés d’adaptation aux
changements de luminosité avec une acuité visuelle normale, une photophobie et un ERG
difficilement discernable. Elle serait due à des mutations des gènes RGS9 et/ou R9AP qui
participent à la désactivation de la protéine G (figure III-2-9) [Michaelides et al., 2009] ;
° l’amaurose congénitale de Leber, la cone-dystrophy et la cone-rod dystrophy [Hunt et
al., 2010] seraient en rapport avec un déficit en guanyle cyclase et de son activateur
(figure III-2-10) [Dizhoor, 2000], [Pepe, 2001] ;
° le fundus albipunctatus serait lié à une mutation de l’enzyme permettant le passage du
11-cis rétinol au 11-cis rétinal dans l'épithélium pigmentaire (figure III-2-11) [Lamb,
Pugh, 2006]
11
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
° l’achromatopsie –absence de fonctionnement de tous les cônes- résulte soit d’une
transducine des cônes anormale qui arrête la transduction des cônes, soit de sites
anormaux de fixation du GMPc sur les canaux sodium-calcium des cônes [Kohl et al.,
2005] [Nishiguchi et al., 2005], pour ne citer que quelques exemples…
Conséquences de la transduction
En présence d’une stimulation lumineuse, les photorécepteurs répondent par des
mécanismes de fermetures et ré-ouvertures transitoires de leurs canaux sodium-calcium.
Ils passent de l’état de dépolarisation -qu’ils avaient à l’obscurité- à un certain degré
d’hyperpolarisation associé à une diminution du taux du glutamate libéré au niveau de
leurs synapses sous-jacentes : les cellules bipolaires et horizontales.
La latence d’apparition de leur hyperpolarisation ainsi que son amplitude sont variables
en fonction °de la durée et de l’intensité de la stimulation ainsi que °de l’ambiance dans
laquelle la stimulation est délivrée.
Ces
hyperpolarisations
cellulaires
sous-tendent
directement
la
réponse
électrorétinographique (ERG) évoquée par flash (ERG flash) ou par une stimulation de
longue durée (ERG ON-OFF), enregistrée à distance des sources génératrices.
Stimulation brève d’intensité croissante délivrée en…
… ambiance scotopique
Bâtonnets : réponse unitaire
Les bâtonnets répondent à partir d’une stimulation d’intensité seuil (figure III-2-13).
Réponse graduable
Lorsque la stimulation brève (flash de quelques ms) augmente en intensité, on observe :
° une diminution du temps de latence et du temps de culmination de la réponse ;
° une amplitude de l’hyperpolarisation qui culmine à une valeur maximale puis décroît
pour reprendre sa valeur initiale de dépolarisation.
° une augmentation de l’amplitude maximale d’hyperpolarisation proportionnelle à
l’augmentation de l’intensité de la stimulation : la réponse est dite graduable.
Toutes ces réponses sont d’amplitudes constantes et reproductibles lorsqu’on répète la
stimulation.
Remarque. Le temps de latence de la réponse est supérieur à la durée de la stimulation
flash. Alors que la stimulation a déjà cessé, l’hyperpolarisation débute, passe par un
maximum, puis reprend sa valeur initiale.
Saturation
Lorsque la stimulation est intense (de niveaux lumineux photopiques) et toujours
croissante, l’amplitude maximale d’hyperpolarisation des bâtonnets garde une valeur
constante dite de saturation. Seul le temps de culmination de l’hyperpolarisation continue
à diminuer.
12
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Cessation de la stimulation : retour à l’état initial de dépolarisation
Lorsque la stimulation cesse et que son intensité est de niveau lumineux photopique, le
retour à la valeur de dépolarisation initiale n’est pas immédiat ; l’hyperpolarisation se
prolonge en plateau, pendant plusieurs centaines de ms, à une valeur cependant
inférieure à son maximum (figure III-2-13).
Variation de polarisation des bâtonnets loin du lieu de stimulation
Si la stimulation des bâtonnets est localisée, les bâtonnets situés à distance de la zone de
stimulation présentent une hyperpolarisation d’amplitude moindre.
Cet effet décrémentiel, c’est-à-dire s’atténuant progressivement en fonction de la
distance, s’explique par le couplage entre bâtonnets par des jonctions gap [Barnes,
1995].
Cet effet de propagation de l’information sur une vaste surface rétinienne sensibilise la
détection des photons en différentes zones rétiniennes. Leurs coïncidences temporelles
améliorent le rapport signal initié par les photons, sur bruit de fond émis par les
décompositions spontanées de rhodopsine. L’influx transmis aux cellules bipolaires sousjacentes s’en trouve amplifié.
En conséquence. Au cours de stimulations de zones restreintes et localisées de la rétine, il doit être gardé en
mémoire, que toute modification initiée en une zone peut modifier l’état de base de la rétine en d’autres zones.
Cônes : réponse unitaire
Les cônes répondent à partir d’une intensité seuil de niveau lumineux mésopique.
Réponse d’amplitude inconstante puis graduable
Pour des stimulations d’intensités mésopiques, pour une même valeur de stimulation,
l’amplitude d’hyperpolarisation des cônes est inconstante.
Ce n’est qu’à partir de stimulation de niveaux lumineux photopiques, que l’amplitude
d’hyperpolarisation des cônes a une valeur reproductible et graduable.
Lorsque l’intensité augmente, comme pour les bâtonnets, le temps de latence et de
culmination de la réponse diminue et l’amplitude maximale d’hyperpolarisation
augmente.
On n’observe pas de phénomène de saturation, comme pour les bâtonnets, si on reste
dans des gammes physiologiques de niveaux lumineux photopiques (inférieurs à 10 6
cd/m²).
Retour à l’état de dépolarisation initiale
Pour des stimulations lumineuses intenses et brèves, le retour à l’état initial de
dépolarisation passe par un plateau, c’est le phénomène de post-hyperpolarisation qui
peut durer 250 ms voire 700 à 800 ms (figure III-2-13).
Cet effet limite la fréquence temporelle de la stimulation si on souhaite se retrouver dans
les conditions initiales avant la stimulation suivante.
Figure III-2-14. Similaire à la figure I-2-7, elle représente la variation de l’hyperpolarisation maximale pour un
bâtonnet et un cône (valeurs normées), stimulés en ambiance scotopique (obscurité) en fonction de la
luminance visuelle croissante de la stimulation (cd.m-²).
Pour des stimulations de niveaux lumineux scotopiques et mésopiques, la réponse des bâtonnets est
reproductible et graduable. Pour des stimulations de niveaux lumineux photopiques, la réponse des bâtonnets
est constante, en mode « saturation ».
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Pour les cônes, la réponse est non reproductible pour des niveaux lumineux mésopiques ; elle est reproductible
et graduable pour des niveaux lumineux photopiques.
… ambiance photopique
Lorsque les photorécepteurs sont placés dans une ambiance photopique (c'est-à-dire une
stimulation lumineuse de longue durée), ils présentent un certain degré
d’hyperpolarisation stable.
Degré d’hyperpolarisation des photorécepteurs
Si le niveau lumineux de l’ambiance est important (supérieur à 30 cd/m²) voire très
important (supérieur à 150 cd/m²), les bâtonnets sont dans un état d’hyperpolarisation
maximale et de valeur constante (en mode saturation).
Par contre, (figure III-2-15) les cônes présentent une hyperpolarisation (flèche bleue) de
valeur inférieure à celle maximale (flèche rouge) qu’ils auraient eue s’ils avaient été
stimulés en ambiance scotopique par une stimulation brève, d’intensité égale à celle de
l’ambiance.
Régulation de l’hyperpolarisation des cônes en ambiance photopique
En effet, il existe une interaction réciproque entre cônes, entre bâtonnets et entre cônes
et bâtonnets grâce aux jonctions gap [Vaney, 1994] qui sont d’autant mieux
fonctionnelles que le niveau lumineux de l’ambiance est élevé [Wu, 1991]. De plus, il
existe un rétrocontrôle des cellules horizontales sur les cônes, qui diminue leur valeur
d’hyperpolarisation.
La rétine à cônes peut ainsi s’adapter à une large gamme de niveaux lumineux
photopiques.
Réponse des cônes à une stimulation délivrée en ambiance photopique
Les cônes peuvent répondre à une stimulation brève d’intensité supérieure à celle de
l’ambiance par un supplément d’hyperpolarisation transitoire, avec retour rapide à une
amplitude d’hyperpolarisation moindre (figure III-2-16).
Ce mode de réponse facilite la détection des changements rapides entre le niveau
lumineux de l’ambiance et celui de la stimulation.
La rétine à cônes est un détecteur différentiel de niveaux lumineux, c'est-à-dire de
contrastes.
Figure III-2-16. Ambiance photopique : Situation A : état d’hyperpolarisation stable d’un
bâtonnet (flèche bleue) et de celui d’un cône (flèche rouge) dans une ambiance
photopique. Situation B : stimulation brève, de niveau lumineux photopique supérieur à
celui de l’ambiance, délivrée dans l’ambiance photopique. L’état d’hyperpolarisation du
bâtonnet ne change pas (flèche bleue), par contre, le cône est, de façon transitoire,
davantage hyperpolarisé (flèche grise).
Conséquences pour l’exploration clinique par ERG flash
Les modes de réponses d’une part des bâtonnets et d’autres des cônes à une stimulation
brève (flash), délivrée en ambiance scotopique (obscurité) ou en ambiance photopique
(lumière) sont les bases physiologiques sur lesquelles s’appuient le protocole standard de
l’ERG flash pour dissocier la réponse du système des bâtonnets et celle du système des
cônes.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La réponse électrorétinographique (ERG) recueillie en périphérie est initiée par
l’hyperpolarisation des photorécepteurs. Elle est conditionnée par l’intensité de la
stimulation et schématiquement proportionnelle au nombre de cellules hyperpolarisées.
Elle inclut la réponse des cellules bipolaires, aux variations de polarisations des
photorécepteurs (figure III-2-17).
Ambiance scotopique
La rétine est adaptée à l’obscurité. Les photorécepteurs sont initialement dépolarisés.
Rod-response
Si une stimulation flash, de niveau lumineux scotopique, est délivrée dans cette
ambiance scotopique, seuls les bâtonnets répondent ; leur hyperpolarisation est à
l’origine de la rod-response de l’ERG flash (figure III-2-17 & figure V-3-12).
Mixed-response
Si le niveau lumineux de cette stimulation flash est photopique, les bâtonnets et les
cônes s’hyperpolarisent conjointement : les bâtonnets répondent en mode saturation et
les cônes répondent selon l’intensité de la stimulation.
L’hyperpolarisation issue des bâtonnets est plus importante que celle issue des cônes
puisque les bâtonnets sont les plus nombreux. Leur hyperpolarisation combinée est sousjacente à l’onde-a de la mixed-response de l’ERG flash (figure III-2-17 & figure V-3-13).
Figure III-2-17. La stimulation est d’intensité croissante sur 5 unités logarithmique. On observe une
augmentation de l’amplitude °d’abord de l’onde-b (liée à la dépolarisation des cellules bipolaires de bâtonnets
pour les niveaux lumineux faibles), °puis apparaît une onde-a qui est le reflet de l’hyperpolarisation des
bâtonnets, dont la participation est prépondérante et de celle des cônes. L’onde-b correspond à la
dépolarisation conjointe des cellules bipolaires ON de bâtonnets et de cônes.
Ambiance photopique
La rétine est adaptée à la lumière. L’hyperpolarisation des photorécepteurs atteint une
valeur stable au bout de dix minutes environ. Cet état d’hyperpolarisation est illustré sur
la figure III-2-16 : état A. Cette durée est à moduler en fonction du temps préalable
passé en ambiance photopique pour que l’épithélium pigmentaire soit lui aussi, dans un
état de potentiel stable.
Cone-response
Si une stimulation flash est d’intensité supérieure à celle de l’ambiance lumineuse, le
différentiel d’énergie entre l’ambiance et la stimulation peut entraîner une variation
d’hyperpolarisation uniquement des cônes.
En effet, lorsque l’ambiance lumineuse est d’un niveau supérieur à 10 cd/m², (en
pratique de l’ordre de 30 cd/m²) :
°l’hyperpolarisation des bâtonnets se fait en mode saturation, leur hyperpolarisation est
maximale : elle reste identique quelle que soit l’intensité de la stimulation délivrée (figure
III-2-16 état B)
°l’hyperpolarisation des cônes augmente de façon graduable (figure III-2-16 état A pour
l’hyperpolarisation des cônes dans l’ambiance photopique, puis figure III-2-16 état B
pour l’hyperpolarisation des cônes obtenues lors de la stimulation flash surajoutée).
Si on fait la différence entre les deux états d’hyperpolarisation A et B, on extrait, de
façon spécifique, le différentiel de réponse initié uniquement par les cônes.
15
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-18. Etats A et B représentent l’amplitude d’hyperpolarisation en ambiance photopique (A) et sous
une stimulation flash (B). En faisant la différence entre les deux états d’hyperpolarisation, il est possible
d’extraire l’excédent d’hyperpolarisation initié uniquement par les cônes, à l’origine de l’onde-a de la coneresponse (figure V-3-14).
L’onde-a de la cone-response est le reflet non seulement de l’hyperpolarisation des
cônes, mais aussi de celle des cellules bipolaires de cônes OFF. Son origine est donc
double, réceptorale et postréceptorale [Bush, Sieving, 1994], [Gouras, MacKay, 2000].
Fonctionnement des cellules du 2ième étage
Les cellules du deuxième étage rétinien sont en communication avec les photorécepteurs
grâce à la variation du taux de glutamate libéré °au niveau des synapses invaginantes,
pour les cellules horizontales et les cellules bipolaires ON et °au niveau des synapses par
contacts superficiels, pour les cellules bipolaires de cônes OFF.
Cellules horizontales
Elles ont un pôle récepteur (réception de l’information) et un pôle effecteur (transmission
de l’information). Ce dernier peut être soit des dendrites différentes des réceptrices, soit
l’axone pour les cellules HI et HII.
Pour les cellules HI, le pôle axonal fonctionne de façon pratiquement indépendante de
son pôle somatodendritique [Nelson et al., 1975] ; il est le site d’actions-rétroactions
entre bâtonnets [Kolb, Lipetz, 1991].
De l’obscurité à la lumière
A l’obscurité
A l’obscurité, les cellules horizontales sont dépolarisées. Le neurotransmetteur libéré au
niveau de leur pôle effecteur est du GABA, inhibiteur [Yang, 2004]. Les cellules
réceptrices reçoivent ainsi un signal inhibiteur qui modifie leur polarisation dans le sens
d’une hyperpolarisation.
GABA : Acide-Gamma-Amino-Butirique
A la lumière
Au cours d’un éclairement de longue durée, le taux de glutamate libéré par les
photorécepteurs sus-jacents diminue. Les cellules horizontales s’hyperpolarisent de façon
graduable, c'est-à-dire de façon sensiblement proportionnelle à l’intensité de la
stimulation, jusqu’à une valeur de saturation qui peut atteindre environ -60 mV [Dowling,
1987].
Le taux de leur neurotransmetteur libéré diminue ; il y a accumulation de GABA dans la
cellule [Thoreson, Witkovsky, 1999]. Les cellules reliées à leur pôle effecteur sont donc
progressivement moins inhibées. Leur polarisation va dans le sens d’une diminution de
l’hyperpolarisation, c'est-à-dire dans le sens d’une dépolarisation.
Champ récepteur
Rappel. Si la notion de champ dendritique d’une cellule a une base histologique
identifiable, la notion de champ récepteur d’une cellule a une base uniquement
fonctionnelle. Le champ récepteur d’une cellule correspond à toute surface de rétine qui,
lorsqu’elle est stimulée, aboutit à une modification d’activité de la cellule considérée, que
ce soit une modification de son état de polarisation ou de son rythme de décharge des
potentiels d'action.
16
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La plupart du temps, le champ récepteur d’une cellule est beaucoup plus large que son champ dendritique ;
cela signifie que le fonctionnement de cellules sus-jacentes proches ou éloignées de la cellule considérée peut
en modifier le fonctionnement.
Ce sont les propriétés du champ récepteur d’une cellule qui en détermine les
caractéristiques fonctionnelles.
La taille du champ récepteur des cellules horizontales HI est inférieure à celle des cellules
HII [Kaplan et al., 1990], plus large cependant que celle de leurs arborisations
dendritiques.
Ceci est dû à la présence de nombreuses jonctions gap entre les corps cellulaires des cellules horizontales,
entre leurs arborisations dendritiques ou entre leurs terminaisons axonales [Vaney, 1994]. La faible résistivité
électrique de ces jonctions gap autorise une propagation très rapide du changement de potentiel d’une cellule à
l’autre, à l’origine de l’extension de la taille de leur champ récepteur.
Lors d’un éclairement continu, la taille des champs récepteurs des cellules horizontales
tend à diminuer °par fermeture des jonctions gap sous le contrôle possible de la
dopamine secrétée par les cellules amacrines de la couche plexiforme interne, mais aussi
°par d’autres mécanismes complexes [Murakami et al., 1995].
Interaction entre bâtonnets, cônes et bâtonnets
Interaction bâtonnets-cônes aux niveaux lumineux mésopiques
A partir des niveaux lumineux mésopiques [Verweij et al., 1999], l’information reçue par
les bâtonnets n’emprunte pas uniquement la voie directe vers les cellules
ganglionnaires c'est-à-dire la voie °bâtonnets, cellules bipolaires de bâtonnets et cellules
AII, mais également une voie indirecte. L’information transite alors par les jonctions gap
entre cônes et bâtonnets [Krizaj, 2000] puis par les cellules bipolaires de cônes [Scholl et
al., 2001] .
Ces jonctions gap cônes-bâtonnets deviennent fonctionnelles grâce à l’augmentation des
résistivités entre bâtonnets et cellules horizontales ce qui empêche le transit des influx
issus des bâtonnets par la voie directe [Verweij, et al., 1999].
Ce mode de fonctionnement est un moyen pour étendre la gamme d’hyperpolarisation
des bâtonnets [van de Grind et al., 1996].
Interaction bâtonnets-cônes et survie des cônes
Dans les cas de rétinopathies avec dégénérescence des bâtonnets, il a été constaté que
les cônes, initialement normaux, meurent secondairement à la disparition des bâtonnets.
Les bâtonnets participent à la survie des cônes par l’intermédiaire d’apport de facteurs
trophiques [Mohand-Said et al., 2001]. Ce sont des protéines diffusibles dénommées
RdCVF (Rod-derived Cone Viability Factor). Apporter à la rétine ces facteurs trophiques
est une voie prometteuse pour ralentir la mort des cônes et donc l’évolution vers la cécité
[Sahel et al., 2005].
Interaction entre cônes L et M : cellules HI et HIII
Les pôles somatodendritiques des deux types de cellules horizontales (HI et HIII)
interconnectent des cônes L et M, mettant en relation horizontale les deux types de
cônes (figure III-1-20).
Il a été vu qu’au cours d’un éclairement de longue durée, l’hyperpolarisation des cônes
ne garde pas sa valeur maximale, mais va dans le sens d’une diminution de
l’hyperpolarisation, c'est-à-dire d’une repolarisation (figure III-2-15). Ce phénomène est
lié à l’action des cellules horizontales.
17
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
En effet, lorsque les cônes sont stimulés donc hyperpolarisés, les cellules horizontales
sous-jacentes sont à leur tour hyperpolarisées. Il y a diminution de libération de leur
neurotransmetteur inhibiteur. L’action des cellules horizontales entre cônes voisins ou
contigus est moins inhibitrice. Les cônes sont ainsi moins hyperpolarisés qu’à l’initiation
de la stimulation.
Ce mécanisme de rétrocontrôle positif entre cônes par les cellules horizontales permet le
codage d’une large gamme de niveaux lumineux croissants.
Interaction entre cônes L et M et cônes S : cellules HII
La connexion des cellules horizontales HII aux trois types de cônes (figure III-1-20 et
figure III-1-24) est à l’origine du fonctionnement spécifique des cônes S.
Le pôle somatodentritique des cellules HII est le lieu d’échange entre cônes L et M avec
transmission d’une rétroaction GABAergique –inhibitrice- sur les cônes S [Kamermans,
Spekreijse, 1995], [Blanco et al., 1996] par leur pôle somato-axonal [Piccolino, 1995].
Fonctionnement à l’obscurité
Les cônes sont tous dépolarisés. Les cellules horizontales HII reçoivent des cônes L et M
du glutamate excitateur (++) ; la valeur de leur dépolarisation est D 0 (figure III-2-19-A).
Les cellules horizontales HII transmettent aux cônes S un signal inhibiteur (--) qui
diminue l’état de dépolarisation de base des cônes S dans le sens d’une
hyperpolarisation : la valeur de la dépolarisation de base des cônes S est alors D 1. Ainsi à
l’obscurité, les cônes S sont-ils moins dépolarisés que les cônes L et M (figure III-2-19A : D1 < D0).
Fonctionnement à la lumière
Une stimulation achromatique (perçue blanche) ou de moyennes longueurs d’onde
(perçue jaune) stimule spécifiquement les cônes L et M et peu les cônes S dont la
probabilité d’absorption pour l’ensemble de ces longueurs d’onde est faible (figure III-26). Le pôle récepteur des cellules HII reçoit moins de glutamate des cônes L et M, son
pôle effecteur libère donc moins de GABA vers les cônes S.
De ce fait, les cônes S sont moins inhibés. Si la stimulation spécifique des cônes L et M
est très intense et de longue durée, les cônes S peuvent se repolariser et atteindre la
dépolarisation de base D0 (figure III-2-19-B).
Cet état de polarisation de base des cônes S à l’obscurité (D1) et à un éclairement de
composition spectrale donnée (D0), est la base physiologique de la procédure à mettre en
œuvre pour extraire la réponse électrorétinographique initiée préférentiellement par les
cônes S (S-cone ERG).
Cellules bipolaires
De l’obscurité à la lumière
°A l’obscurité, les cellules bipolaires °de bâtonnets et les cellules bipolaires °de cônes L –
M naines à l’origine de la voie P et diffuses à l’origine de la voie M et de cônes S à
l’origine de la voie K, reçoivent du glutamate de leurs photorécepteurs respectifs.
°A la lumière, les photorécepteurs s’hyperpolarisent, le taux de glutamate libéré vers les
cellules bipolaires diminue proportionnellement à l’intensité de la stimulation [Kolb,
1994].
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Bipolaires ON : réponse ON
Rappel anatomo-fonctionnel
Les cellules bipolaires ON sont en relation avec les photorécepteurs par des synapses
invaginantes au niveau soit des sphérules des bâtonnets, soit des pédicules des cônes L,
M ou S. Elles se terminent à la sous couche-b de la plexiforme interne.
Lorsque le(s) photorécepteur(s) avec le(s)quel(s) elles font directement synapse est
stimulé –c'est-à-dire s’hyperpolarise avec diminution de libération du glutamate-, les
cellules bipolaires ON se dépolarisent. Cette réponse est dite ON ; elle s’associe à une
libération de glutamate -qui est aussi leur neurotransmetteur [Tachibana, 1995], [Yang,
2004], à la sous couche-b de la couche plexiforme interne.
Cette réponse des cellules bipolaires à une diminution de taux de glutamate issu des
photorécepteurs, est due à la présence de récepteurs spécifiques au glutamate, de type
métabotropique.
Réponse ON à la lumière : récepteurs de type métabotropique
Les cellules bipolaires ON ont des récepteurs spécifiques au glutamate, métabotropiques
principalement de type mGluR6 [Gerber, 2003]. Ces récepteurs fonctionnent
schématiquement selon l’enchaînement suivant [Snellman et al., 2008](figure III-2-20).
A l’obscurité, le glutamate libéré par les photorécepteurs, (1)- se fixe sur les récepteurs
au glutamate des cellules bipolaires ON, (2)- ce qui permet l’activation d’une protéine G
membranaire, (3)- qui entraîne la séparation de sa sous unité G-GTP, qui, à son tour,
(4) active une phospho-di-estérase (PDE). Cette PDE activée, (5) ouvre le cycle du GMPc
intracellulaire à la bipolaire ON. En conséquence (6), il y a diminution de la concentration
intracellulaire du GMPc ce qui entraîne la fermeture des canaux sodium membranaires de
la cellule bipolaire ON (7). Les cellules bipolaires ON sont ainsi hyperpolarisées. Le taux
de GMPc intracellulaire est régulé par une cyclase qui permet la restauration partielle de
la concentration en GMPc, avec ré-ouverture puis nouvelle fermeture des canaux sodium
des cellules bipolaires ON.
Cette cascade est très proche de celle décrite pour les mécanismes d’hyperpolarisation
des bâtonnets. Pour leur description détaillée voir [Shiells R, Falk G, 1995].
A la lumière, les photorécepteurs sont progressivement hyperpolarisés, la concentration
de glutamate disponible dans l’espace synaptique diminue. La chaîne décrite
précédemment est désactivée ; il y a augmentation de la concentration en GMPc
intracellulaire et maintien de l’ouverture des canaux sodium. Les cellules bipolaires ON
sont ainsi dépolarisées : leur réponse est de type ON (figure III-2-21).
Remarque. Cette ouverture d’un plus grand nombre de canaux sodium à la lumière est à l’origine de
l’augmentation de l’intensité du courant sodique circulant et de l’augmentation de la dépolarisation de la cellule
bipolaire. Si la valeur seuil de dépolarisation de la cellule est atteinte, l’apparition de potentiels d’action est
concevable ; c’est ce qui a été observé au niveau de cellules bipolaires de cônes de mammifères cependant
dans des conditions d’environnements biochimiques spécifiques, soulignant ainsi le rôle important des courants
sodiques pour le fonctionnement des cellules bipolaires [Pan, Hu, 2000].
Bipolaires OFF : réponse OFF
Rappel anatomo-fonctionnel
Les cellules bipolaires OFF sont en relation uniquement avec les pédicules des cônes L et
M par des contacts superficiels. Elles se terminent à la sous couche-a de la plexiforme
interne.
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Seuls les cônes L et M font synapse avec des cellules bipolaires OFF. Ce sont soit les
cellules bipolaires naines qui reçoivent les informations provenant d'un seul type de
cônes -à la limite d'un seul cône-, L ou M, soit °les cellules bipolaires diffuses qui
recueillent les informations issues de plusieurs cônes L et M sans distinction.
Réponse OFF à la lumière : récepteurs de type ionotropique
Les cellules bipolaires OFF possèdent des récepteurs au glutamate ionotropiques
probablement de deux types différents [De Vries, 2000] qui règlent directement la
perméabilité ionique de leurs canaux sodium.
A l’obscurité, le glutamate libéré par les photorécepteurs, est abondant. Localement, un
nombre important de canaux sodium sont ouverts, la cellule bipolaire est dépolarisée.
A la lumière, le taux de glutamate libéré par les photorécepteurs diminue. Un certain
nombre de canaux sodium se ferment, les cellules bipolaires s’hyperpolarisent : leur
réponse est dite OFF.
Intérêt des bipolaires ON et OFF de cônes L et M
Le couplage des cônes L et M à ces deux types de cellules bipolaires qui présentent des
réponses opposées ON et OFF lors de la stimulation des cônes, permet le codage des
différences relatives d’éclairement sur la rétine, c'est-à-dire du contraste et de la
fréquence spatiale d’une stimulation.
Conséquences du fonctionnement des cellules du 2ième
étage
Rôle des bipolaires ON & OFF pour le codage du contraste
Le codage du contraste repose sur le fonctionnement en parallèle des voies ON et OFF
initiées par les bipolaires ON et OFF de cônes, en lien avec les cônes L et M et leurs
cellules horizontales. Il se poursuit au niveau des cellules ganglionnaires ON et OFF.
Ce fonctionnement est dit en push-pull. Il a l’avantage de coder de façon beaucoup plus
rapide les incréments et décréments de lumière répartis sur la rétine que si cette
dernière devait coder les variations absolues. Il permet l’analyse des contrastes rétiniens
et de la fréquence spatiale de la stimulation [Piccolino, 1986], [Piccolino, 1995].
Il s’agit d’un détail ou d’une ligne sur un fond de niveau lumineux opposé (blanc sur fond
noir ou noir sur fond blanc). Leur codage peut se faire selon les modalités schématiques
exposées ci-après.
Contraste positif
Prenons le cas d’un centre clair sur un fond sombre ou d’une ligne claire entourée de
lignes sombres et considérons que le cône central est éclairé et que les cônes adjacents
sont à l’obscurité (figure III-2-22, figure III-2-23 et figure III-2-24).
Figure III-2-22. Schéma fonctionnel théorique, de trois cônes L ou M supposés ne faire synapse qu’avec leur
couple de bipolaires ON et OFF. Le cône central (a) est éclairé, les cônes adjacents (b) et (c) sont à l’obscurité.
Le cône central est ainsi hyperpolarisé (--), sa bipolaire ON (a) est dépolarisée (D0), sa bipolaire OFF (a) est
hyperpolarisée (H). Les 2 cônes adjacents (b) et (c) sont dépolarisés (++). Leurs bipolaires ON (b) et (c) sont
hyperpolarisées (H) et leurs bipolaires OFF (b) et (c) sont dépolarisées (D 0).
Figure III-2-23. Or le cône central (a) est relié aux cônes adjacents (b) et (c) par les dendrites de cellules
horizontales (HI-HII-HIII). Elles reçoivent des cônes adjacents (b) et (c) qui sont à l’obscurité, un influx
excitateur (++) et transmettent au cône central éclairé (a), un influx inhibiteur (- -). Le cône central reçoit
donc un supplément d’inhibition par les cellules horizontales : il est davantage hyperpolarisé que s’il n’avait
aucun lien avec les cônes voisins. En conséquence, sa cellule bipolaire ON présente un supplément de
dépolarisation et sa bipolaire OFF présente un supplément d’hyperpolarisation (flèches rouges).
20
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
La cellule bipolaire ON signale un centre clair sur un fond sombre par un supplément de
dépolarisation qui se traduit, au niveau de la cellule ganglionnaire ON avec laquelle elle
fait synapse, par une augmentation de fréquence temporelle des potentiels d'action
(figure III-2-24).
La cellule bipolaire ON code donc un incrément de lumière -c'est-à-dire un contraste
positif.
Figure III-2-24. La cellule ganglionnaire ON reliée à la cellule bipolaire ON du cône (a) présente une
augmentation de la fréquence de ses potentiels d’action par rapport à sa fréquence temporelle de base.
De même, la cellule ganglionnaire OFF reliée directement à la cellule bipolaire OFF du cône (a) présente une
diminution de la fréquence des potentiels d’action.
Ces modifications de fréquence de potentiels d’action se transmettent respectivement le long de la voie ON et
OFF, jusqu’aux centres visuels correspondants. L’augmentation de fréquence temporelle des potentiels d’action
étant toujours plus significative qu’une diminution de fréquence, les centres nerveux sont ainsi informés de la
localisation du contraste grâce aux cellules horizontales.
Le contraste positif est ainsi codé par la voie ON.
Contraste négatif
Il se fait en miroir du précédent. Pour asseoir l’exemple, prenons maintenant le cas d’un
centre sombre sur un fond clair ou d’une ligne sombre entourée de lignes claires.
Considérons comme précédemment, le cône central (a) entourée cette fois à l’obscurité
par des cônes adjacents éclairés (b) et (c).
Figure III-2-25. Schéma fonctionnel théorique de trois cônes reliés par leurs cellules horizontales. Le cône
central (a) est à l’obscurité, il est dépolarisé. Les cônes adjacents (b) et (c) sont éclairés ; ils sont
hyperpolarisés. Ils exercent sur le cône central (a), une rétroaction excitatrice (++) par l’intermédiaire des
cellules horizontales. La bipolaire ON du cône central (a) présente un supplément d’hyperpolarisation, tandis
que sa bipolaire OFF un supplément de dépolarisation (flèches rouges).
La cellule bipolaire OFF signale un centre sombre sur un fond clair par un supplément de
dépolarisation qui se traduit, au niveau de la cellule ganglionnaire OFF avec laquelle elle
fait synapse, par une augmentation de fréquence temporelle de ses potentiels d'action
(figure III-2-26).
La cellule bipolaire OFF code donc un décrément de lumière c'est-à-dire un contraste
négatif.
Figure III-2-26. La cellule ganglionnaire OFF reliée à la cellule bipolaire OFF du cône (a) présente une
augmentation de la fréquence de ses potentiels d’action, transmise le long de la voie OFF jusqu’aux centres
visuels.
Le codage du contraste lumineux s’élabore ainsi dès le deuxième étage rétinien grâce
aux couples ON et OFF des cellules bipolaires de cônes L et M et la médiation des leurs
cellules horizontales : le contraste positif est codé par la voie ON et le contraste négatif
par la voie OFF.
Sensibilité au contraste
Son évaluation se fait par une méthode subjective. Elle évalue le constraste juste perçu
d’une mire (en ordonné le contraste est décroissant de 1 à 0) en fonction de la fréquence
spatiale de la mire (en abscisse en cycle/degrés en valeur croissante) (figure III-2-27).
Si les milieux antérieurs sont bien transparents, des modifications par rapport à la
normale peuvent suggérer des dysfonctionnements du système photopique dont le
niveau réceptoral et/ou postréceptoral sont à rechercher puisqu’ils sont le lieu
d’élaboration du contraste.
21
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Acuité visuelle : tests à contraste 1
Classiquement, c’est la capacité à distinguer des lettres de tailles variables, noires sur un
fond blanc à une distance donnée. C’est un contraste négatif. Les lettres sont choisies,
leur taille varie selon une décroissance de progression arithmétique (type optotype
« Monoyer ») ou selon une décroissance physiologique de progression géométrique (type
échelle ETDRS Early Treatment Diabetic Retinopathy Study) (figure III-2-28). La ou les
plus petites lettres « lues » permettent une évaluation de « l’acuité visuelle ».
Cette méthode repose 1- sur la perception d’un contraste négatif de valeur 1 ; 2- sur
l’évaluation de la capacité de discrimination d’une zone très restreinte de la rétine
(fovéola) ; 3- sur la compréhension du test et 4- sur la capacité du sujet à répondre.
A la lumière des mécanismes du codage du contraste présentés ci-dessus, on mesure
combien cette évaluation de l’acuité visuelle est restrictive et repose sur un codage
effectué par une infime partie de la neurorétine.
Rôle des bipolaires ON & OFF pour l’onde-b de l’ERG flash
Onde-b de la rod & mixed-response
Lorsque toute la rétine est stimulée en ambiance scotopique par un flash d’intensité
faible, les bipolaires de bâtonnets ON se dépolarisent. L’onde-b de la rod-response est le
reflet de leur dépolarisation (figure V-3-12).
Si, dans les mêmes conditions, la stimulation flash est de niveau lumineux photopique,
les bipolaires de bâtonnets et de cônes (L, M, S) ON se dépolarisent, tandis que les
bipolaires de cônes (L et M) OFF s’hyperpolarisent. L’onde-b de la mixed-response
correspond essentiellement à la dépolarisation de toutes les bipolaires ON [Hare, Ton,
2002] dont le nombre est supérieur à celui des bipolaires de cônes OFF avec une
probable rétroaction des cellules amacrines [Dong, Hare, 2002] (figure V-3-13).
La dépolarisation des cellules de Müller n’a qu’un rôle mineur dans la genèse de cette
onde-b de la mixed-response, sa contribution se limite à sa partie tardive [Robson,
Frishman, 1998], [Lei, Perlman, 1999] (figure III-2-29).
Onde-b de la cone-response
Lorsque toute la rétine est stimulée en ambiance photopique par un flash, les cellules
bipolaires de cônes ON sont dépolarisées et les cellules bipolaires de cônes OFF sont
hyperpolarisées avec des temps de latence légèrement différents [Sieving et al., 1994].
Ce fonctionnement combiné des cellules bipolaires de cônes ON et OFF sont à l’origine de
la genèse de l’onde-b du système des cônes (cone-response ) [Sieving, et al., 1994]
(figure V-3-14).
Une modification de morphologie ou d’amplitude de l’onde-b s’interprète en tenant
toujours compte du signal en amont : l’onde-a. Si l’onde-a est normale, une modification
de l’onde-b suggère un dysfonctionnement du 2ième étage rétinien. Si l’onde-a -liée à
l’hyperpolarisation des cônes et des bipolaires de cônes OFF [Bush, Sieving, 1994],
[Gouras, MacKay, 2000]- est anormale, l’anomalie de l’onde-b peut en être la
conséquence.
Onde de la flicker-response
Là aussi, à condition que la réponse de l’ensemble des cônes soit normale (onde-a), la
flicker-response représente la combinaison de la réponse des bipolaires ON et OFF
essentiellement des cônes L et M [Bush, Sieving, 1996], [Kondo, Sieving, 2001]. En
effet, les bipolaires ON des cônes S ont une cinétique beaucoup plus lente que celle des
cônes L et M ; leur participation à cette réponse est mineure.
22
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Cette combinaison est intéressante à considérer. Lorsque les deux voies ON et OFF sont
normales, le résultat est une réponse d’aspect pseudo-périodique (figure V-3-15).
Certaines pathologies rétiniennes portent sur l'atteinte spécifique d’une voie ou le
dysfonctionnement des deux. L’exemple bien connu est celui de l’héméralopie
congénitale essentielle (Congenital Stationnary Night Blindness : CSNB). La CSNB de
type I correspond à une absence de fonctionnement de la voie ON des cônes et des
bâtonnets et celle de type II à un dysfonctionnement des deux voies : voie ON des cônes
et des bâtonnets et voie OFF des cônes L et M.
La figure VII-2-46 illustre une CSNB de type I. La flicker-response semble pratiquement
normale. Elle est le reflet de la réponse normale uniquement de la voie OFF. L’absence de
réponse de la voie ON est bien visible sur les autres séquences de l’ERG flash.
La figure VII-2-44 correspond à une CSNB de type II (dite incomplète c'est-à-dire avec
dysfonctionnement des deux voies). La flicker-response est d’amplitude réduite. C’est le
résultat de la réponse déficiente combinée des deux voies ON et OFF.
En pratique, l’aspect normal de la flicker-response, associée à des ondes-b des autres
séquences modifiées, doit bien être repensée comme le résultat de ses deux
composantes…
Genèse du S-cone ERG
Pour que la réponse initiée par l’ensemble des cônes S soit enregistrable, il faut lever, au
moins partiellement, l’inhibition provenant des cônes L et M.
Procédure spécifique : indispensable fond adaptant
Pour ce faire, on stimule les cônes L et M par un fond adaptant (figure III-2-19-B). C’est
une ambiance photopique de moyennes longueurs d’onde (perçu jaune) ou achromatique
(perçue blanche) et de luminance supérieure à 500 cd/m2 si le diamètre pupillaire est de
l’ordre de 2,5 mm [Rabin, Adams, 1992]).
Les cônes L et M sont stimulés par ce fond adaptant ; ils répondent par une
hyperpolarisation. Le taux de glutamate libérés par les cônes L et M vers les cellules
horizontales, diminue (--). Les cellules HII sont donc moins dépolarisées ; elles
transmettent ainsi vers les cônes S un signal qui est moins inhibiteur (++). Il y a ainsi
levée partielle de l’inhibition des cônes L et M sur les cônes S dont l’état de dépolarisation
augmente par rapport à l’état de base (figure III-2-19-B ou III-2-30-B la valeur de leur
dépolarisation peut être D0).
Dans ces conditions, on peut utiliser une stimulation flash de courtes longueurs d’onde
(450 nm) intense -supérieure au fond adaptant- qui stimule spécifiquement les cônes S.
Leur amplitude maximale d’hyperpolarisation (H) atteint alors une valeur transitoire
suffisante pour être enregistrable ; la réponse spécifique des cônes S peut ainsi être
extraite [Zrenner, 1982] (figure III-2-30-C).
Figure III-2-31. Comparaison de la réponse de l’ensemble des cônes –cone-responseévoquée avec une stimulation achromatique sur un fond adaptant achromatique et de
celle issue des cônes S dite S-cone ERG. Elle est enregistrée selon la procédure donnée
ci-dessus.
Le S-cone ERG est une réponse bien discernable même si le nombre de cônes S est inférieur à celui des cônes L
et M. L’amplitude de l’onde-a est faible voire non discernable, celle de l’onde-b est bien discernable ; son temps
de culmination est plus tardif que celui correspondant à la réponse de l’ensemble des cônes -cone-responsecar la cinétique des cônes S est plus lente que celle des cônes L et M.
23
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Intérêt d’enregistrer la réponse spécifique des cônes S
L’enregistrement du S-cone ERG ne fait pas partie du protocole ERG de routine [Chiti et
al., 2003], [Marmor et al., 2004] ; il permet d’apporter bien des précisions sur l’état de
ces photorécepteurs. En effet, toute rétinopathie à minima ou débutante est à l’origine
d’un dysfonctionnement des cônes S d’où l’intérêt de contrôler leur fonctionnement.
Le S-cone ERG est souvent pratiqué par exemple, en cas d’hyperpression intraoculaire
[Maeda et al., 2001], d’héméralopie congénitale [Yamamoto et al., 1997], [Kamiyama et
al., 1996]. Il est utile pour le diagnostic du syndrome des cônes S majorés (Enhanced Scone syndrome). C’est une rétinopathie avec schisis maculaire due à une anomalie de la
différenciation au cours du développement des photorécepteurs. Les seules cellules
rétiniennes présentes sont de nombreux cônes S, sans cônes L ou M, ni bâtonnets
[Maubaret, Hamel, 2005], [Audo et al., 2008].
Réponse des voies ON et OFF des cônes : ERG ON-OFF
L’idée est de séparer les réponses du système photopique issues d’une part de la voie ON
et d’autre part de la voie OFF essentiellement sous la dépendance des cônes L et M.
En ambiance photopique d’intensité suffisante pour que les bâtonnets fonctionnent en
mode saturation, on délivre une stimulation en échelon, d’une durée de 150 à 200 ms,
dite de longue durée. Sa luminance doit être supérieure à 100 cd/m2 [Sustar et al.,
2006] (figure V-3-20).
A l’installation de l’échelon, les cônes s’hyperpolarisent, les cellules bipolaires de cônes
OFF également et les cellules bipolaires de cônes ON se dépolarisent. On observe donc
une réponse avec une onde-a qui est de composition identique à celle de l’onde-a de la
cone-response (où la stimulation est un flash). L’onde-b qui suit, est dite onde-b-ON ;
elle est dominée par la dépolarisation des cellules bipolaires de cônes ON. Alors que la
stimulation dure, on observe une phase de repolarisation, dite plateau dont l’origine n’est
pas précisée. A la cessation de la stimulation, les cellules bipolaires de cônes ON
s’hyperpolarisent et les cellules bipolaires de cônes OFF se dépolarisent et ce de façon
transitoire. On enregistre deux ondes dites d1 et d2 ; la première serait le reflet de la
dépolarisation des cellules bipolaires OFF [Quigley et al., 1996] mais l’origine de la
seconde est encore controversée [Ueno et al., 2006].
Malgré une étude approfondie des réponses de ces deux voies y compris dans le cadre de
divers pathologies [Sieving, 1993], l’ERG ON-OFF n’a pas encore trouvé sa pertinence
discriminative dans l’exploration des dysfonctionnements rétiniens en dehors de la
classification de la CSNB (figure VII-2-47)…
Cellules amacrines
Les cellules amacrines sont les cellules d’association entre le 2ième et le 3ième étage
rétinien. Elles présentent plus d’une vingtaine de variétés morphologiques et sont
sensiblement également réparties entre cellules glycinergiques [Wassle et al., 2009] et
GABAergiques [Yang, 2004]. Certaines cellules GABAergiques pourraient également
libérer d’autres substances actives ou neuromodulateurs comme la dopamine
[Witkovsky, Dearry, 1992]. Seules quelques unes de leurs fonctions sont présentées.
24
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
De l’obscurité à la lumière
A l’obscurité, Les cellules amacrines sont hyperpolarisées. En présence d’une stimulation
lumineuse, elles répondent schématiquement
°par une dépolarisation soutenue c'est-à-dire qui dure pendant toute la stimulation avec
des oscillations surajoutées (figure III-2-32) ou par une dépolarisation transitoire brève à
l’installation et à la disparition de la stimulation (figure III-2-32). Cette réponse est de
type ON, les cellules amacrines sont dites ON et stratifient le plus souvent à la sous
couche-b de la couche plexiforme interne.
°par une hyperpolarisation soutenue qui dure pendant toute la stimulation avec une
dépolarisation à la cessation de la stimulation. Cette réponse est de type OFF, ces
cellules amacrines stratifient le plus souvent dans la sous couche-a de la couche
plexiforme interne.
Rôle des cellules amacrines
Multiple et divers
Il est loin d’être totalement connu, mais semble multiple. Les cellules amacrines ont un
rôle trophique et de régulation dans la croissance et la différenciation rétinienne, avec un
rôle de neuromodulation qui favorise l’organisation des champs récepteurs des cellules
ganglionnaires [Masland, 2001].
Les cellules
horizontales
photopiques
transmission
dopaminergiques régulent la taille des champs récepteurs des cellules
en particulier dans des conditions de niveaux lumineux mésopiques ou
élevés en facilitant le passage ionique par les jonctions gap et ainsi, la
de l’information visuelle [Morgan, 1992].
Cellules amacrines et potentiels oscillatoires
Il a été initialement suggéré que les cellules amacrines pourraient participer à la genèse
des potentiels oscillatoires (OPs) [Karwoski C, Kawasaki K, 1991]. Elles semblent n’avoir
qu’un rôle très secondaire [Wachtmeister, 1998] même si les potentiels oscillatoires sont
modifiées par des désordres pouvant atteindre la couche plexiforme interne (troubles
vasculaires, glaucome, diabète [Speros, Price, 1981]…).
L’origine des potentiels oscillatoires est complexe [Lachapelle P, 2006].
Cellules amacrines AII : un cas particulier
[Bloomfield, Dacheux, 2001]. Ce sont les intermédiaires entre les cellules bipolaires de
bâtonnets ON et les cellules ganglionnaires naines ON et OFF. Elles participent à la voie
directe des bâtonnets vers les cellules ganglionnaires.
Réponse unitaire des cellules AII
Elles répondent par une dépolarisation transitoire qui culmine juste après le début de la
stimulation. Si la stimulation dure, la dépolarisation garde une valeur stable, inférieure à
celle initialement observée. Après cessation de la stimulation, on observe une
hyperpolarisation transitoire avec retour au potentiel de base (figure III-2-33).
Couplage entre cellules AII
Elles sont reliées entre elles par des jonctions gap dont le couplage dépend du niveau
lumineux de la stimulation [Vaney, 1997].
Si le niveau lumineux est scotopique, le couplage est faible, permettant la transmission
du signal issu d’un seul bâtonnet.
25
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Si le niveau lumineux est mésopique, le couplage entre cellules amacrines est élevé. Il
est contrôlé par le taux croissant de dopamine secrété par d’autres cellules amacrines.
L’information issue des bâtonnets se transmet aux autres cellules amacrines, ce qui
permet la détection des photons arrivant de façon synchrone sur différents bâtonnets
[Vardi, Smith, 1996].
Amacrines AII : voie ON et OFF des bâtonnets au 3ième étage rétinien
Au cours d’une stimulation de faible niveau lumineux, plus de la moitié des cellules
bipolaires de bâtonnets libèrent leur glutamate dont le taux est régulé par les cellules
amacrines A 17 [Bloomfield et al., 1997] vers les expansions réceptrices des cellules
amacrines AII. Les cellules amacrines AII sont dépolarisées. Elles transmettent leur
information aux deux sous couches de la couche plexiforme interne.
°A la sous couche-b, leurs expansions font des jonctions gap avec les cellules bipolaires
naines de cônes ON, elles-mêmes faisant synapse avec leurs cellules ganglionnaires
naines ON. La transmission de l’information est de même signe que celle reçue, c'est-àdire excitatrice.
°A la sous couche-a, leurs expansions font des synapses chimiques à côté des cellules
bipolaires naines de cônes OFF reliées aux cellules ganglionnaires naines OFF. Elles
libèrent leur neurotransmetteur, glycinergique, inhibiteur : l’information transmise est
inhibitrice.
Grâce à leur dépolarisation transitoire importante, l’information issue des bâtonnets est
transmise très rapidement aux cellules sous-jacentes et répartie sur deux voies, l’une ON
et l’autre OFF. Il s’établit ainsi une réponse en push-pull au niveau du 3ième étage rétinien
pour les influx provenant des bâtonnets.
Niveaux lumineux scotopiques
Grâce aux cellules amacrines AII et pour des niveaux lumineux faibles, le signal issu des
bâtonnets utilise le circuit laissé libre par les cônes encore non fonctionnels [Verweij, et
al., 1999].
Il y a excitation des cellules ganglionnaires naines ON lors d’un incrément de lumière
reçu par les bâtonnets et excitation des cellules ganglionnaires naines OFF lors d’un
décrément de lumière [Schiller, 1996].
Niveaux lumineux mésopiques
Lorsque le niveau lumineux est mésopique, les bâtonnets et les cônes sont fonctionnels.
L’information issue des bâtonnets est transférée aux cônes par des jonctions gap puis
aux bipolaires de cônes, au détriment de la voie directe des bâtonnets.
Niveaux lumineux photopiques
Pour des niveaux lumineux photopiques [Vaney, 1997], les bâtonnets fonctionnent en
mode saturation. On peut se demander si les informations issues des cônes et véhiculées
par la voie des bipolaires naines de cônes ON, ne vont pas être en partie, dérivées vers
les cellules amacrines AII par les jonctions gap qui, habituellement, fonctionnent de façon
réciproque…
Dans les conditions
amacrines ne sont
jonctions gap entre
fonctionnent pas de
amacrines.
de niveaux lumineux photopiques, on a remarqué que les cellules
que très faiblement dépolarisées. Ceci pourrait indiquer que les
cellules bipolaires naines de cônes ON et cellules amacrines AII ne
façon réciproque, c'est-à-dire des cellules bipolaires vers les cellules
26
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Il est probable que ces jonctions gap sont découplées par la dopamine dont le taux est
élevé dans les conditions photopiques. Les informations issues des cônes ne peuvent
ainsi pas diverger (éventuellement de façon rétrograde) vers la voie des bâtonnets…
Fonctionnement des cellules du 3ième étage
Les cellules ganglionnaires du 3ième étage rétinien sont le lieu d’apparition des potentiels
d’action. C’est un mode de réponse par impulsions, de transmission rapide jusqu’au
cortex visuel. Les variations de leurs fréquences temporelles et leurs coïncidences
temporelles sont importantes pour le codage des caractéristiques de la stimulation selon
trois voies.
Agencement en trois voies P, M et K
Voie P
Elle est formée par les cellules ganglionnaires naines ON et OFF qui font relais aux
couches parvocellulaires des corps géniculés latéraux.
Pour les niveaux lumineux scotopiques, elles reçoivent les influx provenant des bâtonnets
par leurs cellules bipolaires de bâtonnets et les cellules amacrines AII. Pour les niveaux
lumineux photopiques, elles véhiculent les influx issus séparément des cônes L ou M.
Voie M
Elle est composée par les cellules ganglionnaires parasols ON et OFF qui font relais aux
couches magnocellulaires des corps géniculés latéraux.
Pour les niveaux lumineux photopiques, elles reçoivent les influx issus conjointement des
cônes L et M, sans en faire la distinction.
Voie K
Elle reçoit les influx issus des cônes S par leurs cellules bipolaires de cônes S puis les
cellules ganglionnaires bistratifiées qui font synapse aux deux sous couches de la couche
plexiforme interne. Elles répondent sur un mode mixte ON/OFF.
Ces voies ON et OFF restent séparées jusqu’à l’aire striée du cortex visuel où les
informations convergent sur les cellules corticales. Les déphasages temporels d’arrivée
des influx sont la traduction des informations véhiculées sur le mode ON ou OFF.
Mode de fonctionnement des cellules ganglionnaires
Les potentiels d’action
Lieu d’intégration des neurotransmetteurs
Les cellules ganglionnaires sont le lieu d’intégration d’excitations et d’inhibitions résultant
des nombreux neurotransmetteurs émis au niveau de la couche plexiforme interne :
glutamate des cellules bipolaires [Boycott, Wassle, 1999] et neurotransmetteurs des
cellules amacrines, entre autres.
Réponses par potentiel d’action
Les cellules ganglionnaires répondent par l’émission de potentiels d’action. Ce mode de
réponse est bien adapté à la propagation de l’information le long des voies visuelles
jusqu’aux relais géniculés.
27
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Seules leurs fréquences temporelles varient, permettant le codage des caractéristiques
de la stimulation. Les potentiels d’action se propagent ensuite plus ou moins rapidement,
le long des voies visuelles.
Organisation des potentiels d’action
Réponses ON ou OFF
Lors de l’établissement d’une stimulation, une cellule ganglionnaire a une réponse de
type ON s’il y a augmentation de la fréquence temporelle de ses potentiels d’action -par
rapport à leur fréquence de base- et une réponse de type OFF s’il y a diminution de la
fréquence temporelle des potentiels d'action.
La corrélation anatomo-fonctionnelle a déjà été précisée.
Les cellules ganglionnaires ON dont les dendrites font directement synapse avec les
cellules sus-jacentes à la sous couche-b de la couche plexiforme interne ont bien comme
réponse, une augmentation de fréquence temporelle de leurs potentiels d’action -réponse
de type ON- à l’installation d’une stimulation lumineuse au centre de leur champ
récepteur de la cellule ganglionnaire considérée.
De même, les cellules ganglionnaires OFF dont les dendrites font directement synapse
avec les cellules sus-jacentes à la sous couche-a de la couche plexiforme interne ont
comme réponse une diminution de fréquence temporelle de leurs potentiels d’action à
l’installation d’une stimulation lumineuse au centre de leur champ récepteur.
Champ récepteur antagoniste
Pour illustrer la notion de champ récepteur antagoniste, on reprend la figure III-2-24, à
la figure III-2-34. La cellule ganglionnaire ON reçoit une information directe de son cône
sus-jacent alors qu’il est stimulé. Sa réponse est de type ON.
Cette même cellule ganglionnaire ON réagit à la stimulation des cônes adjacents ; elle
présente une réponse de type OFF (Figure III-2-35). Cette cellule ganglionnaire ON est
dite à antagonisme centre ON-périphérie OFF.
Sa partenaire, la cellule ganglionnaire OFF figurée en grisé sur les figure III-2-34 et III2-35 répond à la stimulation du centre du champ récepteur par une réponse OFF et à la
périphérie du champ récepteur par une réponse ON. Elle est dite cellule ganglionnaire
OFF, avec antagonisme centre OFF-périphérie ON.
Remarque. Il ne s’agit que d’un schéma simpliste et didactique, qui ne tient pas compte du rôle des cellules
amacrines qui sont probablement là pour renforcer ces effets [Bloomfield, et al., 1997].
Réponses toniques
Si la variation de fréquence temporelle des potentiels d'action d’une cellule ganglionnaire
-qu’elle soit de type ON ou OFF- dure pendant toute la stimulation, la réponse est dite
tonique.
Elle permet de coder la durée de la stimulation. C’est le mode de réponse des cellules
ganglionnaires naines ou bistratifiées donc de la voie P et K.
Réponses phasiques
Par contre, si la variation de fréquence temporelle des potentiels d'action ne se produit
qu’à l’installation et à la disparition de la stimulation, la réponse est dite phasique.
Ce type de réponse permet de signaler de façon rapide toutes variations de niveaux
lumineux survenant dans son champ récepteur. C’est le mode de réponse des cellules
ganglionnaires parasols donc de la voie M.
28
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Intérêt de l’organisation en champ récepteur
Pour le codage des paramètres de la stimulation
Les cellules ganglionnaires naines, parasols et bistratifiées des voies P, M et K présentent
des champs récepteurs sensiblement circulaires avec un antagonisme spatial -réponse
opposée entre la stimulation du centre et de la périphérie du champ récepteur. Il est
marqué pour les cellules ganglionnaires naines et parasols et moins net pour les cellules
ganglionnaires bistratifiées.
Seules les cellules ganglionnaires naines et bistratifiées des voies P et K présentent un
antagonisme spectral c'est-à-dire des réponses opposées, si la stimulation du centre et
de la périphérie sont de compositions spectrales différentes c'est-à-dire de « couleurs »
différentes.
Les aspects d’antagonisme spectral sont importants pour comprendre les modes de codages des différentes
longueurs d’onde qui stimulent la rétine et la « vision des couleurs » avec son antagonisme rouge-vert et bleujaune [Leid, 2008]. Les stimulations chromatiques n’étant pas utilisées en exploration fonctionnelle visuelle, cet
aspect sort du cadre de l’ouvrage et n’est pas développé [Dacey, 1999], [Dacey, 2000].
L’organisation en champ récepteur des cellules ganglionnaires permet de préciser le
codage du contraste lumineux ou spectral, du sens du mouvement de la cible ou de la
fréquence temporelle de la stimulation amorcés au 2ième étage rétinien.
Les cellules ganglionnaires naines (voie P) sont sensibles aux stimulations lumineuses stationnaires, aux hautes
fréquences spatiales achromatiques. Elles affinent l’analyse de la composition spectrale de la stimulation
(« couleur »), permettent la résolution d’un réseau chromatique ou achromatique (base de l’acuité visuelle) et
la localisation de toute frontière séparant deux plages d’un contenu spectral différent (c'est-à-dire de
« couleurs » différentes). Elles sont peu sensibles au mouvement.
Les cellules ganglionnaires parasols (voie M) sont capables de réagir aux stimulations de faibles contrastes
lumineux ainsi qu’aux variations rapides de luminance dans leurs champs récepteurs que ce soit au cours du
temps (hautes fréquences temporelles) ou de leur surface (mouvements rapides).
Pour l’exploration fonctionnelle visuelle : P-ERG
Les travaux d’Hubel et Wiesel –prix Nobel de médecine 1981- ont largement contribué à
asseoir les notions de champs récepteurs circulaires des cellules ganglionnaires, ainsi que
celles des cellules du cortex visuel chez le chat [Hubel, Wiesel, 1979]. Ces travaux ont
amplifié l’intérêt de l’utilisation de stimulations spécifiques à l’aide de « damiers
alternants noir et blanc » pour évoquer un électrorétinogramme qui fait désormais partie
du bilan clinique de routine.
Il s’agit en réalité d’un damier dont les cases « noires » et « blanches » alternent.
Les expériences menées par l’équipe de Maffei [Maffei et al., 1985] ont montré qu’il était
possible de recueillir un électrorétinogramme d’amplitude faible, mais bien discernable
lorsque ce type de stimulation est délivrée sur la rétine.
Le P-ERG est composé essentiellement d’une onde positive dite P50 et d’une onde
négative dite N95. Il est actuellement établi qu’il est le résultat des réponses des trois
étages rétiniens à la stimulation par un damier alternant dont la taille des cases présente
une bonne congruence avec celle des champs récepteurs antagonistes des cellules
ganglionnaires.
L’onde P50 reflète le fonctionnement des deux premiers étages rétiniens du système des
cônes de la zone maculaire [Holder, 1987] alors que l’onde N 95 est essentiellement liée
au fonctionnement des corps des cellules ganglionnaires situés dans cette zone
[Froehlich, Kaufman, 1993 ; Hull, Thompson, 1989]. Comme leur nombre et leur densité
sont importants en zone maculaire, le P-ERG est un test maculaire important pour
29
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
connaître le fonctionnement des corps des cellules ganglionnaires, lieu de l’élaboration
des potentiels d’action, conduits ensuite le long des voies visuelles.
Toute altération des corps des cellules ganglionnaires (donc des potentiels d’action
générés) est à l’origine de potentiels évoqués visuels anormaux. Dans ce cas, les voies
visuelles peuvent être normales et les potentiels évoqués visuels recueillis anormaux…
L’enregistrement de ce signal conjointement aux autres ERG et PEV est donc
indispensable pour l’évaluation raisonnée du fonctionnement des voies visuelles.
Les cellules de Müller
Les cellules de Müller ne font pas vraiment partie de la neurorétine, pourtant leur rôle
comme cellules gliales est majeur pour son bon fonctionnement et prometteur en
thérapeutique [Bringmann et al., 2006].
Historiquement, la responsabilité de la genèse de l’onde-b de l’ERG flash leur a été
attribué [Miller, Dowling, 1970]. Elle est effective, mais réduite à sa partie tardive
comme il a déjà été dit [Robson, Frishman, 1998], [Lei, Perlman, 1999] (figure III-2-29).
Rôle dans la structure rétinienne
Maintien de l’architecture
Au cours du développement rétinien, les cellules de Müller servent de guide à la
migration des bâtonnets en leur permettant d’effectuer leurs connexions synaptiques
appropriées [Sharma, Johnson, 2000].
Elles se comportent également comme des guides d’ondes depuis la surface rétinienne
jusqu’aux photorécepteurs, pour éviter la dispersion de la lumière [Franze et al., 2007].
Régulation des photorécepteurs
Au cours de différentes pathologies [Fischer, Reh, 2003], [Bringmann, et al., 2006] ou
après phototoxicité [Thummel et al., 2008], les cellules de Müller peuvent se
dédifférencier, entrer dans le cycle cellulaire pour produire des progéniteurs neuronaux
aptes à se différencier en cônes ou bâtonnets. La régénération des photorécepteurs
déficients devient alors possible [Bernardos et al., 2007], [Thummel, et al., 2008],
[Jadhav et al., 2009] que l’atteinte soit centrale [Fischer, 2005] ou périphérique.
Les cellules de Müller prolifèrent dans l’espace sous-rétinien après décollement rétinien,
empêchant en particulier la restauration des segments externes des cônes [Lewis, Fisher,
2000]. Après recollement rétinien, leur prolifération se fait à la surface vitréorétinienne
avec remaniement des axones des bâtonnets qui croissent en direction des couches
internes de la neurorétine [Fisher, Lewis, 2003]…
Métabolisme
pH–angiogenèse
Elles contribuent au maintien du pH par régulation des taux de dioxyde de carbone, au
contrôle de l’angiogenèse et à la régulation des flux sanguins rétiniens [Bringmann, et
al., 2006].
Glucose
Elles prennent part au métabolisme du glucose qu’elles puisent dans la circulation
sanguine, stockent sous forme de glycogène et relarguent au fur et à mesure des
besoins, les éléments nécessaires à alimenter le cycle de Krebs (pyruvate et/ou lactate)
[Reichenbach et al., 1998].
30
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Elles sont résistantes à l’absence de glucose ou à l’anoxie ce qui explique qu’elles sont
moins sensibles que les cellules de la neurorétine à l’hypoglycémie ou à l’ischémie
[Winkler et al., 2000].
Glutamate
Elles régulent le taux des neurotransmetteurs présents au niveau des synapses aux
couches plexiformes externe et interne et, en particulier, celui du glutamate [Bringmann
et al., 2009] et du GABA.
Ces neurotransmetteurs ont une grande affinité pour les cellules de Müller ; ils s’y fixent
rapidement, ce qui en limite la durée d’effet. Ils sont alors transformés en molécules
inactives et recyclés vers les zones présynaptiques.
Phagocytoses
Elles contribuent à la phagocytose des articles externes des photorécepteurs avec
l’épithélium pigmentaire et à celle d’autres cellules de la couche plexiforme externe, de la
couche plexiforme interne et des cellules ganglionnaires, lors de leurs apoptoses.
Elles assurent le maintien de la transparence du vitré par élimination des particules
étrangères y flottant.
Recyclage des pigments visuels
Les cellules de Müller participent au recyclage des photopigments des cônes comme il a
été vu ci-dessus (figure III-2-12) [Bringmann, et al., 2006], [Muniz, et al., 2007].
Courants potassiques
Le potassium est un élément important de l’excitabilité rétinienne [Kofuji et al., 2002].
Les cellules de Müller possèdent essentiellement des canaux potassium membranaires.
80% des canaux sont localisés au pied de la cellule, le reste au niveau de la couche
plexiforme externe et de la couche plexiforme interne où leur densité est
particulièrement élevée [Reichenbach, Robinson, 1995], [Reichenbach, et al., 1998].
A l'installation d’un éclairement, les photorécepteurs s'hyperpolarisent, les cellules
bipolaires ON et les cellules amacrines ON se dépolarisent. Il y a augmentation locale de
la concentration du potassium extracellulaire, au niveau des couches plexiformes externe
et interne, en regard des zones de fortes densités de canaux potassium.
L’activité enzymatique de la cellule de Müller augmente, elle pompe les ions potassium
qui entrent dans la cellule et qui sont relargués dans le vitré au niveau du pied de la
cellule.
Cette circulation d’ions potassium créée par les ions entrant -couche plexiforme externe
et couche plexiforme interne- et sortant -au pied de la cellule de Müller- se referme en
boucle par un courant potassique extra-cellulaire (Figure III-2-36).
Le courant potassique intracellulaire induit une dépolarisation de la cellule de Müller qui
peut apparaître sur la partie tardive de l’onde-b de l’électrorétinogramme flash (mixedresponse)(figure III-2-29) [Robson, Frishman, 1998], [Lei, Perlman, 1999].
Conclusion
Seuls les principaux aspects du fonctionnement de la neurorétine ont été soulignés et
largement simplifiés, dans une perspective didactique d’aide à la compréhension des
électrorétinogrammes.
31
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Depuis les photons émis et reçus par la rétine jusqu’à leur perception, toute une chaîne
de codage s’interpose. La première étape essentielle, la transduction, conditionne toutes
les autres. Que les photons n’atteignent que partiellement la rétine par troubles des
milieux antérieurs ou que les cellules visuelles ne répondent pas correctement, il s’ensuit
un déficit de cette chaîne.
Les signaux ERG enregistrés doivent toujours être analysés à la lumière de la physiologie
complexe de la neurorétine. Ils sont alors une aide au diagnostic, complémentaire de
l’imagerie qui, si elle est précieuse pour « visualiser » les structures, ne permet pas d’en
approcher leur fonctionnement.
Petit glossaire…
Il s’agit de définitions d’électrophysiologie générale, très simplifiées, comme bref mémo
pour faciliter la compréhension du texte
Barrière de potentiel
C’est la différence de potentiel qui existe de part et d’autre de la membrane plasmique
d’une cellule. Elle se mesure entre le potentiel de l’intérieur de la cellule dit V i et de
l’extérieur de la cellule dit Ve. A l’état de base –c'est-à-dire en l’absence de stimulationla barrière de potentiel de toutes les cellules nerveuses (V i-Ve) est de l’ordre de -70 à -50
mV, associé à une faible libération de leur neurotransmetteur à leur pôle axonal. Pour les
photorécepteurs, à l’état de base, la barrière de potentiel est de l’ordre de -40 mV ; cette
valeur correspond à un état de dépolarisation avec ouverture de leurs canaux sodium et
augmentation du taux de leur neurotransmetteur libéré à leur pôle « axonal ».
Canal transmembranaire
Les membranes plasmiques cellulaires sont constituées d’une bicouche lipidique
imperméable aux ions, aux neurotransmetteurs… Les échanges de ces éléments de part
et d’autre de la membrane, se font grâce à des canaux transmembranaires qui leur sont
spécifiques. Ces canaux sont le plus souvent constitués d’un ensemble de protéines,
incluses de part et d’autre de la membrane –ou protéines transmembranaires- qui
forment un canal. Les échanges se font grâce à des mécanismes d’ouverture et de
fermeture de ces canaux, sous l’influence °d’une variation de différence de potentiel,
°d’un ligand (c'est-à-dire d’un messager ou d’un neurotransmetteur) qui se fixe sur un
site récepteur ou °d’une protéine G qui déclenche une cascade qui va aboutir à des
modifications d’ouverture-fermeture de ces canaux (voir l’exemple détaillé initié par la
rhodopsine).
Chromophore
C’est une structure capable d’être modifiée après absorption de photons du spectre
visible. Le chromophore des photopigments est l’aldéhyde de la vitamine A ou le rétinal.
Il est associé à quatre protéines différentes ou opsines qui forment les quatre
photopigments des photorécepteurs.
Dépolarisation
Elle correspond à une diminution de la barrière de potentiel de la cellule considérée ;
pour les cellules nerveuses, elle est associée à un nombre des canaux sodium ouverts
statistiquement plus important que de canaux fermés et à une augmentation du taux de
libération de leur neurotransmetteur à leur pôle axonal.
Hyperpolarisation
Elle correspond à une augmentation de la barrière de potentiel de la cellule considérée ;
pour les cellules nerveuses, elle est associée à un nombre de canaux sodium fermés
statistiquement plus important que de canaux ouverts et à une diminution importante du
taux de libération de leur neurotransmetteur à leur pôle axonal.
32
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Potentiel d’action
Pour une fibre nerveuse, la stimulation peut être d’un niveau tel qu’on observe
localement une diminution de la barrière de potentiel (c'est-à-dire une dépolarisation). Il
y a initialement, une ouverture massive des canaux sodium avec entrée d’ions sodium
puis, secondairement, une ouverture des canaux potassium avec sortie d’ions potassium.
Il s’en suit des phénomènes de repolarisation. L’ensemble de ces phénomènes
correspondent à un potentiel d’action unitaire. Ce potentiel d’action unitaire initialement
local, se propage rapidement le long de la fibre nerveuse et encore plus rapidement si
cette dernière est myélinisée. Un nerf étant formé d’un ensemble de fibres nerveuses,
l’ensemble des potentiels d’action unitaires générés sur chaque fibre, forme l’influx
nerveux.
Protéine transmembranaire
C’est une protéine qui est incluse dans la membrane plasmique ; elle présente une partie
extracellulaire, une partie membranaire et une partie intracellulaire.
Récepteur ionotropique
Ces récepteurs reçoivent un ligand (c'est-à-dire un messager ou un neurotransmetteur)
qui entraîne l’ouverture de leur canal transmembranaire. On les trouve sur les cellules
bipolaires OFF. A l’obscurité, le glutamate issu des photorécepteurs se fixe sur les sites
spécifiques des canaux et provoque l’ouverture de ces canaux : la cellule bipolaire OFF
est dépolarisée. A la lumière, le taux de glutamate diminue, les récepteurs ionotropiques
ne reçoivent plus de glutamate, les canaux correspondant se ferment, les cellules
bipolaires OFF sont hyperpolarisées.
Récepteur métabotropique
Ce sont des protéines transmembranaires qui s’associent à d’autres protéines. Il se
constitue un système en cascade qui aboutit à la fermeture ou à l’ouverture de canaux .
L’exemple en est la transduction où après l’absorption de photons, une protéine G
déclenche une chaîne qui aboutit à la fermeture des canaux sodium-calcium des
photorécepteurs donc à leur hyperpolarisation. Les cellules bipolaires ON ont également
des récepteurs métabotropiques. A la lumière, l’absence de glutamate aboutit à
l’ouverture de leurs canaux sodium-calcium et donc à leur dépolarisation.
33
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figures
Figure III-2-1. Bâtonnet. Canaux ioniques sodium-calcium et mécanismes d’équilibre
ionique à l’obscurité (D’après J McIlwain. An Introduction to the biology of vision.
Cambridge Press Univ. 1996. p. 66).
Figure III-2-2. Structure spatiale schématique d’une molécule de rhodopsine (D’après
Hargrave P.A., McDowell J.H. Rhodopsin and phototransduction: a model system for Gprotein-linked receptors. FASEB J. 1992. 6: 2323-2331).
34
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-3. Structure schématique d’une molécule de rhodopsine (D’après Archer S.
Molecular biology of visual pigments. In Neurobiology and clinical aspects of the outer
retina. Ed. Djamgoz MBA, Archer S., Vallerga S. Chapman & Hall. 1995. Chap 4 p. 82).
Figure III-2-4. Structure primaire des photopigments : comparaison photopigments L et
M : 15 acides aminés différents en rouge- et rhodopsine-photopigment S : 202 acides
aminés différents en bleu (D’après J Nathans. Les mécanismes de la Vision. Pour la
Science. Belin. 1990. Chap. 4. p. 63).
35
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-5. Variation de la probabilité d’absorption des photons de niveaux lumineux
scotopiques par la rhodopsine, en fonction de leurs longueurs d’onde.
Figure III-2-6. Variation de la probabilité d’absorption des photons de niveaux lumineux
photopiques par les trois photopigments de cônes S, M et L, en fonction de leurs
longueurs d’onde.
36
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-7. Etapes schématiques d’initiation de la transduction.
Figure III-2-8. Fonctionnement de la rhodopsine à la lumière, dans le bâtonnet.
37
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-9. Désactivation de la protéine G (transducine) et de la PDE, à la lumière.
Figure III-2-10. Mécanismes d’équilibre du taux de GMPc, à la lumière.
38
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-11. Cycle visuel de la rhodpsine (D’après Muniz A et al. 2007. A novel cone
visual cycle in the cone-dominated retina. Exp Eye Res., 85 (2), 175-184).
Figure III-2-12. Cycle de régénération des photopigments des cônes, à la lumière
(D’après Muniz A et al. 2007. A novel cone visual cycle in the cone-dominated retina. Exp
Eye Res., 85 (2), 175-184).
39
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-13. Variation de l’hyperpolarisation d’un photorécepteur au cours du temps,
en ambiance scotopique après une stimulation flash d’intensité croissante (D’après
Cervetto L Piccolino M. 1982. Processing of visual signals in vertebrate photoreceptors.
Arch It Biol 1982 12: 242-70).
Figure III-2-14. Valeur normée de l’amplitude maximale d’hyperpolarisation d’un
bâtonnet et d’un cône à l’obscurité, en fonction de l’intensité croissante d’une stimulation
brève.
40
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-15. Ambiance photopique ou stimulation photopique de longue durée et
hyperpolarisation correspondante d’un cône.
Figure III-2-16. Etat de polarisation d’un bâtonnet et d’un cône en ambiance photopique
(A) et au cours d’une stimulation de niveau lumineux photopique, délivrée dans cette
ambiance photopique (B).
41
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-17. Evolution de la morphologie de l’ERG flash en fonction de l’intensité
croissante de la stimulation (D’après Rufiance M, Dumont M, Lachapelle P. Invest
Ophthalmol Vis Sci 2002, 43/7 :2491-9).
Figure III-2-18. Ambiance photopique – stimulation flash photopique : réponse initiée par
les cônes.
42
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-19. Schéma fonctionnel de la variation de polarisation des cônes S par
rétrocontrôle des cônes L et M.
Figure III-2-20. Mécanisme schématique d’hyperpolarisation des cellules bipolaires ON à
l’obscurité.
43
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-21. Mécanisme schématique de dépolarisation des cellules bipolaires ON à la
lumière.
Figure III-2-22. Schéma théorique d’un contraste positif. Etat de polarisation des cellules
bipolaires ON et OFF si les cônes étaient indépendants.
44
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-23. Schéma théorique d’un contraste positif. Etat de polarisation des cellules
bipolaires ON et OFF, les cônes étant reliés par des cellules horizontales.
Figure III-2-24. Schéma théorique d’un contraste positif par la voie ON. Etat de
polarisation des cellules bipolaires et ganglionnaires ON et OFF.
45
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-25. Schéma théorique d’un contraste négatif. Etat de polarisation des
cellules bipolaires ON et OFF.
Figure III-2-26. Schéma théorique d’un contraste négatif par la voie OFF. Etat de
polarisation des cellules bipolaires et ganglionnaires ON et OFF.
46
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-27. Courbe dite de sensibilité aux contrastes : Contraste limite entre les
fréquences spatiales perçues et non perçues.
Figure III-2-28. Optotype Monoyer -progression arithmétique : acuité visuelle évaluée en
en dizième et ETDRS -progression géométrique : acuité visuelle évaluée en log MAR.
47
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-29. Mixed-response de l’ERG flash chez 4 sujets adultes normaux. Ressaut
observable dans la partie tardive de l’onde-b : probable reflet de la dépolarisation des
cellules de Müller.
Figure III-2-30. Support physiologique de la procédure pour recueillir la réponse issue
des cônes S.
48
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-31. ERG flash : Cone-response (protocole strandard) et S-cone response
(protocole spécifique) chez un sujet normal.
Figure III-2-32. Réponses de cellules amacrines (D’après Dowling JE. The Retina. An
approchable part of the brain. The Belknap Press of Harvard University Press. Cambridge.
1987).
49
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-33. Réponse d’une cellule amacrine AII (D’après Nelson R. AII amacrine cells
quicken time course of rod signals in the cat retina. J Neurophysiol. 1982. 47/5: 928947).
Figure III-2-34. Cellule ganglionnaire ON avec champ récepteur à antagonisme centre
ON-périphérie OFF. Schéma possible de la réponse ON du centre.
50
Œil et Physiologie de la Vision – III-2
Figure III-2-35. Cellule ganglionnaire ON avec champ récepteur à antagonisme centre
ON-périphérie OFF. Schéma possible de la réponse OFF de la périphérie.
Figure III-2-36. Dépolaristion des cellules de Müller : courants potassiques entrant et
sortant (D’après Fort PE et al. 2008. Kir4.1 and AQP4 associate with Dp71-and utrophinDAPs complexes in specific and defined microdomaines of Muller retinal glial cell
membrane. Glia 56(6), 597-610. Kofuji P, et al. 2002. Kir potassium channel subunit
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Œil et Physiologie de la Vision – III-2
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