Impact des activités synaptiques endogènes sur l’excitabilité cellulaire

Le cerveau réflexif et intrinsèque

   Le cerveau génère en permanence des activités électriques qui fluctuent en amplitude et en fréquence selon les états de vigilance et les tâches mentales (Steriade, 2006 ; Harris et Thiele, 2011 ; McCormick et coll., 2015). Malgré cette intense activité cérébrale endogène, une vision « classique » du rôle fonctionnel du cerveau, initialement proposée par Sherrington (1857-1952) en 1906 (Sherrington, 1906) et encore largement partagée par de nombreux neurobiologistes, consiste à le considérer comme essentiellement « réflexif », c’est-à-dire constamment dirigé et contrôlé par l’environnement. Le cerveau est selon ce point de vue un organe qui réagit aux stimuli externes de façon quasi-automatique et stéréotypée dans le but de réaliser une tâche de façon la plus optimale dans un contexte comportemental et environnemental donné. Dès lors, l’activité cérébrale apparaît comme exclusivement déterminée par des influences extrinsèques. Une autre vision introduite par Graham Brown (1882-1965) en 1911 (Brown, 1911), s’opposant radicalement à cette conception « réflexive » du cerveau, suggère que le fonctionnement cérébral est fondamentalement « intrinsèque ». Cette théorie s’appuie sur le fait qu’un individu au repos, totalement déconnecté de son environnement, et engagé dans aucune tâche sensorielle, motrice ou cognitive particulière, présente au sein de ses réseaux neuronaux des activités synaptiques spontanées (endogènes) (Adrian et Matthew, 1934 ;Hogan et Fitzpatrick, 1987). En accord avec cette hypothèse, il a été montré que le surplus d’énergie dépensé par le cerveau lors d’une tâche sensorielle était infime comparé au budget énergétique de l’ « état quiescent » (« resting state » en anglais) (Raichle, 2010). Selon cette vision, le cerveau est capable de générer de manière intrinsèque divers patrons d’activité, notamment d’un point de vue électrophysiologique, dans lesquels les entrées sensorielles n’ont essentiellement qu’un rôle modulateur, la plupart des activités induites étant déjà présentes dans l’activité de fond (Llinás et Paré, 1991 ; Destexhe, 2011). Mais cet état quiescent n’est que théorique puisque le cerveau n’est jamais totalement déconnecté des nombreuses informations environnementales auxquelles il est continuellement confronté. Même dans des conditions extrêmes de déprivation sensorielle, le cerveau est toujours exposé à l’influence de stimuli internes, tels que l’activité faible mais continue des récepteurs sensoriels périphériques et internes (Ringach, 2009), ou encore l’activité constante et fluctuante du système cardiovasculaire (McCraty et coll., 2009). Ces deux visions extrêmes, concernant l’origine et la fonction des activités cérébrales sont cependant trop dichotomiques, voire caricaturales. Elles permettent néanmoins de dissocier conceptuellement l’activité électrique cérébrale induite par l’environnement de celle générée de manière endogène. Par ailleurs, elles opposent deux systèmes de pensée qui ne sont pas nécessairement inconciliables. En effet, de même que l’activité « spontanée » n’est jamais strictement intrinsèque au cerveau, l’effet d’une perturbation environnementale sur le cerveau dépend d’interactions spécifiques entre l’activité interne au moment de l’arrivée du stimulus et les propriétés du stimulus lui-même (Faisal et coll., 2008 ; Nordhoff, 2014). Il semble donc qu’à chaque instant, le fonctionnement cérébral soit le reflet de complexes interactions entre un « cerveau réflexif » et un « cerveau intrinsèque », intimement intriqués et dirigés vers une fonction commune.

Histoire d’une thèse : du bruit au silence

   Quels que soient l’échelle et le domaine d’étude, le « bruit » est une caractéristique intrinsèque de tout signal (Kosko, 2006). Le bruit est un processus qui fluctue au cours du temps avec une certaine distribution et dont la valeur, à un instant donné, est décrite de façon aléatoire et non prédictible (Ermentrout et coll., 2008). Il peut être caractérisé par son amplitude, c’est-à-dire l’écart type de la distribution qui le décrit, ainsi que par le spectre de fréquences spécifiques qui le compose. Souvent connoté négativement et considéré comme une nuisance, il est nécessaire de distinguer le « vrai » signal de l’activité continue appelée « bruit », dénuée de signification pertinente dans un contexte donné. Mais le bruit est bien par définition un « signal » car il est capable de transmettre une certaine information (Kosko, 2006). Cette dualité signal/bruit est donc partiellement arbitraire et dépend en définitive du cadre conceptuel et de la définition que l’expérimentateur entend donner du « vrai » signal. Dans le système nerveux, on peut identifier du bruit (ou « fluctuations spontanées ») à toutes les échelles spatiales (de la membrane neuronale à de larges territoires cérébraux), à chaque instant, et à chaque étape du processus d’intégration. Qu’il soit physiologique ou non, il participe à la variabilité des signaux étudiés (Faisal et coll., 2008). On peut distinguer à l’échelle microscopique un bruit thermique qui qualifie l’agitation moléculaire. Lors d’une stimulation visuelle par exemple, les photons qui excitent les photorécepteurs arrivent à une fréquence aléatoire (Bialek, 1987). De même, l’agitation moléculaire et la collision aléatoire des molécules sur une protéine canal peuvent induire un changement de sa conformation (White et coll., 2000 ; Faisal et coll., 2008). Le « bruit de canaux » traduit ainsi l’ouverture et la fermeture aléatoire des canaux ioniques, modulant à chaque instant la perméabilité de la membrane pour différentes espèces ioniques (White et coll., 2000). Le « bruit synaptique » présent dans chaque neurone, d’amplitude beaucoup plus grande que le bruit de canaux, représente l’activité continue des synapses connectant le neurone. Cette activité synaptique spontanée, enregistrable à l’échelle du neurone unique à l’aide d’une microélectrode intracellulaire (Brock et coll., 1952), est aussi globalement détectable à la surface du cortex cérébral. Son amplitude et sa fréquence varient considérablement, et constamment, selon les différents états de vigilance, la région cérébrale concernée et l’âge (Steriade et coll., 2001 ; Fiser et coll., 2004 ; Destexhe, 2011 ; McCormick et coll., 2015). La première caractérisation de ces fluctuations spontanées du potentiel membranaire a été réalisée par Fatt et Katz en 1950 par des enregistrements intracellulaires de fibres musculaires de grenouille (Fatt et Katz, 1950, 1952). L’apparition « spontanée et aléatoire » de ces « potentiels de plaques motrices miniatures » leur a valu l’appellation de « bruit » (Fatt et Katz 1950 ; Figure 1). Ce bruit synaptique, décrit comme spontané car n’étant pas induit par un stimulus expérimental, est une composante essentielle et ubiquitaire des activités électriques neuronales. Nous verrons plus loin qu’il affecte de façon déterminante les propriétés électrophysiologiques neuronales, le codage et le traitement des informations sensorielles ainsi que la connectivité fonctionnelle des réseaux neuronaux. Au cours de ma thèse, j’ai tenté de réconcilier le « cerveau intrinsèque » et le « cerveau réflexif ». Le but initial était de déterminer comment, dans un cerveau entier, et pourvu de canaux sensoriels, différents bruits synaptiques « endogènes » dans les neurones et circuits corticaux influençaient les propriétés d’excitabilité neuronale et le traitement des informations sensorielles exogènes. Pour aborder cette question, j’ai mis au point une nouvelle stratégie expérimentale visant à induire chez le rat différents types de bruit synaptique, à quantifier les propriétés électriques membranaires et d’intégration des neurones du néocortex correspondantes puis à comparer ces propriétés à celles mesurées dans une situation extrême, sorte de contrôle négatif, dans laquelle toute activité spontanée était supprimée. Ayant montré la persistance de l’excitabilité des neurones corticaux au cours d’un état cérébral isoélectrique durable, j’ai été incidemment amené à initier et développer avec nos collègues neurologues-réanimateurs de l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière, une étude translationnelle chez le rat et l’homme visant à caractériser l’état fonctionnel cortical dans des comas les plus extrêmes, et jusqu’à la mort cérébrale

Le rythme mu

   Le rythme mu rolandique est relié au rythme alpha postérieur en termes de fréquence et d’amplitude. Cependant, on peut observer des différences au niveau de sa topographie et de sa signification physiologique (Niedermeyer, 2005). Ce rythme mu est caractérisé par une composante négative pointue suivie d’une composante positive arrondie. Sa fréquence la plus commune est comprise dans la bande 9 – 11 Hz, légèrement plus grande que la fréquence du rythme alpha (Storm Van Leeuwen et coll., 1978). La distribution spatiale de ce rythme est principalement confinée dans la région centrale mais peut s’étendre à la région pariétale. Le rythme mu est relié à l’activité du cortex moteur ainsi qu’à celle du cortex somatosensoriel adjacent. Si pour la plupart des individus cette activité est bilatérale, la cohérence bilatérale demeure assez faible (Storm Van Leeuwen et coll., 1978). Des études de magnéto encéphalographie ont montré que ce rythme mu était souvent associé à un rythme plus rapide dans la bande bêta (20 Hz) dont la genèse supposée serait le cortex moteur (Salmelin et Hari, 1994). Le rythme mu peut être bloqué bilatéralement par les mouvements volontaires ou passifs. Cet arrêt de l’activité mu ou désynchronisation précédant le mouvement (Figure 5) débute dans la région rolandique controlatérale puis devient progressivement bilatérale juste avant le mouvement. Cette désynchronisation semble refléter une pré-activation non spécifique des neurones moteurs permettant l’amorçage de l’activité neuronale à l’origine du mouvement dans les aires motrices (Pfurtscheller et Lopes da Silva, 2005). Des études ont montré qu’au cours d’un mouvement volontaire de la main, on pouvait observer non seulement une désynchronisation controlatérale du rythme mu mais aussi une augmentation des rythmes alpha occipitaux (Pfurtscheller et Lopes da Silva, 2005). De la même façon, un mouvement volontaire de la main peut entrainer une désynchronisation au niveau de l’aire corticale motrice de la main couplée à une augmentation de la synchronie dans l’aire motrice associée au pied. Ces types de dynamiques d’activités EEG antagonistes et simultanées peuvent s’expliquer par le fait que les structures thalamiques activent, sélectivement, les aires corticales spécifiques au traitement pertinent d’une information et désactivent de façon concomitante les aires corticales non nécessaires au mouvement.

Les ondes lentes

   Le passage en stade 4 s’accompagne d’un ralentissement des oscillations sur l’EEG. Les ondes delta laissent place à des oscillations très lentes inférieures à 1 Hz de plus grandes amplitudes et associées à une synchronie spatio-temporelle à grande échelle dans tout le cortex (Sejnowski et Destexhe, 2000). Leur origine corticale a pu être démontrée en tenant compte de la persistance de leurs activités après thalamectomie (Steriade et coll., 1993b) et l’absence de ce rythme dans le thalamus d’animaux décorticalisés (Timofeev et Steriade, 1996). Ces oscillations lentes omniprésentes sur l’enregistrement EEG sont néanmoins associées à des activités à hautes fréquences dans la bande bêta/gamma. Ces brefs épisodes d’activités rapides survenant uniquement pendant la composante positive de l’onde lente ont des propriétés similaires aux oscillations rapides et soutenues de l’éveil (Steriade et coll., 1996 ; Destexhe et coll., 1999). Selon plusieurs études, ces oscillations lentes pourraient participer à la consolidation à long terme de la mémoire (Sejnowski et Destexhe, 2000 ; Marshall et coll., 2006). Plus précisément, les brèves périodes d’oscillations rapides survenant de manière alternées lors de l’onde lente permettraient de rejouer les informations perçues pendant l’éveil et de les stocker (Sejnowski et Destexhe, 2000).

Typologie morpho-fonctionnelle des neurones corticaux

   Il existe une très grande diversité de types cellulaires corticaux, décrite en détail par Ramon y Cajal en 1904 (Ramon y Cajal, 1904). Une certaine catégorisation, fondée sur différents critères morpho-fonctionnels, demeure néanmoins possible. Les cellules pyramidales des couches I à VI ainsi que les neurones épineux étoilés de la couche IV sont les cellules excitatrices du cortex ayant pour neurotransmetteur le glutamate et représentant près de 85 % de l’ensemble des neurones corticaux (Braitenberg et Schüz, 1998). La cellule pyramidale est très représentée dans le cortex. Elle est composée d’une arborisation dendritique variable en fonction des couches corticales (Larkman et Mason, 1990), de la région corticale et de l’espèce étudiée (Spruston, 2008). Les dendrites basales qui connectent directement le soma et s’étendent horizontalement essentiellement dans la même couche que le soma, reçoivent principalement les entrées excitatrices locales. Les dendrites distales sont connectées au soma par une dendrite apicale plus ou moins ramifiée et orientée perpendiculairement à la surface du cortex (Figure 14). Les neurones provenant de régions distantes connectent plutôt, généralement, ces dendrites distales (Spruston, 2008). Ces cellules excitatrices ont, en outre, la particularité de posséder de nombreuses épines tout le long de l’arborisation dendritique. Les 15 % restant sont des cellules inhibitrices dont le principal neurotransmetteur est le GABA. Ces cellules qui sont plus petites que les cellules pyramidales, ne possèdent pas ou peu d’épines dendritiques et font uniquement des connexions synaptiques locales. La diversité morphologique de ces interneurones est très grande (Markram et coll., 2004 ; Figure 14). On peut cependant les classer en trois familles en fonction des protéines spécifiques qu’ils expriment. Les cellules en panier et les cellules en chandelier représentent plus de la moitié des interneurones, elles expriment la paravalbumine et sont situées principalement dans les couches II à VI du cortex (Contreras, 2004). Les interneurones exprimant la somatostatine sont principalement les cellules de Martinotti. Elles ciblent les dendrites distales des neurones pyramidaux ainsi que d’autres interneurones inhibiteurs. Enfin les cellules exprimant le récepteur 5HT3A, qui sont les plus nombreuses dans la couche I, regroupent les cellules de type neurogliales et les neurones à peptide en double bouquet (Harris et Mrsic-Flogel, 2013). D’un point de vue électrophysiologique, on peut distinguer quatre à cinq types cellulaires corticaux différents en fonction du patron temporel de décharge du neurone en réponse à une injection de courant (Figure 14). La plupart des neurones ont une décharge régulière (Regular Spiking, RS). Ils génèrent un train régulier de PA avec cependant une adaptation variable, c’est-à-dire une diminution plus ou moins progressive de la fréquence de décharge au cours du temps (Connors et Gutnick, 1990 ; Contreras, 2004). Les neurones à décharge en bouffée de PA (Intrinsic Bursting, IB), génèrent des bouffées de 3 à 5 PA à environ 200 Hz avec une réduction progressive de l’amplitude du PA dû à l’inactivation de canaux sodiques. A la suite d’une dépolarisation soutenue, ces bouffées surviennent rythmiquement à la fréquence de 5 à 15 Hz. Les neurones à décharge en bouffées rythmiques rapides (Fast rhythmic bursting, FRB) génèrent des bouffées de PA à hautes fréquences (200 à 600 Hz). Ces neurones possèdent une hyperpolarisation suivant le PA (after-hyperpolarisation, AHP) distinguable mais de faible amplitude et suivie par une dépolarisation responsable du PA suivant. Les bouffées se répètent à une fréquence comprise entre 20 à 80 Hz (Contreras, 2004). Les neurones à décharges rapides (Fast Spiking, FS) génèrent des potentiels d’action à hautes fréquences pouvant aller jusqu’à 800 Hz sans adaptation apparente (Connors et Gutnick, 1990). L’AHP est prononcée et rapide, ce qui se traduit par un PA de très courte durée (environ 0.5 ms). Enfin les neurones générant des potentiels d’action à bas seuil (Low Threshold Spike, LTS) génèrent de petites bouffées de potentiels d’action dues à l’activation du courant IT, ils sont donc générés uniquement par l’hyperpolarisation (Contreras, 2004). Les patrons de type RS, IB et FRB sont généralement associés à l’activité des cellules excitatrices. Cependant, des interneurones de type cellule en panier peuvent aussi avoir une décharge de type RS ou FRB (Markram et coll., 2004). Les neurones de type FS et LTS sont principalement des interneurones GABAergiques (Connors et Gutnick, 1990 ; Markram et coll., 2004). L’intégration synaptique ainsi que le patron de décharge spécifique de chaque neurone dépend du répertoire de canaux ioniques spécifique à chaque neurone (Llinás, 1988). Les enregistrements intracellulaires réalisés sur des tranches de cerveau ont permis de caractériser une multitude de canaux, dépendant du voltage et/ou d’ions spécifiques, dans la membrane des neurones corticaux et qui contrôle l’excitabilité des neurones.

Les fonctions de transfert

   Le bruit synaptique, en modulant les propriétés passives du neurone à chaque instant, permet de contrôler dynamiquement la genèse de PA, c’est-à-dire la sortie de l’information. De cette façon, l’activité spontanée du réseau contrôle, à chaque instant la connectivité fonctionnelle entre les différents sous-réseaux neuronaux (Haider et McCormick, 2009). La façon dont le neurone intègre des entrées synaptiques et les transforme en décharge de PA peut être analysée en mesurant la relation entrée-sortie ou fonction de transfert du neurone. Cette fonction caractérise la relation entre, d’une part, l’entrée d’information arrivant au neurone, caractérisée par l’intensité d’un évènement synaptique ou par le nombre d’entrées synaptiques coïncidentes sur le neurone, et, d’autre part, la sortie d’information, définie en termes de probabilité de décharge du neurone ou de fréquence de décharge (Azouz, 2005 ; Silver, 2010). Par extension, on peut associer l’entrée à un courant ou à une conductance directement injectée dans le neurone, et la sortie à la fréquence de décharge du neurone (courbe F-I). La fonction de transfert est représentée graphiquement par une courbe sigmoïdale dont la portion intermédiaire est linéaire. Le neurone peut moduler de façon rapide (de l’ordre de la milliseconde) sa fonction de transfert selon différentes opérations (Figure 17A). On parle d’opérations additives lorsque seule la sensibilité du neurone est modulée : celles-ci correspondent à un décalage de la courbe le long de l’axe des abscisses. Ce type d’opération linéaire altère le nombre d’entrées requises pour atteindre le seuil de PA ou encore la fenêtre de corrélation nécessaire durant laquelle le neurone peut générer un PA. Une opération multiplicative consiste en une modulation du gain de la fonction de transfert. Le gain de la fonction de transfert définit la valeur de la variation de sortie en réponse à une variation d’entrée. Une modulation du gain est donc une opération non linéaire se traduisant par une modification de la pente de la relation entrée-sortie. En d’autres termes, cette opération consiste en un ré-échelonnage des réponses neuronales pour des entrées de différentes intensités (Haider et McCormick, 2009 ; Mahon et Charpier, 2012). La modulation du gain permet de varier l’amplification d’un signal. Dans un réseau connecté synaptiquement, la capacité de modifier la fonction de transfert neuronale est essentielle car elle permet de contrôler la connectivité fonctionnelle de différents sous-réseaux impliqués dans différentes tâches computationnelles (Abbott et Chance, 2005 ; Silver, 2010).

Table des matières

1 INTRODUCTION
1-1 INTRODUCTION GENERALE ET PRESENTATION DE LA THESE
1-1.1 Le cerveau réflexif et intrinsèque
1-1.2 Histoire d’une thèse : du bruit au silence
1-2 ETAT CEREBRAL ET ACTIVITE SYNAPTIQUE
1-2.1 EEG et états de vigilance : de l’éveil actif au coma isoélectrique
a) L’activité électroencéphalographique et le modèle du dipôle
b) Les rythmes de l’éveil et du sommeil paradoxal
Le rythme alpha
Le rythme mu
Les activités bêta/gamma
Le rythme thêta
Le sommeil paradoxal
c) Les oscillations du sommeil
Les fuseaux de sommeil
Les ondes delta
Les ondes lentes
d) Les activités cérébrales induites par les anesthésiques
e) Les comas
1-2.2 Corrélats intracellulaires des rythmes cérébraux : Le « bruit synaptique » néocortical
a) Origine du bruit synaptique
b) Etat de « haute conductance »
c) Oscillations et fluctuations bimodales
d) Anesthésie et bruit synaptique
e) Rôle de la neuromodulation
1-3 IMPACT DU BRUIT SYNAPTIQUE SUR L’EXCITABILITE CELLULAIRE ET LES REPONSES NEURONALES
1-3.1 Typologie morpho-fonctionnelle des neurones corticaux
1-3.2 Les propriétés électriques « passives »
1-3.3 Les fonctions de transfert
1-3.4 Temporalité et fiabilité neuronales
a) Variabilité de décharge
b) Mode d’intégration neuronale
c) Précision temporelle
1-3.5 Impact sur les réponses sensorielles
1-3.6 Critiques et limites des approches in vitro et in vivo
1-4 LE CORTEX A TONNEAUX COMME MODELE D’ETUDE
1-4.1 Le système des vibrisses : rôle fonctionnel
1-4.2 De la vibrisse au noyau trigéminal
1-4.3 Le thalamus somatosensoriel
1-4.4 Intégration dans les réseaux corticaux
1-4.5 Le bruit synaptique dans le cortex à tonneaux
1-4.6 Les sorties du cortex à tonneaux
1-5 BUTS SPECIFIQUES DE LA THESE ET NOUVELLE STRATEGIE EXPERIMENTALE
2 MATERIEL ET METHODES
2-1 PREPARATION DES ANIMAUX ET CHIRURGIE
2-2 METHODES D’ENREGISTREMENTS ET DE STIMULATIONS CHEZ L’ANIMAL 
2-2.1 Enregistrements ECoG
2-2.2 Enregistrements intracellulaires
2-2.3 Injection des neurones et coloration immunohistochimique
2-2.4 Quantification de l’excitabilité membranaire
2-2.5 Evaluation de la fonction de transfert neuronale : Relation F-I
2-2.6 Propriétés temporelles des réponses et « fiabilité » neuronale
2-2.7 Stimulations sensorielles chez le rat et analyse des réponses évoquées
2-3 ENREGISTREMENTS ET STIMULATIONS SENSORIELLES CHEZ L’HOMME
3 ARTICLES ET RESULTATS EXPERIMENTAUX
3-1 ARTICLE 1 : INDUCTION OF AN ISOELECTRIC BRAIN STATE TO INVESTIGATE THE IMPACT OF ENDOGENOUS SYNAPTIC ACTIVITY ON NEURONAL EXCITABILITY IN VIVO
3-2 ARTICLE 2 : EXCITABILITY AND RESPONSIVENESS OF RAT BARREL CORTEX NEURONS IN THE PRESENCE AND ABSENCE OF SPONTANEOUS SYNAPTIC ACTIVITY IN VIVO
3-2.1 Rappels sur le contexte de la recherche
3-2.2 Principaux résultats
3-3 ARTICLE 3 : SENSORY-EVOKED CORTICAL RESPONSES IN HUMAN AND RAT DURING PERSISTENT ISOELECTRIC BRAIN STATE: AN EEG AND INTRACELLULAR INVESTIGATION 
3-3.1 Rappel sur le contexte de la recherche
4 CONCLUSION ET DISCUSSION
4-1 DESCRIPTION SYNTHETIQUE DE L’ETUDE ET RESUME DES PRINCIPAUX RESULTATS
4-2 DE NOUVELLES DONNEES SUR LE ROLE FONCTIONNEL DU BRUIT SYNAPTIQUE DANS LE NEOCORTEX
4-2.1 Induction des activités de types « éveil » et « sommeil » : limites et pertinence
4-2.2 Impact différentiel des différents bruits synaptiques sur les neurones corticaux
4-2.3 Conséquences sur le traitement des informations sensorielles
4-2.4 Implications sur le système des vibrisses :du neurone au comportement
4-3 POTENTIALITES DU CERVEAU SANS POTENTIEL
4-3.1 Mécanismes d’induction de l’état isoélectrique
4-3.2 Isoélectrique mais activable
4-3.3 Vers une réévaluation neurophysiologique du coma  neuroprotecteur et de la mort encéphalique ?
5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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