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LES BASES NEURONALES DE LA MÉMOIRE OU COMMENT LES NEURONES STOCKENT-ILS NOS SOUVENIRS ? Jean-Bernard MANENT Institut de Neurobiologie de la Méditerranée, INMED/INSERM U29 163, Route de Luminy, BP13 13273 Marseille cedex 09

EVOLUTION DES CONCEPTS LES PRÉCURSEURS Dès l’époque grecque, le désir de comprendre les mécanismes de la mémoire passionnait déjà savants et philosophes, et certains d’entre eux avaient avancé l’hypothèse de l’existence d’une relation entre la création d’un souvenir et un réarrangement du cerveau. Sans s’en douter, ils avaient donné les bases du postulat central des Neurosciences modernes, le concept de plasticité, selon lequel la mémorisation est associée à des modifications structurales du système nerveux. Il fallut pourtant attendre des siècles pour que le concept de plasticité soit énoncé. Eugenio Tanzi (1893) fut le premier à proposer certaines des bases de ce concept, sans toutefois utiliser le terme de plasticité. Il proposa que « l’activation répétée d’un neurone conduit à des modifications métaboliques provoquant le mouvement des prolongements de ce neurone en direction d’autres neurones, de façon à former un lien ». Mais c’est grâce aux théories énoncées par Cajal et Sherrington que l’histoire moderne de l’association entre plasticité et mémoire débute réellement. S a n t i a g o Ramon y Cajal (Nobel 1906, figure 1), qui a profité de la découverte par Camillo Golgi (1873, Nobel 1906) de la reazione nera, une coloration au nitrate d’argent permettant la visualisation des cellules nerveuses, fournit les supports anatomiques à l’élaboration de la théorie neuronale par Waldeyer. Avant les travaux de Cajal, le Système Nerveux était considéré comme un réseau continu de "nerfs", formé par les branches anastomosées des prolongements des cellules nerveuses : c’était la vision "réticulariste". La vision "neuroniste" ou "théorie neuronale" introduite par Heinrich Wilhelm Gottfried Waldeyer (1891) est centrée sur la cellule nerveuse, qu’il baptise "neurone". Dans sa publication (1891) Waldeyer propose que « le système nerveux est constitué d’innombrables unités nerveuses (les neurones), qui sont anatomiquement et génétiquement indépendantes les unes des autres. Chaque unité nerveuse est composée de trois parties : un corps, une fibre et des branches terminales. » En 1894, Cajal introduit une théorie concernant le stockage de la mémoire, selon laquelle l’information serait stockée grâce à des modifications Figure 1. Santiago Ramón y Cajal dans son anatomiques des connexions entre les cellules laboratoire. Photo Institut Cajal, Madrid nerveuses. Selon lui, « l’exercice mental n’est pas capable d’améliorer l’organisation cérébrale en augmentant le nombre de cellules, mais plutôt en favorisant le développement de l’appareil dendritique et du système de collatérales axonales dans les régions cérébrales les plus utilisées. En ce sens, les associations déjà établies parmi certains groupes de cellules seraient significativement renforcées par la multiplication des petites branches terminales de


l’arborisation dendritique et des collatérales axonales ; mais, de plus, des connexions intercellulaires totalement nouvelles pourraient être établies, grâce à la formation de nouvelles collatérales axonales et de nouvelles dendrites. » Les bases morphologiques du concept de plasticité sont ainsi établies. En 1897, Sir Charles Scott Sherrington (Nobel 1932) introduit le concept de synapse, comme « les points de contact entre les cellules nerveuses, où une cellule nerveuse agit sur une autre ». Les bases de la communication entre les neurones sont ainsi posées, mais les théories révolutionnaires énoncées par ces auteurs furent pratiquement ignorées au cours des soixante années qui suivirent leurs publications, et ne commencèrent à être revisitées qu’à la fin des années 1940 et au début des années 1950.

EVOLUTION DES CONCEPTS LES AVANCÉES TECHNIQUES A cette période, les techniques électrophysiologiques d’enregistrements intracellulaires apparaissent, permettant une analyse des propriétés synaptiques des neurones. De plus, l’identification et l’analyse fine de l’ultrastructure synaptique est permise grâce aux progrès de la microscopie électronique, technique mise au point par Max Knoll et Ernst Ruska (1932, Nobel 1986). L’existence anatomique et fonctionnelle des synapses est ainsi démontrée. Quelques auteurs entre-temps affinent les bases de ces théories. Parmi eux, Donald Hebb (1949) introduit une théorie, qui sera dénommée par la suite « loi de Hebb » (figure 2). Selon celle-ci, la force de la connexion (synaptique) présente entre deux neurones est augmentée durablement lorsque la décharge du neurone pré-synaptique (en amont de la synapse) est fortement corrélée temporellement à celle du neurone post-synaptique (en aval de la synapse). En d’autres termes, la force de la synapse existant entre deux neurones se trouve renforcée si ces neurones sont simultanément actifs : on parle de renforcement synaptique. Ce renforcement synaptique peut être positif, augmentant ainsi la force de la connexion, on parle alors de facilitation de la transmission synaptique (ou potentialisation). Au contraire, si ce renforcement est négatif, on parle alors d’inhibition synaptique (ou dépression). Ces deux termes, potentialisation ou dépression, entrent dans le cadre large de la plasticité synaptique. La loi de Hebb introduit également le concept d’une modification structurale ou métabolique, que certains auteurs qualifient de "composant de Hebb".

Figure 2. La loi de Hebb. "When an axon of cell A is near enough to excite B and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or both cells such that A's efficiency, as one of the cells firing B, is increased" Hebb, D. O. The Organization of Behavior: a Neuropsychological Theory (Wiley, New York, 1949).


A la même période, Jerzy Konorski (1948) propose que la plasticité synaptique, induite par l’association de stimuli répétés, peut être liée à la transformation de connexions synaptiques potentielles en connexions synaptiques fonctionnelles, à la suite de modifications morphologiques. Aujourd’hui, la théorie de Hebb-Konorski, comme base du lien entre mémoire et plasticité synaptique, est largement acceptée par la communauté scientifique. Avant d’être acceptées, ces théories ont néanmoins dû être validées au plan expérimental.

EVOLUTION DES CONCEPTS LES BASES EXPÉRIMENTALES Le réflexe de rétraction branchiale chez l’Aplysie. Le mollusque marin Aplysia Californica, est un modèle de choix pour l’étude de la plasticité synaptique. Les neurones du système nerveux central de cet animal sont peu nombreux, de grande taille, aisément identifiables au plan morphologique et sont situés à des emplacements invariants. L’équipe d’Eric Kandel (1973, 1978, Nobel 2000) a particulièrement étudié l’un des réflexes moteurs de cette limace de mer, le réflexe de rétraction branchiale, qui lui permet de rétracter son organe respiratoire ou branchies, à la suite de la stimulation de la peau qui recouvre le siphon de l’organe, le manteau (figure 3). L’aplysie présente deux formes simplifiées d’apprentissage, qualifiées d’habituation et de sensibilisation.

Figure 3. Habituation et sensibilisation du réflexe de rétraction branchiale chez l’Aplysie. L’application successive de stimuli non douloureux au niveau du manteau provoque une diminution de l’amplitude du réflexe de rétraction branchiale : c’est l’habituation. Après habituation, une forte stimulation de la queue provoque une très forte augmentation de l’amplitude du réflexe : c’est la dés-habituation. Par la suite, une stimulation non douloureuse du manteau provoque une réponse exacerbée : il y a eu sensibilisation.

Lorsqu’on applique régulièrement des stimuli non douloureux au niveau du manteau, l’amplitude du réflexe de rétraction branchiale de l’animal diminue progressivement : c’est l’habituation. L’animal apprend à ne plus répondre à ces stimuli devenus


insignifiants, sa réponse est devenue habituée. Après cette période d’habituation, l’application d’une forte stimulation au niveau de la queue de l’animal augmente fortement l’amplitude du réflexe de rétraction branchiale : cette réponse exacerbée est une réponse sensibilisée, il y a eu dés-habituation (figure 3). L’animal présente alors une forme de crainte apprise : après avoir appris à ne plus se soucier de stimuli anodins, l’application de ce stimulus douloureux lui fait répondre par la suite de façon exagérée à d’autres stimuli anodins. Cette mémoire d’une expérience douloureuse persiste si elle est renouvelée : la crainte de l’expérience douloureuse et sa mémoire associée sont renforcées par la répétition. Une seule expérience douloureuse donnera une mémoire qui durera quelques minutes, mais plusieurs expériences douloureuses espacées dans le temps donneront naissance à des mémoires plus durables, persistant jusqu’à plusieurs jours. Les mécanismes de ce comportement d’apprentissage ont été disséqués au plan cellulaire. Les neurones impliqués ont été identifiés précisément. Ils sont situés au niveau du ganglion abdominal et sont organisés en un réseau composé de vingtquatre neurones sensoriels mécano-sensibles qui innervent la peau du siphon et établissent des connexions monosynaptiques avec six neurones moteurs contrôlant les muscles des branchies. Les neurones sensoriels établissent aussi des connexions indirectes avec les neurones moteurs par l’intermédiaire d’un petit groupe d’interneurones modulateurs (figure 4).

Figure 4. Habituation et sensibilisation du réflexe de rétraction branchiale chez l’Aplysie, réseau neuronal simplifié. Lors d’une stimulation douloureuse de la queue, le neurone sensoriel (NS1) active un interneurone modulateur (MOD). L’interneurone modulateur libère de la sérotonine, qui va activer des récepteurs spécifiques portés par le neurone sensoriel (NS2). La sérotonine a 2 effets au niveau du neurone sensoriel NS2 : 1) à court terme, elle va modifier son excitabilité et augmenter la quantité de neurotransmetteurs (NT) qu’il peut libérer : la synapse existant entre NS1 et le neurone moteur (NM) est renforcée. La contraction des muscles des branchies sera donc plus intense. 2) à long terme, elle va modifier l’expression des gènes et permettre la création de nouvelles connexions nerveuses.

Le neurotransmetteur sérotonine est l’acteur clé du système : il active des récepteurs spécifiques et une cascade de signalisation intracellulaire, qui va rendre les neurones sensoriels plus excitables et capables de répondre de façon prolongée. C’est la sérotonine libérée par les interneurones modulateurs qui, agissant au niveau des récepteurs spécifiques portés par les neurones sensoriels, va moduler leur excitabilité et la quantité de neurotransmetteurs qu’ils vont libérer. La synapse existant entre les neurones sensoriels et les neurones moteurs contrôlant les muscles des branchies va ainsi être renforcée : on parle de facilitation synaptique. Les neurones sensoriels répondront plus facilement et avec une amplitude plus élevée lors d’un stimulus douloureux et activeront de façon intense les neurones moteurs. La contraction des muscles des branchies, qui sont commandés par les neurones moteurs, sera donc plus intense. Ces mécanismes sont responsables de la mémoire à court terme. A plus long terme, il va y avoir modification de l’expression des gènes au sein des neurones sensoriels et création de nouvelles connexions nerveuses entre les neurones


sensoriels et les neurones moteurs, permettant une facilitation durable de la transmission de l’information. Les données obtenues grâce à l’étude de cet apprentissage simple ont permis d’affiner la compréhension et la conceptualisation des mécanismes de mémorisation. Ces stratégies de stockage des informations impliquent à court terme un renforcement synaptique et à plus long terme une modification de l’expression des gènes et la création de nouvelles connexions. Des mécanismes similaires conservés au cours de l’Evolution pourraient être impliqués dans la mémorisation chez les vertébrés supérieurs et chez l’Homme.

La potentialisation à long terme chez les vertébrés Chez les mammifères et chez l’Homme, l’hippocampe est considéré comme l’une des structures cérébrales indispensables à la mémorisation. L’importance de cette structure a été soulignée par l’étude clinique de patients ayant subi des lésions des lobes temporaux cérébraux. Le patient H. M., décrit par William Scoville et Brenda Milner (1957), avait subi une ablation bi-latérale des hippocampes dans le but de soigner une épilepsie sévère du lobe temporal. Cette opération, qui l’avait guéri de son épilepsie, avait provoqué un déficit de mémorisation très important : perte totale des souvenirs récents et incapacité d’en stocker de nouveaux. Depuis cette étude, l’hippocampe est identifié comme une structure cérébrale indispensable à la mémorisation (et les résections de l’hippocampe dans la chirurgie de l’épilepsie sont uniquement uni-latérales).

Figure 5. La potentialisation à long terme au niveau de l’hippocampe a) Coupe d’hippocampe chez le rat : Les voies de communication sont représentées en vert (comm : voie commissurale, Sch : collatérales de Schaffer, pp : voie perforante, mf : fibres moussues), les régions de l’hippocampe sont identifiées (CA1, CA2, CA3, DG). Les électrodes d’enregistrement permettent de mesurer l’activité unitaire d’un neurone ou d’un groupe de neurones. L’électrode de stimulation est placée au niveau des collatérales de Schaffer. Ici, le neurone pré-synaptique est situé au niveau de la couche pyramidale de la région CA3. Le neurone postsynaptique est situé au niveau de la couche pyramidale de la région CA1. Ils communiquent par l’intermédiaire des collatérales de Schaffer. b) Protocole de LTP : La stimulation unitaire (1 seul potentiel d’action, PA) du neurone pré-synaptique (Stim. neurone Pre) provoque une réponse au niveau du neurone post-synaptique (Enregistr. neurone Post) : c’est la réponse initiale. La stimulation par trains de PA du neurone Pre active la synapse entre les neurones Pre et Post. Après les trains de PA, la stimulation unitaire du neurone Pre provoque une réponse potentialisée au niveau du neurone Post : c’est la réponse potentialisée, il y a eu LTP. (d’après C. Hammond, Academic Press)

La potentialisation à long terme (LTP) est le mécanisme candidat expliquant la mémorisation. Il s’agit d’un renforcement synaptique de longue durée, déclenché par des stimulations synaptiques de nature particulière. Cette LTP a été étudiée au niveau de la région CA1 de l’hippocampe par Timothy Bliss et Terje Lomo (1973). Ces auteurs ont démontré que les synapses de l’hippocampe avaient des propriétés de plasticité remarquables, qui pourraient être du type de celles requises pour le stockage des informations en mémoire. En particulier, une stimulation par train de potentiels d’action au sein d’une des trois voies de communication nerveuse dans l’hippocampe produit une LTP : un renforcement synaptique de longue durée dans la voie activée (figure 5),


qui persiste pendant des heures (chez l’animal anesthésié), des jours et mêmes des semaines (chez l’animal éveillé). Cette LTP possède des propriétés compatibles avec le stockage de la mémoire : 1) elle se produit dans les trois voies de communication de l’hippocampe (voie perforante, fibres moussues et collatérales de Schaffer, figure 5) ; 2) elle est induite rapidement (elle peut être induite par un seul train de potentiels d’action) ; 3) une fois induite, elle s’installe durablement pendant plusieurs heures et jours selon le nombre et la nature des stimulations qui l’ont induite.

Figure 6. La potentialisation à long terme, les récepteurs pour le glutamate. Au potentiel de repos du neurone post-synaptique (POST), le canal ionique du récepteur NMDA (NMDAR) est obstrué par des ions magnésium (Mg_+). Le glutamate libéré par le neurone pré-synaptique (PRE) ne peut activer que les récepteurs AMPA (AMPAR). Lorsque le glutamate se fixe sur les récepteurs AMPA, ils s’ouvrent et laissent entrer du sodium (Na+). Le sodium va avoir tendance à dépolariser le neurone post-synaptique. Si l’activation des récepteurs AMPA est soutenue, la dépolarisation est importante et permet la levée du blocage du canal du récepteur NMDA. Des ions calcium (Ca_+) peuvent alors passer à travers le canal NMDA, provoquant une augmentation des concentrations de calcium dans le neurone post-synaptique. L’entrée de calcium est le signal qui va déclencher la LTP. (d’après Malenka & Nicoll, Science 1999)

Figure 7. La potentialisation à long terme, le rôle du calcium. Le calcium entrant dans le neurone post-synaptique par les récepteurs NMDA va activer des cascades de signalisation intracellulaire : 1) à court terme, ces cascades conduisent à la modification de l’efficacité des récepteurs AMPA : ils laisseront passer plus de sodium, pendant plus longtemps. 2) à long terme, ces cascades vont conduire à la modification de l’expression des gènes : de nouveaux récepteurs AMPA sont exprimés par le neurone post-synaptique et de nouvelles synapses sont créées. (d’après Malenka & Nicoll, Science 1999)

Les mécanismes de la LTP ont été disséqués au plan cellulaire (figure 6). Le glutamate libéré par le neurone pré-synaptique est le neurotransmetteur clé impliqué. Il peut se fixer sur 2 types de récepteurs spécifiques au niveau du neurone postsynaptique : des récepteurs de type AMPA et des récepteurs de type NMDA. Le récepteur AMPA est couplé à un canal pour les ions sodium : lorsque le glutamate se fixe sur le récepteur, le canal s’ouvre et laisse entrer du sodium dans le neurone postsynaptique. Cette entrée de sodium provoque la modification du potentiel de repos du neurone postsynaptique : il devient plus dépolarisé, donc plus proche du seuil de déclenchement d’un potentiel d’action. Si ce seuil est atteint, le neurone post-synaptique émettra un potentiel d’action. Le récepteur NMDA est couplé à un canal pour les ions calcium principalement. Ce canal est cependant obstrué par des ions magnésium au potentiel de repos du neurone post-synaptique : même si le glutamate se fixe sur le récepteur, il n’y aura pas d’entrée de calcium. Pour que le blocage soit levé, il faut que le neurone postsynaptique soit dépolarisé. C’est ce qui se produit lors de l’activation soutenue des récepteurs AMPA par


un train de potentiels d’action. La dépolarisation produite par l’entrée massive d’ion sodium à travers les récepteurs AMPA provoque la levée du blocage des récepteurs NMDA et l’entrée de calcium à travers ceux-ci. Cette entrée de calcium au sein du neurone post-synaptique va déclencher les mécanismes de la LTP (figure7). Le calcium va activer une cascade de signalisation intracellulaire, qui va à court terme augmenter l’efficacité des récepteurs AMPA (ils laisseront entrer le sodium plus longtemps, provoquant une dépolarisation plus intense du neurone post-synaptique), et à long terme modifier l’expression des gènes de façon à augmenter le nombre de récepteurs AMPA présents au niveau du neurone post-synaptique (ce qui va augmenter l’efficacité de la transmission synaptique). Cette forme de LTP est présente au sein de toutes les voies de communications de l’hippocampe, mais il ne s’agit pas de la seule structure impliquée : d’autres structures cérébrales possèdent également des formes de LTP.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES. L’étude de systèmes simplifiés comme l’Aplysie ou une tranche d’hippocampe de rat ont permis d’aborder des questions fondamentales concernant l’apprentissage et la mémoire. Les avancées remarquables fournies par les auteurs ayant disséqué ces systèmes nous ont rapprochés de la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires qui pourraient expliquer la mémoire. Néanmoins, de grandes questions restent en attente : quels sont les mécanismes moléculaires qui déclenchent des remaniements dans les prolongements neuronaux, la création de nouvelles connexions et leur maintien ? A plus grande échelle, si l’hippocampe et les structures qui lui sont associées au niveau du lobe temporal sont cruciales pour la mémorisation, comment interagissent-elles ? Grâce à l’étude du patient HM, on sait que l’hippocampe est indispensable au stockage initial des informations avant leur passage vers la mémoire à long terme. Néanmoins, la consolidation finale de ces informations fait intervenir d’autres régions du cortex, et l’hippocampe n’est plus requis par la suite : comment l’hippocampe traite-t-il ces données avant de les transmettre au cortex ? Toutes ces questions ne sauront être résolues sans la convergence d’études pluridisciplinaires, mêlant la neurobiologie cellulaire et moléculaire, l’électrophysiologie, la génétique, la psychologie cognitive, la neurologie et la psychiatrie.

RÉFÉRENCES Tanzi, E. I fatti i le induzione nell’odierna istologia del sistema nervoso. Riv. Sper. Freniatr. 19, 419–472 (1893). Golgi, C. (1873) Sulla struttura della sostanza grigia del cervello (Comunicazione preventiva). Gazz. Med. Ital. Lombardia 33, 244–246. Reimpress in Opera Omnia, Vol. I, Istologia Normale, pp. 91–98, Ulrico Hoepli Waldeyer-Hartz, W. von (1891) Über einige neuere Forschungen im Gebiete der Anatomie des Centralnervensystems. Deutsche Medizinische Wochenschrift 17, 1213–1218, 1244–1246, 1267–1269, 1287–1289, 1331–1332, 1352–1356. Ramón y Cajal, S. La fine structure des centres nerveux. Proc. R. Soc. Lond. 55, 444–468 (1894). Sherrington, C. S. The Integrative Action of the Nervous System, 2nd edn (Yale Univ. Press, New Haven, New Jersey, 1906). Hebb, D. O. The Organization of Behavior: a Neuropsychological Theory (Wiley, New York, 1949).


Konorski, J. Conditioned Reflexes and Neuron Organization (Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 1948). Pinsker HM, Hening WA, Carew TJ, Kandel ER. Long-term sensitization of a defensive withdrawal reflex in Aplysia. Science. 1973 Dec 7;182(116):1039-42. Castellucci VF, Carew TJ, Kandel ER. Cellular analysis of long-term habituation of the gill-withdrawal reflex of Aplysia californica. Science. 1978 Dec 22;202(4374):1306-8. Scoville WB, Milner B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J Neurochem. 1957 Feb;20(1):11-21. Bliss TV, Lomo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J Physiol. 1973 Jul;232(2):331-56. Malenka RC, Nicoll RA. Long-term potentiation: a decade of progress? Science. 1999 Sep 17;285(5435):1870-4.


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