Neurosciences/Les synapses

Les neurones sont connectés via ce qu'on appelle des synapses, qui permettent de faire passer un potentiel d'action d'un neurone vers un autre. Le neurone qui émet le potentiel d'action est appelé le neurone présynaptique, alors que le neurone qui reçoit le potentiel d'action est le neurone postsynaptique.

Synapses électriques (à gauche) et chimique (à droite).

On pourrait alors croire que les synapses sont avant tout des points de contact qui permettent aux ions de passer d'un neurone à un autre. Mais dans les faits, seule une minorité de synapses fonctionnent ainsi, la majorité des synapses passant par un intermédiaire, composé de molécules chimiques. On fait ainsi une distinction entre synapses électriques, et synapses chimiques. La différence entre les deux est illustrée ci-contre. Pour simplifier, les synapses électriques permettent au courant de passer d'un neurone à l'autre directement, alors que les synapses chimiques demandent un intermédiaire entre les deux neurones.

Avec une synapse électrique, les neurones ont leur cytoplasme en continuité et peuvent échanger des ions, ce qui permet au courant de passer de l'un à l'autre sans intermédiaire. Avec une synapse chimique, les ions ne peuvent pas passer d'un neurone à l'autre. Les neurones communiquent en produisant des molécules appelées neurotransmetteurs, qui passent d'un neurone à l'autre et transmettent un signal.

Les synapses électriques

Les synapses électriques sont des points de contact entre deux neurones qui leur permettent d’échanger des ions. Le transfert d'un potentiel d'action d'un neurone à un autre s'effectue ainsi par conduction passive à travers le point de contact. Avec ces synapses, les canaux ioniques des deux neurones appariés : le pore d'un canal ionique est en continuité avec le pore d'un canal ionique sur l'autre neurone. Ainsi, les deux pores fusionnent et n'en forment plus qu'un. L'ensemble forme une jonction communicante. Ces jonctions peuvent s'ouvrir ou se fermer comme tout canaux ioniques.

Jonction communicante.

Ces synapses ont l'avantage d'une transmission d'information très rapide. Mais elles ont un désavantage : les potentiels d'action peuvent passer dans les deux sens (sauf à quelques exceptions près). Elles servent le plus souvent à synchroniser des assemblées de neurones connectés entre eux. Par exemple, des assemblées de neurones qui doivent générer un rythme sont souvent reliés entre eux par des synapses électriques. C'est le cas des neurones situés sous la nuque, qui prennent en charge le rythme respiratoire, ainsi que des neurones chargés des rythmes cérébraux (les fameuses ondes cérébrales observées sur un EEG).

Les synapses chimiques

Les synapses chimiques déversent des substances chimiques dans leur environnement, ces molécules étant appelées des neurotransmetteurs. La grosse majorité des synapses chimiques connecte deux neurones : un neurone pré-synaptique et un neurone post-synaptique. Les neurotransmetteurs sont émis par le neurone pré-synaptique et agissent sur le neurone postsynaptique, pour créer des potentiels d'action. La synapse typique connecte l'axone du neurone pré-synaptique aux dendrites du neurone post-synaptique, d'où son nom de synapse axodendritique. Ce sont de loin les synapses les plus courantes, pour ne pas dire la quasi-totalité des synapses du système nerveux. Mais il existe bien d'autres types de synapses, comme on le verra à la fin du chapitre.

Synapse chimique classique, dite axodendritique.

Les synapses neuronales axodendritiques classiques

Synapse chimique de type axodendritique.

Avec les synapses chimiques classiques, les neurones sont séparés par un espace vide : la fente synaptique. Lorsqu'un potentiel d'action arrive au bout de l'axone présynaptique, celui-ci entraîne la libération de neurotransmetteurs, qui vont se propager jusqu'au neurone postsynaptique à travers la fente. Une fois arrivés à destination, ces neurotransmetteurs vont interagir avec des molécules à la surface du neurone postsynaptique, et se lier à elles : ces molécules sont appelées des récepteurs synaptiques. Ces récepteurs synaptiques entraînent l'ouverture de canaux ioniques, ouverture qui fait varier la tension de la membrane du neurone postsynaptique : un potentiel d'action peut être déclenché sous certaines conditions.

La libération des neurotransmetteurs

Les neurotransmetteurs sont libérés quand un potentiel d'action atteint le bout de l'axone, le fameux bouton synaptique. Ceux-ci étaient préalablement stockés dans le neurone, dans des espèces de sac à neurotransmetteurs : les vésicules synaptiques. Il faut noter que toutes les vésicules contiennent le même nombre de molécules de neurotransmetteur. Ainsi, la quantité de neurotransmetteurs libérée dans la fente synaptique dépend uniquement du nombre de vésicules qui fusionneront avec la membrane cellulaire.

Les vésicules sont stockées en deux endroits : une zone de réserve qui stocke des vésicules en surplus, et une zone active pour les vésicules destinées à être émises dans la synapse. Dans la zone de réserve, les vésicules sont liées au cytosquelette du neurone par des enzymes attachées au cytosquelette et aux vésicules. Dans la zone active, les vésicules sont accolées à la membrane du neurone et sont liées à diverses enzymes inactives. L'activation de ces enzymes, en réaction au potentiel d'action, entraîne la fusion des vésicules avec la membrane, qui déversent leur contenu à l'extérieur du neurone, dans la fente synaptique.

Comme son nom l'indique, la zone de réserve stocke des vésicules de réserve au cas où la zone active se vide. Au bout de quelques dizaines de potentiels d'action, la zone active se vide de ses vésicules synaptiques. Les vésicules de la zone de réserve migrent alors pour régénérer la zone active. Mais cela prend toujours un petit peu de temps, ce qui fait qu'un neurone peut voir sa zone active entrer en pénurie. Il arrive en effet qu'un neurone soit tellement stimulé qu'il se vide de toutes ses vésicules synaptiques dans sa zone active, bien avant que la zone de réserve n'aie eu le temps d'être mobilisée. N'ayant plus de vésicules, il ne peut plus émettre de neurotransmetteurs, causant une fatigue synaptique. Nous reparlerons de ce phénomène dans le chapitre sur la plasticité synaptique.

Zone active et zone de réserve des vésicules synaptiques.

Quand un potentiel d'action arrive au bout d'un axone, une cascade de réactions chimiques fait fusionner les vésicules avec la membrane de la cellule. Le mécanisme de cette fusion est relativement simple : le potentiel d'action entraîne l'ouverture de canaux ioniques calcique, le calcium introduit ainsi dans l'axone, entraînant une cascade de réactions chimiques qui fait fusionner les vésicules avec la membrane de l'axone. À ce propos, on a observé que si on privait le milieu extracellulaire de calcium, les neurones ne pouvaient pas faire fusionner leurs vésicules. Évidemment, le calcium qui est rentré dans la cellule est éliminé via des pompes calciques. Cela évite au neurone d'émettre des vésicules en continu après une première entrée de calcium.

Libération des neurotransmetteurs dans la fente synaptique.

La génération post-synaptique du potentiel d'action

Une fois qu'ils ont traversé la fente synaptique, les neurotransmetteurs se connectent à une molécule spécialisée : un récepteur synaptique. D'ordinaire, la liaison entre un récepteur et un neurotransmetteur a tendance à faire monter la tension de membrane : cette augmentation est alors appelée un potentiel postsynaptique excitateur, ou PPE. Il arrive cependant que cette liaison ait l'effet inverse : elle diminue la tension de membrane. C'est alors un potentiel postsynaptique inhibiteur, ou PPI. Ces potentiels inhibiteurs tendent à empêcher un neurone d'émettre un potentiel d'action.

Un neurone présynaptique peut avoir un effet qui est soit excitateur, soit inhibiteur sur le neurone postsynaptique : on parle respectivement de neurones excitateurs et inhibiteur. À tout moment, le neurone fait en quelque sorte la somme des PPE et PPI qui lui parviennent sur sa dendrite. Si celle-ci dépasse un seuil bien précis, il émet un potentiel d'action.

La somme des potentiels d'entrée ne dépassent pas le seuil.

La somme des potentiels d'entrée dépasse le seuil.

Le dépassement du seuil a lieu si suffisamment de neurotransmetteurs sont libérés dans la fente synaptique : les effets des PPE et PPI induits par chaque neurotransmetteur s'additionnent, pouvant faire dépasser le seuil. C'est ce qu'on appelle la sommation spatiale des signaux nerveux. En plus de cette sommation spatiale, on trouve aussi une sommation temporelle : une succession très rapide de PPE ou PPI peuvent cumuler leurs effets s'ils sont très rapprochés dans le temps.

Sommation Potentiel gradués

Au niveau du neurone, les récepteurs sont localisés sur une zone bien précise, située en face de l'axone présynaptique. Cette zone est appelée l'épaississement post-synaptique, du fait de sa forme observée au microscope.

La dégradation et le recyclage de neurotransmetteurs

Si les neurotransmetteurs sont libérés dans la fente synaptique, ceux-ci ne doivent pas y rester indéfiniment : si c'était le cas, une simple libération de neurotransmetteur aurait des effets durables et pourrait déclencher des PPE ou PPI durant plusieurs minutes. Il existe donc des mécanismes qui éliminent les neurotransmetteurs récemment émis de la fente synaptique. Le premier mécanisme consiste à dégrader les neurotransmetteurs à l'aide de substances chimiques qui dégradent les neurotransmetteurs en molécules plus simples. Une autre solution est de recycler les neurotransmetteurs, les capturer pour les faire rentrer dans la cellule et les remettre en réserve dans les vésicules synaptiques. Ce système de recapture est pris en charge par les neurones présynaptiques, mais aussi par les cellules gliales.

Schéma détaillé d'une synapse.

La classification des synapses en fonction des éléments pré- et post-synpatique

Outre la synapse axodendritique classique, il existe d'autres types de synapses où l'axone se connecte au soma du neurone post-synaptique, voir sur son axone ! Et il existe même des synapses où ce sont les dendrites du neurone pré-synaptique qui se connectent au neurone post-synaptique ! Pour faire simple, on peut classer les synapses entre neurones en deux grands types : les synapses axonales et dendritiques.

Pour les synapses axonales, un axone d'un neurone se connecte à un autre neurone, soit sur ses dendrites, sur son soma ou sur son axone. On distingue comme sous-types :

• des synapses axodendritiques, où un axone envoie des neurotransmetteurs à une dendrite ;
• des synapses axoaxoniques, qui relient deux axones ;
• des synapses axosomatique, qui relient un axone au corps cellulaire d'un autre neurone ;

Avec les synapses dendritiques, une dendrite du neurone pré-synaptique se connecte au neurone post-synaptique, soit sur une autre dendrite, soit sur son soma. Elles sont beaucoup plus rares que les synapses axonales et on ne connaît pas bien leur utilité, aussi nous n'en parlerons pas plus que cela. On distingue comme sous-types :

• des synapses dendrodendritiques, qui relient deux dendrites ;
• des synapses dendrosomatiques, qui relient une dendrite au soma d'un autre neurone.

Les synapses précédentes connectent deux neurones entre eux, ce qui fait qu'on peut les appeler des synapses neuronales. Mais il existe des synapses qui connectent un neurone à autre chose, quelque chose qui n'est pas neuronal. Par exemple, les neurones moteurs sont connectés aux muscles par une synapse spéciale, appelée la jonction neuromusculaire. Dans un tout autre genre, il existe des synapses hormonales, où un neurone émet des hormones/neurotransmetteurs dans le sang, histoire d'agir sur le cœur, les organes sexuels, etc. Parmi ces synapses atypiques, on trouve les suivantes :

• des synapses axosecrétoires, où un axone émet des substances chimiques dans le sang ;
• les jonctions neuromusculaires où un neurone se connecte à un muscle pour en commander la contraction ;
• des synapses axoextracellulaires, où un axone émet des neurotransmetteurs dans le milieu extracellulaire.

Les synapses axoextracellulaires. Elles servent à l'échange d'information entre neurones et cellules gliales. Cette communication permet de réguler finement l'excitation des neurones alentours. Cela peut permettre de stabiliser un ensemble de neurones, histoire de diminuer ou d'augmenter de manière globale un ensemble de neurones. La communication est donc relativement globale, la cellule gliale ou le neurone envoyant des neurotransmetteurs à un grand nombre de neurones proches du lieu d'émission. Pour le reste, les jonctions neuromusculaires et les synapses axosecrétoires seront vues dans des chapitres ultérieurs, aussi nous n'en parlerons pas plus que cela dans ce chapitre. Ce sont surtout les synapses entre neurones qui vont nous intéresser dans la suite du cours.

Types de synapses.

La classification des synapses en fonction de leur effet sur le neurone post-synaptique : les synapses excitatrices et inhibitrices

Pour finir, il est intéressant de faire la différence entre synapse excitatrice et inhibitrice. Les synapses excitatrices émettent des neurotransmetteurs excitateurs, c’est-à-dire qui induisent des potentiels postsynaptiques excitateurs sur le neurone post-synaptique. Elles activent le neurone post-synaptique, elles en augmentent l'activité électrique. À l'inverse, les synapses inhibitrices induisent des potentiels postsynaptiques inhibiteurs sur le neurone post-synaptique. Elles réduisent l'activité du neurone post-synaptique, elles l'inhibent. Les synapses excitatrices sont de loin les plus courantes dans le cerveau humain. On estime qu'environ 80% des synapses cérébrales sont excitatrices et 20% sont inhibitrices.

Là où les choses deviennent intéressantes, c'est que les deux types de synapses n'ont pas exactement la même forme quand on les regarde au microscope. Elles e distinguent sur trois critères : la forme des vésicules synaptiques, l'épaisseur de la fente synaptique, et la forme de l'épaississement post-synaptique.

• Les synapses excitatrices ont des vésicules synaptiques rondes, qui sont soit de petite taille, soit de grande taille. Elles ont une fente synaptique assez épaisse, d'une grande longueur. Enfin, leur épaississement post-synaptique (la région où se trouvent les récepteurs synaptiques) est assez épaisse, de grande taille. Elles ont une forme asymétrique quand on les regarde au microscope.
• Les synapses excitatrices ont à l'inverse des vésicules synaptiques aplaties. Elles ont une fente synaptique assez fine, d'une petite taille. Enfin, leur épaississement post-synaptique (la région où se trouvent les récepteurs synaptiques) est peu épais. Elles ont une forme symétrique quand on les regarde au microscope.