Synapse

Le mot « neurone » fut utilisé pour la première fois par Waldeyer pour désigner les cellules nerveuses et un premier pas vers la compréhension de leur mode de fonctionnement eut lieu à la fin du XIX^e siècle lorsque Camillo Golgi mit au point une technique de coloration par imprégnation, argentique permettant une visualisation optimale du neurone et de ses prolongements.

Par la suite, Santiago Ramón y Cajal utilisa la méthode de coloration de Golgi pour étayer la théorie du neurone. Le terme de « synapse », quant à lui, fut proposé en 1897 par le physiologiste et Prix Nobel britannique Sir Charles Scott Sherrington pour désigner le point de contact entre deux neurones. Toutefois, Golgi était lui-même opposé à l'hypothèse selon laquelle le système nerveux pouvait être composé d'unités discontinues. En 1906 Golgi et Cajal reçurent conjointement le Prix Nobel de médecine et physiologie, pour deux théories de l'organisation du tissu neuronal (neuronisme et réticularisme). Il a été démontré par la suite que les synapses électriques sont très rares et l'on admet aujourd'hui que le système nerveux est constitué majoritairement d'unités contiguës (thèse neuroniste).

La synapse chimique est la plus fréquente des synapses du système nerveux. Ce type de synapse transmet le signal nerveux d'un neurone à un autre en utilisant un neurotransmetteur qui est émis par le neurone afférent, diffuse dans la fente synaptique et se lie aux récepteurs postsynaptiques.

Transmission chimique du neurone A (émetteur) au neurone B (récepteur) Mitochondrie Vésicule synaptique avec des neurotransmetteurs Autorécepteur Fente synaptique avec neurotransmetteur libéré (ex : sérotonine ou dopamine) Récepteurs postsynaptiques activés par neurotransmetteur (induction d'un potentiel postsynaptique) Canal calcium Exocytose d'une vésicule Neurotransmetteur recapturé

Dans certaines synapses les cellules gliales jouent un rôle particulièrement actif, notamment en effectuant la recapture du neurotransmetteur (ex. : glutamate). Dans les synapses motrices, une enzyme, la cholinestérase, dégrade le neurotransmetteur dans la fente synaptique.

Lors du réflexe myotatique CF réflexe de flexion, l'élément présynaptique rencontre la plaque motrice de la fibre musculaire qui est composée d'une membrane plasmique appelée sarcolemme faisant office d'élément postsynaptique et contenant plusieurs centaines de myofibrilles. La jonction neuromusculaire est historiquement très importante puisque ce sont les observations sur le muscle extenseur de la patte de grenouille qui ont donné naissance à l'électrobiologie qui eut un retentissement rapide auprès du grand public, comme en témoigne l'engouement de l'époque pour les phénomènes électriques.

Axone Jonction Fibre musculaire Myofibrille

Vue détaillée d'une jonction Élément pré-synaptique Sarcoplasme Vésicules synaptiques Récepteur cholinergique nicotinique Mitochondrie

L'acétylcholine intervient dans la contraction musculaire lors des réflexes de flexion ou d'extension au niveau de la jonction neuromusculaire. Les neurones la produisant s'appellent neurones cholinergiques. Ses précurseurs sont la choline d'origine alimentaire qui est captée par la terminaison présynaptique dans le sang et l'acétylcoenzyme A d'origine mitochondriale. Ils sont synthétisés par l'enzyme choline-acétyltransférase (CAT) qui les transforment en acétylcholine. Ces neuromédiateurs sont alors enveloppés par des vésicules provenant du bourgeonnement de l'appareil de Golgi et sont transportés jusqu'au renflement (ou bouton) synaptique. Au niveau présynaptique il y a non pas un seul renflement mais des centaines afin d'assurer une surface de contact plus large, on parle d'arborisation terminale.

Sous l'effet du calcium, les vésicules chargées de neuromédiateurs fusionnent avec la membrane plasmique, déversant leur contenu dans la fente synaptique (exocytose). Les neuromédiateurs se fixent alors sur des récepteurs spécifiques de la plaque motrice du muscle squelettique ce qui a pour conséquence de provoquer sa contraction. L'excès de neuromédiateur est ensuite dégradé par une enzyme : acétylcholinestérase (ACHE) qui libère de l'acide acétique et de la choline qui pourra être ensuite recapturée par les récepteurs de l'axone présynaptique et recyclé.

Dans la synapse électrique, les membranes des deux neurones sont reliées par des jonctions communicantes, parfois appelées également nexus (GAP junctions). Les ions se transmettent donc d'une cellule à une autre, ainsi que la dépolarisation membranaire associée. L'influx nerveux se transmet sans intervention de neurotransmetteur. Ce type de synapse, qui joue un rôle important dans le système nerveux immature, est ensuite relativement rare au stade adulte et est majoritairement retrouvé chez les invertébrés. Ce type de communication est très fréquent dans les épithéliums.

Transmission électrique du neurone A (émetteur) au neurone B (récepteur) Mitochondrie Connexine Courant ionique Les caractéristiques principales de ce type de synapse sont : un délai de transmission quasi inexistant (pas de temps de latence dû au franchissement d'une synapse, souvent utile pour la synchronisation d'un réseau de neurone) ; une conduction dans les trois directions de l'espace ; l'absence de période réfractaire (la synapse est re-stimulable immédiatement après la fin de la transmission) ;

Au niveau du soma (le soma ou « corps cellulaire » ou péricaryon, est la partie centrale d'un neurone)

• Synapse axo–somatique simple

• Synapse axo–somatique invaginée

• Synapse axo–somatique épineuse

• Synapse axo–dendritique simple, (accolement des 2 membranes)

• Synapse axo–dendritique épineuse (synapse sur le bourgeon des épines dendritiques)

• Synapse à crête (sur le côté du bourgeon dendritique)

• Synapse épineuse ramifiée

• Synapse axo–dendritique « en passant »

• Synapse axo–dendritique réciproque

• Terminaison poly–synaptique

• Synapse épineuse interdigité

Au niveau du cône d’implantation et de l’axone

• Synapse axo–axonique proximale

• Synapse axo–axonique inhibitrice

• Synapse axo–axonique distale

• Synapse axo–axonique « en passant »

Les terminaisons dendritiques sont super mobiles.

Dépolarisation subliminale un seul PPSE ne dépolarise pas suffisamment la membrane pour générer un potentiel d’action.

Enregistrement postsynaptique du potentiel membranaire. Les flèches marquent les PPSE de trois évènements afférents. Une sommation de trois PPSE donne naissance dans ce cas au déclenchement du potentiel d'action.

Les synapses sont regroupées selon deux catégories selon les effets qu'elles engendrent : excitatrices ou inhibitrices. Le principal neuromédiateur inhibiteur du cerveau est le GABA qui se fixe sur les canaux récepteurs GABA_A dont l'ouverture provoque un influx d'ions chlorure et donc une hyperpolarisation de la membrane. Il existe une plus grande diversité de récepteurs ionotropes excitateurs, par exemple les récepteurs au glutamate ou à l’acétylcholine. L'élément postsynaptique possède en général ces deux catégories de récepteurs ainsi que des canaux sodium ou calcium activés par dépolarisation. Il réalise une sommation temporelle des signaux excitateurs (PPSE, potentiel postsynaptique excitateur) et inhibiteurs (PPSI, potentiel postsynaptique inhibiteur). Il propagera le potentiel d'action à la condition que la somme des excitations soit supérieure à la somme des inhibitions et si un seuil de dépolarisation est atteint. Ce seuil correspond au voltage auquel un nombre suffisant de canaux sodium sont activés.

La sommation spatiale se réfère aux différentes synapses afférentes à l'élément postsynaptique. Un neurone peut en effet recevoir plus d'un millier d'afférences différentes mais il ne peut réagir que d'une seule manière : conduction ou absence de conduction. Si le résultat de la somme algébrique de tous les éléments afférents est supérieure à une valeur seuil, aux environs de -15 mV dans le schéma ci-contre, le neurone intégrateur sera le siège d’un potentiel d’action.

Une sommation dite temporelle a aussi lieu au niveau de l’élément postsynaptique. Elle est due à la vitesse d'entrée des ions à l'intérieur de la cellule. Si beaucoup de PPSE sont rapprochés dans le temps, ils s'ajoutent et peuvent également atteindre le seuil de dépolarisation et donner lieu à un potentiel d’action.

Un dernier élément d’intégration est dû à l’existence de la période réfractaire du neurone. Si deux signaux afférents excitateurs sont espacés de moins d'une milliseconde, le second ne donnera naissance à aucun PPSE et sera donc silencieux.

L'anomalie de fonctionnement de la synapse neuro-musculaire est responsable d'une maladie neuromusculaire nommée myasthénie.

Il existe de nombreuses formes d'autisme, longtemps considérées comme d'origine non-organique, souvent multifactorielles et pour partie environnementale, mais toujours liées à une organisation et un fonctionnement atypique du cerveau. On connait aussi de nombreuses formes de déficience mentale (DM), associées ou non à des anomalies physiologiques du cerveau. Assez souvent l'autisme peut être associé à une déficience mentale, mais aussi à des capacités intellectuelles accrues dans certains domaines (cas du syndrome d'Asperger)[2].

Les données épidémiologiques ont peu à peu suggéré l'implication de causes génétiques directes et indirectes, ainsi que de facteurs génétiques et épigénétiques dans l'apparition des TSA, au moins dans un grand nombre de cas[3]. Il en va de même pour divers types de retard mental[3]. Depuis 2003, la présence de mutations génétiques (se transmettant selon le modèle mendélien) affectant la formation, la maturation et le fonctionnement des synapses en lien avec l’étiologie de l’autisme est avérée. Ces gènes mutés concernent au moins la synapse glutamatergique et probablement l'astrocyte qui lui est associé[2].
Certains des gènes identifiés codent des protéines particulièrement impliquées dans la structure de connexion des neurones (synapses)[2]. Parmi les premiers gènes trouvés impliqué dans des anomalies, chez des personnes avec autisme ou syndrome d’Asperger, des synthèses et fonctions de certaines protéines synaptiques, selon le consortium international Autism Genome Project[4], figurent NLGN3 et NLGN4, situés sur le chromosome X et codant les Neuroligines 3 et 4 et ; mais aussi SHANK3 et NRXN1 codant des neurexines[5] - [6], protéines associées à l'autisme au début des années 2000[7] - [8] - [9] - [10] - [11]. Le rôle spécifique et précis de ces gènes dans le dysfonctionnement du cerveau apparait complexe et encore mal compris, de même pour les interactions gène-environnement, car les TSA montrent une variabilité phénotypique et une hétérogénéité génétique très élevées[12] ; certaines neurexines peuvent aussi être impliqués dans la schizophrénie (parfois associée au Syndrome d'Asperger ou à d'autres TSA)[13].

On sait aussi que la glie contribue à la physiopathologie des TSA. Non seulement le cellules gliales « collent » les neurones entre eux, mais elles participent activement à la neurogenèse, à la myélinisation, à la la synaptogenèse, au contrôle de l'inflammation et à la gestion du glutamate, entre autres choses[14]. Gzielo et Nikiforuk (2021) plaident pour que le rôle des cellules astrogliales et les interactions mutuelles entre neurones et astrocytes soient mieux étudié, car il semble que « les signes de dysfonctionnement astroglial, mais aussi oligodendroglial et microglial observés dans le cerveau autistique montrent que la gliopathologie peut être une cause de survenue de TSA »[15].

Ayant observé qu'un même dysfonctionnement de certaines synapse du cerveau correspond à plusieurs types de déficience mentale (DM) d’origine génétique, des chercheurs ont recherché d'éventuelles causes génétiques communes entre DM et autisme ; ils ont trouvé que plusieurs gènes semblent indifféremment être des gènes « d’autisme » ou de « DM » (ex. : gène NLGN4X, l'un des 5 gènes codant pour la Neuroligine et qui est retrouvé muté dans les cas de syndrome d’Asperger, mais aussi chez les autistes non retardés ou retardés, ainsi que chez des sujets retardés sans troubles du spectre autistique)[2].
Selon Perche & al (2010), « il existe donc un continuum génétique entre autisme et troubles apparentés, d’une part, et avec les DM d’autre part »[2].

Depuis les années 2010, plusieurs études et revues de la littérature montrent ou confirment qu'il existe aussi des facteurs épigénétiques[16] - [17] - [18] - [19], affectant notamment les liaisons synaptiques[20]. La régulation épigénétique est un mécanisme moléculaire, notamment basé sur la méthylation, connu pour être sources de troubles neurodéveloppementaux. Ses liens avec l'environnement pourraient expliquer l'apparente augmentation des TSA, via des polluants et/ou médicaments impactant la génétique des spermatozoïdes, des ovules ou de l'embryon ou du jeune enfant en développement[21]. L'alimentation de la mère pourrait à la fois être source de molécules épigénétiquement délétères et de molécules susceptibles d'avoir des effets épigénétiques positifs liées aux TSA[21] (acide folique par exemple).

La structure des organismes biologiques qui constituent la biosphère peut être décomposée en plusieurs niveaux d'organisation : atomique, moléculaire, cellulaire, tissulaire, organique, des appareils, et enfin celui de l'organisme dans sa totalité fonctionnelle.

L'étude scientifique du vivant se fait par des recherches sur les éléments de chacun de ces niveaux, puis par la compréhension des interactions entre ces différents niveaux (voir l'article « Méthode scientifique »).

L'étude du niveau synaptique permet de comprendre les caractéristiques de la transmission des signaux bioélectriques et chimiques, entre les neurones eux-mêmes ou entre les neurones et certains éléments de l'organisme (cellule sensorielle, muscle lisse ou strié…). La compréhension de la transmission des signaux neuraux est une nécessité incontournable car ce mécanisme est fondamental dans le fonctionnement du système nerveux.

Des travaux de recherche portent sur la création de synapses artificielles bioinspirées (neuroinspirées plus précisément)[22].