Filet périneuronal - Perineuronal net

A. Les filets périneuronaux sont constitués de protéoglycanes de sulfate de chondroïtine (CSPG). Ici, les CSPG neurocan , versican , brevican et aggrecan sont liés de manière non covalente à l' hyaluronane . Des associations se produisent entre d'autres CSPG par l'intermédiaire de la ténascine (T, triangles). La ténascine, à son tour, se lie aux glycosaminoglycanes CS (lignes rouges) ainsi qu'aux CSPG de la surface cellulaire. Le phosphatane peut également se lier à des récepteurs de surface cellulaire tels que NCAM. B. L' application de chondroïtinase ABC (ChABC) dégrade tous les glycosaminoglycanes CS (lignes rouges) ainsi que l'hyaluronane (ligne rose), provoquant des perturbations majeures dans la structure du réseau périneuronal. Ces perturbations peuvent permettre aux axones de pénétrer dans l'espace libéré et permettre la restauration de la plasticité neuronale.

Les réseaux périneuronaux ( PNN ) sont des structures matricielles extracellulaires spécialisées responsables de la stabilisation synaptique dans le cerveau adulte. PNN se trouvent autour de certains neurones corps cellulaires et proximales neurites dans le système nerveux central . Les PNN jouent un rôle essentiel dans la fermeture de la période critique de l'enfance et leur digestion peut provoquer une restauration de la plasticité synaptique semblable à une période critique dans le cerveau adulte. Ils sont en grande partie chargés négativement et composés de protéoglycanes de sulfate de chondroïtine , molécules qui jouent un rôle clé dans le développement et la plasticité au cours du développement postnatal et chez l'adulte.

Les PNN semblent être principalement présents dans le cortex , l' hippocampe , le thalamus , le tronc cérébral et la moelle épinière . Des études sur le cerveau de rat ont montré que le cortex contient un nombre élevé de PNN dans les aires sensorielles motrices et primaires et relativement moins dans les cortex associatif et limbique . Dans le cortex, les PNN sont principalement associés aux interneurones inhibiteurs et seraient responsables du maintien de l' équilibre excitateur / inhibiteur dans le cerveau adulte.

Histoire

L'existence des PNN a été déduite par Golgi , Lugaro, Donaggio, Martinotti, Ramón y Cajal et Meyer. Cependant, Ramón y Cajal attribue à Golgi la découverte des PNN parce qu'il a été le premier à attirer l'attention sur eux et a donné la première description précise en 1893. De plus, Golgi a suscité l'intérêt du sujet en raison de son opinion que le PNN n'était pas un neuronal. structure mais plutôt une « sorte de corset de neurokératine qui empêchait la propagation du courant de cellule à cellule ». Malgré le débat sur le sujet, Ramón y Cajal a affirmé que le réseau périneuronal était simplement un artefact de coloration dérivé de la coagulation de fluides extracellulaires. En raison de son opinion influente à l'époque, l'intérêt pour le sujet a diminué.

L'intérêt s'est manifesté dans les années 1960 lorsque plusieurs auteurs ont attiré l'attention sur la présence de matériel périodique-acide-Schiff -positif (PAS-positif) entourant les cellules nerveuses. Ce matériau PAS-positif était suspecté d'être composé de substances chargées négativement, telles que les protéoglycanes de sulfate de chondroïtine (CSPG). Cependant, les auteurs se sont accrochés à l'idée que le matériau était étroitement lié à la barrière hémato-encéphalique et n'ont pas vu les similitudes qu'il avait avec le réseau périneuronal décrit par Golgi. L'intérêt n'a repris qu'au cours des dernières décennies lorsqu'il a été découvert que les PNN constituaient des marqueurs pour les neurones physiologiquement matures.

Composition

Les PNN sont composés d'une matrice condensée de protéoglycanes de sulfate de chondroïtine , des molécules constituées d'une protéine centrale et d'une chaîne de glycosaminoglycanes (GAG). Les chaînes CS-GAG associées aux PNN diffèrent de celles trouvées flottant dans la matrice extracellulaire sous une forme non condensée. Les PNN sont composés de brevican , neurocan , versican , aggrecan , phosphacan , hyaluronan , tenascin-R et diverses protéines de liaison. Les CSPG aggrecan, versican, neurocan, brevican et phosphacan sont liés à l'hyaluronane. De nombreux composants des PNN sont également exprimés par d'autres formes de MEC dans le cerveau. Aggrecan est exprimé sélectivement dans les PNN et est essentiel pour la construction et la maintenance des PNN. Les PNN trouvés dans le cerveau et la moelle épinière ont la même composition. La chondroïtinase ABC (ChABC), une enzyme bactérienne couramment utilisée pour digérer les CSPG, agit en catalysant l'élimination des chaînes CS-GAG des CSPG, elle n'est donc pas sélective vis-à-vis des PNN. Les souris mutantes déficientes en ténascine-R ou en protéine de liaison ont des PNN atténués,

Dans le cortex et d'autres zones sous-corticales, les PNN entourent préférentiellement les interneurones GABAergiques contenant la protéine de liaison au calcium parvalbumine . Le début de la période critique correspond étroitement à l'émergence de cellules positives à la parvalbumine. Cellules parvalbumine-positifs synapse sur α1-unité contenant du GABA A récepteurs . Les GABA contenant la sous-unité α1-de A récepteurs se sont révélés être les seuls GABA A des récepteurs qui stimulent la plasticité corticale. Pour cette raison, on a d'abord pensé que les PNN avaient un rôle important dans la fermeture de la période critique .

Les fonctions

Neuroprotection

Une régulation fine de la croissance axonale et dendritique est nécessaire dans le SNC adulte pour préserver les connexions importantes tout en permettant la plasticité structurelle . Cette fonction a été reconnue comme étant médiée par plusieurs protéines et CSPG associées à la myéline . Afin d'évaluer le rôle physiologique des PNN dans le SNC intact, du ChABC a été injecté dans le cervelet sain de rats adultes. Au site des injections de ChABC, il y avait une excroissance abondante des branches terminales des neurones des cellules de Purkinje . Cependant, les segments axonaux myélinisés n'ont pas été affectés et sont restés normaux. La germination des axones de Purkinje est apparue pour la première fois quatre jours après la dégradation des CSPG. En 42 jours, l'expression des CSPG s'est progressivement rétablie, moment auquel l'excroissance des axones a régressé, indiquant qu'il n'y avait pas de formation significative de contacts synaptiques stables. Alors que les CSPG sont très importants dans la neuroprotection, cela indique que les CSPG peuvent ne pas être les seules molécules importantes pour la préservation de la plasticité anatomique.

Restriction de la mobilité des récepteurs AMPA

Les protéines de surface cellulaire, y compris les récepteurs des neurotransmetteurs , sont très mobiles dans la membrane plasmique en raison de la diffusion latérale. Les mouvements rapides des récepteurs du glutamate de type AMPA (AMPAR) sont impliqués dans la modulation de la transmission synaptique. Lorsqu'un récepteur est utilisé, il devient désensibilisé et incapable de fonctionner efficacement pendant une courte période de temps. La diffusion du récepteur désensibilisé pour l'échange d'un récepteur fonctionnel naïf augmente la fidélité synaptique lors d'une stimulation répétitive rapide. Les PNN compartimentent la surface neuronale et agissent comme des barrières de diffusion latérales pour les AMPAR, limitant les échanges synaptiques. Cela peut être en partie la raison pour laquelle la plasticité synaptique est limitée une fois que les PNN sont régulés à la hausse.

Système tampon pour cations

La plupart des neurones positifs à la parvalbumine entourés de PNN contiennent également la sous-unité Kv3.1b du canal potassique. Ces cellules spécifiques ont été identifiées comme des cellules à pic rapide. Ces neurones ont une faible résistance d'entrée de la membrane cellulaire, un potentiel membranaire de repos élevé , une courte durée des potentiels d'action et de la période réfractaire , une fréquence de décharge élevée et une amplitude presque constante de leurs potentiels d'action. Il semble que les canaux Kv3.1 et les PNN soient tous deux requis pour le comportement à pic rapide de ces neurones. Ces canaux potassiques sont importants car les courants potassiques sortants sont responsables de la repolarisation de la membrane cellulaire lors d'un potentiel d'action. Il a été montré que les courants Kv3.1 permettent à un neurone de suivre une stimulation à haute fréquence et/ou de générer des taux de décharge élevés sans adaptation de pointe, caractéristiques qui correspondent bien aux cellules à pointe rapide. Cette caractéristique des cellules est importante car il a été démontré que le blocage du canal Kv3.1b ralentit le taux de plasticité de la dominance oculaire.

Les PNN, avec leur charge fortement négative, peuvent servir d'échangeurs de cations empêchant la libre diffusion des ions potassium ou sodium. En raison des disproportions spatiales, temporelles et numériques entre l' influx de Na + et l' efflux de K + , le PNN fournit un système tampon possible pour les cations extracellulaires. Cependant, cette hypothèse reste à prouver.

Rôle dans la neuroplasticité

Les PNN jouent un rôle important dans la neuroplasticité . Une lésion traumatique du SNC entraîne une dégénérescence des neurones dénervés et endommagés, la formation d'une cicatrice gliale et la germination collatérale des neurones survivants. Il a été démontré que les PNN inhibent la régénération et l'excroissance axonale. Les CSPG sont les principales molécules inhibitrices de croissance axonale dans la cicatrice gliale qui jouent un rôle dans l'échec de la régénération de l'axone après une blessure. Dans le cerveau et la moelle épinière du rat, l'expression de divers CSPG ( brevican , versican , neurocan et NG2 ) augmente après une blessure. Le traitement in vivo avec ChABC entraîne une amélioration de la régénération des axones (en particulier des neurones dopaminergiques ) et la promotion de la régénération des axones et de la récupération fonctionnelle après une lésion de la moelle épinière.

Les CSPG et les PNN sont également impliqués dans la plasticité restreinte présente après une lésion du SNC. Dans le cervelet du rat, l'application de ChABC favorise la plasticité structurelle des axones de Purkinje. Après une lésion de la moelle épinière, les rats traités avec ChABC présentent une récupération structurelle et fonctionnelle sous la forme d'une repousse accrue des axones dans le territoire dénervé et la récupération de la fonction motrice et vésicale. La plasticité des zones intactes du tronc cérébral et de la moelle épinière augmente également après une lésion de la moelle épinière.

Plasticité de la dominance oculaire

La période critique est une étape où une quantité d'expérience nécessaire est requise pour la bonne organisation d'une voie neuronale. L'absence de cette expérience peut conduire à la formation permanente de connexions incorrectes. Le modèle classique de la période critique a été le système visuel . Normalement, le cortex visuel primaire contient des neurones organisés en colonnes de dominance oculaire , avec des groupes de neurones répondant préférentiellement à un œil ou à l'autre. Si l'œil dominant d'un animal est suturé tôt dans la vie et maintenu suturé pendant la période critique visuelle ( privation monoculaire ), le cortex répond en permanence de préférence à l'œil qui a été maintenu ouvert, ce qui entraîne un changement de dominance oculaire . Cependant, si l'œil est suturé après la période critique, le décalage ne se produit pas.

Chez le rat, la digestion des PNN à l'aide de l'enzyme bactérienne chondroïtinase ABC réactive la période critique visuelle. Plus précisément, la digestion des PNN dans le cortex visuel bien après la fermeture de la période critique (jour postnatal 70) a réactivé la plasticité de la période critique et a permis un changement de dominance oculaire. Cependant, les effets de la privation monoculaire dans le cas réactivé n'étaient pas aussi forts que la privation monoculaire pendant une période critique normale. De plus, chez les rats adultes privés de monoculaire depuis leur jeunesse, la digestion des PNN a entraîné une récupération structurelle et fonctionnelle complète (récupération de la dominance oculaire, de l'acuité visuelle et de la densité de la colonne vertébrale dendritique ). Cependant, cette récupération n'a eu lieu qu'une fois l'œil ouvert suturé pour permettre à la représentation corticale de l'œil privé de récupérer.

Peur des souvenirs

Le conditionnement de la peur chez les animaux est utilisé pour modéliser les troubles anxieux tels que le SSPT . Le conditionnement de la peur fonctionne en associant un stimulus initialement neutre à un stimulus aversif, conduisant à des souvenirs de peur durables. Chez un animal adulte, le conditionnement de la peur induit une mémoire permanente résistante à l'effacement par extinction . Après extinction, les réponses de peur conditionnées peuvent récupérer spontanément après une réexposition au stimulus aversif. En revanche, au début du développement postnatal, l'extinction d'une réponse de peur conditionnée conduit à l'effacement de la mémoire. L'organisation des PNN dans l' amygdale coïncide avec ce basculement dans la résilience de la mémoire de la peur. Chez l'animal adulte, la dégradation des PNN dans l' amygdale avec ChABC rend les souvenirs de peur acquis par la suite susceptibles d'être effacés. Un entraînement à l'extinction était nécessaire pour la perte du comportement de peur. De plus, les souvenirs de peur acquis avant la dégradation des PNN n'étaient pas affectés par leur dégradation.

Apprentissage évolutif du chant

L'apprentissage développemental du chant est un modèle utilisé pour la période critique sensorimotrice. L' apprentissage du chant des oiseaux chez le diamant mandarin se produit pendant une période critique similaire à celle de la parole humaine. Cette période critique se déroule en deux parties. La première consiste en une phase perceptive précoce dans laquelle les sons sont simplement mémorisés. Ceci est suivi d'une deuxième phase sensorimotrice dans laquelle la rétroaction est utilisée pour façonner les sons appropriés. Dans les noyaux du chant HVC, plus de 80 % des PNN entourent les neurones positifs à la parvalbumine . La présence de filets périneuronaux prédit la maturité du chant d'un diamant mandarin, une plus grande densité de PNN indiquant un chant plus mature et probablement une plus grande stabilité synaptique. Contrairement à la période critique visuelle, une enquête préliminaire approfondie a montré que la dégradation des PNN avec ChABC ne rouvre pas la période critique de plasticité sensorimotrice. Cela peut être attribué aux facteurs de complication supplémentaires présents dans un système sensorimoteur par rapport à un système purement sensoriel. Chez l'homme, les complications de la période critique sensorimotrice de la parole sont impliquées dans des troubles tels que l' autisme . La réouverture de la période critique chez les diamants mandarins peut conduire à des découvertes conduisant à un traitement de ces troubles.

Rôle dans la pathologie du SNC

Épilepsie

L'épilepsie est un trouble neurologique chronique caractérisé par une activité électrique anormale dans le cerveau. Cette activité électrique anormale entraîne une augmentation des changements plastiques qui jouent un rôle dans la pathogenèse de la maladie. Après les crises, il y a une diminution du phosphacan et des PNN positifs au phosphacan et une augmentation du brevican clivé dans le lobe temporal et l' hippocampe . Les crises augmentent également la quantité de neurocan de pleine longueur , un CSPG que l'on ne trouve que dans le cerveau néonatal. Cette dégradation des CSPG et des PNN pourrait être responsable de l'augmentation de la plasticité associée au trouble.

Accident vasculaire cérébral

Après un AVC , il y a une plasticité accrue entraînant la restauration de certaines fonctions. Dans le modèle du rat, suite à une lésion corticale, il y a une réduction des PNN dans la région entourant l'infarctus. Plus précisément, il y a une réduction des CSPG aggrecan , versican et phosphacan et une accumulation de neurocan de pleine longueur . Cette régulation négative des PNN se produit également dans des régions du cerveau aussi éloignées que le thalamus . La dégradation des PNN peut être responsable de l'augmentation de la plasticité observée après l'AVC. Un problème avec la récupération typique d'un AVC est que la période typique d'augmentation de la plasticité n'est généralement pas assez longue pour permettre aux patients victimes d'AVC une récupération fonctionnelle acceptable. Une stratégie de traitement possible peut consister à dégrader les PNN pendant une période plus longue pour permettre une meilleure récupération.

La maladie d'Alzheimer

Il semble y avoir plusieurs rôles pour les CSPG dans la maladie d'Alzheimer . Les PNN peuvent fournir une protection contre l' excitotoxicité , le stress oxydatif et la formation d' enchevêtrements neurofibrillaires . Il y a eu des rapports contradictoires quant au nombre de PNN dans le cerveau humain d'Alzheimer, certaines études faisant état d'une réduction et d'autres ne rapportant aucun changement. Il n'y a pas de consensus clair quant à la susceptibilité des neurones positifs à la parvalbumine , la majorité des neurones entourés de PNN. Cependant, les PNN se sont avérés se localiser à la fois avec des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires . Étant donné que les plaques amyloïdes ont été impliquées dans la progression de la maladie d'Alzheimer, cela suggère que les PNN jouent un rôle dans leur formation ou sont une réaction à leur formation. Des études in vitro ont montré que les CSPG favorisent la formation de fibrilles bêta-amyloïdes . Étant donné que la bêta-amyloïde est un puissant stimulant de la production de CSPG et que les CSPG inhibent la croissance neuronale et la plasticité synaptique, cela peut entraîner une diminution de la densité axonale et une perte synaptique dans la maladie d'Alzheimer.

Voir également

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