Sommation (neurophysiologie) - Summation (neurophysiology)
La sommation , qui comprend à la fois la sommation spatiale et la sommation temporelle , est le processus qui détermine si un potentiel d'action sera généré ou non par les effets combinés des signaux excitateurs et inhibiteurs , à la fois à partir de plusieurs entrées simultanées (sommation spatiale) et à partir d'entrées répétées ( sommation temporelle). Selon la somme totale de nombreuses entrées individuelles, la sommation peut atteindre ou non la tension de seuil pour déclencher un potentiel d'action.
Les neurotransmetteurs libérés par les terminaisons d'un neurone présynaptique appartiennent à l'une des deux catégories , selon les canaux ioniques commandés ou modulés par le récepteur du neurotransmetteur . Les neurotransmetteurs excitateurs produisent une dépolarisation de la cellule postsynaptique, tandis que l' hyperpolarisation produite par un neurotransmetteur inhibiteur atténuera les effets d'un neurotransmetteur excitateur. Cette dépolarisation est appelée EPSP, ou potentiel postsynaptique excitateur , et l'hyperpolarisation est appelée IPSP, ou potentiel postsynaptique inhibiteur .
Les seules influences que les neurones peuvent avoir les uns sur les autres sont l'excitation, l'inhibition et, via des transmetteurs modulateurs, la polarisation mutuelle de l'excitabilité. À partir d'un si petit ensemble d'interactions de base, une chaîne de neurones ne peut produire qu'une réponse limitée. Une voie peut être facilitée par une entrée excitatrice; la suppression d'un tel intrant constitue une incapacité . Une voie peut également être inhibée ; l'élimination de l'entrée inhibitrice constitue une désinhibition qui, si d'autres sources d'excitation sont présentes dans l'entrée inhibitrice, peut augmenter l'excitation.
Lorsqu'un neurone cible donné reçoit des entrées de plusieurs sources, ces entrées peuvent être additionnées dans l'espace si les entrées arrivent suffisamment près à temps pour que l'influence des entrées les plus précoces ne se soit pas encore détériorée. Si un neurone cible reçoit une entrée d'un seul terminal axonal et que cette entrée se produit de manière répétée à de courts intervalles, les entrées peuvent être cumulées temporellement.
Histoire
Le système nerveux a commencé à être inclus dans le cadre des études physiologiques générales à la fin des années 1800, lorsque Charles Sherrington a commencé à tester les propriétés électriques des neurones. Ses principales contributions à la neurophysiologie ont impliqué l'étude du réflexe rotulien et les inférences qu'il a faites entre les deux forces réciproques d'excitation et d'inhibition. Il a postulé que le site où cette réponse modulatrice se produit est l'espace intercellulaire d'une voie unidirectionnelle de circuits neuronaux. Il a d'abord introduit le rôle possible de l'évolution et de l'inhibition neurale en suggérant que « les centres supérieurs du cerveau inhibent les fonctions excitatrices des centres inférieurs ».
Une grande partie des connaissances actuelles sur la transmission synaptique chimique a été glanée à partir d'expériences analysant les effets de la libération d' acétylcholine au niveau des jonctions neuromusculaires , également appelées plaques terminales . Les pionniers dans ce domaine comprenaient Bernard Katz et Alan Hodgkin, qui ont utilisé l' axone géant du calmar comme modèle expérimental pour l'étude du système nerveux. La taille relativement grande des neurones a permis l'utilisation d'électrodes à pointe fine pour surveiller les changements électrophysiologiques qui fluctuent à travers la membrane. En 1941, l'implantation par Katz de microélectrodes dans le nerf sciatique gastrocnémien des cuisses de grenouilles a illuminé le champ. Il s'est rapidement généralisé que le potentiel de plaque terminale (EPP) seul est ce qui déclenche le potentiel d'action musculaire, qui se manifeste par des contractions des cuisses de grenouille.
L'une des découvertes fondamentales de Katz, dans des études menées avec Paul Fatt en 1951, était que des changements spontanés du potentiel de la membrane des cellules musculaires se produisent même sans la stimulation du motoneurone présynaptique. Ces pics de potentiel sont similaires aux potentiels d'action, sauf qu'ils sont beaucoup plus petits, généralement inférieurs à 1 mV ; ils ont donc été appelés potentiels de plaque d'extrémité miniatures (MEPP). En 1954, l'introduction des premières images au microscope électronique de terminaisons postsynaptiques a révélé que ces MEPP étaient créés par des vésicules synaptiques transportant des neurotransmetteurs. La nature sporadique de la libération de quantités quantiques de neurotransmetteurs a conduit à « l'hypothèse des vésicules » de Katz et del Castillo, qui attribue la quantification de la libération des transmetteurs à son association avec les vésicules synaptiques. Cela a également indiqué à Katz que la génération de potentiel d'action peut être déclenchée par la sommation de ces unités individuelles, chacune équivalant à un MEPP.
Les types
À tout moment, un neurone peut recevoir des potentiels postsynaptiques de milliers d'autres neurones. L'atteinte du seuil et la génération d'un potentiel d'action dépendent de la sommation spatiale (c'est-à-dire de plusieurs neurones) et temporelle (d'un seul neurone) de toutes les entrées à ce moment. On pense traditionnellement que plus une synapse est proche du corps cellulaire du neurone, plus son influence sur la sommation finale est grande. En effet, les potentiels postsynaptiques traversent les dendrites qui contiennent une faible concentration de canaux ioniques voltage-dépendants . Par conséquent, le potentiel postsynaptique s'atténue au moment où il atteint le corps cellulaire du neurone. Le corps cellulaire du neurone agit comme un ordinateur en intégrant (additionnant ou additionnant) les potentiels entrants. Le potentiel net est ensuite transmis à la butte axonale , où le potentiel d'action est initié. Un autre facteur à considérer est la somme des entrées synaptiques excitatrices et inhibitrices. La sommation spatiale d'une entrée inhibitrice annulera une entrée excitatrice. Cet effet largement observé est appelé « shunt » inhibiteur des EPSP.
Somme spatiale
La sommation spatiale est un mécanisme d'obtention d'un potentiel d'action dans un neurone avec l'apport de plusieurs cellules présynaptiques. C'est la somme algébrique des potentiels de différentes zones d'entrée, généralement sur les dendrites . La sommation des potentiels postsynaptiques excitateurs augmente la probabilité que le potentiel atteigne le potentiel seuil et génère un potentiel d'action, tandis que la sommation des potentiels postsynaptiques inhibiteurs peut empêcher la cellule d'atteindre un potentiel d'action. Plus l'entrée dendritique est proche de la butte axonale, plus le potentiel influencera la probabilité de déclenchement d'un potentiel d'action dans la cellule postsynaptique.
Somme temporelle
La sommation temporelle se produit lorsqu'une fréquence élevée de potentiels d'action dans le neurone présynaptique provoque des potentiels postsynaptiques qui se cumulent. La durée d'un potentiel postsynaptique est plus longue que l'intervalle entre les potentiels d'action entrants. Si la constante de temps de la membrane cellulaire est suffisamment longue, comme c'est le cas pour le corps cellulaire, alors la quantité de sommation est augmentée. L'amplitude d'un potentiel postsynaptique au moment où le suivant commence s'additionnera algébriquement avec elle, générant un potentiel plus grand que les potentiels individuels. Cela permet au potentiel membranaire d'atteindre le seuil pour générer un potentiel d'action.
Mécanisme
Les neurotransmetteurs se lient aux récepteurs qui ouvrent ou ferment les canaux ioniques dans la cellule postsynaptique créant des potentiels postsynaptiques (PSP). Ces potentiels modifient les chances qu'un potentiel d'action se produise dans un neurone postsynaptique. Les PSP sont considérées comme excitatrices si elles augmentent la probabilité qu'un potentiel d'action se produise, et inhibitrices si elles diminuent les chances.
Le glutamate comme exemple excitateur
Le neurotransmetteur glutamate, par exemple, est principalement connu pour déclencher des potentiels postsynaptiques excitateurs (EPSP) chez les vertébrés. La manipulation expérimentale peut provoquer la libération du glutamate par la stimulation non tétanique d'un neurone présynaptique. Le glutamate se lie alors aux récepteurs AMPA contenus dans la membrane postsynaptique provoquant l'afflux d'atomes de sodium chargés positivement. Ce flux entrant de sodium conduit à une dépolarisation à court terme du neurone postsynaptique et à une EPSP. Alors qu'une seule dépolarisation de ce type peut ne pas avoir beaucoup d'effet sur le neurone postsynaptique, des dépolarisations répétées causées par une stimulation à haute fréquence peuvent conduire à la sommation de l'EPSP et au dépassement du potentiel seuil.
Le GABA comme exemple inhibiteur
Contrairement au glutamate, le neurotransmetteur GABA fonctionne principalement pour déclencher des potentiels postsynaptiques inhibiteurs (IPSP) chez les vertébrés. La liaison du GABA à un récepteur postsynaptique provoque l'ouverture de canaux ioniques qui provoquent soit un afflux d'ions chlorure chargés négativement dans la cellule, soit un efflux d'ions potassium chargés positivement hors de la cellule. L'effet de ces deux options est l'hyperpolarisation de la cellule postsynaptique, ou IPSP. La sommation avec d'autres IPSP et des EPSP contrastées détermine si le potentiel postsynaptique atteindra le seuil et provoquera le déclenchement d'un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique.
EPSP et dépolarisation
Tant que le potentiel de membrane est inférieur au seuil pour les impulsions de tir, le potentiel de membrane peut additionner les entrées. C'est-à-dire que si le neurotransmetteur au niveau d'une synapse provoque une petite dépolarisation, une libération simultanée du transmetteur au niveau d'une autre synapse située ailleurs sur le même corps cellulaire s'additionnera pour provoquer une plus grande dépolarisation. C'est ce qu'on appelle la sommation spatiale et est complétée par une sommation temporelle, dans laquelle les libérations successives de l'émetteur d'une synapse provoqueront un changement de polarisation progressif tant que les changements présynaptiques se produisent plus rapidement que le taux de décroissance des changements de potentiel membranaire dans le neurone postsynaptique. Les effets des neurotransmetteurs durent plusieurs fois plus longtemps que les impulsions présynaptiques et permettent ainsi la sommation des effets. Ainsi, l'EPSP diffère des potentiels d'action d'une manière fondamentale : il additionne les entrées et exprime une réponse graduée, par opposition à la réponse tout ou rien de la décharge impulsionnelle.
IPSP et hyperpolarisation
En même temps qu'un neurone postsynaptique donné reçoit et additionne un neurotransmetteur excitateur, il peut également recevoir des messages contradictoires qui lui demandent d'arrêter le déclenchement. Ces influences inhibitrices (IPSP) sont médiées par des systèmes de neurotransmetteurs inhibiteurs qui provoquent l'hyperpolarisation des membranes postsynaptiques. De tels effets sont généralement attribués à l'ouverture de canaux ioniques sélectifs qui permettent soit au potassium intracellulaire de quitter la cellule postsynaptique, soit à permettre au chlorure extracellulaire d'entrer. Dans les deux cas, l'effet net est d'ajouter à la négativité intracellulaire et d'éloigner le potentiel membranaire du seuil de génération d'impulsions.
EPSP, IPSP et traitement algébrique
Lorsque les EPSP et les IPSP sont générés simultanément dans la même cellule, la réponse de sortie sera déterminée par les forces relatives des entrées excitatrices et inhibitrices. Les instructions de sortie sont ainsi déterminées par ce traitement algébrique de l'information. Parce que le seuil de décharge à travers une synapse est fonction des volées présynaptiques qui agissent sur elle, et parce qu'un neurone donné peut recevoir des branches de nombreux axones, le passage des impulsions dans un réseau de telles synapses peut être très varié. La polyvalence de la synapse découle de sa capacité à modifier l'information en sommant algébriquement les signaux d'entrée. Le changement ultérieur du seuil de stimulation de la membrane postsynaptique peut être amélioré ou inhibé, en fonction du produit chimique émetteur impliqué et des perméabilités ioniques. Ainsi, la synapse agit comme un point de décision auquel l'information converge, et elle est modifiée par le traitement algébrique des EPSP et des IPSP. En plus du mécanisme inhibiteur de l'IPSP, il existe un type d'inhibition présynaptique qui implique soit une hyperpolarisation sur l'axone inhibé, soit une dépolarisation persistante ; que ce soit le premier ou le dernier dépend des neurones spécifiques impliqués.
Les recherches en cours
Les microélectrodes utilisées par Katz et ses contemporains sont pâles par rapport aux techniques d'enregistrement technologiquement avancées disponibles aujourd'hui. La sommation spatiale a commencé à recevoir beaucoup d'attention de la recherche lorsque des techniques ont été développées qui ont permis l'enregistrement simultané de plusieurs loci sur un arbre dendritique. De nombreuses expériences impliquent l'utilisation de neurones sensoriels, en particulier de neurones optiques, car ils incorporent constamment une fréquence allant des entrées inhibitrices et excitatrices. Les études modernes de la sommation neuronale se concentrent sur l'atténuation des potentiels postsynaptiques sur les dendrites et le corps cellulaire d'un neurone. Ces interactions sont dites non linéaires, car la réponse est inférieure à la somme des réponses individuelles. Parfois, cela peut être dû à un phénomène causé par une inhibition appelée shunt , qui est la diminution de la conductance des potentiels postsynaptiques excitateurs.
L'inhibition du shunt est présentée dans les travaux de Michael Ariel et Naoki Kogo, qui ont expérimenté l'enregistrement de cellules entières sur le noyau optique basal de la tortue. Leurs travaux ont montré que la sommation spatiale des potentiels postsynaptiques excitateurs et inhibiteurs provoquait une atténuation de la réponse excitatrice pendant la réponse inhibitrice la plupart du temps. Ils ont également noté une augmentation temporaire de la réponse excitatrice survenant après l'atténuation. Comme contrôle, ils ont testé l'atténuation lorsque des canaux sensibles à la tension étaient activés par un courant d'hyperpolarisation. Ils ont conclu que l'atténuation n'est pas causée par une hyperpolarisation mais par une ouverture des canaux récepteurs synaptiques provoquant des variations de conductance.
Applications thérapeutiques potentielles
En ce qui concerne la stimulation nociceptive , la sommation spatiale est la capacité d'intégrer des stimuli douloureux provenant de vastes zones tandis que la sommation temporelle fait référence à la capacité d'intégrer des stimuli nociceptifs répétitifs. Une douleur généralisée et de longue durée est caractéristique de nombreux syndromes de douleur chronique. Cela suggère que les sommations spatiales et temporelles sont importantes dans les conditions de douleur chronique. En effet, grâce à des expériences de stimulation par la pression, il a été montré que la sommation spatiale facilite la sommation temporelle des entrées nociceptives, en particulier la douleur de pression. Par conséquent, le ciblage simultané des mécanismes de sommation spatiale et temporelle peut être bénéfique pour le traitement des affections douloureuses chroniques.