Roumani_s Physiology

NOYAUX GRIS CENTRAUX

A-Introduction

– Les noyaux gris centraux, ou ganglions de la base (du latin basal ganglia), représentent quatre structures anatomiques paires situées dans le télencéphale, le diencéphale ou le mésencéphale. Ce sont masses de substance grise, riches en corps cellulaires, qui effectuent des liaisons avec le cortex moteur, le diencéphale, le cervelet ou encore les noyaux moteurs du tronc cérébral.

– Traditionnellement, l’on admet que les noyaux gris de la base ne sont impliqués que dans la motricité. Cette affirmation est notamment due au fait que des dysfonctionnements majeurs de ces structures sont en cause de maladies motrices, par DÉFAUT de mouvement comme la maladie de Parkinson ou par EXCÈS comme la maladie de Huntington.

– Or, il a été démontré récemment que ces noyaux forment également des connexions avec des centres non-moteurs, jouant un rôle dans la cognition, l’humeur et le comportement.

B-Rappel anatomique

– Les noyaux gris centraux sont des amas de substance grise interconnectés, disséminés dans les hémisphères cérébraux, le diencéphale et le mésencéphale. L’on distingue quatre structures principales (les couleurs utilisées dans le texte correspondent aux deux schémas) :

1-Le striatum : C’est un amas de substance grise situé en haut et en dehors du thalamus. Il est formé de deux parties :

      • Le putamen (2) : qui est un volumineux noyau disposé latéralement au thalamus (4).
      • Le noyau caudé (NC) (1) : en forme de fer à cheval, enserre cranialement le thalamus et le putamen, avant de se terminer plus bas, vers le corps amygdaloïde (3).

2-Le pallidum : Le pallidum ou globus pallidus est un petit, situé en bas et en dedans du putamen. Il est divisé en deux parties par une fine lame de substance blanche : le globus pallidus externe (GPe) et le globus pallidus interne (GPi).

R! Le pallidum et le putamen forment une structure triangulaire offrant l’aspect d’une lentille biconvexe, appelée noyau lentiforme.

3-Le noyau subthalamique : Le noyau subthalamique (NST) ou corps de Luys est un petit noyau diencéphalique situé en-dessous du thalamus, au-dessus de la substance noire, et en dedans du GPi.

4-La substance noire : La substance noire aussi appelée locus niger (SN), est un petit noyau mésencéphalique situé en-dessous du noyau subthalamique. Il est divisé en deux parties : la partie réticulaire (SNr) et la partie compacte (SNc), dont les caractéristiques sont proches du GPi. Elle est appelée substance noire du fait de la présence de neuromélanine, naturellement pigmentée.

C-Histophysiologie

– La plupart des neurones des noyaux gris centraux sont INHIBITEURS de type GABAergique, à l’exception des neurones du noyau subthalamique qui sont EXCITATEURS de type glutamatergique. Néanmoins, l’on observe des différences au niveau de leur structure cellulaire et de leur fonction :

1-Le striatum :

-Le striatum possède une population de neurones particuliers dits neurones épineux. Un peu comme les cellules de Purkinje du cervelet, ces neurones possèdent des épines qui partent de leurs dendrites. Ils reçoivent des afférences provenant du cortex et qui s’articulent avec la pointe de l’épine, et d’autres afférences provenant du thalamus et de la substance noire qui s’articulent avec la base de l’épine. Cette disposition très particulière offre au striatum un rôle d’intégration des influx inhibiteurs ou modulateurs en provenance du cortex.

– En plus du GABA, les neurones du striatum sont capables de synthétiser des enképhalines (dérivé opioïde), de la dynorphine ou encore de la substance P. Ces neurones sont silencieux. Lorsqu’ils reçoivent un influx excitateur d’une région corticale, ils déchargent et inhibent leur cellule cible du globus pallidus interne ou de la substance noire réticulaire.

R! Il existe un petit nombre de neurones du striatum de grande taille et qui sont cholinergiques à sécrétion tonique.

– En outre, grâce à des techniques de marquage et de traçage, l’on a pu mettre en évidence au niveau du striatum deux territoires fonctionnels différents selon les afférences corticales d’origine :

• Territoire somatomoteur : il est localisé dans le putamen et reçoit des projections des cortex moteurs. Il est organisé somatotopiquement (c’est-à-dire que chaque partie du corps est contrôlée indépendamment par un groupe de neurones bien précis) en trois bandes : la bande médiale contrôle les jambes, la bande moyenne contrôle les bras et la bande latérale contrôle la tête.

• Territoire associatif : principalement localisé au niveau du noyau caudé. Il reçoit des afférences à partir du cortex frontal, pariétal, temporal et occipital du côté homolatéral.

2-Le pallidum et la substance noire : Les neurones du pallidum et de la substance noire sont différents de ceux du striatum. Leurs dendrites sont lisses, peu ramifiées et très longues. Elles reçoivent 90% de leurs afférences à partir du striatum et 10% du noyau subthalamique.

3-Le noyau subthalamique : La structure des neurones du noyau subthalamique est proche des précédents. Leurs dendrites sont lisses et peu ramifiées, elles sont néanmoins plus courtes. Ce sont les seuls neurones excitateurs des noyaux gris centraux. Ils utilisent le glutamate comme neurotransmetteur et se projettent sur le pallidum et la substance noire.

D-Relation des noyaux gris centraux avec le système moteur

– Les neurones des noyaux gris sont essentiellement impliqués dans la planification, l’initiation et le contrôle du mouvement. Ils possèdent des projections efférentes vers le cortex moteur par l’intermédiaire du noyau ventro- latéral du thalamus, mais aussi afférentes en provenance de ce même cortex moteur. Ils influencent également le tronc cérébral et la moelle épinière sans pour autant s’articuler directement avec les motoneurones.

E-Principales connexions des noyaux gris centraux

– Les noyaux gris centraux sont reliés au cortex cérébral et au thalamus. Ils en reçoivent des influx afférents et y envoient des influx efférents. Ce système est très ordonné, il possède une porte d’entrée, et une porte de sortie :

• Le striatum : il constitue la porte d’ENTRÉE principale des influx afférents en provenance du cortex et du thalamus (pour rappel, le striatum est formé par le noyau caudé et le putamen).

• Le système GPi-SNr : il constitue la porte de SORTIE des influx efférents, à travers des relais thalamiques. En plus des connexions avec le cortex, les noyaux gris centraux sont INTERCONNECTÉS entre eux.

1-Entrées : Les afférences proviennent soit du cortex cérébral soit du noyau centro-médian du thalamus pour se terminer au niveau du striatum (noyau caudé et putamen). Cela forme un système que l’on appelle faisceau cortico-strié. Ce système est stimulateur glutamatergique et contrôle notamment le mouvement.

2-Interconnexions :

– Les noyaux gris centraux possèdent plusieurs systèmes de connexions intrinsèques, servant notamment à MODULER l’information afférente au striatum, soit en la facilitant (noyau subthalamique) soit en l’inhibant :

      • Le striatum : envoie des projections vers le pallidum et la substance noire.
      • Le pallidum et le noyau subthalamique : forment un circuit de projections réciproques, c’est-à-dire que chacun envoie des fibres vers l’autre.
      • La substance noire : envoie des projections vers le striatum. Ces projections sont dopaminergiques et jouent un rôle majeur dans l’apparition de la maladie de Parkinson.

3-Sorties :

-Les efférences proviennent du système GPi-SNr pour venir se projeter vers le colliculus supérieur ou vers le thalamus selon le schéma suivant :

• Le globus pallidus interne (GPi) : se projette sur les noyaux centro-médial et ventro-latéral du thalamus.

• La substance noire réticulaire (SNr) : se projette sur le noyau ventro-latéral du thalamus et sur le colliculus supérieur dont le rôle devient prépondérant lors des mouvements oculaires.

F-Réseaux de circuits en boucles parallèles

1-Définition :

-Il existe un modèle de fonctionnement basé sur des circuits en boucle entre les noyaux gris, le thalamus et le cortex moteur. Ce modèle permet de réguler le mouvement et permet de rendre compte des pathologies affectant le système de la motricité volontaire, tant sur le plan hypokinétique qu’hyperkinétique.

-Ce réseau comporte plusieurs circuits parallèles, chacun agissant indépendamment de l’autre et assurant une activité particulière : motrice, associative (cognitive) ou encore limbique (émotionnelle).

-Les boucles en question sont dite cortico-striato-pallido-thalamo-corticales. Un nom assez long pour un circuit fondamentalement simple. C’est en fait une superposition entre les trois systèmes évoqués précédemment : les entrées, les interconnexions et les sorties :

• Il a été spécifié précédemment que le striatum constituait la porte d’entrée des influx provenant du cortex, la première étape est donc cotrico-striée.

• Il existe ensuite des interconnexions, notamment entre le striatum et le pallidum, la seconde étape est donc striato-pallidale. L’on se retrouve avec un circuit cortico-striato-pallidal.

• Vient ensuite la dernière étape qui dit que le système GPi-SNr, dont fait partie le pallidum, est la porte de sortie des influx efférents vers le cortex, en passant par le thalamus. La dernière étape est donc pallido- corticale par interposition du thalamus, nous dirons plutôt pallido-thalamo-corticale. L’on aboutit alors à la boucle définitive cortico-striato-pallido-thalamo-corticale.

2-Circuit squeletto-moteur :

-Pour bouger, il faut que le cortex moteur en donne l’ordre. Pour ce faire, il faut que lui-même en reçoive l’ordre, de la part d’influx excitateurs provenant du thalamus (le thalamus ne peut qu’exciter le cortex moteur). Si ces influx excitateurs étaient toujours actifs, nous serions en mouvement constant, de manière totalement incontrôlable.

– C’est pour cela que le thalamus est physiologiquement inhibé de façon tonique par des neurones inhibiteurs du GPi, eux même stimulés par le noyau subthalamique. Le fait de bouger n’est autre qu’une levée d’inhibition du thalamus qui pourra de ce fait informer le cortex à propos du mouvement que l’on désire effectuer. Comme l’ont si bien démontré les tuteurs de Khan Academy, le thalamus est une sorte de chien enragé qui, livré à lui-même, devient incontrôlable. Le GPi serait la laisse qui permettrait de calmer ce chien et le maintenir en place.

-Cependant, pour faire un certain mouvement, il faudrait faire en sorte que tous les autres mouvements que l’on ne désire pas effectuer soient inhibés. C’est encore une fois grâce aux noyaux gris centraux que tout est possible.

-[Le schéma ci-dessus montre le mécanisme d’inhibition physiologique du thalamus. En rouge les neurones inhibiteurs, en vert les neurones excitateurs. L’on voit également en encadré les graphiques d’oscilloscope enregistrés au niveau axonique (potentiel d’action ou de repos) et post-synaptique (PPSE ou PPSI).]

-Les circuits squeletto-moteurs ont été divisés par les chercheurs en deux grandes voies, basées sur l’existence de deux populations de neurones striataux, ayant une affinité différente pour la dopamine et élaborant des neurotransmetteurs différents :

• La voie directe : c’est la voie d e levée d’inhibition du thalamus. Les neurones striataux de cette voie sécrètent notamment de la substance P et se projettent de façon monosynaptique sur le système GPi-SNr (que l’on avait qualifié de porte de sortie des influx).

• La voie indirecte : c’est la voie d ’inhibition des mouvements indésirables. Les neurones striataux de cette voie sécrètent de l’enképhaline et de la dynorphine. Ils se projettent d’abord sur le GPe, qui lui-même se projette sur le noyau subthalamique, qui lui-même se projette sur le système GPi-SNr. C’est une voie polysynaptique.

a-Détails de la voie directe :

-Lorsque l’on décide de bouger, le cortex envoie des influx stimulateurs glutamatergiques vers le putamen. Les neurones inhibiteurs à GABA/substance P du putamen vont aller s’articuler avec les neurones du GPi. Ces derniers seront INHIBÉS et ne vont plus exercer leur effet inhibiteur sur le thalamus.

-De ce fait, le thalamus sera donc libéré de tout contrôle freinateur et pourra ainsi STIMULER le cortex (sur le principe de « moins fois moins égal plus »), aboutissant finalement au MOUVEMENT.

-Selon l’analogie de tout à l’heure, cela reviendrait à libérer le chien de sa laisse, et le livrer à lui-même.

-Pour résumer :

b-Détails de la voie indirecte :

-Afin d’inhiber les mouvements indésirables, il se produit les étapes suivantes :

    • Le cortex STIMULE le putamen grâce à ses neurones glutamatergiques.
    • Le putamen INHIBE le GPe grâce à ses neurones à GABA, enképhaline ou dynorphine.
    • Le GPe est inhibé, il ne peut donc plus inhiber à son tour le noyau subthalamique qui sera donc libéré de tout contrôle.
    • Le noyau subthalamique STIMULE le GPi grâce à ses neurones glutamatergiques.
    • Le GPi INHIBE le thalamus grâce à ses neurones GABAergiques.
    • Le thalamus est inhibé, il ne peut donc plus stimuler le cortex → pas de mouvements.

Pour résumer :

3-Circuit oculomoteur :

-Il existe quatre types de mouvements oculaires :

      • La poursuite lisse : le fait de suivre de manière fluide un objet en mouvement.
      • La vergence : le fait de fixer un objet qui se rapproche ou s’éloigne de nous.
      • Le réflexe vestibulo-oculaire : le fait de fixer un objet statique pendant la rotation de la tête.
      • Les saccades : mouvement fluide des yeux permettant d’explorer le champ visuel et de changer le point fixé.

-C’est justement sur ce dernier mouvement qu’agissent les noyaux gris centraux. Les mouvements oculaires sont contrôlés par un autre relais : le colliculus supérieur. Il est situé sur la face postérieure du tronc cérébral et sert à coordonner les mouvements de la tête également.

-A l’état de repos, la substance noire réticulaire envoie une décharge TONIQUE de GABA, qui va INHIBER de manière permanente le colliculus supérieur, ce qui va freiner les mouvements oculaires. Le fait de bouger les yeux n’est donc qu’une levée d’inhibition sur le colliculus supérieur. Le mécanisme se fait comme il suit :

    • L’aire oculomotrice (ou aire 8 de Brodmann) STIMULE le noyau caudé grâce à ses neurones glutamatergiques.
    • Le noyau caudé INHIBE la substance noire réticulaire grâce à ses neurones GABAergiques.
    • la substance noire est inhibée, elle ne peut donc plus inhiber à son tour le colliculus supérieur qui sera donc libéré de tout contrôle.
    • Le colliculus supérieur STIMULE l’aire oculomotrice aboutissant au mouvement de saccade.

Pour résumer :

4-Autres connexions :

-Plus récemment, il a été découvert que les noyaux gris centraux avaient d’autres connexions corticales :

      • Aires motrices supplémentaires : elles envoient des projections EXCITATRICES vers le noyau subthalamique. Elles sont impliquées par exemple dans les taches bimanuelles ou les mouvements des doigts.
      • Aires prémotrices : elles envoient également des projections EXCITATRICES vers le noyau subthalamique. Elles sont impliquées dans les mouvements posturaux et dans la programmation du mouvement.

5-Effet de la dopamine :

-La dopamine est sécrétée par les cellules dopaminergiques de la substance noire compacte (SNc). Selon qu’elle agisse sur la voie directe ou sur la voie indirecte, les récepteurs sont différents :

      • Voie directe : en agissant sur la voie directe, la dopamine va se fixer sur les récepteurs D1 de la membrane axonique des neurones stirataux. La fixation de la dopamine sur les récepteurs D1 aura un effet EXCITATEUR sur les neurones du striatum, ces derniers vont inhiber encore plus le GPi, qui va lui-même laisser plus de liberté au thalamus et vont donc FAVORISER le mouvement (voir schéma de la voie directe).
      • Voie indirecte : en agissant sur la voie indirecte, la dopamine va se fixer sur les récepteurs D2 de la membrane des neurones striataux (certains ouvrages prétendent qu’ils se situent plutôt sur la membrane d’un interneurone). La fixation de la dopamine sur les récepteurs D2 aura un effet INHIBITEUR sur les neurones du stratum. Ces derniers vont moins inhiber les neurones du GPe, qui vont plus inhiber ceux du NST, qui vont moins stimuler ceux du GPi, laissant plus de liberté au thalamus et donc FAVORISER le mouvement (voit schéma de la voie indirecte).

-En outre, les neurones de la SNc possèdent également des connexions réciproques avec le noyau subthalamique qui va en quelque sorte réguler la sécrétion de dopamine par rétrocontrôle : plus la sécrétion de dopamine est élevée, plus le NST va inhiber les neurones dopaminergiques de la SNc.

R! L’on retiendra donc que la dopamine FACILITE les mouvements.

6-Circuits cognitifs :

a-Circuit préfrontal dorsolatéral :

-C’est un circuit impliqué dans la préparation des actions :

b-Circuit orbitofrontal :

-C’est un circuit impliqué dans l’empathie et les réponses appropriées aux stimuli sociaux :

c-Circuit cingulaire antérieur :

C’est un circuit impliqué dans la motivation et le comportement :

G-Données électrophysiologiques

-Il a été établi que les noyaux gris centraux intervenaient dans le calibrage spatio- temporel des mouvements. Afin d’étudier ce phénomène, les chercheurs ont enregistré par le biais d’électrodes, la réponse d’un neurone du GPi (porte de sortie) suite à une stimulation du cortex somatomoteur.

-Ils ont découvert que la réponse du neurone était triphasique :

  1. Phase 1 : renforcement de l’activité tonique spontanée (celle qui inhibe de façon permanente le thalamus).
  2. Phase 2 : hypoactivité de brève durée du GPi (donc le mouvement s’effectue). Elle est due à l’activation de la voie directe.
  3. Phase 3 : hyperactivité du GPi (donc arrêt du mouvement). Elle est due à l’activation de la voie indirecte.

-En fait, en plus de la voie directe et de la voie indirecte, il existe une troisième voie, extrêmement rapide d’INHIBITION :

-C’est cette voie qui est à l’origine de la phase 1. Elle aurait un rôle de limitation des mouvements non désirés.

H-Fonction

-Les fonctions des noyaux gris centraux ont été démontrées en observant des patients atteints de pathologies touchant ces structures. On les retrouve dans trois grandes fonctions :

  1. Contrôle du mouvement : ils sont impliqués dans la planification, programmation, exécution, harmonie et changement rapide d’activité, sans oublier les mouvements oculaires de saccades.
  2. Aspects cognitifs : ils ont impliqués dans l’apprentissage moteur grâce au cortex préfrontal.
  3. Aspects limbiques : ils sont impliqués dans le contrôle émotionnel.

I-Pathologies

-Toute altération des circuits moteurs aura pour conséquences des hyperkinésies ou des hypokinésies. Par contre, les altérations des circuits associatifs peuvent donner lieu à des troubles cognitifs, des troubles obsessionnels compulsifs…

1-Maladie de Parkinson :

a-Signes cliniques :

    • Akinésie caractéristique de la maladie.
    • Bradykinésie (mouvements lents).
    • Rigidité.
    • Tremblements de repos.
    • Expression figée.
    • Démarche pantelante, pas de balancement des bras, posture voutée.

b-Physiopathologie :

    • L’activité excessive des neurones du noyau subthalamique induit une hyperexcitation du GPi qui va donc inhiber le thalamus → pas de stimulation du cortex. Cela va entrainer une hypokinésie.
    • La perte des afférences dopaminergiques de la SNc va stimuler la voie indirecte et freiner la voie directe par stimulation du GPi (voir effet de la dopamine), entrainant ainsi un défaut de mouvement.
    • Les signes cliniques dus à cette boucle dite thalamo-corticale sont traités par administration d’agonistes de la dopamine comme l’apomorphine.
    • Le traitement par la L-DOPA, précurseur physiologique de la dopamine, est également très recommandé pour les cas diagnostiqués précocement.

c-Traitement chirurgical :

• Lésion provoquée du noyau subthalamique → baisse de la stimulation du GPi → levée d’inhibition du thalamus → mouvement.

• Inactivation par stimulation électrique sélective des noyaux sensori-moteurs du GPi → amélioration des troubles de la coordination (ataxie, tremblements…).

• Lésion provoquée des noyaux sensori-moteurs du GPi (pallidotomie) → efficace chez les cas avancés intraitables par médicaments.

2-Ballisme :

      • Mouvements involontaires, brusques et amples.
      • Le plus souvent, l’on assiste à un hémiballisme controlatéral, dû à une lésion du noyau subthalamique.
      • Cette maladie illustre bien l’action régulatrice que possède le noyau subthalamique. Sa lésion entrainant une diminution de l’action inhibitrice du GPi sur le thalamus et donc une hyperkinésie.

3-Chorée de Huntington :

      • Maladie neurodégénérative causant une destruction du striatum et du cortex.
      • Le patient souffre de mouvements incontrôlables dans tout le corps, accompagnés d’une hypotonie entrecoupée de manifestations hypertoniques transitoires et localisées (comme des crampes…).
      • La destruction du cortex (notamment du lobe frontal) induit souvent des cas de démence.