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Neurophysiologie : synapse chimique
Structure présynaptique et fente synaptique

Sommaire
définition

La structure présynaptique et la fente synaptique font partie des trois structures de la synapse chimique.

Une synapse chimique, malgré une grande variété dans son organisation, est constituée de trois parties.

Neuropile
Neuropile
(Figure : vetopsy.fr d'après Imig et coll)

Un peu d'histoire

1. Pour Camillo Golgi (1843-1926) et sa théorie réticulariste, les neurones, dont les membranes sont liées et qui partagent le même cytoplasme, forment un réseau continu.

Golgi et Ramón y Cajal
Camillo Golgi et Santiago Ramon y Cajal

2. Pour Santiago Ramón y Cajal (1853-1934) et sa théorie neuroniste, les neurones sont des cellules indépendantes, i.e. non liées physiquement.

Ces deux scientifiques éminents recevront le prix Nobel de sciences en 1906 (loupe les frères ennemis de la physiologie).

3. Au début des années 1950, on a découvert qu'une étape chimique était nécessaire pour expliquer en particulier :

  • le délai synaptique, intervalle de temps entre le potentiel d’action présynaptique et l’activation des récepteurs postsynaptiques par le neurotransmetteur de l’ordre de la ms.
  • la propagation de l'influx nerveux, i.e. présynaptique vers postsynaptique, et jamais le contraire.

Structure présynaptique

Près des ramifications terminales, si elle existe, la gaine de myéline disparaît.

1. La structure présynaptique est constituée par le bouton terminal, i.e. renflement axonal.

a. Elle contient :

b. Elle est dépourvue de neurofilaments et de neurotubules.

2. Les vésicules claires localisées près de la membrane présynaptique, vésicules qui contiennent les neurotransmetteurs, sont l'élément le plus caractéristique de cette structure.

livre

Les vésicules synaptiques (VS) sont étudiées dans un chapitre spécial.

Zone active (ZA)

La zone active (ZA) est la région du bouton présynaptique qui assure la médiation de la libération du neurotransmetteur.

La zone active est formée (The Presynaptic Active Zone 2012) :

  • de la membrane présynaptique,
  • d'une cytomatrice, i.e. CAZ (Cytomatrix Active Zone), amas dense de protéines.

Membrane présynaptique

La membrane présynaptique a une structure membranaire cellulaire classique, mais sa composition lipidique est différente de la membrane plasmique (Lipid function at synapse 2010).

1. La membrane présynaptique est formée classiquement :

2. En outre, la membrane présynaptique est hautement enrichie en sphingolipides, y compris en gangliosides.

3. Le cholestérol et les sphingolipides s'auto-organisent en nanodomaines qui contribuent à l'organisation des canaux ioniques, à la signalisation lipidique médiée par les enzymes et à la disposition des protéines SNARE pour la fusion des vésicules synaptiques (VS).

Remarque : le cholestérol représente jusqu'à 40% du total des lipides des VS et interagit avec la synaptophysine des VS contribuant à la courbure de la membrane élevée de VS (Molecular Anatomy of a Trafficking Organelle 2006).

CAZ (Cytomatrix Active Zone)

La CAZ (Cytomatrix Active Zone) est l'emplacement où les vésicules synaptiques fusionnent avec la membrane plasmique présynaptique (Presynaptic active zones in invertebrates and vertebrates 2015).

  • La CAZ des vertébrés est similaire à celle des invertébrés, avec de nombreuses caractéristiques identiques et des protéines centrales communes.
  • Cependant, les vertébrés ont des protéines ZA plus diverses, ce qui leur permet de construire des ZA plus complexes.
Zone active présynaptique (ZA) de différentes espèces
Zone active présynaptique (ZA) de différentes espèces
(Figure : vetopsy.fr d'après Ackermann et coll)

1. Morphologiquement, la microscopie électronique a montré la présence de nombreux processus filamenteux fins dans la CAZ du système nerveux central des vertébrés, qui connectent les VS et les rapprochent du site de libération (A Network of Three Types of Filaments Organizes Synaptic Vesicles for Storage, Mobilization, and Docking 2016).

  • Trois types de filaments reliant les VS
    Trois types de filaments reliant les VS
    (Figure : vetopsy.fr d'après Cole et coll)
    Les synapses sensorielles chez les vertébrés sont plus complexes que celles du système nerveux central.
  • La synapse sensorielle des vertébrés, appelée synapse à ruban, relie un grand nombre de VS près de la ZA pour favoriser une libération rapide et soutenue.
bien

Les synapses à ruban sont étudiées dans un chapitre spécial.

2. La fonction principale de la CAZ est d'attacher (tethering) et d'amarrer (docking) les vésicules synaptiques (VS) aux membranes présynaptiques pour augmenter la capacité de fusion des VS et de terminer la libération de neurotransmetteurs (Rebuilding essential active zone functions within a synapse 2022).

  • La CAZ est une structure très dynamique qui garantit que la fusion des vésicules est fortement organisée dans le temps et l'espace, permettant ainsi une libération précise et fiable de neurotransmetteurs.
  • La CAZ régule la plasticité présynaptique.
Protéines de la zone active (ZA)
Protéines de la zone active (ZA)
(Figure : vetopsy.fr d'après Mochida et Wang)
pas bien

La ZA est constituée d'un échafaudage de protéines dont certaines ont été identifiées, mais il est méthodiquement difficile de purifier les protéines présentes et d'établir les liens entre elles, i.e. les recherches sont encore en cours.

Interactions des principales protéines de la zone active (ZA)
Interactions des principales protéines de la zone active (ZA)
(Figure : vetopsy.fr d'après Mittelstaedt et coll)

3. La CAZ des vertébrés comprend de nombreuses protéines qui interagissent pour former un réseau similaire à une structure macromoléculaire complexe qui fonctionne efficacement pendant le processus de transmission synaptique (Assembly of the presynaptic active zone 2020).

Au fur et à mesure que le domaine progresse, de nouvelles protéines et interactions sont décrites, qui comprennent :

4. L'organisation de la ZA est également dépendante d'une LLPS, i.e. séparation de phase liquide-liquide, créée par RIM et RIM-BP et favorisée par l'inclusion de VGCC (loupe synapses et condensats).

Modèle de regroupement des CaV/VGCC par les condensats RIM et RIM-BP
Modèle de regroupement des CaV/VGCC par les condensats RIM et RIM-BP
(Figure : vetopsy.fr d'après Wu et coll)

4. L'exocytose des VS et des membranes plasmiques présynaptiques est strictement régulée et peut être divisée en :

bien

Tous ces processus sont étudiés dans des chapitres spéciaux.

Zone périactive

1. La zone périactive (PZA), comme son nom l'indique, est une zone située à environ 100 nm du bord de zone active (ZA), dans laquelle s'effectue l'endocytose suite à l'exocytose des vésicules synaptiques (VS) et la libération des neurotransmetteurs (The Active and Periactive Zone Organization and the Functional Properties of Small and Large Synapses 2016).

La machinerie endocytaire qui entraîne ce recyclage s'accumule dans la zone périactive, mais l'organisation de la PZA reste inconnue.

2. Différentes protéines endocytaires se localisent dans des régions distinctes de la PZA, ce qui suggère que les sous-domaines sont spécialisés pour des activités biochimiques distinctes, des étapes de remodelage de la membrane ou des fonctions synaptiques (An approach for quantitative mapping of synaptic periactive zone architecture and organization 2023).

Fente synaptique

La fente synaptique est l'espace entre deux cellules nerveuses qui constitue une aire de jonction par laquelle le message chimique passe d'un neurone à l'autre, entraînant l'excitation ou l'inhibition de ce dernier.

  • Elle sépare les structures présynaptique et postsynaptique, i.e. la membrane des deux neurones, et empêche leur communication directe (Ultrastructure of Synapses in the Mammalian Brain 2012).
  • Les neurotransmetteurs diffusent dans la fente synaptique et se lient aux récepteurs de la membrane du neurone postsynaptique ou aux récepteurs du neurone présynaptique.
Fente synaptique

Fente synaptique
(Figure : vetopsy.fr d'après Tao et coll)

1. La fente synaptique est un espace de 10 à 40 nm dans les synapses chimiques :

  • assez large pour permettre les mouvements liquidiens et la diffusion ionique et moléculaire,
  • assez étroite pour que l'augmentation des concentrations de neurotransmetteurs soit rapide.

Remarque : la fente synaptique est de l'ordre de 2 nanomètres pour les synapses électriques.

2. Une lame basale est absente des synapses neuro-neuronales, mais présente dans les jonctions neuromusculaires (plaques motrices).

Structure postsynaptique