La plasticité synaptique, en neurosciences, désigne la capacité des synapses à moduler, à la suite d'un événement particulier l'efficacité de la transmission du signal électrique d'un neurone à l'autre et à conserver, à plus ou moins long terme, une « trace » de cette modulationPour revue, voir : .. De manière schématique, l'efficacité de la transmission synaptique, voire la synapse elle-même, est maintenue et modulée par l'usage qui en est faitL'adage anglais Use it or lose it! [Vous le perdrez si vous ne l'utilisez pas] est parfois employé pour illustrer le phénomène : . La plasticité synaptique serait un des mécanismes neuronaux support de la mémoire et de l'apprentissage des organismes dotés d'un système nerveux .
La plasticité synaptique correspond à différents types de mécanismes moléculaires et cellulaires associés à des modifications de la physiologie neuronale (potentialisation et dépression à long terme) et/ou du comportement de l'organisme (habituation, sensibilisation). En effet, la connexion entre deux neurones n'est pas figée, comme on le pensait au début des recherches dans ce domaine, mais dépend des activités antérieures des neurones, de l'« utilisation » qui a pu être faite de cette connexion. La plasticité synaptique est considérée comme un type de plasticité des réseaux neuronaux et du cerveau en général, la plasticité neuronale (ou cérébrale). Néanmoins, cette forme de plasticité, à l'échelle de la synapse, permet d'expliquer différentes formes d'apprentissage et de mémorisation observés chez tous les organismes possédant un système nerveux, y compris les espèces les plus anciennes.
Historique En , est le premier à avoir utilisé l’expression de « plasticité synaptique » pour évoquer l'idée de Santiago Ramón y Cajal selon laquelle la mémoire était conservée sous forme de modifications anatomiques dans la force des connexions synaptiques. . Une notion similaire est développée par Donald Hebb à la même époque, de l'autre côté du rideau de fer. .
Transmission synaptique et plasticité vignette| Figure 1. Représentation schématique d'une synapse. L'information nerveuse présynaptique, véhiculée sous forme de potentiels d'action, est convertie en signal chimique, sous forme de neurotransmetteurs, au niveau de la synapse, pour être de nouveau converti en signal électrique par le neurone postsynaptique. L'efficacité de cette transmission synaptique peut être modulée, on parle alors de plasticité synaptique.
Une synapse est une spécialisation de la membrane plasmique du neurone permettant aux neurones le transfert d'un influx nerveux électrique sous forme chimique (figure 1). Au niveau présynaptique, l'arrivée d'un influx nerveux, codé sous forme de potentiels d'action et véhiculé le long de l'axone, provoque la libération de neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Les neurotransmetteurs se lient à des récepteurs spécifiques localisés au niveau de la membrane du neurone postsynaptique. Ces récepteurs, qui peuvent être métabotropes ou ionotropes, une fois activés, génèrent, par l'ouverture de canaux ioniques, des potentiels postsynaptiques membranaires qui, s'ils atteignent un seuil au niveau du cône d'émergence (ou zone gâchette), généreront des potentiels d'actions par le neurone postsynaptique. C'est ces différents mécanismes de la transmission synaptique qui vont pouvoir être modifiés par des phénomènes de plasticité synaptique.
Le signal nerveux généré par le neurone postsynaptique dépend de l'amplitude de sa dépolarisation. Celle-ci est dépendante de nombreux paramètres intervenant aux trois niveaux de la synapse et présentés ici de manière non exhaustive : neurone présynaptique : fréquence des potentiels d'action afférents (en ), ensemble (pool) de vésicules synaptiques disponible, quantité de neurotransmetteurs par vésicule, action d'interneurones modulateurs ; fente synaptique : nature et concentration des neurotransmetteurs (en ), implication des astrocytes dans la recapture des neurotransmetteurs ; neurone postsynaptique : identité, nombre et efficacité des récepteurs postsynaptiques.
La plasticité synaptique résulte d'un changement quantitatif des différents paramètres de codage d'entrée et de sortie, il y a donc deux composantes possibles, une composante présynaptique et une composante postsynaptique.
Modèles Historique À l'aube des années , peu de choses sont connues sur le support biologique de la mémoire et de l'apprentissage. Le cerveau humain étant d'une grande complexité (plus de de neurones avec chacun plus de synapses en moyenne), détermine quels neurones sont impliqués dans la mémoire et quelles synapses sont modulées par un apprentissage pouvait paraître difficile, voire impossible. Au début des années , des scientifiques, et parmi eux Eric Kandel (prix Nobel de médecine/physiologie en 2000), décidèrent d'avoir une approche réductionniste en utilisant des organismes modèles ayant des systèmes nerveux et des comportements plus simples, comme le lièvre de merCet article est une adaptation du discours d'Eric Kandel lors de la remise de son prix Nobel en décembre 2000. (figure 2), la mouche du vinaigre ou bien encore la souris.
vignette|alt=Aplysia californica| Figure 2. Lièvre de mer ou Aplysia californica.
L'Aplysie (figure 2) possède un système nerveux composé d'à peu près neurones présentant plus ou moins toujours la même localisation. Ses neurones sont, pour certains, de très grande taille (jusqu'à ), visibles à l’œil nu, ils facilitent les mesures électrophysiologiques, leur dissection pour des études biochimiques et l'injection de divers composés (anticorps, constructions génétiques).
Classification La recherche en neurosciences a mis à jour différentes modifications du comportement ou de la physiologie neuronale associées à diverses formes de plasticité synaptique. On distingue les plasticités comportementales comme : l'habituation, la sensibilisation, le conditionnement, Des plasticités synaptiques au niveau moléculaire :
la facilitation, l'augmentation, la potentialisation, la dépression,
la potentialisation à long terme, la dépression à long terme.
Chacun de ces phénomènes comprend des variantes classées en sous-types. À l'heure actuelle, il est évident qu'on ne peut se prétendre exhaustif dans l'énumération des différents types et sous-types de plasticité, puisqu'on n'a pas encore entièrement compris quelle logique englobante régit leur apparition. Il se peut que les variantes de plasticité soient quasi illimitées et que la fréquence de leur apparition respective soit en rapport direct avec le type de neurones qu'elles modifient, ainsi qu'en fonction de leur environnement cellulaire.
Phases On distingue en général deux phases à la plasticité synaptique : Une phase dite « à court terme »de l'ordre de la milliseconde à la seconde. qui correspond à des modifications d'efficacité de la transmission synaptique dues aux processus de fabrication, de libération, de recyclage des neurotransmetteurs, des modifications post-traductionnelles de protéines existantes, l'ensemble influençant la fréquence des potentiels d'action émis par les neurones postsynaptiques. La potentialisation post-tétanique est un exemple. Une phase dite « à long terme »de l'ordre de l'heure à la journée, voire à la semaine. qui implique des modifications de l’activité, du nombre de récepteurs aux neurotransmetteurs, la transcription, la traduction et des modifications structurales du nombre de synapses entre les neurones. Cette phase inclut les phases tardives de la potentialisation à long terme et de la dépression à long terme.
Plasticités comportementales L'habituation L'habituation, du point de vue comportemental, a tout d'abord été étudiée par Ivan Pavlov et Charles Sherrington. Elle l'a été ensuite par Alden Spencer et du point de vue cellulaire. C'est une des formes les plus simples de l'apprentissage, elle consiste à ignorer un stimulus insignifiant et inoffensif comme la sensation du vêtement au contact de la peau.
Chez l'Aplysie vignette|alt=|gauche| Figure 3. Représentation schématique du circuit neuronal impliqué dans l'habituation et la sensibilisation. En vert apparaît le neurone sensoriel du siphon et en violet le neurone moteur des branchies (gill) impliqués dans le phénomène d'habituation. Dans le cas de la sensibilisation s'ajoutent le neurone sensoriel de la queue (tail) en bleu et un interneurone modulateur en rouge.
vignette|alt=Habituation| Figure 4. Représentation schématique du phénomène d'habituation du réflexe de retrait des branchies chez l'Aplysie.
Chez ce mollusque, il existe un comportement réflexe inné de défense, le réflexe de retrait des branchies. Lorsqu'on applique un stimulus tactile léger au siphon de cet animal, il le rétracte, ainsi que ses branchies, dans un réflexe de protection. Si l'on répète la stimulation tactile, au fur et à mesure, la réponse comportementale s’atténue dans un phénomène qui s’apparente à l'habituation chez l'humain.
D'un point de vue cellulaire, ce mécanisme repose sur un circuit neuronal simple composé d'un nombre limités de neurones (figure 3), schématiquement, un neurone sensoriel et un neurone moteur connectés ensemble par une synapseEn réalité, il y a 24 neurones sensoriels et 6 neurones moteurs ainsi que des interneurones excitateurs et inhibiteurs mais ils sont rarement représentés afin de simplifier et sans que cela ne change l'interprétation du phénomène.. Le neurone sensoriel, activé par le stimulus tactile, active à son tour le neurone moteur responsable du retrait du siphon et des branchies, de manière tout à fait similaire au réflexe rotulien chez l'humain.
D'un point de vue moléculaire, le neurone sensoriel libère du glutamate, un neurotransmetteur excitateur, au niveau de la fente synaptique le séparant du neurone moteur (figure 4, contrôle). La stimulation répétée du neurone sensoriel conduit à une diminution progressive de la libération de glutamate, on parle de « dépression synaptique » (figure 4, habituation). Cette diminution correspond à une réduction du nombre de vésicules pouvant libérer ce neurotransmetteur.
On distingue deux phases au phénomène d'habituation qui dépendent du nombre de stimulations : Dix stimulations tactiles produisent une mémoire à court terme qui dure quelques minutes. Quatre sessions de stimuli produisent une mémoire à long terme qui peut durer jusqu'à trois semaines. Les sessions doivent cependant être espacées dans le temps, de quelques heures à une journée. Si elles sont données les unes à la suite des autres, sans repos les mêmes sessions d'apprentissage ne produisent pas de mémoire à long terme. Il s'agit d'un des principes généraux de la psychologie de l'apprentissage, l'entraînement espacé est plus efficace que le massé pour produire de la mémoire à long terme. Par ailleurs, la formation de la mémoire à long terme s'accompagne de modifications structurales au niveau de la terminaison présynaptique, le nombre de synapses se réduit par élagage. On observe jusqu'à 30 % de connexions en moins avec les neurones moteurs.
On retrouve ce phénomène d'habituation, avec d'autres modalités sensorielles, comme l'olfaction, et chez des espèces ayant évolué plus récemment comme la mouche ou la souris , y compris chez l'humain.
La sensibilisation Lors de ce processus, la réponse à un stimulus nociceptif se généralise à d'autres stimuli neutres, l'ensemble des réflexes défensifs sont augmentés. Il s'agit d'un phénomène similaire à la sensibilisation chez l'humain. Lorsqu'on entend un bruit très fort et inattendu, pendant une courte période de temps, même un stimulus neutre comme une main posée sur l'épaule peut provoquer un sursaut. Classiquement, une sommation sensorielle brusque et inopinée (douloureuse) induit ensuite des réactions plus vives face à divers stimuli sensoriels neutres (état d'hypervigilance, d'alerte).
Chez l'Aplysie