Les astrocytes sont des cellules gliales du cerveau et de la moelle épinière. Elles ont généralement une forme étoilée, d'où provient leur étymologie (origine grec) : Astro - étoile et cyte - cellule. Elles assurent une diversité de fonctions importantes, centrée sur le support et la protection des neurones. Ces cellules participent au maintien de la barrière hémato-encéphalique, régulent le flux sanguin, assurent l'approvisionnement en nutriments et le métabolisme énergétique du système nerveux, participent à la neurotransmission, à la détoxification du milieu extracellulaire notamment par capture du glutamate, et maintiennent la balance ionique du milieu extracellulaire. Les astrocytes jouent également un rôle dans la défense immunitaire, la réparation et la cicatrisation du cerveau ou de la moelle épinière après une lésionNA Oberheim, SA Goldman and M Nedergaard, Heterogeneity of Astrocytic Form and Function ch.3 of Astrocytes: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 814, Richard Milner (ed.) 2012..
Les recherches récentes révèlent la complexité et l'importance de cette population cellulaire. Les astrocytes sont capables d'assurer une certaine forme de communication, reposant sur des vagues intracellulaires de Ca2+, et peuvent également libérer certains neurotransmetteurs (appelés gliotransmetteurs). Cette forme de communication, que l'on croyait spécifique aux neurones, leur confèrerait un rôle beaucoup plus actif dans le fonctionnement du cerveau, notamment sur la plasticité des communications neuronales. Il a également été montré que certaines sous-populations d'astrocytes ont des propriétés de cellules souches neurales et sont à la source du mécanisme de neurogenèse adulte.
Histoire des découvertes
Rudolf Virchow fut le premier, en 1858, à proposer le concept de « neuroglie » comme étant l'élément cellulaire interstitiel du système nerveux. Camillo Golgi observa par la suite les astrocytes et supporta également qu'ils constituaient la « glu » ou le support du cerveau. Le terme « astrocyte » fut utilisé pour la première fois en 1893, par Mihály Lenhossék, pour rendre compte de leur forme étoilée.
Les travaux de Kolliker et Andriez en distinguèrent par la suite les astrocytes fibreux et protoplasmiques. Néanmoins, ce ne fut qu'à partir de Ramón y Cajal et ses dessins très détaillés des composants du système nerveux, que les nombreuses formes et fonctions des astrocytes furent observées. En effet, c'est en utilisant une coloration au chlorure d'or que Cajal marqua par hasard les filaments intermédiaires des astrocytes.
Ce n'est qu'en 1919 que les oligodendrocytes et les cellules microgliales furent séparées des astrocytes, distinguant ainsi les trois classes actuelles des cellules gliales du cerveau (une quatrième classe, les cellules NG2, semble émerger depuis les années 2000).
Désormais, de nombreuses études montrent la diversité des astrocytes et leurs rôles majeurs dans le développement, le fonctionnement et l'évolution du système nerveux.
Structure
En forme d'étoile, leurs nombreux prolongements enveloppent les synapses produites par les neurones. Chez l'homme, un seul astrocyte peut interagir avec jusqu'à 2 millions de synapses simultanément. Les astrocytes sont classiquement identifiés par analyse histologique ; nombre de ces cellules expriment la protéine acide fibrillaire gliale (GFAP). Le corps cellulaire des astrocytes contient un noyau et un cytoplasme peu abondant. Les prolongements cytoplasmiques sont quant à eux très importants, parcourant notamment tout le neuropile. Ils forment aussi la glia limitans, film protecteur au contact des méninges, formé par les prolongements astrocytaires et isolant ainsi le système nerveux central.
Types Il existe plusieurs formes d'astrocytes dans le système nerveux central : les astrocytes fibreux (dans la substance blanche), les astrocytes protoplasmiques (dans la substance grise) et les astrocytes radiaux.
Glie fibreuse Les astrocytes fibreux sont généralement situés dans la substance blanche, possèdent relativement peu d'organites et présentent de longs prolongements cellulaires non ramifiés. Ce type présente souvent des prolongements astrocytaires qui relient physiquement les cellules à l'extérieur des parois capillaires lorsqu'elles sont à proximité de celles-ci.
Glie protoplasmique Les cellules gliales protoplasmiques sont les plus répandues et se trouvent dans la substance grise. Elles possèdent un plus grand nombre d'organites.
Glie radiale Les cellules gliales radiales sont disposées dans des plans perpendiculaires aux axes des ventricules. L'un de leurs prolongements est adjacent à la pie-mère, tandis que l'autre est profondément enfoui dans la substance grise. Les cellules gliales radiales sont principalement présentes pendant le développement et jouent un rôle dans la migration des neurones. Les cellules de Müller de la rétine et les cellules gliales de Bergmann du cortex cérébelleux constituent une exception, étant encore présentes à l'âge adulte. À proximité de la pie-mère, les trois formes d'astrocytes déclenchent des processus pour former la membrane pia-gliale.
Utilisation énergétique Les premières évaluations de l'utilisation énergétique dans la signalisation de la matière grise suggéraient que 95 % de cette consommation était attribuée aux neurones et 5 % aux astrocytes. Cependant, après avoir découvert que les potentiels d'action étaient plus efficaces qu'on ne le pensait initialement, le budget énergétique a été ajusté : 70 % pour les dendrites, 15 % pour les axones et 7 % pour les astrocytes. Les études antérieures supposaient que les astrocytes captaient le K⁺ synaptique uniquement via les canaux Kir4.1. Cependant, on sait maintenant qu'ils utilisent également la pompe sodium-potassium. En tenant compte de cette fonction tampon active, la demande énergétique des astrocytes augmente de plus de 200 %.
Développement Les astrocytes sont des cellules macrogliales du système nerveux central. Ils proviennent de populations hétérogènes de cellules progénitrices du neuroépithélium du système nerveux central en développement. Il existe une similitude remarquable entre les mécanismes génétiques bien connus qui déterminent la lignée des divers sous-types de neurones et ceux des cellules macrogliales. Tout comme pour la spécification des cellules neuronales, des facteurs de signalisation canoniques tels que Sonic Hedgehog (SHH), le facteur de croissance des fibroblastes (FGF), les WNT et les protéines morphogénétiques osseuses (BMP) fournissent des informations positionnelles aux cellules macrogliales en développement grâce à des gradients morphogènes le long des axes dorso-ventral, antéro-postérieur et médio-latéral. La structuration résultante le long de l'axe neural conduit à la segmentation du neuroépithélium en domaines progéniteurs (p0, p1 p2, p3 et pMN) pour différents types de neurones dans la moelle épinière en développement. Sur la base de plusieurs études, il est maintenant pensé que ce modèle s'applique également à la spécification des cellules macrogliales. Des études ont démontré que trois populations distinctes d'astrocytes proviennent des domaines p1, p2 et p3. Ces sous-types d'astrocytes peuvent être identifiés sur la base de leur expression de différents facteurs de transcription (PAX6, NKX6.1) et marqueurs de surface cellulaire (reelin et SLIT1). Les trois populations de sous-types d'astrocytes qui ont été identifiées sont : 1) les astrocytes VA1 situés dorsalement, dérivés du domaine p1, expriment PAX6 et reelin ; 2) les astrocytes VA3 situés ventralement, dérivés de p3, expriment NKX6.1 et SLIT1 ; et 3) l'astrocyte VA2 situé dans la substance blanche intermédiaire, dérivé du domaine p2, qui exprime PAX6, NKX6.1, la rééline et SLIT1. Une fois la spécification des astrocytes effectuée dans le SNC en développement, on pense que les précurseurs des astrocytes migrent vers leurs positions finales dans le système nerveux avant que le processus de différenciation terminale ne se produise.
Classification fonctionnelle Les astrocytes de type I sont en contact avec les capillaires sanguins grâce à leurs pieds astrocytaires. Ils jouent un rôle actif dans le métabolisme et l'alimentation en lactate des neurones, via la glycolyse du glucose provenant des capillaires sanguins. La sécrétion de glutamate par le neurone favorise cette capture du glucose, ce qui permet de lier l'activité du neurone (le glutamate) à une demande accrue en énergie (le glucose).
Les astrocytes de type II, entourent le neurone et la fente synaptique. Le taux de couverture peut varier de 1 à 100 % suivant le type de neurone. On suppose qu'ils jouent un rôle dans la propagation du signal nerveux en agissant sur la dispersion des neurotransmetteurs. De plus, les astrocytes agissent sur la recapture des différents neurotransmetteurs, influant ainsi sur l'intensité d'un signal et sa durée. Le glutamate est, par exemple, recapturé par un cotransport avec le sodiumMC Raff et al., Glial cell diversification in the rat optic nerve, Science 17 mars 1989, Vol. 243 no. 4897 pp. 1450-1455 ..
Fonctions
Les astrocytes assurent un grand nombre de fonctions vitales au fonctionnement et à la survie des neurones.
Structure tridimensionnelle La première fonction supposée des astrocytes est celle de support physique. Leur densité dans le cerveau leur permettrait de constituer le réseau tridimensionnel qui assure le maintien des structures cérébrales et de leurs organisations. De plus, les astrocytes ne sont pas des cellules excitables comme les neurones (ils ne peuvent pas conduire de potentiels d'action) ce qui a dirigé les scientifiques à les considérer exclusivement comme des cellules support.
Rôle synaptique Néanmoins, il s'est avéré que les astrocytes possèdent des propriétés bien plus importantes que le simple rôle de support. Au niveau de la synapse, les astrocytes interviennent dans le recyclage des neurotransmetteurs et produisent également certains nombres de coagonistes modulant l’efficacité de la synapse. Ils jouent donc un rôle actif dans la communication neuronale. Leur implication a amené à poser le « modèle de la synapse tripartite », composé d'un espace présynaptique, d'un espace post-synaptique et d'un espace astrocytaire. Notamment, la recapture du glutamate, un neurotransmetteur excitateur, par les astrocytes permet de réguler l'activité de la synapse et de prévenir l'excito-toxicité (à forte concentration, ou présent trop longtemps dans la fente synaptique, le glutamate devient toxique pour le neurone). Dans les astrocytes, le glutamate est transformé en glutamine et est ensuite recédé aux neurones qui les transforment en neurotransmetteurs (GABA). Les astrocytes produisent des transporteurs membranaires de glutamate, majoritairement GLAST et GLT-1, dont la proportion varie dans le système nerveux central et durant le développement. Les astrocytes ne présentent pas tous la même capacité à capturer le glutamate, il existe notamment une différence entre astrocytes fibreux et protoplasmique.
Vagues calciques Les astrocytes ne sont pas excitables électriquement, mais ils sont excitables chimiquement. Sous certains stimuli les astrocytes augmentent leur concentration intracellulaire de calcium (Ca). Cette augmentation se propage alors à travers les astrocytes voisins, en partie grâce à des jonctions communicantes (), constituant une vague calcique. La genèse et les conséquences de cette augmentation calcique ne sont pas encore parfaitement connues, mais sont dépendantes du type et de la localisation de l'astrocyte et de l'activité de son environnement neuronal.
Modulation de l'activité