Les astrocytes – du grec
astron = étoile et cyte "kytos" = cavité ou cellule – sont des
cellules gliales caractéristiques sous la forme d'étoile dans le cerveau et la
moelle épinière.
Fonctions des astrocytes
Auparavant en médecine,
le réseau de neurones était considéré comme la seule fonction importante des
astrocytes, et ils étaient considérés comme un vide comblant. Plus
récemment, la fonction des astrocytes a été reconsidérée et on pense maintenant
qu'ils remplissent une série de fonctions actives dans le cerveau, notamment la
sécrétion ou l'absorption de transmetteurs neuronaux et le maintien de la
barrière hémato-encéphalique. Suivant cette idée, le concept de "synapse
tripartite" a été proposé, faisant référence à la relation étroite qui
existe dans les synapses entre un élément présynaptique, un élément
postsynaptique et un élément glial.
Soutien structurel
Réservoir de glycogène
Les astrocytes
contiennent du glycogène et sont capables de réaliser la glycogénèse – synthèse
du glycogène à l'aide de sucres – et la glycogénolyse – obtention de sucres en
rompant les chaînes de glycogène –. Par conséquent, ils peuvent nourrir les
neurones en glucose pendant les périodes de forte consommation de glucose et de
pénurie de glucose.
Soutien métabolique
Ils fournissent aux
neurones des nutriments tels que le lactate.
Barrière hémato-encéphalique
La barrière
hémato-encéphalique est un complexe qui entoure la plupart des vaisseaux
sanguins du cerveau. Elle agit comme une barrière entre la circulation sanguine
et l’espace extracellulaire du cerveau, ne permettant qu’à certaines substances
telles que l’eau, l’oxygène et de petites substances liposolubles de passer
facilement du sang au cerveau.
Cela empêche les
toxines, les agents pathogènes et autres substances potentiellement dangereuses
de passer du système circulatoire au cerveau. Les astrocytes participent à
cette barrière au moyen de "pieds astrocytaires", des extensions
d'astrocytes qui recouvrent les vaisseaux sanguins et qui ont de fortes connexions
entre elles pour bloquer le passage de toute substance indésirable.
Capture et libération des transmetteurs
Les astrocytes et autres
cellules gliales peuvent libérer divers transmetteurs dans l'espace
extra-cellulaire. Ces transmetteurs sont actuellement classés dans les
gliotransmetteurs, bien qu'en réalité ils soient les mêmes molécules utilisées
par les neurones, tels que le glutamate, l'ATP, le GABA et la D-sérine. Seuls
la taurine et éventuellement les acides kinuritiques peuvent représenter des
substances libérées de manière unique par la glie, étant ainsi de véritables
gliotransmetteurs.
Régulation de la concentration en ions dans l'espace extra-cellulaire
Les astrocytes expriment
les canaux potassiques à haute densité. Lorsque les neurones sont actifs, ils
libèrent du potassium, ce qui augmente la concentration extra-cellulaire locale.
Les astrocytes étant très perméables au potassium, ils éliminent rapidement les
excès d’accumulation dans l’espace extra-cellulaire. Si cette fonction est
perturbée, la concentration de potassium extra-cellulaire augmentera, ce qui
entraînera une dépolarisation neuronale incontrôlée, susceptible de produire
une activité neuronale épileptique.
Élimination de l'excès de glutamate
Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur dans le cerveau des vertébrés. Lorsqu'il est libéré de manière excessive ou prolongée, le glutamate agit comme une neurotoxine puissante qui déclenche la mort des cellules neuronales dans de nombreuses lésions cérébrales aiguës et chroniques. Les astrocytes retirent la majeure partie du glutamate de l'espace extra-cellulaire. Ils accumulent 80% du glutamate libéré, les 20% restants étant absorbés par les neurones.
Contrôle de la synaptogenèse et de la maintenance synaptique
L’astroglie régule la
formation, la maturation, le maintien et la stabilité des synapses, contrôlant
ainsi la connectivité des circuits neuronaux. Les astrocytes sécrètent de
nombreux facteurs essentiels à la synaptogenèse et, sans astrocytes, la
formation de synapses serait très réduite.
Vaso-modulation – Unité neuro-vasculaire
Les cellules
astrogliales sont les éléments centraux des unités neuro-vasculaires qui
intègrent des circuits neuronaux au flux sanguin local et au support
métabolique. La lame basale des vaisseaux sanguins est presque complètement
recouverte par les pieds endogènes d'astrocytes. Ils sont dans une position
stratégique, avec un bras dans le vaisseau sanguin et l'autre dans la membrane
neuronale, la synapse ou l'axone. Par conséquent, ils peuvent être vus comme le
pont neuro-vasculaire. L'activité accrue des neurones déclenche les signaux de
Ca+2 dans les astrocytes, ce qui pourrait être le signal
d'intégration de l'unité neuro-vasculaire. La vaso-modulation est la régulation
neuronale du flux sanguin.
Promotion de l'activité myélinisante des oligodendrocytes
L'activité électrique
dans les neurones amène ces derniers à libérer de l'ATP (adenosine
triphosphate : source
d'énergie), qui constitue un important stimulus pour la formation de la
myéline. Cependant, l'ATP n'agit pas directement sur les oligodendrocytes. Au
contraire, les astrocytes sécrètent le Cytokine: leucemia inhibitory factor (LIF), une protéine régulatrice qui favorise
l'activité myélinisante des oligodendrocytes. Ceci suggère que les astrocytes
ont un rôle exécutif de coordination dans le cerveau.
Réparation et régénération du système nerveux
Synapse en trois parties
Dans la matière grise,
les astrocytes sont étroitement associés aux membranes neuronales et plus
particulièrement aux régions synaptiques, de sorte que les membranes
astrogliales enveloppent complètement ou partiellement les structures
présynaptiques et postsynaptiques.
L'apposition
morphologique très intime d'astrocytes et de structures synaptiques permet à ceux-ci
d'être exposés aux neurotransmetteurs libérés par les terminaux synaptiques. Sur
le plan fonctionnel, les processus des cellules astrogliales sont dotés de
récepteurs de neurotransmetteurs et, surtout, les modalités des récepteurs
exprimés par les membranes astrogliales coïncident exactement avec les
neurotransmetteurs libérés dans les synapses couvrantes.
*
*
Recherche
L'absence d'astrocytes, responsables de la maladie
mentale ?
Des chercheurs portugais de l'Université de
Minho ont analysé la relation entre les astrocytes et les maladies mentales
dans le cadre d'une étude dont les résultats ont été publiés dans la revue Molecular
Psychiatry en juillet 2014.
Pour mener à bien
l'expérience, ils ont injecté aux rats une toxine capable de tuer
spécifiquement les astrocytes situés dans le cortex préfrontal, la partie la
plus antérieure du cerveau. C’est la région où résident des compétences aussi
complexes que le raisonnement, la résolution de problèmes ou la planification. Par
conséquent, les altérations dans cette région entraînent d'importants défauts
dans le fonctionnement du cerveau, à l'origine des maladies mentales telles que
la maladie d'Alzheimer.
C'est une perspective
totalement nouvelle sur la façon dont ces maladies se développent et, par
conséquent, comment elles devraient être traitées. La dépression, la
schizophrénie et les troubles bipolaires sont les maladies qui pourraient le
plus bénéficier de cette découverte à l'avenir.
L'apprentissage affecte non seulement les
neurones, mais aussi les cellules qui les nourrissent
Une équipe de chercheurs du Conseil national de
recherche espagnol (CSIC) dans un article publié dans The Journal of Neuroscience en
septembre 2014 a montré que l'activité neuronale qui conduit à la formation de
la mémoire et à l'apprentissage implique non seulement une modification de
l'activité neuronale, comme on le croyait jusqu'à présent, mais elle modifie la
disposition anatomique des astrocytes qui entourent les synapses de
l'hippocampe et du cortex cérébral et qui remplissent des fonctions de soutien
nutritionnel et métabolique des neurones.
Le cerveau est constitué
de deux types de cellules principales : les neurones et les cellules
gliales, qui appuient les neurones. Les astrocytes sont un type de cellules
gliales en forme d'étoile. Ces dernières années, il a été démontré que les
astrocytes interviennent dans le traitement et la transmission d'informations
au cours de l'activité neuronale.
Jusqu'à présent, on
savait que la plasticité synaptique, le mécanisme qui sous-tend la formation de
la mémoire et l'apprentissage, est associée à des modifications morphologiques
et fonctionnelles des épines dendritiques, qui sont entourées d'astrocytes.
Cette étude précise que
les astrocytes subissent également des modifications au cours de ce processus,
ce qui a un impact sur leur action sur les synapses neuronales.
En induisant une
plasticité synaptique par une activité neuronale à haute fréquence, il a été
observé que les extensions qui prolongent les astrocytes pour entrer en contact
avec les synapses neuronales sont réarrangées lors de la détection de ce type
d'activité. En induisant cette plasticité synaptique, la modulation positive de
la transmission synaptique que l'astrocyte est capable de réaliser est perdue.
Le rôle des astrocytes dans la mémoire peut offrir
un moyen alternatif de l'améliorer
Selon une étude des chercheurs du Gladstone
Institute of Neurological Diseases et de l'Université de Californie à San Francisco,
publiée dans Nature Neuroscience en
janvier 2015, les résultats obtenus avec les récepteurs de l'adénosine A2A
suggèrent que les astrocytes sont d'importants régulateurs du stockage de l’information,
et que leur dysfonctionnement pourrait conduire à un déclin de la mémoire dans
la maladie.
Des expériences ont
montré que la réduction de la quantité de certains récepteurs dans les
astrocytes améliore la mémoire à long terme chez les souris saines étudiées. De
plus, la réduction des récepteurs a également permis d'éviter les problèmes de
mémoire chez un modèle de souris souffrant de la maladie d'Alzheimer.
 |
| Les astrocytes sont colorés en rouge, les récepteurs A2A sont en vert, le chevauchement entre les deux est indiqué en jaune et les noyaux cellulaires en bleu |
Les chercheurs ont utilisé des manipulations chimiques de l’activité des récepteurs d’astrocytes, au lieu de s’appuyer sur des modifications génétiques permanentes. Fait important, cela suggère qu'il pourrait être possible d'améliorer la mémoire des patients atteints de la maladie d'Alzheimer en utilisant un médicament qui agit sur ces récepteurs. En outre, la présente étude confirme les conclusions d'autres recherches suggérant que la caféine – dont les récepteurs d’adénosine sont la cible principale – pourrait améliorer le fonctionnement normal de la mémoire ou même prévenir les symptômes d'Alzheimer chez les personnes âgées.
La prochaine étape de
cette ligne de recherche consistera à tester plusieurs des médicaments
actuellement disponibles qui bloquent de manière plus sélective les récepteurs
A2A, afin de tester leur potentiel d'amélioration de la mémoire. Si les
résultats le méritent, il sera possible de participer ultérieurement à un essai
clinique chez l'homme.
Des cellules cérébrales en forme d'étoile
orchestrent des connexions neuronales
Une étude de l'Université Duke à Durham, en Caroline
du Nord, publiée dans Nature en
novembre 2017, révèle que l'architecture unique des astrocytes est extrêmement
importante pour la régulation du développement et du fonctionnement des
synapses dans le cerveau.
Lorsqu'ils ne
fonctionnent pas bien, le dysfonctionnement des astrocytes peut être à la base
des problèmes neuronaux observés dans des maladies dévastatrices telles que
l'autisme, la schizophrénie et l'épilepsie.
La désactivation de
l’une de ces protéines a non seulement limité la complexité des astrocytes,
mais également modifié la nature des synapses entre les neurones qu’ils ont
touchés, déplaçant ainsi le délicat équilibre entre les connexions neuronales
excitatrices et inhibitrices.
Les scientifiques ont
découvert que la forme des astrocytes et leurs interactions avec les synapses
sont d'une importance fondamentale pour le fonctionnement du cerveau et peuvent
être liées à des maladies de manière que les personnes ne se soient pas
inquiétées jusqu'à présent.
La complexité des astrocytes, en fonction des
neurones. Les astrocytes ont presque autant existé que les cerveaux. Même des
invertébrés simples comme le ver de
terre 'C. Elegans’, de la taille d'une miette, ont des formes primitives
d'astrocytes qui dissimulent leurs synapses neuronales.
Nos cerveaux étant
devenus des machines de calcul complexes, la structure des astrocytes est
également devenue plus élaborée. Mais la complexité des astrocytes dépend de
leurs partenaires neuronaux. En cultivant des astrocytes et des neurones
ensemble, les astrocytes formeront des structures complexes en forme d'étoile ;
s'ils sont cultivés seuls ou avec d'autres types de cellules, ils deviennent
atrophiés.
Les protéines, appelées
neuroligines, jouent un rôle dans la construction des synapses neuronales et
ont été associées à des maladies telles que l'autisme et la schizophrénie. Pour
découvrir le rôle des neuroligines dans les astrocytes, ils ont modifié la
capacité des astrocytes à produire ces protéines et ont constaté que, lorsqu'ils
arrêtaient la production de neuroligines, les astrocytes devenaient petits et
mats. Mais lorsque la production de neuroligines a été augmentée, le nombre
d'astrocytes a presque doublé.
Ils ont vérifié que
l'une des caractéristiques des troubles neurologiques tels que la
schizophrénie, l'autisme et l'épilepsie est un déséquilibre entre l'excitation
et l'inhibition, ce qui indique que ces molécules associées à la maladie
agissent potentiellement dans les astrocytes pour modifier cet équilibre.
Pour la première fois, on parvient à voir les
neurones interagir en temps réel
Une technique réalisée par des neuroscientifiques
à l'Université de Californie à Los Angeles, décrite dans Neuron en avril 2018,
permet aux chercheurs d'observer en profondeur le cerveau d'une souris et
d'analyser l'influence des astrocytes sur la communication des cellules
nerveuses en temps réel.
Pendant des années, les
scientifiques ont essayé de mesurer la manière dont les astrocytes
interagissent avec les synapses pour exécuter des fonctions cérébrales
importantes. Jusqu'à présent, cependant, personne n'avait été capable de
développer un test adéquat pour observer cette interaction en direct.
 |
| Un astrocyte (vert) connecté à une synapse (rouge) tout en produisant un signal optique (jaune) |
On peut voir comment les astrocytes et les synapses établissent un contact physique et comment ces connexions se modifient dans des troubles tels que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Huntington. Ce qui a été appris pourrait ouvrir de nouvelles stratégies pour traiter ces maladies, par exemple en identifiant les interactions cellulaires qui soutiennent le fonctionnement normal du cerveau.
La méthode utilise des
lumières de différentes couleurs qui passent à travers une lentille pour
agrandir des objets invisibles à l'œil nu et beaucoup plus petits que ceux
visibles avec les techniques précédentes. Grâce à cela, ils ont pu observer
l'évolution des interactions entre les synapses et les astrocytes, ainsi que
lors de diverses maladies.
La prochaine étape
consiste à découvrir la fréquence à laquelle les astrocytes entrent en contact
avec les synapses et comment ces interactions se modifient au cours de certains
troubles ou en raison de différents types d’activités cellulaires.
Un traitement expérimental parvient à créer des
neurones pour la première fois
Des scientifiques du Center for Health Sciences de
l'Université de Pékin ont mis au point un cocktail de médicaments qui, lorsqu'ils sont
injectés dans le cerveau de souris, semblent convertir les astrocytes en
neurones nouveaux et actifs capables de se connecter à d'autres cellules. La
recherche a été pré-publiée sur le site bioRxiv en juin 2018.
Les cellules avaient
changé de forme, présentaient des changements dans l'activité des gènes et
envoyaient des signaux électriques de la même manière que les neurones normaux.
Cependant, on ignore encore si ces cellules sont "de vrais neurones". Il
est peu probable qu'ils correspondent à 100%. Mais le traitement semblait sans
danger : les souris présentaient toujours une bonne combinaison de types
de neurones et aucun animal ne présentait de problème de santé.
Si les résultats sont
corrects, ce serait absolument incroyable et aurait de nombreuses applications
potentielles et des conséquences excitantes. Si sur un cerveau en cours de
dégénérescence, tel que la maladie d'Alzheimer, on pourrait faire que le
cerveau régénère les neurones par lui-même, cela constituerait un grand pas en
avant.
Si cela fonctionne, le
cocktail offre un espoir de remplacer les neurones détruits par la maladie
d'Alzheimer et d'autres maladies neuro-dégénératives telles que la maladie de
Parkinson. Mais il sera difficile de prédire les effets que le traitement
pourrait avoir sur l'homme. Bien qu'il puisse restaurer la capacité de créer de
nouveaux souvenirs, par exemple, il est peu probable qu'il récupère ceux déjà
perdus. Un autre défi sera le grand nombre de cellules perdues dans les
maladies neuro-dégénératives. Dans la maladie de Parkinson, un quart de million
de cellules sont perdues des deux côtés du cerveau.
De potentielles complications imprévues
Avant que l’approche
puisse être testée chez l’homme, on doit savoir exactement quels types de neurones
sont-ils susceptibles de se produire. Par exemple, créer trop de neurones du type qui
excite ses voisins pourrait déclencher l'épilepsie. En outre, différents types
de neurones seraient nécessaires pour traiter chaque trouble cérébral : la
maladie de Parkinson, par exemple, implique en particulier la mort de neurones
producteurs de dopamine.
Auparavant, des tests
sur des souris ont été réalisés pour déterminer l'efficacité de traitements
destinés aux maladies neuro-dégénératives. En février 2018, une équipe de
chercheurs américains a découvert un
nouveau traitement visant à inverser la maladie d'Alzheimer chez la souris.
On espère que la thérapie pourra traiter avec succès la maladie chez l'homme.
Voir aussi…
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