jeudi 13 décembre 2018

Astrocytes – Cellules Cérébrales en Forme d'Étoile





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.

Les astrocytes sont les cellules gliales principales et les plus nombreuses, d'où leur nom générique d'astroglie, en particulier chez les organismes les plus complexes. Ce sont des cellules de la lignée neuroectodermique qui assument un grand nombre de fonctions clés pour la réalisation de l'activité nerveuse. Ils dérivent des cellules chargées de diriger la migration des précurseurs au cours du développement  la glie radiale  et proviennent des premiers stades du développement du système nerveux central (SNC).

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


Ils participent à la structuration physique du cerveau. Ils se trouvent entre les neurones et fournissent un soutien physique aux neurones et une consistance dans le cerveau. Ils régulent la transmission des impulsions électriques dans le cerveau.

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


Les cellules gliales conservent leur capacité de division tout au long de la vie (ce que les neurones ne peuvent pas faire). Lorsqu'une lésion survient dans le système nerveux central, les astrocytes prolifèrent et émettent un certain nombre de prolongements  ces changements s'appellent la gliose . Les astrocytes nettoient la zone lésée, ingèrent et digèrent les restes de neurones par phagocytose. De plus, les astrocytes prolifèrent pour "combler le vide" laissé par la blessure. D'autre part, les astrocytes pourraient jouer un rôle très important dans la régénération des neurones car ils libèrent divers facteurs de croissance.

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.

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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.

Après avoir attendu que la toxine exerce son effet, les chercheurs ont découvert que, lors de la mort des astrocytes du cortex préfrontal, les rats commençaient à souffrir de maladie mentale. La chose vraiment intéressante a été d'observer que les neurones sont également morts dans l'expérience. De toute évidence, les rats qui ont formé le groupe témoin n'ont montré aucun changement de comportement ni de la structure cérébrale.

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.

Ce changement structurel s'accompagne d'une perte de capacité des astrocytes à moduler la communication synaptique entre neurones, ce qui entraîne des conséquences fonctionnelles.

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.

L'équipe de chercheurs a identifié une famille de trois protéines qui contrôlent la structure du réseau de chaque astrocyte au cours de sa croissance et recouvrement des structures neuronales telles que les synapses.

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.

Pour découvrir comment les neurones influencent la forme des astrocytes, les chercheurs ont cultivé les deux cellules ensemble tout en ajustant les mécanismes de signalisation cellulaire des neurones. Ils ont découvert que, même s'ils avaient complètement tué les neurones, tout en conservant leur structure en tant qu'échafaudage, les astrocytes se développaient encore à merveille sur eux, indiquant qu'il existait des interactions entre les surfaces des cellules qui régulent le processus.

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 produits chimiques du cocktail activent les gènes qui effacent efficacement l'identité d'une cellule et en établissent une nouvelle. Dans leur dernière étude, l’équipe a testé le cocktail sur des souris vivantes. Environ huit semaines plus tard, après avoir analysé des parties de leur cerveau, ils ont découvert qu'entre 80 et 90% des astrocytes sur le site de l'injection avaient commencé à ressembler à des neurones.

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.

Les chercheurs envisagent de tester le cocktail chez des souris victimes d'un AVC et espèrent que les médicaments permettront aux astrocytes à proximité de devenir des neurones et contribueront à la récupération.

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.

Si le traitement peut être utilisé pour stimuler la matière grise dans certaines zones d’un cerveau en bonne santé, il peut également être un moyen d’améliorer des compétences telles que la mémoire, bien que cela comporte des risques. Il faudra avoir un très bon contrôle sur les cellules programmées, leur destination et les cellules sur lesquelles elles seront connectées.

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.

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