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Système des ganglions de la base du primate
Le système des ganglions de la base est un ensemble d'éléments du système nerveux formant un système qui ne se définit pas a priori par des « fonctions » mais par une combinatoire de connexions. Si certaines données sont anciennes, la reconstitution de ce système et sa décomposition en sous-systèmes est récent, et en évolution.
Dans le passé, une partie était présentée comme « extrapyramidale », complémentaire ou opposée au système corticospinal (pyramidal). Contrairement à ce que l'on croyait (Wilson 1912 par exemple), le système des ganglions de la base n'a pas de sortie directe vers la moelle. Comme cela était déjà connu par Charcot, les effets moteurs des lésions s'expriment par le cortex ipsilatéral participant au faisceau pyramidal, au premier chef le moteur moteur « primaire » mais d'autres aussi (Glikstein). Les effets unilatéraux sont donc controlatéraux. Le système des ganglions de la base contribuent à bien plus qu'à de simples fonctions motrices. Comme ce système est très évolutif, il parait opportun de considérer le système des primates à part. Des changements importants pour l'analyse et la compréhension du système sont survenus ces dernières années, qu'il convient donc de détailler.
Histoire
Pour l'histoire du système voir Percheron et al. 1994. La première identification anatomique de structures subcorticales particulières à la « base » du cerveau a été effectuée par Willis en 1664. Pendant de nombreuses décades (Vieussens, 17 ), le terme de « corpus striatum » a été utilisé pour décrire des groupes d'éléments sous-corticaux étendus (mais flous), dont plusieurs (le thalamus, le noyau rouge entre autres) ont été découverts plus tard ne pas appartenir à un ensemble cohérent. Dans le même temps, le putamen et le noyau caudé n'étaient pas liés. Le putamen était associé au pallidum dans ce qui était appelé le « noyau lenticulaire » (voir Déjerine, 1906). Le travail fondamental des Vogts (1941) a simplifié la description en proposant de lier sous le seul terme de striatum, les éléments constitués des mêmes espèces neuronales, striatales. Le striatum unit ainsi le noyau caudé, le putamen et le fundus qui les lient ventralement.
Le striatum tient son nom de l'aspect strié créé par les « faisceaux » denses et radiés formés par les axones striato-pallidonigraux décrits par Kinnier Wilson (1912) comme des « pencils » arrangés « comme les rayons d'une roue ».
Le pallidum n'est nulle part un globe. Les Vogts ont proposé le recours à l'adjectif neutre de « pallidum ». Pour l'autre cible, historiquement, le premier terme utilisé a été celui de locus niger (lieu noir) (Soemmering, 18 ). La substance noire, substantia nigra, terme usuel maintenant, n'est pas une substance. Les Vogt avaient proposé nigrum. Nigra peut décrire ce que l'on nomme communément en français « la noire ». Le lien anatomique du striatum avec ses cibles primaires, le pallidum et la noire a été repéré tôt. La similitude morphologique de ces cibles a été notée précocement (Mirto, 18 ). Leur regroupement en un ensemble bien caractérisable (l'ensemble pallidonigral) n'est toujours pas bien accepté ni compris, en dépit d'un solide ensemble d'arguments.
L'ensemble striato-pallidonigral forme le cœur du système des ganglions de la base. Le faisceau striato-pallidonigral passe à travers le pallidum (lateral puis médian), traverse la capsule interne en formant le « faisceau en peigne » (Kamsystem d'Edinger) pour atteindre la noire (locus niger,substantia nigra). Le faisceau a fait l'objet d'études approfondies de Fox
et ses collaborateurs.D'autres éléments ont été plus tard, sur des arguments solides, associés au système des ganglions de la base. Le premier a été le « corps de Luys » (1865) ou noyau subthalamique dont la lésion a été connue assez tôt produire un syndrome moteur particulier, l'hémiballisme. Plus récemment, d'autres régions cérébrales ont été rattachées au système: le complexe ou région centrale (complexe centre médian-parafasciculaire)(Percheron et al. 1991) et le complexe pedonculopontin.
Définition et constitution
Le système des ganglions de la base, identifié tardivement, a présenté des problèmes y compris de nomenclature. Le terme de « base » vient du fait que la plupart des éléments sont situés à la base de l'hémisphère (mais le « noyau basal de Meynert » par exemple n'en fait pas partie). Le terme de ganglion n'a jamais été adéquat pour un élément du système nerveux central. Les Terminologia anatomica (1998), seule référence internationale en matière de nomenclature, ont retenu le nom de « nuclei basales », qui n'est utilisé par personne. L'International Basal Ganglia Society (IBAGS) n'a jamais statué formellement mais considère de manière pragmatique comme ganglion de la base, le striatum, le pallidum (avec deux noyaux), la substantia nigra (avec deux parties distinctes) et le nucleus subthalamicus; à quoi s'ajoute la région centrale (centre median-parafasciculaire) du thalamus (Percheron et al. 1991, Parent and Parent, 2005) et pour quelques uns, le complexe pedunculopontin (Mena-Segovia et al. 2004). Cet ensemble ne doit pas être vu comme une collection mais comme un système dynamique. Le système des ganglions de la base peut être défini comme l'ensemble des éléments cérébraux sous-corticaux, avec des rythmeurs propres, ayant pour base le striatum, en interaction les uns avec les autres et avec des parts du thalamus et du cortex.
Connexion corticostriatale
Le système des ganglions de la base peut, pour une part importante, mais qui ne peut plus être la seule, être vu comme une sortie majeure du cortex, d'une taille équivalente, chez le primate, à celle du système corticopontin qui ouvre la voie au système cérébelleux. La connexion cortico-striée (ou, moins légitimement, corticostriatale), représente une portion importante de l'ensemble de sorties corticales. Presque toutes les parties du cortex, sauf les cortex sensoriels "primaires" (visuel, auditif, olfactif), envoient des axones au striatum. L'origine de la connexion se situe dans les neurones pyramidaux de la Ve couche du cortex. Une étude récente (Parent and Parent, 2006) montre que, pour le cortex moteur du primate en particulier, quelques éléments cortico-striataux peuvent être formés de collatérales d'axones descendant plus bas dans le système nerveux. Mais chez le primate, la majorité des axones cortico-striés sont monocibles (non branchés jusqu'à leur arrivée au striatum), fins et peu myelinisés; ce qui est une raison probable de leur découverte tardive. La connexion corticostriatale est glutamatergique, excitatrice.
Cette connexion n'est pas topologiquement aussi simple que cela avait été proposé dans le modèle de Kemp et Powell (1970) où le cortex frontal projetait antérieurement, le parieto-occipital postérieurement et le temporal ventralement. Une partie de ce plan reste sous-jacent mais la distribution est bien plus complexe. Golman et Nauta (1977) et Selemon et Goldman-Rakic (1985) ont montré qu'un seul point cortical peut envoyer des ilots d'arborisations axonales terminales sur une grande distance striatale. Opposé au précédent modèle anteroposterieur, il a été ainsi proposé un modèle parasagittal; mais lui aussi n'est seulement que partiellement vrai. La connexion cortico-stiatale est en fait le lieu de séparation ou de regroupement d'information à un point donné du striatum. Des axones d'aires corticales distinctes peuvent terminer systématiquement ensemble ou au contraire systématiquement séparément. Il existe de plus une réorganisation spatiale, un "remapping" (Flaherty and Graybiel, 1991), refaçonage de la carte. La connexion corticostriée est la première d'une chaine d'une forte réduction des nombres entre neurones émetteurs et receveurs, c.a.d. une convergence numerique; ce qui n'est jamais anodin (Percheron et al. 1987). Son effet est que chaque neurone striato-cortical ayant son propre message va être mélangé ou comprimé. Ceci mène à une moindre précision de la carte d'entrée (input map ou inmap)mais à une grande souplesse de combinatoire.
Striatum. Cœur des ganglions de la base A.
Structure, anatomie et constitution
Eléments neuronaux
La neuromorphologie quantitative (et typologique) étendue (Yelnik et al. 1987) a établi que le striatum du primate est composé de quatre (et seulement quatre) genera neuronaux: les neurones épineux ("spiny") (96%) et trois autres, les neurones leptodendritiques (2%), arachniformes ("spidery") (1%) et les microneurones (1%). Les arborisations dendritiques des neurones épineux sont sphériques, sauf si elles sont près d'un bord. Leur diamètre dépend de l'espèce animale considérée. Les épines, abondantes, sont du même type que celles de deux autres genera acanthodendritiques (acanthos signifiant épine) de deux autres régions télencéphaliques acanthodendritiques (les neurones pyramidaux du cortex cérébral et les neurones épineux de l'amygdale). La plupart des épines du striatum font synapses avec des afférences corticales. L'activité spontanée des neurones épineux est, de manière surprenante, "basse ou absente" (DeLong, 1980). Les neurones épineux sont en fait activés par les stimulations corticales. Dans le striatum sensorimoteur, ils répondent aux mouvements. Les axones des neurones épineux (comme les neurones pyramidaux) ont des branches collatérales initiales abondantes et denses (d'une étendue proche de celle de l'arborisation dendritique) qui sont capables d'agir rapidement sur les neurones environnants (Czubayko and Plenz, 2002), ce qui veut dire que les neurons striataux peuvent agir par groupes. La partie longue de l'axone est myélinisée. Les neurones épineux sont GABAergiques et établissent le premier lien d'un 2-chemin inhibiteur si particulier au système.
Les neurones leptodendritiques (ou de Deiters), se colorent fortement pour la parvalbumine et ont toutes les caractéristiques des neurones pallidaux. Les neurones arachnifomes sont spécifiques aux primates. Ils ont un gros soma et des arborisations dendritiques et axonales denses mais de faible étendue. Ce sont les neurones cholinergiques du primate. Leur dimensions et distribution ne leur permettent pas de couvrir la totalité du volume striatal (Yelnik et al 1987). Ceci doit rendre les comparaisons physiopathologiques entre espèces particulièrement prudentes. Ils forment les "tonically active neurons" or TANs (Kimura et al. 2003). Ils constituent par ailleurs un ensemble de pacemakers lents (Surmeier et al. 2005) dont l'activité est liée à la récompense. Leur faibles nombre et distribution n'en font donc pas des éléments accessoires pour autant. Les microneurons sont des neurones de circuiterie locale semblable à ceux que l'ont trouve dans le thalamus par exemple. Ils sont GABAergiques et pour certains dopaminergiques (Cossette et al.2005).
Niveaux d'organisation
Subdivisions anatomofonctionnelles
Il y a plusieurs niveaux d'organisation du thalamus. La forte séparation du striatum réalisée par la capsule interne crée la subdivision anatomique traditionnelle entre putamen, caudé et fundus. En fait le striatum est une masse neuronale fendue mais continue, de topologie torique. Les subdivisions classiques ne correspondent pas exactement aux subdivisions fonctionnelles admises chez le primate. Celles-ci correspondent d'avantage aux territoires corticostriés. Les terminaisons axonales de la région centrale du cortex (Bailey et von Bonin, 1941) comprenant le cortex moteur, prémoteur, la SMA, l'aire somesthesique primaire et le cortex pariétal antérieur forment le territoire sensorimoteur, ou, en court, le striatum sensorimoteur. Il est essentiellement putaminal mais ne comprend pas tout le putamen. Il s'étend par contre dans les franges striatales et au bord latéral du caudé (Percheron 1984 d'après Künzle 1975 et autres). Il est organisé de manière somatotopique grossière avec trois bandes obliques pour le membre supérieur superolatéralement, le membre inférieur et la face, ventromédialement.
À ce territoire sensorimoteur s'oppose le territoire dit "associatif", réalisé par les cortex frontal, pariétal, préoccipital et temporal et, à souligner, le cortex oculomoteur. Ce territoire est essentiellement caudé mais sans couvrir la totalité du noyau. La séparation entre les deux territoires peut en certains endroits être nette et révélable par la coloration immunochimique de la calbindine (le sensorimoteur est négatif) (François et al.). L'isolement d'un troisième élément, souvent qualifié de "limbique", est plus difficile. La qualification de limbique est déjà problématique (voir système limbique). Il n'y a pas de frontière nette avec le territoire associatif. Une partie seulement du fundus classique représente une entité (phylogénétiquement régressive), le nucleus accumbens (en fait une pars ayant une constitution de base identique à celle du reste du striatum et non un noyau). Le striatum accumbens (d'"accumbens septi" reposant contre le septum) a quelques propriétés histoimmunologiques particulières. Sa caractéristique essentielle est de recevoir des axons du subiculum (de l'hippocampe). Il existe une littérature considérable, non exempte d'idéologie, sur une sous partie "limbique" du striatum et du système des ganglions de la base. On se doit d'être très prudent dans un terrain peu respectueux des différences phylogénétiques et d'a priori philosophiques (passion contre raison). Dans le striatum accumbens, on oppose une coque ("shell") à un cœur ("core). Chez le primate, ils sont de petite taille (Brauer et al. 2000) par rapport aux autres parties striatales.
Compartiments
Un autre niveau d'organisation est une opposition entre la matrice et les striosomes. L'un et l'autre sont composés des mêmes éléments neuronaux. C'est l'immunocytochimie qui a révélé des "inhomogenéités" de distributions de molécules. Comme son nom l'indique, la matrice est considérée comme la structure fondamentale dans laquelle se différencient les striosomes. Ceux-ci ont été d'abord différenciés par leur contenance en récepteurs opiacés (Pert, ). Ils se colorent aussi pour l'acetylcholinesterase. Cette opposition est surtout nette dans la tête du noyau caudé mais n'est pas évidente partout. Les striosomes n'ont pas de lien avec les afférences provenant de l'amygdale. Ils représenteraient plutôt la ségrégation en ilôts de terminaisons axonales frontales (orbitofrontal postérieur, insula antérieure, mediofrontale et cingulaire antérieures (Eblen and Graybiel,1995).
Les neurones "matriciaux " sont ceux qui sont contenus dans la matrice. Les neurones striosomaux sont ceux qui sont contenus dans les striosomes . Les striosomes chez le primates forment des noyaux fermés (Yelnik et al. 1994). Les deux ont été présentées comme des sources d'efferences distinctes, ce qui va être montré plus loin être discutable.
Hodologie vers les cibles
Des différents importants ont porté sur l'origine des neurones striataux envoyant leurs axones à telle ou telle cible (il faut dire que pendant longtemps on a même pensé que les neurones épineux n'avaient pas d'axones longs et n'étaient que des neurones de circuiterie locale!). Les neurones épineux ont en fait tous des axones longs qui forment un faisceau majeur du cerveau. Du fait de difficultés liées à la géométrie de l'ensemble, on a pensé un temps qu'il y avait des neurones striato-pallidaux et des striato-nigraux distincts ayant chacun des particularités histochimiques. Ceci a été la base de modèles que l'on a beaucoup et depuis assez longtemps surexploités. Une étude récente chez le macaque (Levesque and Parent et al. 2005), suivant une autre chez le rat, a bouleversé la situation. Les neurons épineux ont en général plusieurs cibles. Ce dispositif n'est pas un reste archaïque puisque il est rencontré dans 90% chez le macaque et seulement dans 63,6% chez le rat. Virtuellement tous les neurones épineux ont le pallidum lateral (le plus volumineux) comme première cible. 24/27 des neurones étudiés projettent aux trois cibles consécutives du cœur des ganglions de la base: pallidum lateral, pallidum medial et nigra (lateralis and reticulata). Il n'existe pas d'axones striataux envoyant d'axones vers le seul pallidum médian ou la seule substance noire ni à ces deux seuls.
La différence de configuration axonale entre les neurones matriciels ou striosomaux n'est observable que dans la substance noire. Les neurones striosomaux traversent toute l'étendue latero-médiane de la substance noire en émettant 4 à 6 branches ou bouquets verticaux formant des colonnes verticales, s'enfonçant profondément dans la pars reticulata. Les neurons matriciels émettent moins de branches, plus dispersées.
Cette connectivité qui rend caduque des études moins fines pose des problèmes. Le médiateur principal de la connexion striato-pallidonigrale est le GABA, mais elle a des comédiateurs. Depuis Haber et Elde (1981), on sait que le pallidum latéral contient de la met-enkephaline en contraste avec le palidum médian qui contient lui de la substance P et/ou de la dynorphine. Comme ces cibles sont atteintes par les mêmes arbres axonaux, ceci signifierait qu'un axone individuel est capable de concentrer des comédiateurs différents dans des sous-arbres en fonction de la cible. Ceci modifie considérablement des modèles proposés depuis plusieurs décades et pose de nouvelles questions.
Ensemble et pacemaker pallido-nigral. Cœur B
Constitution
Le cœur des ganglions de la base est l'ensemble formé par le striatum et ses cibles, atteintes par l'intermédiaire du faisceau striato-pallidonigral. Cet ensemble est constitué essentiellement de grands neurones peu ramifiés se colorant fortement pour la parvalbumine et qui sont GABAergiques plus de rares microneurones de circuiterie locale (GABAergiques aussi). La distribution et la synaptologie striato-pallidonigrale est si particulière qu'elle a pu être utilisée par Fox et al.() pour établir les homologies avec les oiseaux. La physiologie aussi est particulière, l'ensemble pallidonigral formant un pacemaker (rythmeur) autonome rapide.
Pallidum
Le pallidum, en contraste avec le sriatum est constitué de grands neurones dont les arborisations dendritiques sont discoidales et plates. Elles sont parallèles entre elles et au bord latéral du pallidum, amenant une organisation feuilletée de la structure (Yelnik et al. 1994). Elles sont ainsi perpendiculaires aux afférences striatales qui arrivent latéralement (Percheron et al. 1994). La structure feuilletée est reprise par les afférences. A l'extrémité distale des longues dendrites on observe des arborisations complexes (di Figlia et al., François et al. 1994) dont on ne connait pas encore le rôle. Les grands neurones ont une arborisation axonale proximale, mais peu dense et peu longue.
Pallidum latérale (external g. pallidus, GPe)
Le pallidum latéral est très étendu (parasagittalement et dorsoventralement) et mince mediolatéralement. En plus de l'afférence striatale, le striatum latéral reçoit une afférence majeure du noyau subthalamique avec qui il forme un sous -système (voir plus loin). Il reçoit aussi des afférences dopaminergiques de la nigra compacta. Le pallidum latéral est la partie la plus ancienne phylogénétiquement. Contrairement à d'autres subdivisions pallidonigrales (pallidum median et nigra reticulata), il n'est la source d'aucune sortie vers le thalamus, et de là vers le cortex. Encore, contrairement aux autres éléments du cœur des ganglions de la base, il envoie ses axones essentiellement aux autres ganglions de la base dont il contrôle l'activité par des synapses sur ou proches des somas. De ce point de vue, il peut être considéré comme un régulateur des ganglions de la base (les autres sont décrits plus loin). Contrairement à celle du pallidum médian, l'activité spontanéee, très rapide (rythmeur rapide), est discontinue avec de longs intervalles de silence (DeLong). Les neurones pallidaux latéraux sont souvent multicibles selon plusieurs combinatoires (hodotypes voir Fundamental neuromorphology ). D'après Sato et coll. (2000), chez le macaque, les neurones pallidaux latéraux envoient des axones vers le striatum (15.8%) mais surtout vers trois autres éléments, consécutivement: pallidum médian, nigra reticulata et noyau subthalamique. Les quantités des axones (hodones) 2-cibles sont pour pallidum médian et noyau subthalamique de 18,4% et pour la nigra reticulata et le noyau subthalamique de 52,6%. Comme il y a des monocibles pour le noyau subthalamique dans 23,2 % des cas, le noyau subthalamique est donc la cible privilégiée dans 84,2% des cas. Celui-ci en retour envoie la majorité de ses axones vers le pallidum latéral formant un sous système (voir plus bas).
Pallidum médiale (internal g. pallidus, GPi)
Le pallidum médian n'apparait que chez le primate. Le noyau entopédonculaire des non-primates n'est pas son équivalent. Il n'a en effet pas de territoire particulier dans le thalamus où ses extrémités axonales se mèlent à celle de la noire. De ce point de vue, il apparait plutôt comme un prolongement intracapsulaire de la noire. Le pallidum médian est séparé en deux parties (latérale et médiale) par la lamina intermedia (dont on ne connait pas la signification). Le pallidum médian, comme les autres éléments de l'ensemble, est un rythmeur rapide ("fast-spiking pacemaker") avec des décharges spontanées chez le singe éveillé d'environ 90 Hz (Mink and Thach, 1991) ou 70 à 80 Hz (Fillion et Tremblay, 1991). En opposition au pallidum lateral l'activité rapide y est continue (DeLong, 1960).
En plus de la connexion striatopallidale massive, le pallidum médian reçoit une innervation dopaminergique de la nigra compacta.
Contrairement au pallidum lateral, et comme la nigra reticulata, le pallidum médian est une des source majeure des sorties du système des ganglions de la base.
Sa première composante (10%) chez le macaque se rend à l'habenula (noyau externe), qui elle-même conduit à un sous-système dont on ne connait pas bien la nature. L'habenula est en effet l'origine d'un faisceau important ("retroflexe" de Meynert) qui se rend au noyau interpedonculaire (faisceau habanulo-interpédonculaire).
L'essentiel des axones pallidaux médians (90%) se dirige en arriére et au moyen de collatérales fournit successivement la region laterale du thalamus thalamus (VO), la pars media de la région centrale (voir plus bas), le complexe pedunculopontin (Percheron et al., 1996) et l'aire retrorubrale (Parent and Parent (2004).
Le développement important du pallidum médian dans la phylogénèse produit la création d'un faisceau efferent majeur, faisceau pallido-thalamique formant successivement l'anse et le faisceau lenticulaires, le faisceau en peigne, les champs de Forel H2, H et H1. Les arborisations thalamiques distales fondent l'aaparition d'un nouveau noyau le nucleus ventralis oralis, VO. Le mediateur est le GABA.
Substantia nigra ou locus niger
La littérature montre qu'il reste difficile d'extraire la substance noire du mésencéphale (des pédoncules) pour les intégrer de plein droit dans le système des ganglions de la base. La noire est inhomogène et complexe. Une première séparation doit être faite entre deux ensembles distincts, l'ensemble dopaminergique incluant la compacta mais aussi des éléments voisins et l'ensemble pallidonigral continuant en dedans le pallidum au sein du faisceau striatopallidonigral: la pars lateralis and la pars reticulata qui ont la même structure et la même afférence principale que le pallidum.
Nigra lateralis (SNl)
Les neurones nigraux de l'ensemble pallidonigral sont peu branchés et longs (Yelnik, et al. 1987).La différence entre neurones pallidaux et nigraux porte sur l'extension tridimensionnelle des arborisations dendritiques(François et al. 1987). Les dendrites des neurones nigraux ne tendent pas moins à être perpendiculaire aux neurones striataux afferents. . The particular synaptology is also the same. The pars lateralis is the most lateral part of the nigra. It is frequently not considered separately as the main difference from the pars reticulata is that it sends axons to the superior colliculus (François et al. 1984). This seems yet to be a sufficient reason.
Nigra reticulata(SNr)
Pacemaker pallidonigral
Une des découvertes récentes les plus importantes est le fait que la machinerie du système des ganglions de la base n'est pas mise en mouvement par les seules informations afferentes. On a en effet trouvé des "pacemakers" autonomes (rythmeurs autonomes) définis comme des "ensembles de neurones capable de décharges périodiques en absence d'input synaptique" (Surmeier et al. 2005), c.a.d. capables de produire une activité propre. L'ensemble pallidonigral est l'un d'entre eux. Parmi les pacemakers autonomes, il appartient à la catégorie des pacemakers rapides "capables de taux de décharges dépassant 200 Hz pendant des périodes étendues"(Surmeier et al. 2005). La régularité et la fréquence des pacemakers est liée aux canaux "cyclic nucleotide-gated" (HCN2 and HCN1, Chan et al. 2004) presents sur les dendrites des neurones pallidaux, modulés par les axones striato-pallidaux.
Le système des ganglions de la base étant très évolutif, l'interprétation doit être précise. La majorité de ce que l'on sait de ces pacemakers a été obtenu sur tranches cérébrales de rongeurs. Ceux-ci sont dépourvus de pallidum médian. Ce qui est dit concerne donc le seul pallidum lateral, inclus dans un sous-système particulier.
Connexion striato-pallidonigrale
Convergence et ajustement
Après la réduction majeure du nombre de neurones entre le cortex et le striatum (voir connexion corticostriée), la connexion striato-pallidonigrale correspond à une autre réduction forte du nombre de neurones recepteurs par rapport à celui des emetteurs.Les nombres donnés par Percheron et al. (1987, 1989) sont de 31 millions de neurones épineux chez le macaque. Il y a 166000 neurones pallidaux lateraux, 63000 pallidaux médians, 18000 nigraux lateraux et 35000 neurones dans la pars reticulata,ce qui fait 283000 neurones cibles. Si l'on divise le nombre des neurones striataux par ce nombre on trouve que chaque neurone cible peut recevoir en moyenne des informations de 117 neurones striataux. les nombres sont chez l'homme de 555000 neurones pallidaux lateraux, 157000 neurones pallidaux médianset de 167000 neurones nigraux (pars lateralis +reticulata). Une autre approche, différente, part de la surface membranaire moyenne des neurones pallidonigraux et du nombre de synapses striatales qu'elles peuvent recevoir. Chaque neurone pallidonigral peut ainsi recevoir environ 70000 synapses.Chaque neurone striatal peut ainsi contribuer à 680 synapses. Ceci mène à la même approximation de 100 neurones striataux pour un neurone cible ce qui représente une réduction majeure inhabituelle dans les connexions neuronales.
The consecutive compression of maps cannot preserve finely distributed maps (as would be the case for instance in sensory systems). The fact that a strong possibility of convergence exists does not means that it is constantly used. Percheron and Filion's (1991) argued for a "dynamically focused convergence". A recent modeling study starting from entirely 3-d reconstructed pallidal neurons showed that their morphology alone was able to create a center-surround pattern of activity (Mouchet and Yelnik, 2004). The very particular geometry of the connexion between striatal axons and pallidonigral dendrites in fact offers the possibility for a very large number of combinations such as local addition of simultaneous inputs to one tree or to several distant foci. The pallidum would offer an extended keyboard on which various cortical signals from close or remote areas can play.
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Synaptologie et combinatoire
The synaptology of the striato- pallidonigral connexion is so peculiar as to be recognized easily. Pallidonigral dendrites are entirely covered with synapses without any apposition of glia (Fox et al.,1974, Di Figlia et al. 1982). This gives in sections characteristic images of "pallissades" or of "rosettes". More than 90% of these synapses are of striatal origin. The few other synapses such as the dopaminergic or the cholinergic are interspersed among the GABAergic striatonigral synapses. The way striatal axons distribute their synapses is a disputed point. The fact that striatal axons are seen parallel to dendrites as "woolly fibers" has led to exaggerate the distances on which dendrites and axons are parallel. Striatal axons may in fact simply cross the dendrite and give a single synapse. More frequently the striatal axon curves its course and follow the dendrite forming "parallel contacts" for a rather short distance. The average length of parallel contacts was found to be 55 micrometres with 3 to 10 boutons (synapses). In a last case the afferent axon bifurcate and give two or more branches, parallel to the dendrite increasing the number of synapses given by one striatal axon. The same axon may reach other parts of the same dendritic arborisation (forming "random cascades"). With this pattern, it is more than likely that 1 or even 5 striatal axons are not able to influence (to inhibit) the activity of one pallidal neuron. Certain numeral, spatio-temporal conditions are necessary for this.
Physiopathologie
Les effets de la lésion bilatérale du pallidum n'est plus prise en considération dans les travaux récents. Pourtant ses effets sont considérables et devraient être introduits dans les bases de raisonnement. Ces destructions peuvent être anoxiques, le pallidum étant avec le "champ de Sommer" hippocampique l'endroit le plus sensible à la baisse d'oxygène. Ceci est corrélé avec des taux extrèmement élévés d'enzymes oxydatifs et surtout à la présence de métaux lourds. Le faisceau striato-pallidonigral contient du fer (xx), du manganèse, du cobalt.
La destruction peut-être toxique en particulier par le SH ou des pesticides.
L'atteinte pallidale bilatéral mène a des syndromes très graves avec une akinésie et des signes posturaux considérables.
Nigra compacta (SNc)(locus niger) et éléments dopaminergiques voisins
Stricto sensu, la pars compacta est une partie du cœur des ganglions de la base puisqu'elle reçoit des synapses des axones striataux par le faisceau striato-pallidonigral.
Structure
Les longues dendrites ventrales de la pars compacta plongent en effet profondément dans la pars reticulata où elles reçoivent des synapses des axones du faisceau ( en particulier des axones striatostriosomaux). Toutefois, sa constitution, sa physiologie et son médiateur contrastent avec le reste de la substantia nigra. En dépit de leur intrication topographique, il convient donc d'insister sur la nécessité de séparer fortement deux ensembles neuronaux bien distincts: l'ensemble noir pallidonigral et l'ensemble noir proprement dit.
L'ensemble noir se caractérise par des traits morphologiques distincts. Les arborisations dendritiques sont plus épaisses et plus longues que celles de l'ensemble reticulata-lateralis (François et al.). Un dépôt de neuromélanine qui s'accroit avec l'âge rend les neurones et la structure "noire", ce qui est à l'origine du nom de l'ensemble (substantia nigra voulant dire substance noire, terme couramment utilisé). Cet ensemble neuronal n'est pas entièrement "nucléé" (c’est-à-dire inclus dans un système de fermeture (voir theoretical neurmorphology). Des neurones de même genre se trouvent en dehors des limites traditionnelles de la substance noire, plus en arrière dans le tegmentum du mésencéphale, en position prérubrale. Ils y constituent des "groupes" sans frontières claires. Les premières études, déjà anciennes chez le rat, sans possibilité de cartographie plus précise, au lieu de désignations anatomiques, avaient isolé ces groupes avec des numéros. La pars compacta y est A9! Les ensembles plus postérieurs ont été arbitrairement désignés comme "area A8" et "A10". La pars compacta proprement dite est maintenant subdivisée en un niveau ventral "A9v" et un niveau dorsal "A9d", calbindine positif (François et al. , 20 ). Celui-ci est en fait lié à un ensemble comprenant A8 and A10 qui représente 28% des neurones dopaminergiques. Le niveau ventral reçoit des information striatale par le faisceau striatopallidonigral. Ceci ne peut être le cas des éléments dorsaux et postérieurs que le faisceau n'atteint pas.
Les neurones de la pars compacta à l'opposé de ceux de la reticulata sont des pacemakers (rythmeurs) lents (Surmeier et al. 2005), entre 0,2 et 10 Hz(au dessous de 8, Schultz). Contrairement à ce qui avait été pensé, l'activité des neurones dopaminergiques n'est pas liée au mouvement.Les neurones sont par contre "activés par des stimuli nouveaux, inattendus, par des récompenses primaires en l'absence de stimulus prédictif et durant l'apprentissage" (Schultz).
Cibles de l'ensemble dopaminergique
L'ensemble des axones des neurones dopaminergiques forment le faisceau nigrostrié ou nigrostriatal. Celui-ci débute à la partie superomédiale de la noire et monte presque verticalement jusqu'au bord médian du noyau subthalamique. Là, il s'incline pour longer son bord supérieur. Ensuite il traverse la capsule interne et atteint le coin superomédian du putamen.
their axons along the nigrostriatal pathway to the striatum where they release the neurotransmitter dopamine. There is an organisation in which dopaminergic neurons of the fringes (the lowest) go to the sensorimotor striatum and the highest to the associative striatum. Dopaminergic axons also innervate of other elements of the basal ganglia system including the lateral and medial pallidum[4], substantia nigra pars reticulata, and the subthalamic nucleus[5]. [edit]
Function
The function of the dopamine neurons in the substantia nigra pars compacta is complex. In particular, it is suggested that dopamine neurons fire when a reward is greater than that previously expected; a key component of many reinforcement learning models. This signal can then be used to update the expected value of that action. Many drugs of abuse, such as cocaine, mimic this reward response—providing an explanation for their addictive nature. [edit]
Pathologie
Degeneration of cells in this region is the principal pathology that underlies Parkinson's disease. In a few people the cause of Parkison's disease is genetic, but in most cases the reason for the death of these dopamine neurons is unknown. Parkinsonism can also be produced by viral infections such as encephalitis or chemicals such as MPTP, an industrial toxin which can be mistakenly produced during synthesis of the meperidine analog MPPP). Pathological changes to the dopamine neurons of the pars compacta are also thought to be involved in Schizophrenia (see the dopamine hypothesis of schizophrenia) and psychomotor retardation sometimes seen in clinical depression.
The densely distributed neurons of the pars compacta have larger and thicker dendritic arborizations than those of the pars reticulata and lateralis.
Groups of neurons located more dorsally and posteriorly in the tegmentum are of same type without forming true nuclei. The "cell groups A8 and A10" are spread inside the cerebral peduncule (François et al. 1999). They are not known to receives striatal afferences and are not in the topographical position to do so. The dopaminergic ensemble is thus also on this point inhomogeneous.
This is another major difference with the pallidonigral ensemble. The fact that the efferent dopaminergic connexion attracts the attention more than its input explains its intermediate position in our plan. The axons of the dopaminergic neurons, that are thin and varicose, leave the nigra dorsally. They turn round the medial border of the subthalmic nucleus, enter the H2 field above the subthalamic nucleus, then cross the internal capsule to reach the upper part of the medial pallidum where they enter the pallidal laminae, from which they enter the striatum (Percheron et al. 1989). They end intensively but inhomogeneously in the striatum, rather in the matrix in the anterior part and rather in the striosomes dorsalwards (Prensa et al.2000). These authors insits on the extrastriatal dopaminergic innervation of other elements of the basal ganglia system: pallidum and subthalamic nucleus . The role of the dopaminergic neurons has been the source of a considerable literature.It will be just remembered that due to its widespread distribution, it may regulate the system in many places.
Régulateurs du cœur des ganglions de la base
Noyau subthalamique, ou corps de Luys
Comme cela est indiqué par son nom, le noyau sous-thalamique (nucleus subthalamicus) est situé au dessous du thalamus. Il est dorsal par rapport à la substance noire et médial par rapport à la capsule interne. Le noyau a une forme lenticulaire et un aspect homogène.Il est constitué d'une espèce neuronale particulière qui a des arborisations dendritiques plutôt longues ellipsoïdales dépourvues d'épines, réplicant en plus petit la forme générale du noyau (Yelnik and Percheron,1979).
Sous-système subthalamo-lateropallidal
Comme il a été dit plus haut,le pallidum lateral n'a de cibles qu'intrinsèques au système des ganglions de la base. Il est particulièrement lié dans les deux directions au noyau subthalamique.
Contrairement aux deux éléments de sortie (medial pallidum et nigra reticulata), ni le pallidum lateral ni le noyau subthalamique n'envoie d'axones au thalamus. Le pallidum lateral reçoit un apport massif d'axones striataux et est à ce titre un élément du cœur des ganglions de la base et ne reçoit pas d'axones corticaux. Le noyau subthalamique ne reçoit pas d'afférences striatales et à ce titre n'est pas un élément du cœur. Il reçoit par contre des afférences corticales.
Le pallidum latéral et le noyau subthalamique sont tous deux des pacemakers rapides(Surmeier et al.2005). La connexion pallido-subthalamique est inhibitrice (GABA). La connexion subthalamo-pallidale est excitatrice (glutamate). Les deux ensemble qui sont des regulateurs couplés constituent le "pacemaker central des ganglions de la base" (Plenz and Kitai,1999) avec des bouffées synchrones.
Région centrale (C)
Cette région (voir thalamus) correspond à ce qui est souvent appelé le complexe centre médian-parafasciculaire (voir Percheron et al. 1991).
Contrairement à ce qui est dit communément depuis LeGros Clarcke, il n'appartient pas topographiquement, histologiquement ni functionellement au groupe des noyaux intralaminaires. Situé à la partie inférieure du thalamus, il est presque partout entourré d'une capsule qui en font unr région fermée. Chez le primate supérieur, partant des cercopithecidae, il est fait non pas de deux mais de trois éléments ayant chacun une espèce neuronale propre (Fenelon et al. 1994) distribuées de médialement à latéralement. Deux interprétations ont été proposées pour l'appartenance de la partie intermédiaire: soit partie du centre médian (les Vogts, 1941)soit du parafasciculaire (Niimi et al. 1960). Comme ceci difficilement décidable, il a été proposé de grouper les trois elements dans la regio Centralis (puisqu'il s'agit d'un noyau thalamique classique) et de désigner de dedans en dehors les pars parafascicularis, pars media et pars paralatéralis. L'ensemble est riche en parvalbumine. Les deux parties les plus médianes sont riches en cholinestérase.
They are the source of the major, centralo-striatal, part of the thalamo-striatal connexion, with glutamate as the mediator. The pars parafascicularis receives afferences from the substantia nigra and the superior colliculus. It sends axons to the associative striatum. The pars parafascicularis sends also axons to the substantia nigra. The main afference of the pars media is the medial pallidum. This pars media sends axons to the matrix compartment of the sensorimotor striatum through an important bundle (François et al. 1991). The pars media is a part of the subcortical Nauta-Mehler's circuit (striatum-medial pallidum-pars media-striatum). There are thus strong interconnections of the complex with the basal ganglia. The pars paralateralis has essentially cortical relations particularly with the motor cortex. The structure of the complex being different from that of the close intralaminar formation and having different connexions, it has been proposed two decades ago to remove the central complex from the intralaminar elements and to link it to the basal ganglia system, where it may be classified among the regulators of the core. Lesions of the complex have no known clinical effects. There are few physiological data in awake monkeys. For Matsumoto et al. (2001) the axons of the complex would supply striatal neurons with information about behaviorally significant sensory events. For Minamimoto and Kimura (2002) the region plays a role in attentional orienting to events occuring in the controlateral side.Complexe pedunculopontin
The pedunculopontine complex is not a primary part of the basal ganglia. It is a part of the reticulate formation (Mesulam et al. 1989) having strong interrelations with the basal ganglia system. As indicated by its name, it is located at the junction between the pons and the cerebral peduncle, lateral to the decussation of the brachium conjunctivum. The complex is not homogeneous. An important part is made up of cholinergic (Ch5)(excitatory) neurons, which is also the case for the laterodorsal tegmental nucleus (Ch6) (Mesulam et al. 1989). Other neurons are GABA. The tracing of axons from the pedunculopontine complex has shown that it ends intensively in the nigra reticulata first and to the compacta. Another strong innervation is observed in the subthalamic nucleus (Lavoie and Parent, 1994). Other targets are the pallidum (mainly medial) and the striatum. The complex receives abundant direct afferences from the medial pallidum (Percheron et al. 1998)(inhibitory).It sends axons to the pallidal territory of the lateral region VO. All this led Mena-Segovia et al. (2004) to propose that the complex be linked in a way or another to the basal ganglia system. A review on its role in the system and in diseasesis given by Pahapill and Lozano (2000). It plays an important role in awakeness and sleep. The complex must be left its double position and function. It is a part of the reticular formation. It is a regulator (regulating and being regulated) of the basal ganglia system.
Efferences du système des ganglions de la base
Nigra lateralis vers le superior colliculus
Medial pallidum vers le thalamique VO et le cortex
Nigra reticulata vers le thalamique VA et le cortex
Sous systèmes et modèles
Les représentations systémiques utilisent de manière ordinaire le "schéma boîte-flêche" où les éléments sont des boites et les connexions de simples flèches. Les "boîtes" sont supposées être clairement distinctes des autres, closes et homogènes. Les flèches n'ont pas de poids en nombre d'axones, ni de combinatoire. Dans des modèles récents, le cortex est réduit à une boîte (comme si cela était possible) et le thalamus "moteur" à une autre boîte mèlant induement le thalamus cérébelleux d'une part et le "thalamus des ganglions de la base", pourtant soigneusement séparé en thalamus pallidal et thalamus nigral. Le ("VA-VL" complex) n'a aucun fondement mais une grande puissance dévastatrice pour comprendre le système.
Several models have been proposed at about the same time. Anatomical works have demonstrated that there is a strong compression of numbers of neurons meaning a numerical convergence (Yelnik et al.1984 and Percheron et al. 1984). This objective "funneling" has been attacked in the opposed model of Alexander et al.(1986), Alexander and Crutcher (1990), presented under several other forms. These authors priviledged distinct chains of anatomical connexions that would escape funneling to preserve 5 to 6 "basal ganglia-thalamocortical circuits": motor, oculomotor, prefrontal (dorsolateral prefrontal and lateral orbitofrontal) and limbic (or anterior cingulate), which through the basal ganglia and the thalamus would return to the initial point of the cortex. This "parallelist" view did not fit with the observable anatomy. As repeatedly proven, the corticostriate connexion does not follow the Kemp and Powell topography (1970). In addition to compression there is an intrication of subsystems (e.g.the oculomotor component intricated with the frontal one). The thalamo-cortical connexion does not follow simple rules and usually have several cortical targets. Another model, and probably the most famous (Albin et al.1989)(later admitted to have been too simplistic) selected two criteria: the inhibitory/excitatory character of connexions and the mediator involved. Current models place the role of the subthalamic nucleus in a privileged position due to the fact that it is excitatory when the striatum, the pallidum and the nigra have inhibitory mediators. To a "direct pathway" (cortex-striatum-medialpallidonigro-thalamo-cortical)(5-circuit) was opposed an "indirect pathway"(cortex-striatum-lateral pallidum-subthalamic nucleus-medialpallidonigral-thalamo-cortical) (6-circuit). Connexions were links without defined numbers of axons and no topological varieties. The particularly complex system of the basal ganglia yet incites to more refined systemic analyses, with systems (defined very simply as elements in interactions) and subsystems with same properties. The opposition between output subsystems and regulator subsystems does not correspond exactly with that made between the core and the regulators. One part of the core, the lateral palliduum, is indeed a part of the core and a regulator. It does not send axons to the thalamus and from there to the cortex. All its efferent axons instead are returning inside the basal ganglia system. With its main target the subthalamic nucleus they constitutes together a particular subsystem, with two high frequency autonomous pacemakers, one inhibitory (GABA) and one excitatory (glutamate). The subthalamic nucleus sends axons to another regulator: the pedunculo-pontine complex (also excitatory, glutamatergic). This and the central complex are elements of other basal ganglia regulating subsystems.
In addition to the nigrotectal connexion (too often minimised), there are two output subsystems starting from the striatum, each forming 3-path to the cortex. They do not send axons (then no regulatory messages) either to the striatum, lateral pallidum or subthalamic nucleus. The first output path from the striatum has its first relay in the medial pallidum (GABAegic, inhibitory). This sends axons (again GABAergic and inhibitory) to a particular place of the thalamus, the nucleus ventralis oralis VO (see 'human thalamus) . VO sends its axons to the accessory motor and to the motor cortex (with glutamate as the mediator). The second output subsystem follows exactly the same pattern, but, this time, starts from the nigra reticulata. Nigral axon go to the nucleus ventralis anterior VA. This VA not exactly corresponding to the fuzzy usual nucleus sends axons to the frontal cortex and the oculomotor areas (glutamatergic). Striato-pallidonigral and pallidonigral-thalamic connexions are inhibitory. The separation of the two subsystems corresponds to a differentiated cortical distribution. There is not one "direct" but two output circuits in primates: one is cortex-striatum-medial pallidum- VO-SMa and the other is cortex-striatum-nigra reticulata-VA- anterior cortex. There are many arguments against treating in the same manner the "indirect circuit" involving a regulator circuit and the output circuits. The new data concerning morphology and physiology raises problems. The fact that the pallidonigral set (as defined above) is a high-frequency pacemaker (1) emitting inhibitory signals (2) receiving at low frequency, but in possibly large numbers, messages from the striatum that are also inhibitory should modify the way of reasoning. Adaquate striatal patterns might carve, by desinhibition, an appropriate pattern of signals (a message) to the thalamus and from there to the cortex. Some axons from the lateral pallidum go to the striatum (Sato et al.2000). Above all, many of them go to other basal ganglia elements: the medial pallidum, the nigra reticulata and the subthalamic nucleus. The activity of the medial pallidum is thus influenced by afferences from the lateral pallidum and from the subthalamic nucleus (Smith, Y., Wichmann,T.,DeLong, M.R. 1994). The same holds true for the nigra reticulata (Smith, Y., Hazrati, L-N, Parent, A. 1990).
Concerning the ordinary model,there is not one "direct" but two output circuits in primates: one is cortex-striatum-medial pallidum- VO-SMa in one hand and the other is cortex-striatum-nigra reticulata-VA- anterior cortex in the other. There are many arguments against treating in the same manner the "indirect circuit" involving a regulator circuit and the output circuits. Among other ways of looking to the basal ganglia system, that indicated by morphology and physiology raises problems. The pallidonigral set (as defined above) is a high-frequency pacemaker (1) emitting inhibitory signals (2) receiving at low frequency but in possibly large numbers of messages from the striatum that are also inhibitory. Adaquate striatal patterns thus might carve, by desinhibition, an appropriate pattern of signals (a message) to the thalamus and from there to the cortex.
Notes
Voir aussi
- subthalamo-lateropallidal pacemaker
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