Colloque du XXème anniversaire de l'Inserm
« Recherche médicale, santé société »
Sorbonne, 27 et 28 octobre 1984

Les messagers des cellules nerveuses
Jacques Glowinski

Il y a vingt ans, la neuropharmacologie prenait son essor. Le nombre de médiateurs chimiques identifiés dans le système nerveux central était extrêmement limité. Les regards étaient centrés sur les monoamines. En effet, l'école suédoise venait de mettre en évidence la première cartographie des systèmes monoaminergiques dans le cerveau. L'étude du métabolisme des catécholamines (noradrénaline, dopamine) débutait. Il en était de même de celle du mécanisme d'action de substances psychotropes, dont les effets sur le comportement avaient été discernés quelques années auparavant par les cliniciens. Comparées aux méthodes sophistiquées des électrophysiologistes, les approches expérimentales des biochimistes apparaissaient bien grossières. Rares étaient les collaborations entre les chercheurs de ces deux disciplines. Les biochimistes se cantonnaient dans l'analyse des événements présynaptiques, car les techniques permettant d'aborder directement l'étude des propriétés des récepteurs centraux des quelques médiateurs chimiques identifiés n'étaient pas encore disponibles. Pourtant, la découverte récente d'une dégénérescence des neurones nigrostriataux dopaminergiques chez les parkinsoniens suscitait un grand intérêt. Par ailleurs, les premières études sur le mécanisme d'action des antidépresseurs et des neuroleptiques permettaient d'envisager que les dépressions résultaient d'un dysfonctionnement des neurones noradrénergiques centraux et qu'une transmission dopaminergique excessive dans des structures limbiques était à l'origine de certains des symptômes observés chez les schizophrènes.

Depuis cette époque, nos connaissances sur les mécanismes élémentaires des communications neuronales se sont considérablement développées. La neuropharmacologie n'y est pas étrangère, car cette discipline charnière des neurosciences s'est avérée un réservoir inépuisable d'outils exceptionnels d'investigation. Dans le vaste champ d'exploration de la neurotransmission, nous avons assisté à des progrès dans trois directions complémentaires. Révélant la richesse des signaux émis et reçus par les cellules nerveuses, de nombreux médiateurs chimiques et récepteurs ont été identifiés. Témoignant de la complexité des modalités de transfert de l'information dans le système nerveux, une grande variété de réponses évoquées par les médiateurs chimiques ou leurs agonistes a été décelée au niveau cellulaire. Enfin, résultant en particulier de l'essor remarquable des techniques neuroanatomiques, des données nouvelles sur l'organisation des ensembles neuronaux ont été obtenues, données déterminantes pour l'étude des fonctions cérébrales et de leurs anomalies, qui permettent, par ailleurs, de mieux saisir la diversité des effets des drogues psychotropes sur le comportement.

Multiplicité des médiateurs chimiques et de leurs récepteurs

Bien que, dans certains cas, les preuves obtenues soient loin d'être irréfutables, nous connaissons aujourd'hui plus d'une cinquantaine de molécules qui jouent très vraisemblablement un rôle de médiateur chimique ou de neuromodulateur et ce nombre ne cesse de croître. Ces molécules appartiennent à trois familles : les acides aminés, les amines et le groupe florissant des neuropeptides. Plusieurs de ces neuropeptides sont bien connus puisque ce sont par ailleurs des hormones circulantes, des hormones hypophysaires, des hormones locales du tractus gastrointestinal ou, encore, des facteurs hypothalamiques de libération des hormones hypophysaires. Si la multiplicité de ces messagers des cellules nerveuses est déjà étonnante, la mise en évidence par Hökfelt et ses collaborateurs d'une coexistence de deux ou trois médiateurs chimiques ou neuro-modulateurs au sein d'un même neurone a été une révolution qui a bouleversé nos concepts sur les mécanismes de neurotransmision. De plus en plus, il apparaît que les neurones contenant un médiateur chimique classique (acide aminé ou monoamine) possèdent également un neuropeptide dont l'identité peut varier au sein d'une même famille neuronale. Ainsi, par exemple, certains neurones dopaminergiques contiennent de la cholecystokinine et d'autres de la neurotensine. La signification fonctionnelle de la présence de deux, voire trois, messagers dans un neurone est loin d'être complètement élucidée. Toutefois, des études récentes effectuées à la périphérie suggèrent que la co-libération du médiateur classique et du neuropeptide dépend de la fréquence de stimulation des fibres nerveuses et que le neuropeptide amplifie la réponse évoquée par le médiateur classique selon des mécanismes variables.

Depuis dix ans, parallèlement au développement des études sur l'identification des nouveaux médiateurs chimiques, les travaux sur les récepteurs centraux des neuromédiateurs ont considérablement évolué, grâce à l'impulsion de Snyder et de ses élèves. En effet, l'analyse des caractéristiques de liaison au niveau des membranes neuronales, d'une diversité impressionnante de ligands radioactifs sélectionnés parmi la myriade de molécules synthétisées par les chimistes, a permis, dans plusieurs cas, de démontrer l'existence de plusieurs classes de récepteurs pour un même médiateur chimique. Ce sont autant de cibles nouvelles pour les pharmacologues, sans oublier les enzymes impliquées dans la synthèse ou la dégradation des médiateurs chimiques. Ce survol rapide permet de mesurer l'immensité du chemin parcouru. Certaines des avancées riches de promesses méritent d'être évoquées de façon plus détaillée.

Parmi les acides aminés, le GABA et les acides glutamique et aspartique sont les médiateurs chimiques libérés dans une grande majorité de synapses centrales. Les récepteurs GABA-ergiques postsynaptiques (type A), dont la stimulation conduit à une inhibition des cellules cibles, ont fait l'objet d'études intensives, car ce sont les sites d'action des barbituriques et des benzodiazépines qui agissent sur la transmission GABA-ergique par des mécanismes différents. Des récepteurs GABA-ergiques présynaptiques (type B), localisés le plus souvent sur des fibres monoaminergiques et dont la pharmacologie contraste avec celle des récepteurs de type A, ont été identifiés. Des perspectives nouvelles apparaissent en ce qui concerne les acides aminés excitateurs. Ainsi, selon Coyle et ses collègues, dans certains cas, les acides glutamique et aspartique seraient les produits d'hydrolyse de di ou tripeptides libérés à partir des terminaisons neuronales. Enfin, l'étude du mécanisme d'action de l'acide kainique et de ses dérivés, substances qui provoquent la dégénérescence de nombreuses populations neuronales, et la découverte de plusieurs antagonistes de l'acide glutamique ont facilité la caractérisation d'au moins trois classes de récepteurs glutamatergiques.

Dans le domaine des monoamines, plusieurs percées méritent d'être signalées. Les techniques performantes de la génétique moléculaire ont permis d'établir la structure des quatre sous-unités polypeptidiques distinctes du récepteur cholinergique nicotinique. Des substances endogènes, dont certaines seraient peptidergiques, interviendraient dans la régulation du transport spécifique des catécholamines ou de la sérotonine dans les terminaisons nerveuses, mécanisme qui contribue à l'inactivation de ces amines. Ces données ouvrent des perspectives nouvelles pour la recherche de nouveaux antidépresseurs et l'étude de leurs mécanismes d'action. Une clarification est intervenue dans l'étude des propriétés des diverses classes de récepteurs dopaminergiques. Cela résulte essentiellement de la synthèse de nouveaux agonistes et antagonistes, notamment d'une nouvelle famille de neuroleptiques dérivés de la série des benzamides dont le sulpiride est le prototype. Par ailleurs, la découverte d'une libération dendritique de la dopamine et l'étude de son rôle a révélé que le transfert des informations à partir des neurones pouvait être bidirectionnel.

Dans l'histoire encore brève des neuropeptides, les événements les plus spectaculaires ont été les recherches sur les peptides opiacés et les tachykinines, dont le représentant le plus connu est la substance P. Les répercussions de ces travaux dans les domaines de l'analgésie et de la nociception sont éclatantes. Toutefois, la grande diversité des structures cérébrales innervées par les systèmes neuronaux contenant ces peptides indique que ceux-ci sont impliqués dans la régulation de multiples fonctions dont celles de la sphère limbique. Ce qui frappe dans l'explosion des recherches sur les peptides opiacés c'est la rapidité avec laquelle les ADN complémentaires et les ARN messagers codant pour les précurseurs de ces peptides ont été clonés et séquencés, suite à la découverte, dans le cerveau, de deux pentapeptides, la leu- et met-enképhaline, par Hughes et Kosterlitz en 1975, et la démonstration de leur action sur les récepteurs des substances morphinomimétiques. De fait, nous connaissons aujourd'hui trois précurseurs des peptides opiacés localisés dans des systèmes neuronaux distincts, dont la cartographie est déjà établie. Il s'agit de la pro-opiomélanocortine, de la proenképhaline et de la pro-néoendorphine-dynorphine qui engendrent, respectivement, la bêta-endorphine, la met- et leu-enképhaline et des peptides actifs plus longs et enfin l'alpha, et la bêta-néoendorphine, ainsi que des dynorphines A et B. Cette extraordinaire diversité de molécules endogènes, plusieurs peptides de synthèse, ainsi que la morphine et nombre de ses dérivés, agissent plus ou moins sélectivement sur l'une ou l'autre des quatre principales classes de récepteurs opiacés caractérisés (º, ¥, º, Ã).

La découverte de la substance P dans les fibres C conduisant les messages nociceptifs est à l'origine des nombreuses recherches consacrées à ce peptide pendant ces cinq dernières années. De fait, grâce aux travaux d'Otsuka et de ses collaborateurs, effectués au niveau de la moelle épinière, la substance P est certainement l'un des peptides pour lequel nous avons le plus d'indications concernant son rôle de médiateur chimique : libéré par un processus calcium-dépendant en réponse à une stimulation des racines dorsales, celui-ci provoque une excitation importante de certains neurones spinaux. Ces auteurs ont également mis en évidence des propriétés neuromodulaires de la substance P au niveau du ganglion mésentérique inférieur. Dans ce cas, la dépolarisation induite par la substance P, qui n'intervient que tardivement et est de longue durée, facilite l'excitation des cellules cibles provoquée par des fibres afférentes excitatrices, mais ne peut, à elle seule, déclencher l'activation de ces cellules. Selon un cheminement voisin de celui observé dans le cas des peptides opiacés, les recherches sur la substance P se sont rapidement étendues à des peptides voisins de la même famille des tachykinines et, notamment, à deux d'entre eux récemment découverts dans le tissu nerveux des mammifères : la substance K et la neuromédine K. Ces travaux se poursuivent dans diverses directions : isolement des précurseurs et des peptidases intervenant dans la synthèse et la dégradation de ces peptides ; caractérisation des diverses classes de récepteurs des tachykinines dans le cerveau et les tissus périphériques ; recherche d'agonistes et d'antagonistes spécifiques, l'une des difficultés majeures rencontrées par les pharmacologues, comme dans le cas de la plupart des neuropeptides identifiés jusqu'à ce jour.

Diversité des réponses évoquées par les médiateurs chimiques et les neuromodulateurs

Dominée pendant longtemps par les travaux sur la jonction neuromusculaire, en dépit de résistances par trop dogmatiques, notre vision des mécanismes de communication entre cellules nerveuses s'est considérablement élargie. Le terme de neuromodulateur est apparu à côté de celui de médiateur chimique, substance qui évoque des signaux limités dans le temps (de l'ordre de la milliseconde) et dans l'espace (la synapse). Comme nous l'avons vu dans le cas de la substance P, les neuromodulateurs, dont la durée d'action est généralement plus longue (secondes et même plusieurs minutes), auraient la capacité de modifier les caractéristiques de réceptivité des cellules nerveuses vis à vis des médiateurs chimiques, sans pour autant modifier directement l'activité des neurones, c'est à dire sans provoquer une excitation ou une inhibition. Bien qu'il s'agisse d'un concept différent, les neuromodulateurs agiraient à distance sur des récepteurs éloignés de leur site d'émission, modifiant ainsi de façon homogène l'activité d'une population de neurones ou de cellules gliales. En effet, des études récentes ont révélé que les cellules gliales avaient des propriétés excitables, étaient hétérogènes et pouvaient avoir à leur surface divers types de récepteurs. Les neuromodulateurs seraient donc des molécules ayant des capacités transitionnelles entre les médiateurs chimiques et les hormones, impliqués notamment dans les processus d'apprentissage ou de mémorisation au niveau neuronal et dans les communications entre les neurones et les cellules gliales. Bien qu'une même substance puisse agir en tant que médiateur chimique ou neuromodulateur, selon l'identité de la cellule cible ou du récepteur impliqué, dans de nombreux cas, les monoamines et les neuropeptides semblent exercer des fonctions neuromodulatrices.

L'interaction des messagers des cellules nerveuses avec leur(s) récepteur(s) se traduit par l'ouverture de canaux ioniques ou par la formation (ou mobilisation) de seconds messagers. Divers canaux ioniques chimiodépendants intimement associés à, ou constitués par la protéine réceptrice ont pu être mis en évidence. L'étude de leurs propriétés fonctionnelles et des effets de diverses neurotoxines ou d'autres agents pharmacologiques sur l'ouverture ou la fermeture de ces canaux a été grandement facilitée par l'utilisation de nouvelles méthodes électrophysiologiques permettant d'enregistrer le courant passant à travers un seul canal au niveau de fragments membranaires. Nous assistons, par ailleurs, à une progression rapide dans l'inventaire des effets des monoamines et des neuropeptides sur la formation d'AMP-cyclique, de GMP-cyclique ou de diacylglycérol, ainsi que sur la mobilisation du calcium. Ainsi que l'ont montré Greengard et ses collaborateurs, ces seconds messagers, en activant diverses protéine-kinases, conduisent à la phosphorvlation de protéines cytosoliques ou membranaires, dont plusieurs sont spécifiques de certaines populations neuronales. L'importance des régulations ainsi mises en jeu est évidente, si l'on tient compte du fait que ces protéines phosphorylées peuvent être des récepteurs, des canaux ioniques, des enzymes intervenant dans la synthèse ou la libération des médiateurs chimiques, des protéines du cytosquelette, des protéines intervenant dans l'expression des gènes ou encore des inhibiteurs endogènes des phosphatases, telle la DARPP32, une protéine contenue exclusivement dans les cellules dopaminoceptives. Ce domaine de recherche est en pleine effervescence. Il enrichit considérablement le champ d'investigation des neuro-pharmacologues, puisqu'une diversité de réponses biologiques aisément quantifiables, évoquées par les signaux extracellulaires endogènes ou les agents pharmacologiques, peut être appréciée in vitro.

Les ensembles neuronaux et leurs régulations

L'étude des fonctions cérébrales, de leurs anomalies dans les désordres neurologiques et les maladies mentales et de la pléiade des modifications du comportement induites par les drogues psychotropes ne peut se restreindre à l'analyse des événements moléculaires ou cellulaires. La connaissance de l'organisation des ensembles neuronaux et de leurs régulations est une nécessité impérieuse.
Dans ce domaine de l'analyse des propriétés des ensembles neuronaux, des progrès remarquables ont été également effectués. La cartographie biochimique du cerveau s'est considérablement enrichie. Grâce au développement des méthodes de traçage des voies nerveuses, de l'immunohistochimie et des techniques autoradiographiques, nous avons recueilli une masse considérable d'informations sur la distribution anatomique précise des différents médiateurs chimiques ou neuromodulateurs identifiés et de leurs récepteurs dans les circuits neuroniques du cerveau. C'est ainsi, par exemple, que la découverte d'une innervation dopaminergique dans le cortex préfrontal, structure impliquée dans les fonctions cognitives, a fourni des arguments supplémentaires en faveur de l'hypothèse dopaminergique de la schizophrénie. De même, plus récemment, la démence présénile d'Alzheimer a pu être attribuée à la dégénérescence d'un système de neurones cholinergiques issu du noyau de Meynert et se projetant dans le cortex cérébral.

Progressivement, les principales interactions entre systèmes neuronaux identifiés ont été répertoriées. D'autre part, grâce à la méthode de Sokoloff récemment appliquée chez l'homme, qui autorise la visualisation et la quantification de la consommation de glucose, simultanément dans diverses structures cérébrales, nous avons une vision plus globale des réseaux neuroniques sollicités dans diverses situations physiologiques ou pharmaco-logiques. Ajoutons, enfin, que la découverte de substances neurotoxiques ayant des effets sélectifs sur certaines populations neuronales a favorisé la reproduction, chez l'animal, de troubles neurologiques observés chez l'homme. Ces modèles expérimentaux, riches d'enseignements sur le fonctionnement cérébral, facilitent le développement de nouvelles thérapeutiques. La meilleure illustration en est la reproduction chez le singe d'un syndrome parkinsonien, observé à la suite de l'administration d'un composé neurotoxique, le MPTP, contaminant de l'héroine, qui détruit sélectivement les neurones de la voie dopaminergique nigrostriatale.

Bien que trop succincte et incomplète, cette fresque des contributions les plus significatives des recherches sur les messagers des neurones, si étroitement associés à l'essor de la neuropharmacologie, démontre l'extraordinaire progression de nos connaissances sur les mécanismes de transfert de l'information dans le système nerveux. Elle révèle également l'extrême complexité des problèmes auxquels nous sommes confrontés, si l'on tient compte, par exemple, de la multitude des signaux chimiques perçus par un seul neurone et de la combinatoire de leurs effets à brève et longue échéances. Au monde des médiateurs chimiques et des neuromodulateurs, s'ajoute celui encore bien mystérieux des facteurs trophiques, qui président à la reconnaissance des cellules nerveuses ou à leur survie et dont la pharmacologie est encore inexistante.

Sans aucun doute, l'aspect le plus fascinant et exaltant de ces recherches est de voir se dessiner une nouvelle conceptualisation de la structure de l'édifice cérébral. Au réseau précisément « cablé » de la grande majorité des connexions, se superpose un réseau de voies nerveuses, moins nombreuses mais plus divergentes et diffuses. Le premier, constitué essentiellement des neurones riches en GABA ou en acides aminés excitateurs, qui transmet avec célérité des messages signifiants d'une grande brièveté, remplit des missions exécutives. Le second, qui régule le premier, constitué par les populations des neurones aminergiques et peptidergiques, exerce le plus souvent des effets de type hormonal, modulateur, permissif ou suppressif étalés dans l'espace et le temps. Force est de constater que cette vision par trop schématique doit s'infléchir, si l'on tient compte de la présence dans les neurones de deux ou trois messagers dont les fonctions sont distinctes et complémentaires. Il apparaît maintenant vraisemblable que les composants de ces deux réseaux ont des propriétés pluripotentielles, dont certaines s'expriment plus ou moins en fonction de facteurs génétiques et épigénétiques.