Maintenant, dans une étude publiée cette semaine dans le Journal of Neuroscience, des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) et de l’Université de Nagoya ont révélé comment un anesthésique général couramment utilisé appelé isoflurane affaiblit la transmission des signaux électriques entre les neurones, à des jonctions appelées synapses.
« Fait important, nous avons constaté que l’isoflurane ne bloquait pas la transmission de tous les signaux électriques de manière égale; l’anesthésique avait l’effet le plus fort sur les impulsions de fréquence plus élevée nécessaires à des fonctions telles que la cognition ou le mouvement, alors qu’il avait un effet minime sur les impulsions de basse fréquence qui contrôlent les fonctions vitales, telles que la respiration », a déclaré le professeur Tomoyuki Takahashi, qui dirige l’unité de fonction Synaptique cellulaire et moléculaire (CMSF) à l’OIST. « Cela explique comment l’isoflurane est capable de provoquer une anesthésie, en bloquant préférentiellement les signaux à haute fréquence. »
Aux synapses, les signaux sont envoyés par les neurones présynaptiques et reçus par les neurones postsynaptiques. Dans la plupart des synapses, la communication se fait via des messagers chimiques or ou des neurotransmetteurs.
Lorsqu’une impulsion nerveuse électrique, ou un potentiel d’action, arrive à l’extrémité du neurone présynaptique, cela provoque la fusion des vésicules synaptiques – de minuscules « paquets » membranaires contenant des neurotransmetteurs – avec la membrane terminale, libérant les neurotransmetteurs dans l’espace entre les neurones. Lorsque suffisamment de neurotransmetteurs sont détectés par le neurone postsynaptique, cela déclenche un nouveau potentiel d’action dans le neurone post-synaptique.
L’unité CMSF a utilisé des tranches de cerveau de rat pour étudier une synapse géante appelée le calice de Held. Les scientifiques ont induit des signaux électriques à différentes fréquences et ont ensuite détecté les potentiels d’action générés dans le neurone postsynaptique. Ils ont constaté qu’en augmentant la fréquence des signaux électriques, l’isoflurane avait un effet plus fort sur le blocage de la transmission.
Pour corroborer les conclusions de son unité, Takahashi a contacté le Dr Takayuki Yamashita, un chercheur de l’Université de Nagoya qui a mené des expériences sur des synapses, appelées synapses cortico-corticales, dans le cerveau de souris vivantes.
Yamashita a constaté que l’anesthésique affectait les synapses cortico-corticales de la même manière que le calice de Held. Lorsque les souris ont été anesthésiées à l’aide d’isoflurane, la transmission à haute fréquence a été fortement réduite alors qu’il y avait moins d’effet sur la transmission à basse fréquence.
« Ces expériences ont toutes deux confirmé comment l’isoflurane agit comme anesthésique général », a déclaré Takahashi. « Mais nous voulions comprendre quels mécanismes sous-jacents l’isoflurane cible pour affaiblir les synapses de cette manière dépendante de la fréquence. »
Traquer les cibles
Avec de nouvelles recherches, les chercheurs ont constaté que l’isoflurane réduisait la quantité de neurotransmetteur libérée, à la fois en réduisant la probabilité de libération des vésicules et en réduisant le nombre maximum de vésicules pouvant être libérées à la fois.
Les scientifiques ont donc examiné si l’isoflurane affectait les canaux ioniques calciques, qui sont essentiels dans le processus de libération des vésicules. Lorsque les potentiels d’action arrivent au terminal présynaptique, les canaux ioniques calciques de la membrane s’ouvrent, permettant aux ions calcium de pénétrer. Les vésicules synaptiques détectent alors cette augmentation du calcium et fusionnent avec la membrane. Les chercheurs ont découvert que l’isoflurane réduisait l’afflux de calcium en bloquant les canaux ioniques calciques, ce qui réduisait à son tour la probabilité de libération de vésicules.
« Cependant, ce mécanisme à lui seul ne pourrait expliquer comment l’isoflurane réduit le nombre de vésicules libérables ou la nature dépendante de la fréquence de l’effet de l’isoflurane », a déclaré Takahashi.
Les scientifiques ont émis l’hypothèse que l’isoflurane pourrait réduire le nombre de vésicules libérables en bloquant directement le processus de libération des vésicules par exocytose, ou en bloquant indirectement le recyclage des vésicules, où les vésicules sont reformées par endocytose puis remplies de neurotransmetteur, prêtes à être libérées à nouveau.
En mesurant électriquement les changements de la surface de la membrane terminale présynaptique, qui est augmentée par exocytose et diminuée par endocytose, les scientifiques ont conclu que l’isoflurane n’affectait que la libération de vésicules par exocytose, probablement en bloquant la machinerie exocytaire.
« De manière cruciale, nous avons constaté que ce bloc n’avait qu’un effet majeur sur les signaux à haute fréquence, suggérant que ce bloc sur la machinerie exocytaire est la clé de l’effet anesthésiant de l’isoflurane », a déclaré Takahashi.
Les scientifiques ont proposé que les potentiels d’action à haute fréquence déclenchent un afflux massif de calcium dans le terminal présynaptique que l’isoflurane ne peut pas réduire efficacement la concentration en calcium. La force synaptique est donc affaiblie principalement par le blocage direct de la machinerie exocytaire plutôt que par une probabilité réduite de libération de vésicules.
Pendant ce temps, les impulsions à basse fréquence déclenchent moins d’exocytose, de sorte que le blocage de l’isoflurane sur la machinerie exocytaire a peu d’effet. Bien que l’isoflurane réduise efficacement l’entrée de calcium dans le terminal présynaptique, l’abaissement de la probabilité de libération de vésicules, en soi, n’est pas assez puissant pour bloquer les potentiels d’action postsynaptiques au niveau du calice de Held et n’a qu’un effet mineur dans les synapses cortico-corticales. La transmission basse fréquence est donc maintenue.
Dans l’ensemble, la série d’expériences fournit des preuves convaincantes de la façon dont l’isoflurane affaiblit les synapses pour induire une anesthésie.
« Maintenant que nous avons établi des techniques de manipulation et de déchiffrement des mécanismes présynaptiques, nous sommes prêts à appliquer ces techniques à des questions plus difficiles, telles que les mécanismes présynaptiques sous-jacents aux symptômes des maladies neurodégénératives », a déclaré Takahashi. » Ce sera notre prochain défi. »