Circuits de base des ganglions de la base
Les rôles des ganglions de la base sont complexes et comprennent (1) la sélection ciblée des mouvements prévus (sélection, initiation, inhibition et terminaison) qui ont été appris par la répétition et l’entraînement (écriture, parole, mouvements oculaires, mouvements du tronc, mastication, vocalisation et habitudes) ; (2) l’apprentissage, l’acquisition et l’ajustement de nouveaux comportements ; et (3) le développement d’habitudes dépendant du renforcement. Les ganglions de la base peuvent agir de manière très efficace pour sélectionner une action appropriée dans un contexte particulier (Hikosaka, 2009). En outre, les ganglions de la base contribuent également à un large éventail de fonctions cognitives qui déterminent les comportements. Ces fonctions comprennent l’apprentissage, la mémoire, l’habileté, la planification, la commutation, le séquençage, la synchronisation et le traitement des récompenses et d’autres rétroactions.
Les ganglions de la base font partie de circuits ou de boucles impliqués dans la chaîne cortex-ganglions de la base-thalamus-cortex ; les ganglions de la base peuvent être regroupés fonctionnellement en quatre catégories : (1) les noyaux d’entrée, le striatum et le STN recevant les entrées corticales ; (2) les noyaux de sortie, GPi et SNr se projetant vers le thalamus et le tronc cérébral ; (3) le noyau de connexion, GPe reliant les noyaux d’entrée aux noyaux de sortie ; et (4) le noyau modulateur, SNc modulant l’activité des ganglions de la base (Figure 6).
Figure 6. Ségrégation fonctionnelle des voies directes à travers les ganglions de la base (modifié d’après Alexander et al., 1986). Le circuit territoires moteurs/sensori-moteurs, associatifs/cognitifs, ou limbiques de régions spécifiques du cortex cérébral, du striatum, du pallidum pars interna, de la substantia nigra pars reticulata, et des noyaux spécifiques et intralaminaires sont impliqués. cdm GPi, globus pallidus pars interna dorsomédial caudal ; cl GPi, globus pallidus pars interna caudolatéral ; cl SNr, substantia nigra pars reticulata caudolatéral ; CMl, partie latérale du noyau central médian ; CMm, partie médiale du noyau central médian ; ldm GPi, globus pallidus pars interna dorsomédial latéral ; MDmc, partie magnocellulaire du noyau thalamique médiodorsal ; MDpc, partie parvocellulaire du noyau thalamique médiodorsal ; MDpl, partie paralaminaire du noyau thalamique médiodorsal ; mdm GPi, partie interne du globus pallidus dorsomédial médial ; nc, noyau ; PFa, partie antérieure du noyau parafasciculaire ; PFc, partie caudale du noyau parafasciculaire ; pm MDmc, partie magnocellulaire du noyau thalamique médiodorsal postéromédial ; rd SNr : rostrodorsal substantia nigra pars reticulata ; rm SNr, rostromedial substantia nigra pars reticulata ; rl GPi, rostrolateral globus pallidus pars interna ; l VAmc, partie magnocellulaire du noyau thalamique ventroantérieur latéral ; m VAmc, partie magnocellulaire du noyau thalamique ventroantérieur médial ; VApc, partie parvocellulaire du noyau thalamique ventro-antérieur ; vl GPi, globus pallidus pars interna ventrolatéral ; VLm, partie médiale du noyau thalamique ventrolatéral ; VLo, partie orale du noyau thalamique ventrolatéral ; vl SNr, substantia nigra pars reticulata ventrolatéral ; VP, pallidum ventral.
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Généralement, le striatum en tant que noyau d’entrée reçoit des entrées glutamatergiques excitatrices du cortex cérébral. Les neurones de projection striataux innervent les noyaux de sortie, GPi/SNr, par deux voies différentes : (1) la voie directe (les MSN avec GABA, substance P et dynorphine se projettent directement vers le GPi/SNr) et (2) la voie indirecte (les MSN avec GABA et enképhaline se projettent indirectement et de manière polysynaptique vers le GPi/SNr via le GPe et le STN) (Albin, Young, & Penney, 1989 ; Anderson, 2009 ; Baev et al, 2002 ; Kravitz, Tye, & Kreitzer, 2012).
L’excitation des neurones striataux par la voie monosynaptique directe a des effets inhibiteurs sur les neurones GPi/SNr. Comme les neurones GPi/SNr sont inhibés par le GABA des MSN, ils libèrent eux-mêmes moins de GABA au niveau de leurs terminaisons thalamiques, ce qui permet aux noyaux thalamiques de projeter vers les zones corticales et d’augmenter ainsi l’influence excitatrice sur le cortex. Les résultats comportementaux de cette chaîne directe sont l’activation locomotrice et les mouvements. Les signaux excitateurs des neurones striataux par la voie indirecte ont des effets excitateurs sur les neurones GPi/SNr car les projections striato-GPe et GPe-STN sont inhibitrices (l’effet net est une désinhibition des neurones GPi/SNr) et les projections STN-GPi/SNr sont excitatrices. Par la suite, l’augmentation de l’activité des neurones GPi/SNr entraîne une augmentation de la libération de GABA dans les noyaux thalamiques, ce qui entraîne une diminution des projections excitatrices thalamocorticales. Au final, cet effet se traduit par une réduction de l’activité locomotrice et du mouvement.
L’excitation du cortex cérébral, supplémentaire au circuit des ganglions de la base, est transmise directement et avec une vitesse de conduction rapide au STN de manière organisée sur le plan somatotopique. Le STN peut donc également être considéré comme un noyau d’entrée des ganglions de la base, formant une troisième voie, la voie hyperdirecte. Ici, les neurones du STN recevant une entrée corticale se projettent de manière monosynaptique vers le GPi/SNr.
Les noyaux de sortie des ganglions de la base, les neurones GABAergiques du GPi/SNr, ont des taux de décharge élevés au repos (40-100 Hz) qui sous-tendent une inhibition tonique des neurones dans les régions cibles des ganglions de la base dans des conditions de repos. L’augmentation de l’activité des afférences striatales vers ces neurones entraîne une réduction de leur taux de décharge et donc une réduction de l’inhibition (c’est-à-dire une désinhibition) de leurs cibles. Cette désinhibition est généralement considérée comme un facteur clé dans la manière dont les ganglions de la base influencent le comportement. Le résultat comportemental de cette chaîne neuronale est l’activation/mouvements locomoteurs.
La libération de dopamine striatale par les neurones de projection du SNc module de manière différentielle les MSN dans la voie directe et indirecte (du moins lorsqu’il s’agit du modèle de circuit classique ; cependant, voir Calabresi et al. (2014) pour une vision plus affinée). La dopamine excite les neurones striataux par le biais des récepteurs D1 de la dopamine dans la voie directe, tandis qu’elle inhibe les neurones striataux dans la voie indirecte par le biais des récepteurs D2 de la dopamine. Les conséquences de cette modulation de la DA sont massives. La libération de DA dans le striatum entraîne (1) le renforcement de la boucle de rétroaction positive vers le cortex par la voie directe et (2) l’inhibition de la rétroaction négative vers le cortex par la voie indirecte.
Bien que le concept de voie directe et indirecte soit solide sous de nombreux aspects, des données récentes parlent en défaveur de deux voies complètement séparées (Calabresi et al., 2014 ; Kravitz et al., 2012). Il existe de nombreuses connexions intrinsèques et extrinsèques supplémentaires des différents noyaux des ganglions de la base (Parent, 1990 ; Parent & Hazrati, 1993 ; Schmitt & Eipert, 2012). (Figure 4), et on peut facilement supposer que deux paires de chaînes de connexions neuronales de ce type ne peuvent pas expliquer entièrement le rôle des ganglions de la base dans le développement de comportements complexes coordonnés dirigés vers un but (Redgrave et al., 2010).
Bien que sûrement simplifiés et réellement en débat, divers aspects de l’activation/mouvement locomoteur peuvent être liés à différentes boucles ou circuits, comme l’ont d’abord souligné Alexander et al. (1986). Il existe une topographie morphologique et fonctionnelle des connexions corticales au striatum, du striatum au pallidum/SNr, de ces structures de sortie au thalamus et, enfin, de retour au cortex. Ces multiples boucles parallèles, séparées mais en même temps partiellement superposées et fonctionnellement distinctes impliquent donc les zones corticales respectives, les parties correspondantes des ganglions de la base et les noyaux thalamiques correspondants et reviennent au cortex. Cependant, il faut garder à l’esprit que la plupart des comportements nécessitent probablement un cycle à travers plusieurs boucles en tant que processus intégratif.
Généralement, on distingue (1) les circuits ou boucles moteurs, (2) oculomoteurs, (3) préfrontaux dorsolatéraux, (4) préfrontaux orbitaux et médians, et (5) cingulaires antérieurs des ganglions de la base (figure 6). D’autres résument les boucles motrices et oculomotrices comme une boucle sensorimotrice, les boucles préfrontales dorsolatérales et orbitales et médianes comme une boucle associative et cognitive, et la boucle des ganglions basaux cingulaires antérieurs comme une boucle limbique et motivationnelle.
La boucle motrice contrôle l’exécution des mouvements des membres et des mouvements axiaux, c’est-à-dire les aires prémotrices impliquées dans différents aspects de la planification motrice et le cortex moteur impliqué dans l’exécution de ces plans. La boucle va des cortex moteurs (cortex moteur primaire (M1), aire motrice supplémentaire (SMA), aire motrice cingulaire, partie caudale (CMAc), et cortex prémoteur caudal (PM)), aux territoires somatomoteurs des ganglions de la base (putamen caudoventral, GPe/GPi ventrolatéral, et STN dorsal – chaque territoire ayant une organisation somatotopique), enfin vers le VL du thalamus pour revenir aux cortex d’origine (Wiesendanger & Wiesendanger, 1985) (Figure 6).
La boucle oculomotrice contrôle les mouvements des yeux. La boucle va du champ oculaire frontal et du champ oculaire supplémentaire, à la partie centrale-latérale de la tête et du corps du noyau caudé, à la partie ventrale du GPe, à la partie ventrale du STN, à la partie dorsolatérale du SNr, enfin au VAmc et au MDpl pour revenir aux cortex d’origine (Figure 6). D’autres projections du SNr atteignent le colliculus supérieur.
La boucle préfrontale dorsolatérale est impliquée dans la mémoire de travail, le décalage et la planification stratégique des comportements, c’est-à-dire impliquée dans les processus cognitifs supérieurs ou les fonctions dites exécutives (Groenewegen & Uylings, 2010 ; Petrides & Pandya, 1999 ; Rolls, 2000). Le cortex préfrontal dorsolatéral se projette sur la tête du noyau caudé qui se projette sur les GPi ldm et SNr rl respectifs, tous deux se projetant sur les parties parvocellulaires des noyaux ventro-antérieur et médio-dorsal. Ces noyaux envoient des efférences au cortex préfrontal dorsolatéral (figure 6).
La boucle préfrontale orbitale et médiane est impliquée dans/liée au développement des comportements basés sur la récompense et ressemble en partie à la boucle préfrontale dorsolatérale en ce qui concerne les partenaires de chaîne associés. Les deux circuits ont donc été résumés comme étant liés à la cognition et au comportement associatif.
La boucle cingulaire antérieure est impliquée dans le système limbique, dans les émotions, la motivation et la toxicomanie (Koob & Nestler, 1997). Partant du cortex cingulaire antérieur, il va vers le striatum ventral, vers le pallidum ventral et le GPi rostrolatéral et le SNr rostrodorsal, plus loin vers le noyau médiodorsal (pm MDmc) (et le noyau habénulaire latéral), et enfin vers le cortex cingulaire antérieur (Figure 6).
Les maladies avec des symptômes liés à des perturbations des ganglions de la base sont fréquentes. En particulier dans la MP et dans la maladie de Huntington – bien que les symptômes moteurs soient les plus évidents – les ganglions de la base contribuent à un large éventail de fonctions cognitives altérées. Ainsi, les symptômes comprennent des lacunes dans les tâches axées sur l’association et la motivation comme l’apprentissage, la mémoire, les compétences, la planification, la commutation, le séquençage, la synchronisation et le traitement des récompenses (Albin et al., 1989 ; Baev et al., 2002 ; Marsden, 1984 ; Nelson & Kreitzer, 2014).