SYNAPSES

Chaque neurone du système nerveux entre en contact avec un ou, le plus souvent, avec plusieurs autres neurones ; on appelle synapse chacun des éléments, généralement nombreux, de l'ensemble des contacts ainsi réalisés. Le terme fut forgé en 1897 par un helléniste, à la demande du grand physiologiste anglais Sherrington, pour donner un nom (dont la traduction française pourrait être « agrafe ») à un concept plus qu'à l'image d'une réalité reconnue, car à cette époque plus d'un cytologiste niait l'individualité cellulaire du neurone et croyait à la continuité, non à la contiguïté, des liaisons interneuronales (cf. système nerveux - Le tissu nerveux). En fait, les techniques alors pratiquées ne permettaient pas d'affirmer qu'elles fussent discontinues, et la déconcertante plasticité des activités nerveuses complexes favorisait plutôt la théorie réticulariste.

En étudiant sur le chien décérébré comment se déroulent les réflexes moteurs dépendant de la seule moelle épinière, Sherrington put cependant démontrer que les diverses modalités de leurs manifestations extérieures pouvaient s'expliquer clairement en supposant que chaque synapse de la population des neurones impliqués dans un réflexe donné est le siège de micro-événements, ou « états d'excitation » graduables, qui restent latents jusqu'à ce que, un seuil ayant été atteint – généralement par sommation temporelle ou spatiale –, cette synapse participe à l'émission d'un message nerveux porteur d'information (cf. réflexes, système nerveux). À ces états hypothétiques d'excitation élémentaire il parut bientôt nécessaire à Sherrington d'associer leurs contraires, c'est-à-dire des « états d' inhibition », et d'admettre que le bilan final résultait de l'addition algébrique de ces deux états dans l'ensemble des synapses intéressées.

Cette théorie magistrale des bases de l'activité réflexe, aujourd'hui classique, s'étend au cerveau aussi bien qu'aux ganglions. Cela confère à la synapse et à ses propriétés une importance primordiale pour la compréhension du fonctionnement et des fonctions du système nerveux, y compris celles qui relèvent de la psychologie. De pur concept, la synapse est ainsi devenue une entité concrète assimilée à un véritable appareil, à fonction de relais, dont l'étude détaillée mobilise aujourd'hui plusieurs disciplines :

– la cytologie, qui dut attendre le microscope électronique pour qu'enfin se présentent à la vue la discontinuité synaptique ainsi que l'organisation des ultrastructures subcellulaires pré- et postsynaptiques qui l'accompagnent ;

– la neurophysiologie expérimentale, dont les données ne cessent de poser de nouveaux problèmes, leurs solutions étant parfois trouvées dans les arrangements polysynaptiques (cf. système nerveux - Agencement des réseaux et circuits neuronaux) quand ce n'est pas au niveau d'une propriété de la synapse élémentaire, telle que sa plasticité fonctionnelle, base peut-être des phénomènes de conditionnement et de mémoire ;

– l'électrophysiologie, devenue indissociable de la précédente ; elle confirma, en le mesurant avec précision, l'existence d'un délai synaptique ajouté au temps de conduction, et surtout révéla la réalité et la nature des processus latents graduables d'excitation et d'inhibition mentionnés plus haut, en les localisant dans les structures membranaires ;

– la neurochimie, mise en alerte depuis que les exemples donnés par différentes jonctions neuroeffectrices (cœur, muscle lisse, muscle strié, glandes) eurent révélé la nature habituellement chimique de l'agent qui transmet l'excitation (ou, pour le cœur, l'inhibition), de la terminaison nerveuse à l'effecteur ; elle progresse méthodiquement dans la détermination des médiateurs synaptiques du système nerveux central et de leurs chaînons métaboliques (cf. système nerveux - Neurobiologie) ;

– la neuropharmacologie, enfin, parce qu'au-delà de l'empirisme de l'action globale des drogues elle indique les moyens d'agir rationnellement sur les chaînes métaboliques et ainsi, à travers les perturbations infligées à la transmission synaptique de l'excitation, permet d'en mieux comprendre le mécanisme profond.

En s'enrichissant ainsi de nombreuses données structurales et fonctionnelles fortement liées, en provenance d'un micro-espace bien différencié, le contenu sémantique du mot « synapse » a évolué. Dans l'esprit des biologistes contemporains, dont certains se spécialisent en synaptologie, il ne signifie plus seulement le contact entre deux cytoplasmes refusant de fusionner, ni le micro-intervalle qui sépare leurs membranes plasmiques (plasmalemmes), mais un appareil à trois composantes qui comprend une terminaison d'axone, un espace rempli d'un milieu non isotrope et la surface réceptrice du deuxième neurone : zone dendritique, somatique (cellulaire) ou axonale.

Notons bien que, dans cette acception moderne et pour une raison évidente de commodité de terminologie, on ne craint pas de heurter la logique en nommant présynaptiques et postsynaptiques les microstructures et les événements que par ailleurs on inclut dans la synapse conçue dans sa totalité.

Cytologie

Le terme de synapse, physiologique à l'origine, a rapidement été utilisé pour désigner également les structures au sein desquelles se réalise la transmission. En raison de la similitude des caractéristiques fonctionnelles, beaucoup d'auteurs l'emploient pour désigner les connexions entre neurones (synapses interneuronales) ou entre neurone moteur et fibre musculaire striée (synapses neuromusculaires), terme auquel les physiologistes préfèrent celui de jonctions neuromusculaires s'agissant des structures encore appelées plaques motrices. Personnellement, cela nous paraît un élément de clarification de réserver le terme de jonctions à des connexions morphologiquement moins bien définies, comme celles entre les nerfs neurovégétatifs et les fibres musculaires lisses par exemple, ou à des connexions ayant des caractéristiques fonctionnelles différentes de celles des synapses, comme certaines jonctions électrotoniques à fonctionnement bidirectionnel par exemple.

Au point de vue cytologique, la notion de synapse est complémentaire de celle de neurone. Pour ceux qui, jusqu'à un passé récent, ne reconnaissaient pas l'individualité anatomique du neurone (cf. système nerveux  - Le tissu nerveux), la notion de synapse était sans objet, bien que certains aient cru tourner les difficultés avec la physiologie en imaginant des structures douées de propriétés physiologiques spéciales reliant continûment des unités fonctionnelles différentes (ex. : l'appareil périterminal de Boeke entre fibre nerveuse et muscle strié).

Les synapses à transmission chimique différant des synapses électriques autant par leur morphologie que par leur mécanisme de fonctionnement, on envisagera ces deux grands types successivement.

Synapses à transmission chimique

Synapses interneuronales

Dès le début du siècle, les méthodes de coloration élective du tissu nerveux ont permis de définir la forme générale des synapses interneuronales d'après celle de la partie présynaptique. Le type de beaucoup le plus répandu est le bouton terminal, qui se présente dans les imprégnations neurofibrillaires comme un anneau à l'extrémité d'un rameau nerveux (photo 1). Parfois il est situé sur le trajet d'un rameau : c'est un bouton « en passant » ou bouton de passage. Cependant, d'autres formes de terminaisons, généralement caractéristiques d'un lieu du tissu nerveux particulier, ont été décrites (fig. 1)

Ultrastructure

Bien que les premières descriptions fussent relatives à des synapses centrales (S. L. Palay, E. de Robertis, 1955), on prendra comme type la synapse ganglionnaire, dont on sait qu'elle est cholinergique.

La partie présynaptique contient des vésicules synaptiques, sphérules apparemment vides, d'un diamètre moyen de 40 nm. Elle peut renfermer en outre des mitochondries, en nombre très variable, du glycogène, ainsi que des vésicules plus grandes et présentant un contenu dense aux électrons (photos 2, 3, 4 et 5).

La terminaison présynaptique est séparée de la partie postsynaptique par l'espace synaptique, large de 20 nm environ, composé de structures d'aspect variable, mais dont on a montré qu'elles ne font pas obstacle à la libre diffusion des substances, même de poids moléculaire assez élevé (par exemple ferritine). Le trait le plus caractéristique des contacts synaptiques, qui permet de les reconnaître à coup sûr, est la présence des « complexes synaptiques » ou « zones actives » (photo 2). Ceux-ci comportent un amas de vésicules synaptiques rassemblées contre la membrane présynaptique, à laquelle sont attachées à ce niveau des taches triangulaires denses. La membrane postsynaptique située en vis-à-vis apparaît élargie par suite de la présence d'une couche cytoplasmique dense collée contre elle. Bien qu'il semble très probable que ces régions différenciées soient celles où s'effectue la transmission, aucune preuve décisive n'en a encore été apportée. La séparation par ultracentrifugation différentielle, à partir de broyats de centres nerveux, de terminaisons entières (improprement appelées synaptosomes) a montré la remarquable adhésivité des membranes synaptiques, la membrane postsynaptique restant souvent solidaire du bouton synaptique (photo 6).

Corrélations entre structure et fonction

Il y a dans la morphologie des synapses du système nerveux central des différences que l'on a tenté de mettre en rapport avec des modes de fonctionnement. Ainsi, au sujet du cortex cérébral des Mammifères, E. G. Gray a proposé une distinction entre synapses de type I, axodendritiques, et de type II, axosomatiques (photos 4 et 5). Les synapses du type I ont les mêmes caractéristiques morphologiques que la synapse ganglionnaire, quoiqu'il soit certain que la plus grande partie d'entre elles ne sont pas cholinergiques. Celles du type II s'en distinguent par une valeur moindre de l'espace synaptique et par le faible épaississement de la membrane postsynaptique au niveau des zones actives. Rapprochant cela de données physiologiques, Gray en a conclu que le type I correspond à des synapses excitatrices, alors que le type II représenterait des synapses inhibitrices. Cette distinction ne semble pas pouvoir s'appliquer à toutes les régions du système nerveux central.

Un autre type de corrélation proposé repose sur la forme des vésicules synaptiques. Dans certaines conditions de fixation, on peut voir que certaines terminaisons, dans le système nerveux central, contiennent des vésicules sphériques, et d'autres des vésicules allongées. Uchizono a déduit de la répartition de ces deux types de vésicules dans les synapses du cervelet que le type à vésicules rondes serait excitateur, l'autre étant inhibiteur. Pour le cervelet, entre autres, ce critère recoupe bien la distinction en types I et II de Gray (photos 4 et 5). Là encore, le critère n'est pas absolu : on rencontre des vésicules allongées dans des synapses certainement excitatrices (synapses ganglionnaires, par exemple) ; en ce cas, cet aspect aurait une autre signification, peut-être en rapport avec la formation de nouvelles vésicules.

Synapses axoaxoniques

Dans le cerveau des Vertébrés, la plupart des synapses sont axodendritiques ou axosomatiques, c'est-à-dire que le contact est établi entre les boutons terminaux de l'axone d'un neurone et des dendrites ou le soma d'un autre neurone. On connaît, cependant, des cas particuliers de synapses dendroaxoniques, où le même prolongement se présente à peu de distance une fois comme présynaptique, une fois comme postsynaptique (photo 7), formant de véritables synapses « réciproques », du moins morphologiquement.

Un cas moins ambigu est celui des synapses « en série », où le bouton présynaptique d'une synapse sert de pôle postsynaptique à une autre synapse (photo 1). Gray a émis l'hypothèse qu'un tel dispositif pourrait rendre compte du phénomène d'inhibition présynaptique.

Différenciations synaptiques particulières

Dans de nombreuses synapses ou jonctions sensorineurales où l'élément présynaptique est un récepteur sensoriel (par exemple, synapses entre cellules visuelles de la rétine et neurones bipolaires), la partie présynaptique contient une différenciation en forme de ruban, dont les faces sont garnies de vésicules un peu plus grandes que les vésicules synaptiques, dont la fonction n'est pas établie (fig. 2). Du côté postsynaptique, on a décrit dans diverses synapses une strate sous-synaptique continue ou discontinue, toujours située en face d'une « zone active » (photo 3). Son rôle fonctionnel n'est pas connu.

Synapses neuromusculaires des Vertébrés

On doit rapprocher des synapses neuromusculaires des Vertébrés (cf. muscles, fig. 4) les synapses entre fibres nerveuses et électroplaques des organes électriques de divers Poissons, comme la torpille ou le gymnote. Les électroplaques – en forme de lamelles aplaties empilées les unes sur les autres – sont les unités élémentaires de constitution des organes électriques (cf. électrophysiologie, fig. 8). Les électroplaques se différencient à partir des myoblastes et sont donc homologues des fibres musculaires. Sur leur unique face innervée arrivent de très nombreuses terminaisons (photos 10 et 11), réalisant une concentration exceptionnelle de synapses cholinergiques, ce qui en fait un matériel incomparable pour l'étude biochimique des vésicules synaptiques.

L'espace synaptique a la même valeur (50 nm) que dans les synapses neuromusculaires, mais il n'y a pas d'appareil sous-neural. C'est le seul matériel sur lequel a pu être apportée la preuve histochimique directe de la localisation de l'acétylcholinestérase à la membrane postsynaptique (photo 11).

Jonctions neuroeffectrices dans le système neurovégétatif

On se limitera à l'innervation des muscles lisses, l'innervation des glandes posant des problèmes analogues mais encore peu explorés. La microscopie ordinaire a montré que les muscles lisses sont parcourus de fibres nerveuses présentant des renflements, ou varicosités, de l'ordre du micron. Au microscope électronique, on voit que ces varicosités (fig. 3) contiennent des vésicules semblables aux vésicules synaptiques, les parties minces des fibres ne contenant que des microtubules.

Bien que le contrôle nerveux de l'activité des muscles lisses soit un fait bien établi, il n'a pas été possible de reconnaître morphologiquement des synapses montrant les habituelles différenciations pré- et postsynaptiques, mais seulement des connexions moins précises. Celles-ci sont d'au moins deux types principaux (fig. 4) avec des distances variables entre fibres nerveuses et fibres musculaires.

De plus, l'existence de deux innervations physiologiquement antagonistes est bien établie dans les muscles lisses ; ce sont l'orthosympathique, noradrénergique, et le parasympathique, cholinergique. Du point de vue morphologique, cette dualité se retrouve dans l'aspect des vésicules : dans certaines fibres, celles-ci sont toutes vides ; dans d'autres, un certain nombre d'entre elles contiennent un granule dense. Seules ces dernières sont capables de stocker de la noradrénaline, propriété caractéristique des fibres adrénergiques. Si l'on utilise de la noradrénaline marquée au tritium, on peut alors localiser celle-ci par radio-autographie (photo 9) : les fibres à vésicules vides sont, elles, cholinergiques.

Les vésicules synaptiques et l'hypothèse vésiculaire

Survenant peu après la découverte des potentiels miniatures et la formulation de la théorie « quantique » de la libération du médiateur, la découverte des vésicules synaptiques a suggéré que le quantum pouvait correspondre au contenu d'une vésicule. Des arguments biochimiques ont été avancés en faveur de ce point de vue (en particulier, on a démontré la présence du médiateur dans les vésicules). Mais le mécanisme cytologique de libération du médiateur reste incertain (ouverture des vésicules dans l'espace synaptique, diffusion à travers la membrane présynaptique). Il en est de même de la question de l'origine des vésicules synaptiques : les avis sont partagés, notamment entre la formation à partir du réticulum endoplasmique ou à partir de la membrane neuronale par pinocytose.