Dans le système nerveux adulte, les réseaux de neurones connectés par quelque 10¹⁵ connexions synaptiques chez l’homme engendrent des patrons de décharge et des oscillations du signal électrique qui se traduisent en états (vigilance, sommeil) et en comportements. Cette genèse nécessite de mettre en avant certaines populations de neurones alors que d’autres sont en veille. Cela se fait par l’intermédiaire d’un équilibre entre l’activité des deux principaux transmetteurs : le glutamate et le GABA (acide γ-amino-butyrique) si l’on se limite aux récepteurs ionotropiques. Le premier excite les neurones par l’intermédiaire d’un récepteur perméable aux cations, essentiellement sodium, potassium et parfois aussi calcium. Le second a une action plus complexe mais qui aboutit souvent à une inhibition car son récepteur principal est perméable au chlore qui, suivant son gradient électrochimique, va entraîner une augmentation du potentiel de membrane et donc contribuer à empêcher la genèse de potentiels d’action. Les neurones qui libèrent le GABA – les interneurones GABAergiques - sont bien moins nombreux que les cellules glutamatergiques (de l’ordre de 10 % à 20 % des neurones) mais exercent un rôle crucial sur les activités du cerveau. Ainsi, les neurones GABAergiques synchronisent la décharge des réseaux et génèrent par ces mécanismes des oscillations essentielles notamment à l’apprentissage et, d’une façon générale, à l’intégration des informations. Un interneurone innerve des centaines de cellules principales et contrôle leur décharge, ce qui explique en partie pourquoi le blocage de l’inhibition cérébrale engendre des crises d’épilepsies et pourquoi plusieurs anti-convulsivants, somnifères, anxiolytiques et analgésiques sont aussi de puissants activateurs des récepteurs GABA. En résumé, le GABA exerce un rôle clé chez l’adulte dans la genèse d’activités cohérentes.

Il y a une vingtaine d’années, nous avons découvert que contrairement à son action sur les neurones adultes, le GABA excite les neurones immatures centraux de rongeurs car ceux-ci ont une concentration très élevée de chlore intracellulaire [Cl^-]_i [ 1]. Depuis, ces observations ont été confirmées dans toutes les espèces animales et les structures cérébrales étudiées [ 2], suggérant que cette propriété a été préservée au cours de l’évolution.

Dans la formation hippocampique de rongeurs, nous avons observé que le GABA, comme l’activation des synapses GABAergiques par des stimulations électriques, dépolarisent les neurones immatures [1, 3]. Cette dépolarisation peut aboutir à la genèse de potentiels d’actions sodiques et calciques. Ainsi chez le jeune, bloquer les récepteurs GABA réduit au silence l’activité électrique alors que cela engendre des crises épileptiques chez l’adulte. Comme l’ont montré depuis d’autres travaux utilisant des techniques d’enregistrements plus appropriées - comme le patch clamp perforé et l’enregistrement de canaux individuels GABA qui, pour le premier, ne perturbe pas la concentration intracellulaire de chlore ([Cl^-]_i) et, pour le second, n’affecte pas le milieu intracellulaire - la concentration intracellulaire de chlore est beaucoup plus élevée chez le jeune que chez l’adulte, passant de plus de 25-30 mM in utero à 6-7 mM [ 4, 5]. Chez les jeunes, l’activation des récepteurs GABA va induire une sortie de chlore et une dépolarisation ayant de profonds effets sur la décharge neuronale. Ainsi, il a été montré par des techniques d’imagerie et d’enregistrements électriques, que la dépolarisation induite par le GABA est suffisante pour activer des canaux calciques, et même pour lever le blocage par les ions Mg⁺⁺ des récepteurs NMDA (N-méthyl D-aspartate), entraînant ainsi une entrée massive de calcium et des effets sur la maturation cérébrale. La concentration intracellulaire de chlore, déterminant in fine les effets inhibiteurs ou excitateurs du GABA, est quant à elle contrôlée par l’expression de 2 co-transporteurs du chlore : NKCC1, qui importe du chlore, est plus présent pendant le développement tandis que le KCC2, qui l’exporte, s’exprime plus tardivement (Figure 1) [ 6].

Figure 1. Régulation des concentrations de chlore intracellulaire [Cl-]i au cours du développement. Dans les neurones immatures, le co-transporteur qui importe le chlore est opérationnel alors que celui qui l’exporte ne l’est pas. En conséquence, [Cl-]i est plus élevé chez les jeunes et les flux de chlore lors de l’activation des récepteurs GABA seront différents. Le GABA va exciter les neurones jeunes et engendrer des potentiels d’action et au contraire produire une légère hyperpolarisation dans les neurones adultes [2].

Figure 1. Régulation des concentrations de chlore intracellulaire [Cl-]i au cours du développement. Dans les neurones immatures, le co-transporteur qui importe le chlore est opérationnel alors que celui qui l’exporte ne l’est pas. En conséquence, [Cl-]i est plus élevé chez les jeunes et les flux de chlore lors de l’activation des récepteurs GABA seront différents. Le GABA va exciter les neurones jeunes et engendrer des potentiels d’action et au contraire produire une légère hyperpolarisation dans les neurones adultes [2].

Cette régulation développementale de [Cl^-]i a pu être retrouvée dans toutes les espèces de mammifères étudiées jusqu’ici, y compris l’homme, où NKCC1 et KCC2 s’expriment successivement à une phase précoce et plus tardive. Pourquoi cette propriété a t-elle été préservée au cours de l’évolution ? On ne peut ici qu’émettre des hypothèses liées à l’implication du chlore dans la régulation de l’eau et du volume cellulaire, un processus hautement conservé dans la lignée des mammifères.

La régulation développementale de [Cl^-]_i ne constitue d’ailleurs qu’une pièce d’un puzzle plus complexe. En effet, nous avons observé que, dans l’hippocampe et d’autres structures cérébrales, les neurones et les synapses GABAergiques deviennent fonctionnelles avant leurs homologues glutamatergiques (Figure 2) [ 7– 9]. Une étude morpho-fonctionnelle au cours de laquelle des centaines de cellules pyramidales glutamatergiques et d’interneurones GABAergiques ont été enregistrés et reconstruits à la naissance, montre clairement que la maturation des interneurones GABAergiques intervient en premier : ainsi à la naissance, 80 % des interneurones et seulement 20 % des cellules pyramidales de la région Ca1 de l’hippocampe ont des synapses fonctionnelles. Les premières activités du circuit en formation sont de type GABAergiques, les interneurones contrôlant la décharge de réseau d’emblée. Rappelons aussi que dans un travail au cours duquel nous avons, pour la première fois, enregistré des neurones centraux de primates in utero, nous avons confirmé cette séquence de maturation qui semble donc avoir été préservée au cours de l’évolution.

Figure 2. Cinétique de développement des synapses GABA. Les synapses GABA sont opérationnelles avant les synapses glutamate dans l’hippocampe de rongeur et de primate. Des neurones ont été enregistrés dans des tranches d’hippocampe de rat (à la naissance, figure supérieure) et de primates (in utero, figure inférieure) puis reconstruits pour l’analyse morphologique. On notera que les neurones sont soit silencieux - pas de réponses synaptiques - soit possèdent des synapses fonctionnelles GABA mais pas glutamate soit des synapses GABA et glutamate. Les cellules silencieuses sont petites et possèdent peu ou pas de dendrites alors que les neurones avec des synapses GABA ont des dendrites apicales mais pas développées. Enfin, les neurones ayant les deux types de synapses ont des dendrites bien développées y compris des dendrites basales. Il n’y a pas de neurones possédant des synapses fonctionnelles glutamate sans avoir de synapses GABA.

Figure 2. Cinétique de développement des synapses GABA. Les synapses GABA sont opérationnelles avant les synapses glutamate dans l’hippocampe de rongeur et de primate. Des neurones ont été enregistrés dans des tranches d’hippocampe de rat (à la naissance, figure supérieure) et de primates (in utero, figure inférieure) puis reconstruits pour l’analyse morphologique. On notera que les neurones sont soit silencieux - pas de réponses synaptiques - soit possèdent des synapses fonctionnelles GABA mais pas glutamate soit des synapses GABA et glutamate. Les cellules silencieuses sont petites et possèdent peu ou pas de dendrites alors que les neurones avec des synapses GABA ont des dendrites apicales mais pas développées. Enfin, les neurones ayant les deux types de synapses ont des dendrites bien développées y compris des dendrites basales. Il n’y a pas de neurones possédant des synapses fonctionnelles glutamate sans avoir de synapses GABA.

En conséquence, ce sont ces neurones et synapses GABAergiques qui vont fournir l’essentiel de l’excitation à une phase précoce du développement. Cette formation en premier des synapses GABAergiques implique qu’elle va se faire sur des cibles post-synaptiques moins matures alors que la formation de synapses glutamatergiques nécessite des cibles plus développées. En d’autres termes, un neurone immature avec peu d’arborisations établira des synapses GABAergiques dès qu’il entrera en contact avec des terminaisons de neurones GABAergiques, en revanche il lui faudra attendre d’être plus développé afin d’établir des synapses avec des terminaisons glutamatergiques. Cette séquence n’est pas due à une arrivée tardive des afférents GABAergiques ou glutamatergiques car celles-ci sont présentes dans le neuropile¹.

Par ailleurs, bien avant la formation de synapses, certains transmetteurs dont le GABA en particulier, semblent impliqués dans une forme de communication paracrine influençant le développement cérébral. Dans le cerveau comme en périphérie, les récepteurs sont formés avant les synapses et vont répondre aux taux circulants du GABA libéré par les éléments neuronaux en phase de croissance [ 10, 11]. La libération de GABA par les éléments neuronaux, qui n’est pas de type vésiculaire, va se traduire par une augmentation du calcium et d’autres signaux intracellulaires. Elle va moduler des fonctions essentielles à la maturation neuronale : croissance, migration neuronale, formation de synapses etc. Ces effets distaux du GABA vont être facilités par la cinétique de maturation des transporteurs chargés de réguler les taux circulants de GABA et de glutamate. En effet, les transporteurs chargés d’évacuer le GABA maturent tardivement alors que les transporteurs du glutamate sont opérationnels bien avant la naissance. Par conséquent, le GABA va pouvoir diffuser et avoir des actions de type paracrine plus facilement tandis que les concentrations de glutamate extracellulaire sont finement contrôlées d’emblée afin d’empêcher une toxicité. En effet, des molécules bloquant les transporteurs GABA ont peu d’effets sur la décharge alors même que celles qui bloquent les transporteurs glutamate engendrent des crises d’épilepsie et produisent des lésions.

Les conséquences fonctionnelles et cliniques de cette « neurotrophicité » du GABA ne sont pas neutres. En effet, de nombreuses molécules utilisées en clinique - agents antiépileptiques, anxiolytiques, etc. - agissent sur les récepteurs GABA. Selon le degré de maturité des neurones, on peut s’attendre à des effets très différents sur la migration des neurones et la construction de réseaux neuronaux. Ainsi, l’activation des synapses GABA immatures aura des effets très différents voire opposés chez la femme enceinte et le fœtus : elle inhibe les uns et excite les autres. Ainsi, certaines molécules anti-épileptiques qui agissent sur les récepteurs GABAergiques exercent des effets délétères sur la migration neuronale, et, in vitro et in vivo, retardent la migration chez les rongeurs [11, 12]. Nous avons ainsi pu montrer récemment que l’administration à des rates gestantes de certaines molécules anti-épileptiques entraînent des taux sériques identiques à ceux observés chez des femmes épileptiques enceintes, aboutit chez le fœtus à des lésions et à la formation de foyers hétérotopiques. Ces amas de neurones déplacés sont associés à bon nombre de maladies neurologiques. Même si les données chez l’homme sont peu élaborées, des effets délétères spécifiques au cerveau en développement impliquent le développement d’une pharmacopée spécifique pour la grossesse.

L’ensemble des séquences de maturation aura pour conséquence de favoriser le développement des récepteurs, neurones et synapses GABAergiques avant celui des structures utilisant le glutamate. Le GABA est bien un transmetteur pionnier dont les actions excitatrices vont exercer un rôle trophique sur bon nombre de fonctions essentielles à la maturation cérébrale et à la construction de réseaux neuronaux. Quels sont les avantages de ces séquences qui justifient le retard du développement des synapses glutamate ? À l’évidence, on ne peut à ce stade qu’élaborer des propositions spéculatives. Il n’est pas anodin de rappeler que les synapses GABA ont des propriétés uniques qui leur permettent de passer d’une polarité à une autre par l’intermédiaire d’une modification des concentrations de [Cl^-]_i. De plus, malgré cette excitation, le GABA exerce toujours une inhibition partielle (de type shunt qui tend à maintenir le potentiel de membrane au niveau du potentiel d’équilibre du chlore et donc empêche une excitation excessive). Ainsi, le GABA est dans une position unique de fournir sans danger l’excitation et les augmentations de calcium requises pour la croissance, sans avoir d’effets potentiellement excito-toxiques. En revanche, le glutamate exerce des effets excito-toxiques quand ses actions ne sont pas limitées et contrôlées dans le temps. Nous proposons par conséquent que ces séquences de maturation ont pour but de permettre au système nerveux de fournir une excitation suffisante pour permettre la croissance tout en respectant un équilibre entre excitation et inhibition et en empêchant des effets excito-toxiques de synapses glutamate non contrôlées.

Quelle que soit l’explication à l’origine de cette séquence, ces observations impliquent de réexaminer l’utilisation de molécules pendant la grossesse en tenant compte que le cerveau en développement n’est pas un petit cerveau adulte !

Ces travaux ont été financés par l’Inserm, la FRC, le Rotary, la FRM, l’UE et le Conseil Régional PACA.