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Développement du système nerveux Neuroembryologie Cours # 3 Perspective globale des prochains cours Cours 2 Cours 3 neurones & cellules gliales neuroembryologie Cours 4 développement du SN Régions et fonctions Macroanatomie Régions & fonctions Cours 5 Systèmes fonctionnels (somesthésique, moteur, vi...

Développement du système nerveux Neuroembryologie Cours # 3 Perspective globale des prochains cours Cours 2 Cours 3 neurones & cellules gliales neuroembryologie Cours 4 développement du SN Régions et fonctions Macroanatomie Régions & fonctions Cours 5 Systèmes fonctionnels (somesthésique, moteur, visuel) 2 Plan Neuroembryologie (le développement du SNC) Partie 1 – Gastrulation, neurulation – Trouble de fermeture tube neural – Les vésicules primitives et les étapes de différenciation Partie 2 – Quelques faits – Phases de développement du cerveau (prolifération, migration, différenciation) – Genèse de connexions neuronales (croissance de l'axone, synaptogenèse) – Optimisation des réseaux / Réorganisation synaptique – Période critique (ex. du système visuel) 3 Tout commence par la fusion d'un spermatozoïde et d'un ovule formant ainsi une cellule que l’on appelle un zygote (œuf fécondé). Division cellulaire Boyer et Boyer 2009 De cette cellule originelle naîtront des milliards d'autres cellules, chacune ayant une fonction bien précise et irremplaçable. 4 Gastrulation 3 semaines 3 couches Mise en place des tissus fondamentaux de l’embryon Gamètes => Zygote => Embryon => Foetus L’embryon est un disque plat formé de trois couches : - Ectoderme : Peau et système nerveux - Mésoderme : Os et les muscles - Endoderme : Viscères 5 Processus de Neurulation 22 jours après conception Plaque neurale vers Tube neural Chorégraphie de fermeture du tube sur lui-même Formation du tube neural et des crêtes neurales Endoderme : Viscères (organes internes) Mésoderme : 33 vertèbres (Os) et les muscles squelettiques (Somites) Ectoderme : Peau et système nerveux central (tube neural) Système nerveux périphérique (crête neurale) Le tube neural lui-même forme la base de ce qui deviendra le système ventriculaire 6 Fermeture du tube neural & problèmes associés à une fermeture non-complète Neurulation : Dépend de l’expression séquentielle de gènes Extrêmement sensible à l’environnement chimique Région du cerveau Région de la moelle épinière normal Défaut de fermeture : 1/500 (la plupart du temps associé à une carence acide folique) Administration acide folique Réduit 90% trouble de fermeture anencéphalie spina bifida Défaut fermeture antérieure Défaut fermeture partie caudale Spina bifida : Problèmes moteurs, sensoriels, contrôle des sphincters, retards mentaux 7 Différenciation: Processus par lequel les structures deviennent plus élaborées et se spécialisent au cours du développement Règle générale le développement des organismes vivants suit certaines règles: Développement céphalo-caudal (cerveau avant moelle) Proximo-distal (du centre vers la périphérie) Du simple vers le complexe (tant dans l'organisation nerveuse que cognitive ou intellectuelle) Le tube neural se différencie, se développe Dès la 3ième semaine Extrémité rostrale du tube neural se développe en 3 renflements: Les vésicules primitives du tube neural 9 PROSENCÉPHALE/CERVEAU ANTÉRIEUR Différenciation : diencéphale, vésicules optiques et télencéphaliques Bourgonnement des vésicules secondaires: optiques et télencéphaliques Développement précoce des yeux – SNC Vésicules optiques : rétines et nerfs optiques couperelle La structure du milieu = diencéphale (e.g. partie située entre les hémisphères) pédoncule rétine nerf optique 10 PROSENCÉPHALE/CERVEAU ANTÉRIEUR Différenciation des vésicules télencéphaliques (télencéphale) en 4 étapes: 1. Les vésicules télencéphaliques s’agrandissent au dessus du diencéphale (deviendront les hémisphères cérébraux) 2. Une autre paire de vésicules apparait et donnera naissance aux bulbes olfactifs (engagés dans la détection des odeurs) 11 PROSENCÉPHALE/CERVEAU ANTÉRIEUR Différenciation des vésicules télencéphaliques (télencéphale) en 4 étapes: 3. Le télencéphale se complexifiera et donnera naissance à diverses structures : Télencéphale – Cortex cérébral (structure qui s’est le +développée au cours de l’évolution de l’être humain) Télencéphale basal (regroupements de noyaux de substance grise situés à l’intérieur de l’encéphale sous-cortical) Le diencéphale se différenciera: Thalamus – noyaux voies sensorielles (sauf odorat); Hypothalamus – fonctions vitales (faim, soif, température, axe HPA) 4. La substance blanche se développe Tous les axones du cerveau antérieur s’allongent pour communiquer avec les autres parties du SN 12 DIFFÉRENCIATION DU CERVEAU MÉDIAN / MÉSENCÉPHALE  TECTUM (Dorsal – “toit”) Colliculi supérieurs (mouvement des yeux) Colliculi inférieurs (information auditive)  TEGMENTUM (Ventral) Substance noire (mouvement volontaire, dégénérescence, parkinson) Substance rouge (mouvement volontaire). Le mésencéphale assure le passage de fibres très importantes (du cortex à la moelle et de la moelle au cortex). Les axones qui y descendent représentent plus de 90% des 20 millions d’axones – ils iront former des synapses sur les neurones d’une structure du cerveau postérieur - le pont). Une lésion à ce niveau (lésion des faisceaux) conduit à : Perte de la motricité (faisceau corticospinal) ou des sensations Tectum Tegmentum 13 DIFFÉRENCIATION DU CERVEAU POSTÉRIEUR RHOMBEMCÉPHALE mésencéphale métencéphale myélencéphale 4e ventricule Dorsal Ventral 3 semaines 5 semaines 3 semaines 5 semaines Métencéphale : Cervelet & Pont Myélencéphale : Bulbe rachidien Les lèvres rhombencéphaliques se développent jusqu’à la fusion des 2 renflements qui deviendra le cervelet Faisceaux d’axones (matière blanche) Pyramides bulbaires 14 CERVEAU POSTÉRIEUR /RHOMBEMCÉPHALE Voie importante de l’information depuis le cerveau jusqu’à la moelle et vice versa Traitement de l’information sensorielle, contrôle du mouvement volontaire et régulation du système nerveux autonome.  Cervelet (métencéphale):      contrôle du mouvement reçoit informations sensorielles sur la situation du corps dans l’espace reçoit l’information du cortex via pont coordonne les deux types d’informations Atteinte: contrôle désordonné et inadapté  Pont (métencéphale):  communique l’information du cortex au cervelet 15 CERVEAU POSTÉRIEUR /RHOMBEMCÉPHALE Traitement de l’information sensorielle, contrôle du mouvement volontaire et régulation du système nerveux autonome.  Bulbe rachidien (myélencéphale):     Fonctions sensorielles et motrices Faisceau corticospinal (aussi appelé pyramidal) Contrôle moteur volontaire Aussi transfert de l’information somesthésique (l’une des principale voie).  L’information passe du coté controlatéral  Décussation des pyramides (croisement) **explique pourquoi hemisphère gauche traite l’information en provenant du côté droit du corps et vice versa Controlatéral: côté opposé p/r à la ligne médiane (du centre) Ipsilatéral: du même côté p/r à la ligne médiane 16 Différenciation de la moelle épinière (partie caudale du tube neural) Cellules de la corne dorsale recoivent info sensorielles à partir des fibres des racines dorsales; Cellules de la corne ventrale projettent leurs axones dans les racines ventrales et innervent les muscles (fonction motrice); Zone intermédiaire : interneurones qui structurent réponses motrices en réponse aux info sensorielles et ordres venus du cerveau. Boucles réflexes (1ere analyse information sensorielle - neurones de la matière grise – réflexes simples). 17 Le développement du cerveau Le cerveau se développe à partir des parois des 5 vésicules formant le système ventriculaire. Ventricule latéral Canal spinal Aqueduc cérébral Système Ventriculaire 3e ventricule 4e ventricule Bulbe Canal spinal synonyme Canal épendyme Aqueduc cérébral synonyme Aqueduc de Sylvius La différenciation des vésicules primitives du tube neural est ce processus par lequel les structures deviennent de plus en plus élaborées et se spécialisent au cours du développement. 19 pause Quelques faits  Chez l’être humain, presque tous les neurones se forment entre la 5ième semaine au 5ième mois de grossesse.  Au début de la grossesse, il peut y avoir naissance de 250 000 neurones par minute.  Il y avait controverse à savoir si de nouveaux neurones peuvent se former dans le cortex après la naissance (ne permettant pas de remplacer la perte).  Études récentes: nouveaux neurones dans hippocampe après la naissance (neurogenèse).  À la naissance, le cerveau pèse 1/3 de son poids adulte. Le cerveau doublera de volume lors de la première année de développement. 21 différenciation cellulaire 22 Prolifération Origine des neurones et des cellules gliales Les progéniteurs se diviseront et ils seront à l’origine de tous les neurones et les cellules gliales du cortex cérébral Une même cellule souche donnera naissance à des progéniteurs gliaux et neuronaux 23 À un stade très précoce du développement, il existe que 2 couches aux parois du tube neural. Vers l’intérieur des vésicules = la zone ventriculaire Vers la surface externe sous la pie-mère (méninge) = la zone marginal Au début, il y a plusieurs centaines de cellules, division cellulaire nécessaire (multiplication) Pour arriver à plusieurs milliards Un ballet cellulaire permettra la mise en place des neurones et des cellules gliales. Prolifération cellulaire 1- Une cellule de la zone ventriculaire envoie des projections vers la région périphérique, en direction de la pie-mère (méninge) Ballet cellulaire 2- Le noyau de la cellule lui-même migre vers la périphérie, à distance de la surface ventriculaire vers la pie-mère, le noyau subit une réplication de l’ADN 3- Le noyau, contenant 2 copies complètes des instructions génétiques revient en arrière vers la surface ventriculaire 4- La cellule rétracte ses projections périphériques Duplication de l’ADN en zone marginale Mitose (division cellulaire) en zone ventriculaire 5- La cellule se divise en 2 25 Prolifération cellulaire Division cellulaire symétrique et asymétrique - Division symétrique (vertical) : Donne 2 cellules filles Restent et se divisent à nouveau + au début - Division asymétrique (horizontal): Donne une cellule fille et une cellule souche qui demeure en zone ventriculaire La cellule fille migre + à la fin Les progéniteurs sont formées dans la zone ventriculaire 26 2- Migration cellulaire Glie radiaire = prolongements de cellules gliales qui constituent la trame de base à la construction du cortex -Neuroblaste : Neurone non-différencié, avec neurites (jeune neurone) -Neurites : -Futurs dendrites et axone nondifférenciés sur un neuroblaste 27 2 - Migration cellulaire La différenciation de la plaque corticale s’effectue d’abord aux couches internes, puis vers les couches externes V La sous-plaque corticale va éventuellement disparaître Cortex cérébral : 6 couches Couche 6 la plus interne Cytoarchitecture complexe : Cellules pyramidales Étoilés Interneurones Neuroblaste migre et trouve sa destination 28 3- Différenciation cellulaire Le neurone se différencie et émet des prolongements axonaux et dendritiques (d’abord appelés neurites) Processus par lequel un neuroblaste devient un neurone sur des aspects morphologiques et physiologiques - Les neurites deviennent l’axone et les dendrites - La différenciation débute après la division asymétrique et se poursuit alors que le neuroblaste rejoint la plaque corticale neurite dendrites neurite C’est seulement lorsque le neuroblaste rejoindra sa destination qu’il deviendra un neurone 29 Neurones ou cellules gliales Les progéniteurs se différencieront sous l’influence de signaux inducteurs 1) Des signaux inducteurs génétiques (selon le moment de la génèse – moment de la naissance) 2) Des signaux environnementaux (selon l’endroit de la génèse - localisation au moment de la division ; aussi selon l’ environnement extra-cellulaire au moment de la division) Les neurones pyramidaux corticaux et les astrocytes proviennent de la zone ventriculaire du télencéphale dorsal Les oligodendrocytes proviennent de la la zone ventriculaire du télencéphale ventral 30 différenciation cellulaire Les neurones devront établir des connexions avec les autres neurones Création des réseaux neuronaux Connexions neuronales 31 Genèse des connexions neuronales Différenciation – Émettre des axones aux cibles appropriées Développement d’un vaste réseau de connexions qui se fera en 3 phases, selection du trajet, selection de la cible et choix de la destination finale. Communication nécessaire entre les cellules (les axones doivent trouver leur cible appropriée) Communication qui s’effectuera de plusieurs façons - contact cellule à cellule - contact cellule-environnement - communication à distance (substance chimique) Environnement chimique Au fur et à mesure qu’une voie se forme, il s’établit une communication entre les neurones (électrique & chimique) Croissance de l’axone (Cône de croissance)  Lamellipodes: Structures externes au cône qui ondulent en vagues rythmiques : étalement du cone  Filopodes: Structures externes au cône qui s’étirent et se contractent pour explorer environnement  Croissance du neurite: lorsqu’un filopode, plutôt que de se contracter, s’accroche au substrat et étire le cône de croissance. Neurites: dendrites et axone non-différenciés sur un neuroblaste La croissance axonale aura lieu seulement si les protéines fibreuses déposées entre les cellules (ce que l’on appelle la matrice extracellulaire) sont appropriées. 33 Croissance de l’axone Processus de guidage – autoroute moléculaire /interaction moléculaire (substrats permissifs ou répulsif) – corridor de croissance Substrat permissif Laminine : Glycoprotéine de la matrice extracellulaire Intégrines : Famille de protéines synthétisées par le cône de croissance se liant à la laminine 34 Croissance de l’axone Processus de Fasciculation: Formation d’un faisceau axonal (voie axonale) est facilitée par ce processus - Tendance des neurones qui poussent ensembles à s’assembler les uns aux autres grâce aux molécules d’adhésion cellulaire (CAMs) Axones pionniers qui guideront les autres 35 Croissance de l’axone Les axones sont attirés ou repoussés au cours du développement par l’action coodonnée des facteurs attractifs et répulsifs. L’hypothèse de chémoaffininité – Marqueur moléculaires présents sur les axones en croissance qui s’associent au marqueurs présents au niveau des cibles 36 Synaptogénèse Genèse (e.g. apparition/création) des connections neuronales Quand les axones atteignent leur cible, ils trouvent un environnement, une matrice extra-cellulaire qui retarde/freine leur croissance. Lorsque le cône de croissance entre en contact avec sa cible = il s’applatit afin de former une synapse. Interaction cône de croissance et membrane de la cible 37 Élimination des cellules et des synapses La matrice extra-cellulaire est également un signal inducteur au nombre de neurones qui demeurent après une prolifération cellulaire massive. Les facteurs trophiques (de croissance) = protéines de la matrice extra-cellulaire activant des récepteurs sur les neurones et stimulant leur croissance Il y a compétition pour les facteurs trophiques dont la quantité est déterminée génétiquement. Les connexions sont affinées, réorganisation synaptique en fonction des besoins. Mort neuronale sélective/programmée = apoptose Mort neuronale accidentelle (atteinte cellulaire) = nécrose 38 Réorganisation des connexions synaptiques Exemple neuromusculaire: Jonction neuro-musculaire Au début, beaucoup de motoneurones font jonctions sur les muscles. Après reorganisation synaptique liée à l’activité électrique (stimulation) qui module les connexions, 1 seul motoneurone fait jonction par muscle. Adaptation en fonction des besoins (et efficacité) Étape finale dans le processus de selection et de la destination finale des synapses.  Elle est une conséquence de l’activité neuronale  Essentiellement avant la naissance: décharge spontanée des neurones (endogène/génétique)  Essentiellement après la naissance: dépend largement de l’expérience sensorielle durant l’enfance (exogène/environnemental) 39 Principes de réorganisation synaptique de Hebb / Plasticité cérébrale: « neurons that fires together, wires togethers » Les synapses qui déchargent ensemble forment des circuits préférentiels. L’activation d’une synapse la stabilise et cette connexion constituera un circuit préférentiel. Donald O. Hebb 1904-1985 Modification de la capacité synaptique est liée à l’activité du neurone. Capacité synaptique limitée Capacité synaptique + forte aux 1eres phases du développement Le principe de Hebb explique la réorganisation synaptique lors du développement et de l’apprentissage. 40 Étude de Wiesel et Huber Effets de la privation visuelle monoculaire chez le macaques. Formation des colonnes de dominance oculaire cortex visual primaire Premier relai au CGL Cortex visuel (lobe occipital, couche IV) Dans la couche IV, l’information des yeux est séparée. Si privation stimulation visuelle : Modification dans couche de dominance visuelle. Importance de la stimulation visuelle Cortex visuel primaire du macaque normal Période critique Période développementale pendant laquelle les signaux inducteurs externes; une stimulation environnementale est requise pour assurer un développement normal Période critique système visuel chez macaque : 6 semaines 41 Fin du cours #3 Merci pour votre attention