Saluée comme l'une des avancées médicales les plus importantes, la découverte d'anesthésiques généraux – des composés qui provoquent l'inconscience, empêchent le contrôle des mouvements et bloquent la douleur – ont contribué à transformer les opérations dangereuses et traumatisantes en chirurgie sûre et routinière. Mais malgré leur importance, les scientifiques ne comprennent toujours pas exactement comment fonctionnent les anesthésiques généraux.
Maintenant, dans une étude publiée cette semaine dans le Journal of Neuroscience, des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (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.
Il est important de noter que l'isoflurane n'a pas bloqué la transmission de tous les signaux électriques de manière égale; l'anesthésique a eu l'effet le plus fort sur les impulsions à haute fréquence qui sont nécessaires pour des fonctions telles que la cognition ou le mouvement, alors qu'il a eu un effet minimal sur les impulsions à basse fréquence qui contrôlent les fonctions de survie, telles que la respiration. Cela explique comment l'isoflurane est capable de provoquer une anesthésie, en bloquant préférentiellement les signaux haute fréquence. «
Professeur Tomoyuki Takahashi, Unité Fonction Synaptique Cellulaire et Moléculaire (CMSF) à OIST
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 – ou des neurotransmetteurs.
Lorsqu'une impulsion nerveuse électrique, ou potentiel d'action, arrive à la fin du neurone présynaptique, cela provoque la fusion des vésicules synaptiques – de minuscules « paquets '' de membrane qui contiennent 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, puis 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 d'une manière similaire au 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 vise à affaiblir les synapses de cette manière dépendante de la fréquence. »
Retrouver les cibles
En poursuivant leurs recherches, les chercheurs ont découvert que l'isoflurane réduisait la quantité de neurotransmetteurs libérés, à la fois en réduisant la probabilité de libération des vésicules et en réduisant le nombre maximal 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 à la terminaison présynaptique, les canaux ioniques de calcium dans la membrane s'ouvrent, permettant aux ions de calcium de pénétrer. Les vésicules synaptiques détectent alors cette augmentation de calcium et fusionnent avec la membrane. Les chercheurs ont découvert que l'isoflurane diminuait l'apport 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 pas 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 soit en bloquant directement le processus de libération des vésicules par exocytose, soit en bloquant indirectement le recyclage des vésicules, où les vésicules sont reformées par endocytose puis remplies de neurotransmetteurs, prêtes à être à nouveau libérées.
En mesurant électriquement les changements dans la surface de la membrane terminale présynaptique, qui est augmentée par l'exocytose et diminuée par l'endocytose, les scientifiques ont conclu que l'isoflurane affectait uniquement la libération des vésicules par exocytose, probablement en bloquant la machinerie exocytaire.
« Surtout, nous avons constaté que ce bloc n'avait qu'un effet majeur sur les signaux à haute fréquence, ce qui suggère que ce bloc sur les machines exocytaires 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 bloc 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, donc le blocage de l'isoflurane sur les machines exocytaires a peu d'effet. Bien que l'isoflurane réduit efficacement l'entrée de calcium dans le terminal présynaptique, la diminution de la probabilité de libération de vésicules, en soi, n'est pas suffisamment puissante pour bloquer les potentiels d'action postsynaptique au 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 qui sous-tendent les symptômes des maladies neurodégénératives », a déclaré Takahashi. « Ce sera notre prochain défi. »
La source:
Institut universitaire des sciences et technologies d'Okinawa (OIST)
Référence de la revue:
Wang, H., et al. (2020) Bloc dépendant de la fréquence de la neurotransmission excitatrice par l'isoflurane via des mécanismes présynaptiques doubles. Journal of Neuroscience. doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2946-19.2020.
