Genèse des activités épileptiques au sein des structures hippocampiques.

285 Pages·2007·12.45 MB·French

by  Gilles Huberfeld

Thèse de doctorat de l’Université Pierre et Marie Curie

École Doctorale
Cerveau – Cognition – Comportement

Présentée par
Gilles Huberfeld

Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie

Spécialité
Neurosciences

Sujet de la thèse :

Genèse des activités épileptiques
au sein des structures hippocampiques.

Soutenance le 20 décembre 2007

Devant le jury composé de :

M. le Dr Richard MILES, Directeur de thèse
M. le Pr Massimo AVOLI, Rapporteur
M. le Dr Christophe BERNARD, Rapporteur
M. le Pr Michel BAULAC, Examinateur
M. le Pr Stéphane CHARPIER, Président du Jury.

Remerciements
___________________________________________________________________________

Remerciements.

Richard, je te dois tant et je le sais.
Tu es ma grande rencontre professionnelle.
Ce que, je pense, tu as souhaité me transmettre :
Sache rendre aux mots leur sens premier,
Tout le mystère qui gît dans la perception ;
Les rimes, elles sont dans les verres, non à leur terme.
Les étoiles ne sont pas là où elles brillent.
Cyprian Kamil Norwid.
Ce que, je pense, tu as permis :
L’essentiel de ma vie est accompli. J’ai vu deux ou trois choses pour la
première fois.
Pascal Quignard, Terrasse à Rome.

Michel Baulac, vous avez été mon patron clinique. Vous n’avez
généralement pas votre pareil pour créer un cadre de travail. J’ai toujours
été impressionné par votre sens de la synthèse et de la projection : c’est
presque sportif. Et touché par votre pudeur.

Stéphane Charpier. Tu présides cette thèse sous l’hospice d’une fraternité,
même si elle n’est ni génétique ni rituelle. Puisses-tu, si tu aimes suffisamment
ce travail scientifique, dorénavant m’envoyer plus de cerveaux que de
malades. J’espère vivement que nous empalerons ensemble notre premier
neurone humain in vivo.

Massimo Avoli. Vous venez du plus beau lieu du monde et vous en avez
l’élégance, comme vos travaux. Merci de participer à cette thèse.

Christophe Bernard. J’aime ton approche théorique et méthodologique. Je
suis ravi que tu l’engages sur cette thèse. Que le vent continue à souffler.

Liset. Tu es la vérité d’au-delà des montagnes mais surtout une merveilleuse
amie. Nous avons pu partager grâce à cette thèse de grands moments
devant le set up et hors les murs de nos villes respectives. Vos visites avec
Beatriz et Pablo me sont si précieuses.

Ivan. Tu as initié les travaux sur le tissu humain et su poser tes électrodes.
J’aime échanger avec toi. L’air et les idées.

Lucia. Nous avons partagé ces heures sur le tissu à essayer de remplir des
cellules, ou plutôt un puit sans fond. J’ai aimé travailler avec toi. Puisse t‘on
continuer à collaborer.
Remerciements
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Stéphane Clemenceau. Stéphane, tes mains sont magiques. Ton geste est
épure.

Merci à Emmanuel, Des, Viviane, Michael, Céline, Jean-Christophe au labo.
Xavier, d’un projet à l’autre et toujours ancré dans un réel.

Kevin Staley et Kaï Kaila, vous avez été stimulants.

Maurice Giroud. Vous m’avez transmis votre passion pour le cerveau, ce dont
je vous serai à jamais reconnaissant.

Jean-Claude Willer. Je me réjouis de rejoindre ton équipe ou tu fais ton
possible pour que le ça s’exprime et s’épanouisse.

Merci à ceux de l’hôpital. Audrey, tu as si gentiment contribué à ce que je
puisse être un peu au labo, créant du merveilleux réel au final. Les internes,
Charlotte, Bertrand, Jeannine, Véra, Pierre, Léon, Johan, Carole, Pauline, vous
m’avez pour la première fois donné le goût de transmettre, comme un
prémice de paternité. Paule, Vincent, Isabelle, Benoît, Claude et Sophie.
Hélène. Pierre, Camille & Co. Clara, ma partenaire, Véro, Isabelle, Cathy,
Caroline et toutes et tous les autres. Pour ce que l’on a réussi à faire entre
nous et pour les autres.

Aux organismes finançants : INSERM, CNRS, AP-AP, Université Pierre & Marie
Curie.

Marion, tu es mon astre. Je brille de ta lumière sur et sous la surface de l’eau.
Tu es ma niche évolutive.

Papa, Maman, la source, pas toujours conscients de ce qu’ils m’ont donné.
Karine et PY, ma proche famille.
Eva-Marie, ma superbe et Charles-Elie, mon petit homme en devenir.

Thomas, tu es mon ami, que tu trouves ou non ton sol, quoi que tu voies dans
le ciel.

Mes autres amis.

À tous les livres fondateurs ou accompagnateurs.

Et quoi qu’il arrive, une phrase, pour moi emblématique :
‘Nommons le du nom de son surgissement’ (MHB).
Sommaire
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Sommaire
1 INTRODUCTION.......................................................................................................................................................3
1.1 Introduction générale...................................................................................................................................5
1.2 Les activités épileptiques se construisent sur l'anatomie et la physiologie des structures
hippocampiques......................................................................................................................................................9
1.2.1 Anatomie de la formation hippocampique : voies & cellules......................................................9
1.2.1.1 L’hippocampe...............................................................................................................................9
1.2.1.1.1 Structure..................................................................................................................................9
1.2.1.1.2 Les cellules pyramidales de CA3......................................................................................12
1.2.1.1.3 Les interneurones de CA3..................................................................................................13
1.2.1.1.4 Connexions intrinsèques.....................................................................................................17
1.2.1.1.4.1 Organisation transversale..........................................................................................18
1.2.1.1.4.2 Le réseau de la région CA3.......................................................................................18
1.2.1.1.5 Connexions extrinsèques....................................................................................................19
1.2.1.1.5.1 Connexions corticales................................................................................................19
1.2.1.1.5.2 Connexions sous-corticales.......................................................................................20
1.2.1.2 Le subiculum.................................................................................................................................21
1.2.1.2.1 Structure................................................................................................................................22
1.2.1.2.2 Cellules...................................................................................................................................23
1.2.1.2.3 Connexions...........................................................................................................................26
1.2.1.2.3.1 Afférences.....................................................................................................................26
1.2.1.2.3.2 Efférences.....................................................................................................................27
1.2.1.2.4 Implications du subiculum dans la physiologie et la pathologie................................28
1.2.1.2.4.1 Orientation spatiale....................................................................................................28
1.2.1.2.4.2 Mémoire........................................................................................................................28
1.2.1.2.4.3 Epilepsie.........................................................................................................................29
1.2.1.2.4.4 Schizophrénie...............................................................................................................32
1.2.1.2.4.5 Maladie d’Alzheimer...................................................................................................32
1.2.2 Conductances ioniques et activités épileptiques.........................................................................33
1.2.2.1 Canaux Na+..................................................................................................................................33
1.2.2.2 Canaux Ca2+................................................................................................................................34
1.2.2.3 Canaux K+.....................................................................................................................................35
1.2.2.4 Canaux Cl- dépendant du potentiel........................................................................................37
1.2.2.5 Canaux cationiques activés par l’hyperpolarisation Ih.........................................................37
1.2.3 Neurotransmission glutamatergique et activités épileptiques....................................................39
1.2.3.1 Récepteurs ionotropiques..........................................................................................................39
1.2.3.2 Récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR).........................................................41
1.2.3.3 Transporteurs du glutamate.......................................................................................................41
1.2.4 Neurotransmission GABAergique et activités épileptiques..........................................................43
1.2.4.1 Signalisation GABAergique de type A.....................................................................................43
1.2.4.1.1 Récepteur GABAA...............................................................................................................43
1.2.4.1.2 Régulation de la concentration intracellulaire en Cl-...................................................46
1.2.4.1.2.1 Co-transporteurs cations - Cl- (CCC)........................................................................47
1.2.4.1.2.2 Autres processus de régulation de l’homéostasie du Cl-.....................................49
1.2.4.1.2.3 Homéostasie du Cl- dans les neurones immatures................................................50
1.2.4.1.2.4 Homéostasie du Cl- dans les neurones matures.....................................................51
1.2.4.1.3 Bases des réponses hyperpolarisantes / dépolarisantes au GABA. ..........................53
1.2.4.2 Signalisation GABAergique de type B......................................................................................56
1.2.4.3 Signalisation GABAA et activités épileptiques........................................................................57
1.2.4.4 Signalisation GABAB et activités épileptiques.........................................................................61
1.2.5 Transmission non synaptique, astrocytes et activités épileptiques.............................................62
1.2.5.1 Les jonctions gap neuronales....................................................................................................62
1.2.5.2 Astrocytes et activités épileptiques..........................................................................................63
1.2.5.3 Transmission éphaptique et activités épileptiques................................................................65
1.3 Épilepsies de la face mésiale du lobe temporal associées à une sclérose hippocampique
chez l'homme.........................................................................................................................................................67
1.3.1 Le syndrome clinico-électro-radiologique......................................................................................67
1.3.1.1 Étiologie et histoire naturelle......................................................................................................67
1.3.1.2 Sémiologie clinique.....................................................................................................................68
1.3.1.3 Aspects EEG : cf 1.3.2..................................................................................................................69
1
Sommaire
___________________________________________________________________________
1.3.1.4 Imagerie cérébrale.....................................................................................................................69
1.3.1.5 Prise en charge thérapeutique.................................................................................................71
1.3.1.5.1 Définition des zones impliquées par la décharge épileptique...................................71
1.3.1.5.2 Objectifs de la chirurgie de l’épilepsie............................................................................73
1.3.1.5.3 Les différentes résections chirurgicales............................................................................74
1.3.1.5.4 Apport de l’étude de l’efficacité des résections sur la définition de la zone
épileptogène...........................................................................................................................................76
1.3.2 Anatomie de la sclérose hippocampique......................................................................................79
1.3.2.1 La sclérose hippocampique......................................................................................................79
1.3.2.2 Le bourgeonnement rétrograde des fibres moussues..........................................................81
1.3.2.3 Perte de l'inhibition - modification des interneurones...........................................................82
1.3.2.4 Le subiculum et les structures annexes....................................................................................84
1.3.2.5 Arguments morphologiques pour une pathologie développementale...........................85
1.3.3 Enregistrements neurophysiologiques in vivo..................................................................................86
1.3.3.1 Anomalies EEG interictales.........................................................................................................86
1.3.3.2 Anomalies EEG ictales.................................................................................................................87
1.3.4 Enregistrements neurophysiologiques in vitro.................................................................................91
1.3.4.1 Propriétés neuronales..................................................................................................................92
1.3.4.2 Activités de population induites...............................................................................................93
1.3.4.3 Activités de population spontanées : décharges épileptiformes......................................95
2 GENESE DES ACTIVITES INTERICTALES..............................................................................................................101
2.1 Circuits et genèse des activités synchrones dans les structures hippocampiques......................105
2.1.1 Article 1 de revue : Circuits underlying interictal epileptiform discharges in the
hippocampus ..................................................................................................................................................105
2.2 Émergence des activités interictales.....................................................................................................121
2.2.1 Article 2 : Emergence of disinhibition-induced synchrony in the CA3 region of the
guinea pig hippocampus in vitro.................................................................................................................121
2.3 Récurrence des bouffées épileptiformes : mode de déclenchement d’une bouffée
interictale...............................................................................................................................................................135
2.3.1 Article 3 : Threshold behavior in the initiation of hippocampal population bursts.................135
2.4 Modifications cellulaires et de la signalisation GABAergique à l’origine de l’activité
interictale enregistrée in vitro dans le subiculum humain épileptogène..................................................149
2.4.1 Article 4 : Response to comment on "on the origin of interictal activity in human
temporal lobe epilepsy in vitro"....................................................................................................................149
2.4.2 Article 5 : Perturbed chloride homeostasis and GABAergic signaling in human temporal
lobe epilepsy....................................................................................................................................................153
3 GENESE DES ACTIVITES ICTALES........................................................................................................................163
3.1 Initiation des activités ictales : ictogenèse et facteurs favorisant les crises...................................167
3.1.1 Article 6, en préparation : The paradox of the paroxysm: a brief survey of the factors
that initiate or facilitate ictogenesis for the illumination they might shed on the mystery of the
timing of epileptic seizures.............................................................................................................................167
3.2 Genèse de l’activité ictale dans le subiculum humain épileptogène :..........................................191
3.2.1 Article 7, en préparation : The transition to ictal discharges in tissue from human
epileptic temporal lobe depends on a double transmitter switch........................................................191
4 DISCUSSION & CONCLUSION...........................................................................................................................217
4.1 Genèse des activités interictales dans l’hippocampe sain de cobaye.........................................220
4.2 Genèse des activités interictales dans le subiculum épileptogène humain.................................222
4.3 Genèse des activités ictales dans le subiculum épileptogène humain.........................................227
5 REFERENCES.........................................................................................................................................................233
6 ANNEXES..............................................................................................................................................................273

2
1. Introduction
___________________________________________________________________________
1. INTRODUCTION
3
1. Introduction
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4
1. Introduction
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1.1 Introduction générale.

Parmi l’ensemble des pathologies cérébrales, l’épilepsie est
probablement celle qui entretient le plus de liens avec la physiologie
neuronale. Il s’agit tout d’abord d’une pathologie fonctionnelle : de manière
transitoire, paroxystique, une population neuronale présente une décharge
excessive et hypersynchrone. Le caractère excessif de la décharge se réfère
classiquement à une décharge en bouffée (Prince 1978), mode de
fonctionnement de base de certaines cellules pyramidales et pouvant être
induit chez d’autres par une stimulation intense ou par une modification de
ses conductance ioniques. Néanmoins, cette décharge en burst n’est pas
spécifique de l’activité épileptique. Avant tout, la synchronisation neuronale
est physiologique : c’est le fondement des activités de population neuronale,
des rythmes électroencéphalographiques et plus largement des fonctions
corticales (Varela et al. 2001). Le mode de fonctionnement d’un neurone
individuel au cours de la décharge épileptique n’a ainsi pas de spécificité
pathologique. De cette observation découlent des interrogations
fondamentales sur la neurobiologie des activités épileptiques. En quoi la
décharge épileptique se distingue-t-elle ? Comment réinterprète-t-elle la
physiologie ? Si la décharge épileptique utilise des fonctions neuronales
physiologiques, tant à l’échelle individuelle que collective, celles-ci ont-elles
des spécificités qualitatives et/ou quantitatives ? La genèse d’un événement
épileptique nécessite-t-il qu’un mode de fonctionnement neuronal ou qu’une
fonction synchronisante soit spécifiquement intense dans une population
neuronale ? qu’il affecte une masse critique de neurones ?
Par ailleurs, l’épilepsie est une pathologie dynamique. On décrit tout
d’abord, à l’échelle du corps entier, un état intercritique au cours duquel les
activités épileptiques sont limitées dans le temps et l’espace. Les activités
intercritiques sont réputées asymptomatiques mais leur durée de moins de 70
ms rend délicate la mise en évidence de symptômes aussi brefs. Les crises
proprement dites sont prolongées (secondes à dizaines de secondes) et sous-
tendues par des activités plus organisées pouvant contenir plusieurs phases :
ce sont les activités ictales. Elles se propagent aux structures adjacentes au
foyer épileptogène, notamment aux régions corticales saines qu’elles
peuvent « embraser ». Les activités ictales sont sémiogènes, elles constituent
donc la base de la pathologie. Le lien entre activités interictales et ictales est
complexe (de Curtis and Avanzini 2001). Le réseau sous-tendant activités
interictales et ictales peut différer. Les décharges interictales sont plus
abondantes que les crises et peuvent aussi bien s’arrêter, se renforcer ou
rester stables avant que ne soit initiée une crise. La pharmacologie de ces
deux types d’activités peut également différer, notamment pour la
signalisation GABAergique. Des patients peuvent présenter des activités
interictales sans crises, voire être guéris malgré la persistance de pointes
intercritiques. La grande majorité des travaux en épileptologie fondamentale
se focalisent sur les activités interictales du fait de leur abondance, de la plus
grande facilité à les générer, du plus grand nombre de modèles in vivo ou in
5
1. Introduction
___________________________________________________________________________
vitro qui les produisent. Pour certains auteurs, elles auraient même des
fonctions protectrices. En revanche, les activités ictales sont nettement moins
étudiées alors qu’elles représentent le substratum authentique de la
pathologie. Paradoxalement, le processus d’initiation de l’événement ictal,
l’ictogenèse, est lui-même encore moins étudié, alors qu’il constitue le
véritable point de bascule, le moment fondamental ou la pathologie va
s’exprimer.
L’approche pharmacologique des activités épileptiques reste souvent
caricaturale, opposant excitation glutamatergique et inhibition
GABAergique. Les interactions entre ces deux systèmes font évoquer un
équilibre qui, rompu, générerait une décharge anormalement intense et
synchrone. La réalité biologique semble plus complexe, les modèles d’activité
épileptique in vitro perturbant certaines voies de signalisation. La transmission
GABA apparaît par ailleurs variable dans ses effets, pouvant hyperpolariser
A
ou dépolariser une cellule en fonction de son potentiel membranaire et de la
concentration intracellulaire en Cl-, cette dernière étant très régulée et
dynamique.

J’ai souhaité, dans ce travail de thèse, explorer la genèse des activités
épileptiques au sein des structures hippocampiques au moyen d’une
approche in vitro. Le choix du modèle repose tout d’abord sur l’anatomie :
l’hippocampe est une structure dont l’architecture est connue, suffisamment
structurée pour en étudier l’organisation en réseau. La formation
hippocampique possède plusieurs définitions. Je retiendrai celle selon
laquelle elle comprend l’hippocampe proprement dit (constitué du gyrus
denté, des champs ammoniens CA4, CA3, CA2 et CA1) et le subiculum. Elle
entretient des liens étroits avec le cortex entorhinal. C’est également le
principal support d’étude tant des activités physiologiques neuronales que
des activités épileptiques. La face interne du lobe temporal au sein de
laquelle se trouve la formation hippocampique est la structure la plus
fréquemment impliquée dans les épilepsies partielles, dans le cadre
pathologique de la sclérose hippocampique ou se conjuguent altération
morphologique (incluant la perte cellulaire et ses conséquences) et
perturbations du fonctionnement. Du fait du caractère chirurgical de la prise
en charge de ces épilepsies humaines, il est par ailleurs possible d’obtenir du
tissu pathologique conservant ses propriétés épileptiques in vitro, permettant
de mener des explorations plus approfondies. Dans cette thèse, je décrirai les
activités épileptiques dans le modèle de la tranche aigue hippocampique et
au sein du subiculum humain épileptogène.
J’ai mené une étude de la dynamique des activités épileptiques en
explorant (i) les activités spontanées (normales dans l’hippocampe animal ou
intercritique dans le subiculum humain épileptogène), (ii) la transition vers des
activités plus complexes induites pharmacologiquement (normal vers
intercritique dans l’hippocampe animal et intercritique vers critique dans le
subiculum humain) et (iii) l’initiation de ces phénomènes (déclenchement des
activités interictales dans l’hippocampe et des activités ictales dans le
subiculum).
6