faculte de medecine - université lavalun sincère remerciement à m. chabot qui a su si bien...
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FACULTE DE MEDECINE
U.JV
L/L
THESE
PRESENTEE
A L'ECOLE DES GRADUES
DE L’UNIVERSITE LAVAL
POUR L’OBTENTION
DU GRADE DE PHILOSOPHAE DOCTOR (Ph. D.)
PAR
CLERMONT BEAULIEU
MAITRE ES SCIENCE
DE L'UNIVERSITE LAVAL
INFLUENCE DE LA RICHESSE DE L'ENVIRONNEMENT
SUR LE CORTEX VISUEL DU CHAT
OCTOBRE 1986
11
AVANT-PROPOS
Je tiens à remercier sincèrement le Dr. Marc Colonnier pour l'aide
immense et le soutien qu'il m'a apportés tout au cours de ce stage doctoral.
Je tiens aussi à souligner tout particulièrement son empressement et sa
grande disponibilité. Je remercie de plus, Jacques Rodrigue et Lisette
Bertrand pour leur aide dans la partie technique de l'étude. J'adresse aussi
un sincère remerciement à M. Chabot qui a su si bien prendre soin des
jeunes chatons.
I
Ill
TABLES DES MATIERES
AVANT-PROPOS ii
TABLE DES MATIERES iii
LISTE DES ILLUSTRATIONS vii
LISTE DES TABLES ix
PREAMBULE 1
INTRODUCTION 5
1- Propriétés électrophysiologiques des neurones du cortex visuel
du chat. 5
1.1- Description des propriétés chez l'animal adulte 5
1.2- Le développement postnatal des propriétés des champs
récepteurs 9
1.3- Plasticité des champs récepteurs 11
1.4- Conclusions 26
2- Etudes de l'influence de la richesse de l'environnement sur
l'anatomie du cortex cérébral 28
2.1- Méthodes d'élevage en milieux pauvre et enrichi 28
2.2- Effets différentiels de l'élevage en milieux pauvre et enrichi 29
2.3- Résumé et conclusion 50
FORMULATION DU PROBLEME ET RESULTATS ESCOMPTES 51
MATERIELS ET METHODES 54
1- Modèle expérimental 54
XV
2- Prélèvement des échantillons 56
3- Détermination du nombre de neurones 64
4- Critères d'identification des lames du cortex visuel du chat 68
5- Calcul du nombre de synapses 70
5.1- Echantillonnage 70
5.2- Critères d'identification des catégories de synapses étudiées 71
5.3- Détermination du Nv 76
6- Mesure du rétrécissement 77
7- Tests statistiques 78
RESULTATS 79
1- Poids du coips 79
2- Poids de l'encéphale 81
3- Dimensions de l'encéphale 82
4- Densité numérique des neurones dans l'aire 17 du chat 86
5- Epaisseur du cortex visuel 89
6- Nombre de neurones sous 1 mm2 de surface corticale 91
7- Aire moyenne des noyaux des neurones 93
8- Densité numérique des synapses 96
8.1- Synapses à vésicules rondes 96
8.2- Synapses à vésicules aplaties 97
8.3- Proportion des synapses à vésicules aplaties 102
9- Nombre de synapses par neurone 105
V
9.1- Synapses à vésicules rondes 106
9.2- Synapses à vésicules aplaties 107
10- Longueur des contacts synaptiques 112
10.1- Synapses à vésicules rondes 112
10.2- Synapses à vésicules aplaties 112
11- Surface des contacts synaptiques par neurone 116
11.1- Synapses à vésicules rondes 117
11.2- Synapses à vésicules aplaties 117
12- Proportion des synapses sur épines, dendrites et s ornas 119
12.1- Synapses à vésicules rondes 119
12.2- Synapses à vésicules aplaties 122
DISCUSSION 125
1- Facteurs qui influencent le poids corporel ainsi que le poids et les
dimensions de l'encéphale: comparaison avec le rat 125
1.1- Effets de la richesse de l'environnement 125
1.2- Différences selon les portées ou selon les sexes 128
2- Facteurs qui influencent la densité numérique des neurones et des
synapses: explication des différences interindividuelles 130
2.1- Effets de la richesse de l'environnement sur le Nv des neurones
2.2- Effets de la richesse de l'environnement sur le Nv des synapses
2.3- Différences selon les portées ou selon les sexes 142
130
135
3- Facteurs qui influencent le nombre de synapses par neurone et leur
longueur: signification fonctionnelle du changement des circuits
vi
synaptiques du cortex visuel 143
3.1- Effets de la richesse de l'environnement 143
3.2- Différences selon les portées ou selon les sexes
CONCLUSIONS 155
BIBLIOGRAPHIE 157
APPENDICES 185
ANNEXES 188
154
vu
LISTE DES ILLUSTRATIONS
FIGURE
1- Schéma illustrant la situation de l'aire 17 du chat sur la face externe et
médiane des hémisphères cérébraux 59
2- Microphotographie d'une coupe frontale du cerveau d'un chat 61
3- Microphotographie illustrant les variations dans l'orientation des
colonnes de cellules de la région binoculaire de l'aire 17 du chat 63
4- Microphotographie illustrant les deux principaux types de synapses du
cortex visuel en microscopie électronique 75
5- Diagramme des paramètres macroscopiques 80
6- Photographie de l'encéphale de deux chats de la même portée dont l'un est
enrichi et l'autre appauvri 85
7- Diagramme du nombre de neurones par mm3 de tissu 88
8- Diagramme de l'épaisseur du cortex visuel 90
9- Diagramme du nombre de neurones sous 1 mm2 de surface
corticale 92
10- Diagramme de la surface moyenne des noyaux des neurones 95
11- Diagramme du nombre de synapses à vésicules rondes par mm3 de
tissu 100
12- Diagramme du nombre de synapses à vésicules aplaties par mm3 de
tissu 101
VIXI
13- Diagramme de la proportion de synapses à vésicules aplaties
par rapport à la somme des synapses identifiées 104
14- Diagramme du nombre de synapses à vésicules rondes par
neurone 110
15- Diagramme du nombre de synapses à vésicules aplaties par
neurone 111
16- Diagramme de la longueur des synapses à vésicules rondes 114
17- Diagramme de la longueur des synapses à vésicules aplaties 115
IX
LISTE DES TABLES
TABLES
1- Epaisseur corticale et nombre de neurones 87
2- Surface des noyaux des neurones 94
3- Densité numérique des synapses 99
4- Synapses par neurone 109
5- Longueur des contacts synaptiques 113
6- Surface des contacts synaptiques par neurone 118
7- Proportion des synapses à vésicules rondes sur les épines, les troncs
dendritiques et les somas 120
8- Proportion des synapses à vésicules aplaties sur les épines, les troncs
dendritiques et les somas 121
1
PREAMBULE
Cette thèse ne représente qu'une portion des travaux de recherche
exécutés durant mon stage d'étude pour l'obtention de mon doctorat. Une
partie de ces travaux, qui ont été faits immédiatement après ma thèse de
maîtrise, sert de point de départ pour ceux qui sont le sujet de la thèse. Les
travaux initiaux sont présentés aux annexes 1,2 et 3. Aussi, durant la
rédaction de cette thèse, j'ai complété une seconde étude sur la richesse de
l'environnement qui éclaire certaines données présentées dans le présent
ouvrage. Les résultats de cette deuxième étude sont introduits brièvement
dans la discussion et sont présentés à l'annexe 4. Ce préambule résume les
travaux initiaux et nous mènent aussi à une première formulation du
problème qui sera présentée plus à fond à la fin de l'introduction.
La synapse apparaît en microscopie électronique comme une région de
contact entre deux profils où les membranes pré et postsynaptiques sont
différenciées, c'est à dire quelles sont un peu plus denses et moins ondulées
que les membranes non-synaptiques. L'un des profils contient des vésicules
synaptiques tandis que l'autre n'en contient pas. La membrane
post-synaptique peut être bordée d'une opacité dite post-synaptique
(Colonnier '68; Gray '59; Palay '56). Cette opacité est composée en majeure
partie d'un polypeptide de poids moléculaire de 50,000 Kd (Matus '81). Deux
types de synapses ont été identifiés selon la forme des vésicules
pré-synaptiques et de la présence ou de l'absence de la densité
post-synaptique (Colonnier '68). Le premier type a un bouton terminal qui
contient une population de vésicules synaptiques de forme sphérique dont la
2
grosseur tend à être homogène. La différenciation membranaire
postsynaptique de ce type de synapse est ordinairement bordée d'une opacité
qui la fait paraître différente de la membrane pré- synap tique : c'est la
différenciation dite asymétrique. Le bouton terminal de l'autre type présente
une population de vésicules plus petites, de différentes formes, dont un
certain nombre sont aplaties. Ce type de synapse ne présente pas d'opacité
post-synaptique. La membrane post-synaptique apparaît ici plus semblable à
la membrane présynaptique que celle de l'autre type de contact: c'est la
différenciation dite symétrique. A cause de la distribution de ces synapses
dans le cortex cérébral et cérébelleux, on a suggéré que les synapses à
vésicules rondes et à différenciation membranaire asymétrique sont
excitatrices et que les synapses à vésicules aplaties et à différenciation
membranaire symétrique sont inhibitrices (voir revue par Colonnier '81).
Cette hypothèse a été confirmée en partie depuis que Ribak (78) a démontré
que les boutons terminaux qui contiennent du GABA, un neurotransmetteur
inhibiteur dans le cortex (Iversen et coll. '71; Krenjevic et Schwartz '67;
Sillito 75a), avaient une différenciation membranaire symétrique.
Dans un travail sur la distribution quantitative de ces deux types de
synapses dans les régions binoculaire et monoculaire du cortex visuel de 6
chats, nous (Beaulieu et Colonnier '85a; Annexe 1) avons trouvé que la
densité numérique (Nv: nombre par unité de volume) des synapses
asymétriques à vésicules rondes et celle des synapses symétriques à
vésicules aplaties est très semblable dans les régions monoculaire et
binoculaire du cortex visuel (aire 17) du chat. De plus, elle varie très peu
entre les différentes lames corticales. Il y a environ 275 millions de synapses
3
asymétriques à vésicules rondes par mm3 de tissu et 40 millions de synapses
symétriques à vésicules aplaties. Nous avons constaté que le coefficient de
variation (l'écart-type exprimé comme pourcentage de la moyenne) de ce
dernier type de synapses était aussi élevé que 30%. Le Nv des synapses
asymétriques à vésicules rondes était distribué de façon plus uniforme entre
les animaux. Son coefficient de variation n'était que de 7%. Nous avons
d'abord cru que la grande variation des synapses symétriques à vésicules
aplaties pouvait être due au fait que nous avions échantillonné un moins
grand nombre de ce type de synapses, ou encore que ces contacts synaptiques
pouvaient avoir une répartition non-uniforme dans le cortex visuel. Toutefois
l'examen des données a démontré que dans un même animal, il y a peu de
différence dans le Nv des synapses symétriques à vésicules aplaties entre les
deux régions de l'aire visuelle: les grandes différences sont entre les
différents chats. C’est pour cette raison qu'une analyse statistique a
démontré qu'il n'y a pas de différence significative dans le Nv des synapses
symétriques à vésicules aplaties entre les régions du cortex visuel du chat,
mais qu'il y a une différence très significative dans le Nv des synapses
symétriques à vésicules aplaties entre les animaux étudiés. Pour les
synapses asymétriques à vésicules rondes, les différences sont aussi grandes
entre les régions qu'entre les animaux et il n'y a aucune différence
significative soit entre les deux régions, soit entre les animaux.
Dans une autre étude (Beaulieu et Colonnier '85; Annexe 3), nous avons
comparé la densité numérique des neurones des régions monoculaire et
binoculaire de l'aire visuelle primaire (aire 17) à deux aires visuelles
secondaires (aire 18 et aire suprasylvienne latérale postéro-médiane: PMLS).
4
Nous avons montré que le Nv est plus élevé dans les deux régions de l'aire 17
que dans les aires 18 et PMLS qui sont semblables entre elles. On a toutefois
démontré qu'il existe une différence très significative du Nv neuronal entre
les individus qui faisaient partie de l'échantillonnage. Nous avons proposé
que ces différences interindividuelles dans la densité numérique des
synapses symétriques à vésicules aplaties et des neurones peuvent être dues
à des facteurs environnementaux. La présente étude a été faite pour vérifier
cela. L'introduction présentera la littérature qui justifie cette hypothèse et
qui nous a mené au protocole expérimental qui sera décrit dans la section
Matériels et Méthodes.
5
INTRODUCTION
1- PROPRIETES ELECTROPHYSIOLOGIQUES DES NEURONES DU
CORTEX VISUEL DU CHAT
Ll- Description des propriétés chez ranimai adulte
L'activité électrophysiologique d'un neurone du système visuel du chat
peut être modifiée par une stimulation lumineuse dans une région restreinte
du champ visuel. Cette région du champ visuel qui peut affecter la décharge
électrique d'un neurone du système visuel correspond au champ récepteur
de ce neurone (Hartline '38, voir Hubel et Wiesel '59). Kuffler ('53) a démontré
que les neurones ganglionnaires de la rétine du chat ont des champs
récepteurs qui tendent à être circulaires. Il a classifié ces neurones en 2
types principaux, les neurones "on-center" et les neurones "off-center". Le
champ récepteur des neurones "on-center" présente une zone centrale
excitatrice et une zone périphérique inhibitrice: une stimulation lumineuse
dans la portion centrale d'un tel champ récepteur amène une augmentation
de la décharge électrique du neurone, tandis qu'une stimulation de la
périphérie entraîne une diminution de la fréquence de décharge du neurone.
Les neurones "off-center" ont un centre inhibiteur et une périphérie
excitatrice.
Au niveau du cortex visuel, les champs récepteurs de la plupart des
neurones n'ont pas cette forme circulaire mais sont allongés (Hubel et
Wiesel '59; '62). Ces neurones corticaux répondent de façon maximale à un
stimulus lumineux ayant la forme d'un rectangle ou d'une ligne droite
contrastée. L'orientation de l'axe d'un tel stimulus est critique. Pour une
6
orientation donnée, la réponse électrophysiologique du neurone est très vive.
Pour certains auteurs, des neurones qui répondent ainsi de façon
préférentielle à une orientation donnée sont dits sélectifs à l'orientation (voir
Hubel '59; Hubel et Wiesel '62; '63). D'autres auteurs cependant ont des
critères plus stricts pour définir un neurone comme étant sélectif: pour eux,
il faut qu'un stimulus orienté à angle droit par rapport au stimulus préféré
entraîne une absence totale de réponse (voir par exemple Blakemore et Van
Sluyters '75; Buisseret et Imbert '76). Dans la présente étude, nous
utiliserons l'expression "sélectivité" tel que définie par Hubel et Wiesel ('62).
Dans le cortex visuel du chat adulte, de 80 à 95% des neurones sont
sélectifs à l'orientation (Bishop et coll. '71; Cynader et coll. '75a; 75b;
Heggelund et Albus '78; Henry '77; Henry et coll. '74; Hubel et Wiesel '62;
Leventhal et Hirsch '78). Si l'on considère un ensemble de neurones
provenant d'une surface assez étendue du cortex visuel, toutes les
orientations y sont également représentées (Henry et coll. '74; Hubel et
Wiesel '62; Orban et Kennedy '81). Cependant, Hubel et Wiesel ('62) ont
remarqué une similarité dans l'orientation préférentielle de la plupart des
neurones enregistrés dans une même pénétration verticale. De plus, si l'on
passe une électrode dans le cortex visuel parallèlement à la surface corticale,
ces auteurs notent un changement graduel et systématique de l'orientation
des champs récepteurs des neurones. Selon Hubel et Wiesel, les neurones
sont donc regroupés dans des colonnes dites d'orientation. Récemment, ces
colonnes d'orientation ont été démontrées anatomiquement par la technique
du désoxyglucose (Albus '79; Flood et Coleman '79; Schoppmann et Stryker
'81; Singer et coll. '81).
7
Beaucoup de neurones sélectifs à l'orientation sont aussi sélectifs à la
direction du mouvement d'un stimulus (Hubel et Wiesel '62). Un neurone qui
présente une telle sélectivité répond de façon préférentielle à une direction
particulière et le déplacement de la cible en sens contraire entraîne une
diminution marquée de la réponse électrophysiologique. Lorsqu'un neurone
présente de la sélectivité d'orientation et de direction en même temps, l'axe
préférentiel du mouvement du stimulus est orthogonal à l'axe préférentiel de
l'orientation (Hammond et Andrews '78).
Hubel et Wiesel ('59; '62) ont remarqué que la plupart des neurones du
cortex visuel du chat répondent à une stimulation lumineuse quel que soit
l'oeil stimulé. Cependant, une stimulation lumineuse d'un oeil peut
quelquefois donner une réponse beaucoup plus grande que la même
stimulation de l'autre oeil. Ainsi, tous les neurones corticaux ne sont pas
dominés également par les 2 yeux. Pour exprimer cette dominance oculaire,
Hubel et Wiesel ('62) ont subdivisé les neurones du cortex visuel en 7 classes.
Les neurones du groupe 1 et du groupe 7 sont activés exclusivement par l'oeil
contralatéral ou ipsilatéral respectivement et sont donc exclusivement
monoculaires. Les neurones des autres groupes sont binoculaires: ceux du
groupe 4 reçoivent une influence égale des 2 yeux, et ceux des groupes 2-3 et
des groupes 5-6 sont plus influencés par l'oeil contralatéral ou ipsilatéral
respectivement. Hubel et Wiesel ont remarqué que la proportion de neurones
qui répond à l'oeil contralatéral est légèrement plus élevée que celle qui
répond à l'oeil ipsilatéral. Ces mêmes auteurs ont calculé qu'environ 80%
des neurones de l'ensemble du cortex visuel du chat sont binoculaires. Les
observations de Hubel et Wiesel ont été plusieurs fois confirmées par d'autres
8
auteurs (Albus '75; Berman et coll. '82; Hammond '79; '81; Leventhal et
Hirsch '78; Wilson et Sherman '77).
Hubel et Wiesel ('63b) ont noté que s'ils faisaient pénétrer verticalement
une électrode dans le cortex visuel du chat, la plupart des neurones
rencontrés ont tendance à être dominés par le même oeil. En pénétration
horizontale, parallèle à la surface du cortex, ces auteurs ont observé un
changement régulier et systématique de l'oeil qui domine les neurones
corticaux. Ce changement se produisait à environ tous les 0.5 mm. Selon ces
auteurs, les neurones corticaux sont donc regroupés dans des colonnes dites
de dominance oculaire. Plus récemment, ces colonnes de dominance
oculaire ont été démontrées anatomiquement: les afférences
géniculo-corticales d'un oeil se terminent en bandes larges d'environ 0.5 mm
qui sont particulièrement bien définies dans la lame IV, lame qui est le site
principal des terminaisons géniculo-corticales (Ito et coll. '77; LeVay et coll.
78; Shatz et Stryker '78).
Hubel et Wiesel ('62) ont proposé un modèle pour expliquer la sélectivité
d'orientation des champs récepteurs des neurones corticaux. Selon ces
auteurs, cela viendrait d'un arrangement spatial des afférences
géniculo-corticales excitatrices. Le champ récepteur d'un neurone serait le
produit de la convergence d'un groupe de neurones du corps genouillé. Ce
modèle a été fortement contesté par la suite. Certaines études plus récentes,
faites par enregistrement intracellulaire, ont clairement établi l'importance
des mécanismes inhibiteurs dans les propriétés des champs récepteurs du
cortex visuel du chat (Benevento et coll. '72; Blakemore et Tobin '72;
Creutzfeldt et Ito '68; Finlay et coll. '76; Innocent! et Fiore '74). Ainsi selon
9
Benevento et collaborateurs ('72), l'input visuel du thalamus aux neurones
corticaux est purement excitateur et n'est pas responsable de la sélectivité
d'orientation ou de direction. D’après les preuves électrophysiologiques
présentées par ces auteurs, ces propriétés viennent plutôt des connexions
intracorticales inhibitrices.
D'autres preuves de nature pharmacologique ont confirmé ces vues. Le
GABA (acide gamma-amino-butyrique) est un neurotransmetteur inhibiteur
dans le cortex cérébral (Iversen et coll. '71; Krenjevic et Schwartz '67; Sillito
'75a). Dans le cortex visuel, si l'on élimine l'effet du GABA par la bicuculline
ou par l'un de ses dérivés, la très grande majorité des neurones perdent leur
sélectivité d'orientation et de direction. Parmi les neurones qui demeurent
sélectifs, la sélectivité à l'orientation est beaucoup moins précise (Daniels et
Pettigrew '75; Pettigrew et Daniels '73; Rose et Blakemore '74; Sillito '75b; 77;
'79; Sillito et coll. '80a; '80b; '81). L'inhibition du GABA affecte aussi la
binocularité du cortex visuel. Sillito et collaborateurs ('80a; 80b) ont démontré
que près de la moitié des neurones qui sont monoculaires chez l'animal
normal, deviennent binoculaires si l'on inhibe l'action du GABA.
12- Le développement postnatal des propriétés des champs récepteurs
Selon Hubel et Wiesel ('63a), les propriétés d'orientation et de direction
des champs récepteurs des neurones visuels du chaton âgé de 8 à 10 jours
seraient semblables à celles de l'animal adulte. Ils en ont conclu que ces
propriétés sont innées chez le chat. Toutefois, des études subséquentes ont
démontré que les champs récepteurs du jeune chaton âgé de moins de deux
semaines sont appréciablement différents de ceux de l'adulte (Barlow et
10
Pettigrew '71; Blakemore et Van Sluyters '75; Buisseret et Imbert '76;
Frégnac et Imbert '78; Pettigrew '74). Les champs récepteurs sont beaucoup
plus grands et leurs bordures ne sont pas aussi bien définies. De plus, il y a
beaucoup moins de neurones sélectifs à l'orientation et seulement quelques
neurones présentent de la sélectivité à la direction (Blakemore et Van
Sluyters '75; Pettigrew '74).
A partir de l'âge de 2 semaines, les champs récepteurs des neurones
visuels deviennent de plus en plus petits avec l'âge, leurs bordures mieux
définies et leurs sélectivités d'orientation plus précises (Bonds '79; Buisseret
et Imbert '76). On remarque aussi une augmentation progressive du nombre
de neurones qui présentent de la sélectivité d'orientation et de direction
(Bonds '79; Blakemore et Van Sluyters '75; Buisseret et Imbert '76;
Derrington '78; Frégnac et Imbert '78; Pettigrew '74; Sherk et Stryker '76;
Tsumoto et Suda '82). Les champs récepteurs et leurs propriétés tendent
ainsi à être de plus en plus semblables à celles du cortex visuel de l'animal
adulte. Vers l'âge de 5 à 6 semaines, les propriétés d'orientation et de
direction des neurones visuels sont difficiles à distinguer de celles de
l'animal adulte (Bonds '79; Blakemore et Van Sluyters '75; Buisseret et
Imbert '76; Derrington '78; Frégnac et Imbert '78; Pettigrew '74; Sherk et
Stryker '76; Tsumoto et Suda '82).
De l'âge de 8 à 10 jours jusqu'à l'âge adulte, la plupart des neurones du
cortex visuel du chat qui répondent aux stimuli lumineux sont binoculaires
(Blakemore et Van Sluyters '75; Hubel et Wiesel '63a). Cela a fait conclure à
Hubel et Wiesel que la binocularité est innée. Il est intéressant de noter
toutefois que chez le chaton, les neurones sélectifs à l'orientation ont
11
tendance à être monoculaires et que l'orientation horizontale ou verticale est
préférée aux autres orientations (Blakemore et Van Sluyters '75; Buisseret et
Imbert '76; Frégnac et Imbert '78). Après l'âge de 4 semaines, la plupart des
neurones du cortex visuel qui présentent de la sélectivité d'orientation
deviennent binoculaires et répondent aussi bien aux orientations obliques
qu'aux orientations horizontales et verticales (Frégnac et Imbert '78).
L3- Plasticité des champs récepteurs
Plusieurs manipulations expérimentales peuvent altérer les propriétés
électrophysiologiques des neurones du cortex visuel du chat (revues par
Frégnac et Imbert '84; Mohvson et Van Sluyters '81 ; Sherman et Spear '82).
Les manipulations les plus utilisées dans les laboratoires sont la privation
complète de la vision structurée obtenue par l'élevage dans le noir ou par la
suture des deux paupières; la vision monoculaire obtenue par la suture
d'une seule paupière; le strabisme chirurgical où le globe oculaire est dévié
de son axe normal; et la privation d'orientation et de direction par l'élevage
soit dans un monde visuel sans formes linéaires ou sans mouvement, soit
dans un monde où les stimuli sont orientés dans un seul plan ou qui bougent
dans une seule direction.
1.3.1- Privation complète de la vision structurée
Wiesel et Hubel ('65) ont été les premiers à analyser les propriétés des
champs récepteurs chez des animaux qui ont subi une privation complète de
vision structurée pendant une longue période. D'après ces auteurs, 25% des
neurones ne répondent à aucun stimulus visuel, un autre 25% ont des
12
champs récepteurs mal définis, et le reste ont des propriétés d’orientation et
de direction semblables à celles de l'animal adulte. Toutefois, des études
subséquentes ont décrit des modifications beaucoup plus grandes des
champs récepteurs après privation complète de vision stucturée (Blakemore
et Van Sluyters '75; Bonds '79; Buisseret et Gary-Bobo '79; Buisseret et coll.
'78; Buisseret et Imbert '76; Freeman et coll. '81; Frégnac '79a; '79b; '79c;
Kaye et coll. '81; '82; Kratz et Spear '76; Leventhal et Hirsch '77; '80; Mower et
coll '81; Pettigrew '74; Rausehecker et Singer '82; Singer et Tretter '76a; '76b;
Watkins et coll. '78). Ainsi, une privation de la vision pendant au moins 6
semaines amène une réduction importante de la proportion de neurones qui
sont sélectifs à l'orientation ou à la direction du stimulus visuel: à peine 20%
des neurones présentent encore de la sélectivité d’orientation et de direction
tandis qu'il y en a de 80 à 95% chez l'animal normal (Bonds '79; Hubel et
Wiesel '62; Leventhal et Hirsch '77; Watkins et coll. '78).
Parmi les neurones qui demeurent sélectifs, la sélectivité à l'orientation
est moins précise (Blakemore et Van Sluyters '75; Buisseret et Imbert '76;
Frégnac et Imbert '78; Leventhal et Hirsch '80; Shinkman et coll. '83). On
doit faire varier de plusieurs degrés l'angle du stimulus présenté pour noter
une diminution appréciable de la réponse. Les champs récepteurs sont plus
grands et leurs bordures ne sont pas aussi bien définies (Singer et Tretter
'76a; Watkins et coll. '78). Chez les animaux élevés dans le noir total ou avec
une suture des 2 paupières, les neurones qui répondent à la lumière et qui ne
sont pas sélectifs à l'orientation tendent à être binoculaires tandis que ceux
qui sont sélectifs sont plutôt monoculaires et préfèrent les stimuli orientés
horizontalement ou verticalement (Blakemore et Van Sluyters '75; Kratz et
13
Spear '76; Leventhal et Hirsch '80; Watkins et coll. 78).
Toutes ces propriétés des neurones des animaux qui ont subi une
privation de la vision ressemblent beaucoup à celles de l'animal nouveau-né.
C'est pourquoi, par exemple, Leventhal et Hirsch ('80) croient que la
préférence pour les stimuli horizontaux ou verticaux est déterminé
génétiquement tandis que la sensibilité à des orientations obliques chez
l'animal normal viendrait surtout de l'expérience du monde visuel au cours
de la maturation.
Il semble d'après Mower et collaborateurs 081) qu'il y a quelques
différences dans les propriétés des champs récepteurs entre des animaux
élevés dans le noir total ou élevés avec une suture des 2 paupières. Ils ont
calculé que la proportion de neurones sélectifs à l'orientation est plus élevée
chez l'animal suturé que chez l'animal élevé dans le noir. Cette différence
entre ces deux conditions expérimentales peut venir du fait que l'animal
élevé avec une suture des 2 paupières reçoit de la lumière (Loop et Sherman
'77; Spear et coll. '78) à travers ses paupières closes, tandis que l'animal
élevé dans le noir total subit une privation totale et de la lumière et des
formes structurées.
Chez l’animal élevé pendant au moins 6 semaines dans l'obscurité, la
proportion de neurones qui répondent aux deux yeux est plus élevée (70%)
que la proportion de ceux qui ne répondent qu'à un seul oeil (Blakemore et
Mitchell '73; Bonds '79; Cynader et coll. '76; Cynader et Mitchell '80; Frégnac
et coll. '81; Imbert et Buisseret '75; Leventhal et Hirsch '77; '80; Mower et
coll. '81; '85; Mower et Christen '85). Ce pourcentage n'est que légèrement
moins élevé que celui obtenu chez l'animal normal (au moins 80%; Hubel et
14
Wiesel '62). Par contre, chez des animaux élevés avec une suture des 2
paupières, la binocularité semble beaucoup plus affectée (Blakemore et Van
Sluyters '75; Kratz et Spear '76; Mower et coll. '81; Watkins et coll. '78; Wiesel
et Hubei '65). En effet, selon certains auteurs, le pourcentage de neurones
monoculaires serait plus grand que celui de neurones binoculaires chez
l'animal avec suture bilatérale (Kratz et Spear '76; Mower et coll. 81; Watkins
et coll. '78).
Mower et collaborateurs ('81) ont aussi indiqué une autre différence
importante entre les animaux élevés dans le noir total et ceux élevés avec
une suture binoculaire. Les propriétés des neurones du cortex visuel des
animaux élevés dans le noir demeurent plastiques même après une
privation de plusieurs mois; c'est à dire que les propriétés des champs
récepteurs de ces neurones peuvent être modifiées par d'autres
manipulations de l'input visuel (voir section sur la suture d'une paupière).
Par contre, les neurones du cortex visuel d'animaux où les 2 paupières ont
été suturées perdent leur plasticité après seulement quelques mois de
privation visuelle.
Comme les propriétés des champs récepteurs, qui sont affectées par la
privation complète de vision structurée, sont des propriétés qui dépendent
des circuits inhibiteurs, Leventhal et Hirsch ('80) suggèrent que ces
changements sont dûs principalement à une perte des inputs inhibiteurs et
non pas à une modification des connexions excitatrices. Ils suggèrent ainsi
que les connexions inhibitrices sont particulièrement dépendantes des
stimulations sensorielles.
15
1.3.2- Vision monoculaire
Chez un animal qui a subi une suture d'une seule paupière, les
propriétés de sélectivité des champs récepteurs des neurones qui répondent à
l'oeil qui voit, sont identiques à celles d'un individu qui n'a subi aucune
privation visuelle (Hoffman et Cynader '77; Shatz et Stryker '78; Singer '77;
Spear et coll. 80; Wiesel et Hubel '65; Wilson et Sherman '77). Par contre, les
propriétés de sélectivité des neurones de l'oeil privé de vision sont anormales:
très peu de neurones sont sélectifs à l'orientation ou à la direction du
stimulus, et l'ajustement à l’orientation est beaucoup moins précis que celui
des neurones qui répondent à l'oeil ouvert. De plus, les champs récepteurs
des neurones qui répondent à l'oeil privé de vision sont en moyenne plus
grands que ceux qui répondent à l'autre oeil et leurs bordures sont diffuses et
mal définies (Ganz et coll. '68).
En plus de l'effet sur les propriétés de sélectivité, une suture
monoculaire amène une altération de la binocularité des neurones. Wiesel et
Hubel ('63) ont démontré que la très grande majorité des neurones du cortex
visuel du chat ne répondent qu'à l'oeil normal. Ils parlent d'un déplacement
de la dominance oculaire puisque chez l'animal normal, on ne note qu'une
préférence minime pour l'oeil contralatéral. Ce changement dans la
binocularité de l'animal qui a subi une suture d'une seule paupière a été
maintes fois confirmé dans la littérature (Blakemore et Hillman '77;
Hoffman et Cynader '77; Kratz et coll. '76; Shatz et Stryker '78; Singer '76;
'77; Smith et coll. 78; Spear et coll. 80; Wiesel et Hubel '63; '65; Wilson et
Sherman '77). Ces études estiment qu'à peine 5 à 10% des neurones d'un
individu adulte répondent toujours à l'oeil privé de vision depuis la
16
naissance.
Les effets de la suture d'une paupière sont rapides. Durant la 4ème ou la
5ème semaines de vie, à peine 2 jours de vision monoculaire amènent un
déplacement marquée de la dominance oculaire en faveur de l'oeil ouvert
(Mohsvon et Dürsteler '77; Oison et Freeman '75). Le degré de déplacement
de la dominance oculaire est très semblable à celui obtenu après des temps
prolongés. Des effets moins grands peuvent être obtenus après des périodes
de temps encore plus courtes. Chez des chatons âgés d'un mois, on a pu
observer une diminution marquée de la proportion de neurones binoculaires
après 24 heures (Blakemore et Hawken '82; Mohvson et Dürsleter '77; Oison
et Freeman '75) et même après 3 à 6 heures de privation visuelle (Peck et
Blakemore '78; Schechter et Murphy '76).
Hubel et Wiesel ('70) ont démontré que le déplacement de la dominance
oculaire obtenu par une suture de paupière est dépendant de l’âge auquel la
suture à été faite. Si la suture est faite chez un animal plus âgé que 4 à 6
mois, aucun déplacement de la dominance oculaire n'est observé. Il y a donc
une période de temps définie, que ces auteurs nomment période critique,
durant laquelle le cortex visuel peut être modifié par une privation visuelle.
Chez le chat, la partie la plus sensible de la période critique se situe à l'âge
de 4 à 5 semaines (Hubel et Wiesel '70; Mohvson et Dürsteler '77; Oison et
Freeman '75; '78; '80a; '80b; '83). Blakemore et Van Sluyters (74) ont employé
une autre méthode pour démontrer cette période critique: une certain temps
après la suture d'une paupière, l'oeil privé de vision était ouvert et l'oeil
ouvert était suturé. Les résultats de cette procédure ont démontré que l'oeil
qui a été initialement privé de vision peut reprendre le contrôle des neurones
17
du cortex visuel. D'autres études ont confirmé ces résultats (Movshon '76;
Mohsvon et Dursteler '77; Oison et Freeman '78; Van Sluyters '78). La
susceptibilité des neurones corticaux à la vision monoculaire ou à l'inversion
des sutures augmente rapidement de la naissance jusqu'à l'âge de 4 à 5
semaines et ensuite diminue jusqu'à l'âge de 3 à 4 mois (Blakemore et Van
Sluyters '74; Hubel et Wiesel '70; Mitchell et coll. '78; Mohvson '76; Oison et
Freeman '75; '78; '80a; '80b; '83; Wiesel et Hubel '63; '65). Une suture
monoculaire ou une inversion des sutures après l'âge de 3 à 4 mois ne
donnent que peu ou pas d'effet sur la dominance oculaire des neurones du
cortex visuel (Blakemore et Van Sluyters '74; Cynader '83; Hoffmann et
Cynader '77; Hubel et Wiesel '70; Smith et coll. '78; Wiesel et Hubel '65).
Mower et collaborateurs ('81 ) ont démontré qu’un élevage initial dans le
noir, antérieur à la suture monoculaire, peut allonger la durée de la période
critique. Ainsi, si l'on élève un animal dans l'obscurité pendant 4 mois à un
an et qu'on le replace par la suite à la lumière mais avec une suture
palpébrale monoculaire, la grande majorité de ses cellules ne répondent qu'à
l'oeil qui voit. On se rappelle que ce déplacement de la dominance oculaire en
faveur de l'oeil qui voit, se produit dans le cas où la suture monoculaire a été
faite avant la fin de la période critique, c'est à dire avant l'âge de 3 à 4 mois.
H semble donc que le cortex visuel d'un animal élevé dans le noir total
demeure plastique même après une longue période de privation visuelle.
D'autres études ont aussi démontré cet allongement de la période critique
pour des périodes de temps pouvant aller jusqu'à deux ans (Cynader '83;
Cynader et Mitchell '80). Le cortex visuel devient toutefois de moins en moins
plastique avec le temps passé dans le noir. Il est à noter que la suture
18
binoculaire ne prolonge pas la période de plasticité des neurones du cortex
visuel. C'est en fait la différence la plus marquée entre les effets de l'élevage
dans le noir et ceux de la suture binoculaire.
Deux mécanismes ont été proposés pour expliquer les effets de la suture
d'une paupière sur les fonctions du cortex visuel (voir revues par Blakemore
'78; Frégnac et Imbert '84; Movshon et Van Sluyters '81; Sherman et Spear
'81). Un premier mécanisme proposé par Wiesel et Hubel, suggère
l'existence d'une compétition entre les fibres géniculo-corticales de chacun
des 2 yeux pour occuper l'espace synaptique du cortex visuel. Après la suture
d'une paupière, les terminaisons axonales de l'oeil qui voit, occuperaient
l'espace cortical destiné à l'oeil privé de vision. Cette hypothèse a été
confirmée en partie: le nombre d'afférences géniculo-corticales de l'oeil privé
de vision est diminué par rapport à celui de l'oeil qui a vu (Shatz et Stryker
'78; Shatz et coll. 77). La diminution des afférenees n'est cependant pas assez
importante pour expliquer entièrement la perte marquée de réponse à l'oeil
privé de vision. L'autre mécanisme proposé impliquerait surtout des
changements dans les connexions inhibitrices intracorticales. Il y a en effet
des indications chez le chat qui a subi une suture monoculaire, suggérant
que l'oeil qui voit inhibe l'oeil qui ne voit pas. Si l'oeil qui voit est enlevé, le
pourcentage de neurones qui répondent à l'oeil privé de vision, est augmenté
(Crewther et coll. '78; Hoffmann et Cynader '77; Kratz et Lehmkuhle '83;
Kratz et coll. '76; Van Sluyters '78). De plus, en injectant de la bicuculline,
un inhibiteur du G AB A, dans le cortex visuel d'un chat qui a subi une
suture monoculaire, beaucoup de neurones se mettent à répondre à l'oeil
privé de vision et il y a une nette augmentation du pourcentage de neurones
19
binoculaires (Burschfiel et DufFy '76; '81 ; Mower et coll. '85; Sillito et coll. '81 ).
De plus, Mower et collaborateurs ('85) remarquent que chez l'animal suturé
d'une paupière, le pourcentage de neurones qui est affecté par la bicuculline
est plus élevé que chez l'animal normal. Par conséquent, ces auteurs
proposent qu'il y a augmentation de l'inhibition GABAergique chez l'animal
privé de vision comparativement à l'animal normal.
1.3.3- Strabisme
Hubel et Wiesel ('65) ont été les premiers à décrire les effets d'un
strabisme induit par chirurgie sur les fonctions du cortex visuel du chat.
D'après ces auteurs, le pourcentage de neurones sélectifs à l'orientation ou à
la direction est semblable chez des animaux qui ont un strabisme divergent
et chez 1 animal normal. Ces données ont été confirmées par la suite chez
l'animal strabique soit divergent soit convergent (Blakemore et Eggers '78;
Singer et coll. '79; Yinon '76; Yinon et coll. '75). Le strabisme peut altérer
cependant certains paramètres des champs récepteurs des neurones du
cortex visuel. Ainsi, d'après Singer et coll. ('79), il y a une augmentation de
la représentation des champs visuels orientés horizontalement ou
verticalement. De plus, chez l'animal strabique convergent, les bordures des
champs récepteurs ne sont pas très bien définies et les champs récepteurs
sont relativement grands (Berman et Murphy '81; Yinon et coll. '75). Ces
dernières différences ne sont pas présentes chez l’animal strabique
divergent. Berman et Murphy ('81) voient dans cette différence, entre les
animaux qui ont un strabisme convergent et ceux qui ont un strabisme
divergent, une base clinique pour expliquer la perte d'acuité (amblyopie) < "
20
souffrent certains humains qui ont un strabisme convergent. Pour ces
auteurs, l'amblyopie dont souffre l'oeil convergent résulterait d'une perte
importante de la binocularité associée à un agrandissement des champs
récepteurs au niveau du cortex visuel.
D'après Hubel et Wiesel ('65), la proportion de neurones binoculaires
dans le cortex visuel se situe près de 20% chez le chaton élevé pendant
plusieurs mois avec un strabisme divergent. Ce pourcentage est nettement
inférieur à ce que ces mêmes auteurs ont déjà calculé chez l’animal normal
(80%; Hubel et Wiesel '62). Cette réduction de la binocularité a été plusieurs
fois confirmée chez le chat strabique divergent ou convergent (Bennett et coll.
'80; Berman et Murphy '81; Blakemore '76; Blakemore et Eggers '78; Ikeda et
Tremain '77; Singer et coll. '79; Van Sluyters et Levitt '80; Yinon et coll. '75)
et chez le singe (Baker et coll. '74).
La durée de la période critique de l'effet du strabisme semble être
identique à celle qui a été démontrée pour une suture monoculaire (Berman
et Murphy '82; Levitt et Van Sluyters '82; Yinon '76). Le degré de sensibilité à
un strabisme est bas à l'ouverture des yeux, augmente rapidement jusqu'à
l'âge de 4-5 semaines où il a atteint son maximum et ensuite décroît jusqu'à
l'âge de 3-4 mois.
Plusieurs mécanismes ont été proposé pour expliquer les effets corticaux
induits par un strabisme, Hubel et Wiesel ('65) ont suggéré que les images
visuelles ne tombant pas sur les mêmes régions de la rétine amèneraient un
manque de synchronisme des deux afférences visuelles. Cela expliquerait la
perte de binocularité des neurones du cortex visuel du chat. Cependant, plus
récemment, quelques auteurs ont suggéré que ce serait non pas une absence
21
de synchronisme qui donne cette perte de la binocularité chez l'animal
strabique, mais plutôt un déséquilibre des signaux proprioceptifs des
muscles extraoculaires (Maffei et Bisti '76; Maffei et Fiorentini '76; '77).
D’après ces auteurs, la proportion de neurones binoculaires est semblable à
celle de l'animal normal, après un strabisme bilatéral et symétrique. Cette
dernière hypothèse est toutefois difficile à concilier avec des résultats plus
récents (Bennett et coll. '80; Smith et coll. '80; Van Sluyters '77; Van Sluyters
et Levitt '80). Dans ces dernières études, les auteurs ont élevé des chatons
avec des lunettes qui contenaient des prismes causant un strabisme optique.
Ce type de strabisme n'implique pas de chirurgie des muscles
extra-oculaires. D'après ces auteurs, il n'y aurait donc pas de déséquilibre
des signaux de ces muscles. Des chatons élevés avec un strabisme optique
ont cependant une réduction considérable de la proportion de neurones
binoculaires. Ces auteurs en concluent que la réduction de la binocularité
chez l’animal strabique est causée principalement par l'altération de
l'expérience visuelle en elle-même plutôt que par un déséquilibre des voies
proprioceptives des muscles de l'oeil.
Au niveau du cortex visuel, cette altération de l'expérience visuelle qui
donne une diminution de la binocularité, serait due à une modification des
connexions inhibitrices dépendantes du GABA (Mower et coll. '85). Après
injection de bicuculline dans le cortex visuel de chats strabiques, la
proportion de neurones binoculaires est augmentée considérablement. De
plus, ces auteurs affirment que puisque la bicuculline affectent plus de
neurones chez l'animal strabique comparativement au chat normal, le rôle
de l'inhibition est augmentée chez un animal élevé dans un monde visuel
22
anormal.
1.3.4- Privation d'orientation et de direction
Propriétés d'orientation. Pour affecter spécifiquement la sélectivité à
l'orientation, deux types de manipulations ont été utilisés, soit la privation
totale de formes orientées, soit la restriction de la vision à une seule
orientation. Pour priver l'animal de la vision de formes orientées, certains
auteurs ont élevé des chatons avec des lunettes à verres dépolis sur lesquels
des points ont été dessinés (Pettigrew et Freeman '73; Van Sluyters et
Blakemore '73). Dans un tel cas, la plupart des neurones du cortex visuel du
chat ne sont plus sélectifs à l'orientation, mais répondent préférentiellement
à des point lumineux.
Trois types principaux de manipulations expérimentales ont été
employés dans la littérature pour restreindre l'expérience visuelle à des
stimuli d'une seule orientation. La première méthode consiste à placer un
animal dans un cylindre creux dont la face interne est tapissée de lignes à
orientation unique (Blakemore et Cooper '70; Blakemore et coll. '78;
Blakemore et Papaioannou '74; Florentin! et Maffei '78). On se rend compte
que cette méthode est grossière et qu'un simple déplacement de la tête de
l'animal peut faire varier considérablement l'angle des lignes. Dans la
deuxième méthode, on élève des chatons avec des lunettes à verres dépolis
sur lesquels des lignes parallèles de même orientation ont été dessinées
(Gordon et Presson '82; Gordon et coll. '79; Hirsch et Spinelli '70; '71;
Leventhal et Hirsch '75; Stryker et coll. '78). Dans la troisième méthode, les
chatons portent des lunettes munies de lentilles cylindriques où seules les
23
orientations du long axe de la lentille peuvent être clairement perçues
(Freeman et Pettigrew '73; Rauschecker '82; Singer et coll. ’81). La majorité
des études qui ont employé ces méthodes d'élevage démontrent que la
sélectivité d'orientation des neurones du cortex visuel est fortement biaisée
en faveur de l'orientation choisie expérimentalement. Le port des lunettes
ajoute aussi d'autres changements dans la fonction du cortex visuel. Ainsi,
le pourcentage de neurones qui ne sont pas sélectifs à l'orientation et qui ne
répondent pas aux stimuli visuels y est plus élevé (Freeman et Pettigrew '73;
Gordon et Presson '82; Hirsch et Spinelli '70; Rauschecker '82; Singer et coll.
'81; Stryker et coll. '78).
Propriétés de direction. Les manipulations expérimentales qui ont été
utilisées pour affecter la sélectivité de direction des neurones du cortex visuel
sont de deux sortes: la privation totale de la vision du mouvement réalisée
par l'élevage en lumière stroboscopique (Cynader et Chernenko '76; Cynader
et coll. '75b; Duysens et Orban '81; Kennedy et Orban '83; Oison et Pettigrew
'74; Pasternak et coll. '81) et la privation sélective du mouvement faite par un
élevage dans un environnement où les contours bougent dans une seule
direction (Berman et Daw '77; Cynader et coll. '75a; Daw et coll. '78; Daw et
Wyatt '76; Tretter et coll. '75). En élevant des chatons dans une lumière
stroboscopique d'une fréquence de 2 hertz pendant 10 mois depuis la
naissance, Oison et Pettigrew (75) trouvent une réduction de la proportion
des neurones qui présentent de la sélectivité à la direction. Cette perte est
cependant accompagnée d'une diminution encore plus grande de neurones
sélectifs à l'orientation. A la lumière de leurs résultats, Oison et Pettigrew
ont conclu que les effets de ce type d'élevage sur les fonctions des neurones
24
du cortex visuel du chat sont très semblables à celles observées avec une
suture des 2 paupières. Plus tard, Cynader et Chernenko (76) ont démontré
que l'élevage de chatons avec une lumière stroboscopique qui a une fréquence
plus élevée (8 Hz), entraîne une altération spécifique des propriétés de
direction. Dans leur étude, les propriétés d'orientation des neurones du
cortex visuel sont très semblables à celles observées chez le chat normal mais
la proportion de neurones sélectivement directionnels diminuent
considérablement chez l'animal expérimental. Ces derniers résultats ont été
confirmés par d'autres études (Cynader et coll. '76; Duysens et Orban '81;
Kennedy et Orban '83; Pasternak et coll. '81). Ainsi, si l'on élève des chats en
lumière stroboscopique à faible fréquence, on affecte à la fois la sélectivité
d'orientation et de direction tandis qu'à une plus haute fréquence, on
n'affecte que la propriété de direction.
L'élevage de chatons dans un tambour rotatif dans lequel les contours ne
bougent que dans une seule direction entraîne une préférence des neurones
du cortex visuel aux mouvements imposés durant l'élevage (Cynader et coll.
'75a; Daw et Wyatt '76; Tretter et coll. 75). Les effets sur la préférence
directionnelle des stimuli peuvent être renversés par un élevage subséquent
dans un tambour qui bougent dans l'autre direction (Berman et Daw '77;
Daw et coll. 78; Daw et Wyatt 76). Mais ce renversement ne peut se faire que
durant une période de temps précise, soit jusqu'à l'âge de 4 à 5 semaines.
Stryker et collaborateurs (78) ont émis deux hypothèses pour expliquer
les résultats de la restriction de l'expérience visuelle à des stimuli d’une
seule orientation. La première est dite instructive et la seconde est dite de
sélection. Selon la première hypothèse, l'arborisation dendritique des
25
neurones du cortex visuel s'organisent spatialement en fonction des stimuli
que l’animal voit durant son développement. Ainsi, les neurones corticaux
apprennent à quelle orientation spatiale il faut réagir. La seconde hypothèse
veut que l'expérience visuelle limitée amène une disparition progressive de
la réponse des neurones non-stimulés. Cette dernière hypothèse a été
énoncée parce que plusieurs neurones ne sont plus sélectifs et ne répondent
plus aux stimuli visuels suite à l'élevage dans un monde d'une seule
orientation. Stryker et collaborateurs expriment cette dernière hypothèse en
ces mots: "... cortical neurons which receive appropriate stimulation during
early life maintain their innate orientation preference, while the remaining
cells lose visual responsiveness or selectivity. The orientation selective cells
present in cat whose early visual experience has been controlled using
goggles would then represent a preserved subset of the total population of
orientation selective cells present in the young kitten." Quoiqu'il en soit, les
propriétés qui sont modifiées dépendent des circuits inhibiteurs
GABAergiques. Il faut donc penser que ces pertes qui ont été démontrées
chez des animaux élevés dans un monde d'une seule orientation, semblent
impliquer une altération des connexions inhibitrices intracorticales. Les
conclusions de Kennedy et Orban ('83) chez l'animal élevé en lumière
stroboscopique, vont dans ce sens. Ils proposent que " a number of features of
the response properties of neurons in areas 17 (...) of the strobe-reared cat
indicate deficits in intra-cortical inhibitory mechanisms". La perte de
sélectivité à la direction amène ces auteurs à proposer qu'il y a une
diminution de l'efficacité de l'input intracorti cal inhibiteur. Ces auteurs
constatent toutefois que cela devrait augmenter l'excitabilité des neurones, ce
26
qui n'est pas le cas chez ces animaux. Us en concluent que les connexions
inhibitrices et les connexions excitatrices doivent être altérées chez l'animal
élevé en lumière stroboscopique.
L4- Conclusions
Toutes ces études mettent en évidence l'importance des connexions
inhibitrices utilisant du GABA comme neurotransmetteur, dans la
binoculari té et dans l’élaboration des propriétés des champs récepteurs des
neurones du cortex visuel du chat. Cette littérature démontre aussi
clairement que ces propriétés sont modifiables durant le développement de
l'individu. Elles peuvent être altérées par des manipulations de
l'environnement visuel. De ce fait, Leventhal et Hirsch (’80) et Pearson ('83)
ont suggéré que les connexions inhibitrices sont particulièrement affectées
par l'environnement visuel que l'animal a expérimenté durant son
développement.
On sait que les synapses qui contiennent du GABA (inhibiteur dans le
cortex cérébral) ont une différenciation symétrique des membranes
synaptiques (Ribak '78) et que la plupart des synapses qui ont cette
morphologie contiennent du GABA (Somogyi et coll. '85; Wolff et coll. '84). Il
serait donc logique de croire que les synapses symétriques à vésicules
aplaties sont particulièrement affectées par 1 'environnement. C’est pourquoi
nous avons retenu l'hypothèse que ce sont des facteurs de l'environnement
qui sont responsables des différences interindividuelles que nous avons
retrouvées pour les synapses symmétriques à vésicules aplaties. Il faut
admettre cependant que les conditions expérimentales utilisées dans toutes
27
les études décrites à la section 1.3 sont différentes de celles qu'auraient pu
subir les animaux où avons trouvé ces différences interindividuelles. Même
si nous ne connaissions pas exactement les conditions d'élevage des
animaux utilisés dans notre étude précédente, nous savions cependant que
ces chats n'avaient pas subi de manipulations expérimentales privatives.
Est-ce que des changements plus subtils de l'environnement peuvent altérer
les circuits corticaux? On verra à la prochaine section que des différences
plus subtiles de la richesse de l'environnement peuvent affecter l'anatomie
du cerveau.
28
2- INFLUENCE DE LA RICHESSE DE L’ENVIRONNEMENT SUR
L'ANATOMIE DU CORTEX CEREBRAL
Les recherches sur les effets de la richesse de l'environnement sur
l'anatomie du cerveau ont commencées au début des années soixantes
(Rosenzweig et coll. '62). Elles ont révélé des changements macroscopiques
dans le poids du corps et de l'encéphale. Ces recherches ont aussi démontré
des effets microscopiques sur l'épaisseur du cortex cérébral, sur le nombre
de ses cellules, sur la morphologie de ses neurones ainsi que sur le nombre,
la longueur et même la forme de ses contacts synaptiques (voir revues par
Bennett et coll. '64; Diamond '76; Greenough et Chang '85; Jones et Smith
'80; Rosenzweig '71; Rosenzweig et coll. '72; '76; '78; Walsh '81). Dans les
paragraphes qui suivent, nous verrons en détail les études sur lesquelles ces
assertions s'appuient.
2.1- Méthodes d'élevage en milieux pauvre et enrichi
Quoiqu'il existe quelques travaux chez la souris (Henderson '70;
Rosenzweig et Bennett '69), le singe (Fleeter et Greenough '79) et la gerboise
(Rosenzweig et Bennett '69), c'est le rat qui a été l'animal le plus utilisé pour
étudier les effets de la richesse de l'environnement sur l'anatomie du
cerveau (voir revues citées plus haut). Au sevrage, vers l'âge de 25 à 30 jours,
les jeunes ratons d'une même portée sont groupés selon leur sexe et même
quelquefois selon leur poids. Ils sont ensuite placés dans deux (ou plus
rarement dans trois) environnements de différentes complexités. Dans
l'environnement dit "enrichi" (EC: enriched condition), les ratons vivent par
29
groupe de 10 à 12 animaux dans de grandes cages (70x70x45 cm). Des jouets
sont placés dans ces cages et sont changés quotidiennement. Dans quelques
études, les animaux enrichis sont placés tous les jours dans un labyrinthe
pendant 30 minutes (Rosenzweig et coll. '62). Les animaux en milieu pauvre
(IC: impoverished condition) vivent isolés dans des cages de 30x20x20 cm
dont les côtés sont opaques. Ils sont manipulés le moins souvent possible. Un
troisième environnement quelquefois utilisé est le milieu dit "social" (SC:
social condition). Dans cette condition expérimentale, trois ratons sont placés
dans une cage de 30x20x20 cm, sans jouets et sans manipulations
(Rosenzweig et coll. '72). A moins d'en aviser le lecteur autrement, les études
décrites dans les sections qui vont suivre ont été faites chez le rat, en
comparant les milieux dits "pauvres" et "enrichis".
2.2- Effets différentiels de l'élevage en milieux pauvre et enrichi
2.2.1- Effets macrocopiques
Poids du corps . Le poids du corps des animaux placés dans le milieu
pauvre pendant au moins 30 jours depuis le sevrage est en moyenne de 10 à
20% plus élevé que celui des animaux enrichis (Fiala et coll. '77; Krech et
coll. '60, '66; Quay et coll. '69; Riege et Morimoto '70; Rosenzweig et Bennett
'69, '72; Walsh et coll. '71, '73; Will et coll. '77). Lorsque la période de
traitement est plus courte que 30 jours, il semble que ces différences sont
moins marquées (Malkasian et Diamond '71 ; Zolman et Morimoto '65). Les
auteurs ont suggéré que les différences de poids entre les deux conditions
expérimentales sont dues à l’effet combiné de la consommation accrue de
nourriture et du niveau très bas d’activité musculaire des animaux en
30
milieu pauvre (Fiala et cell. '77; Walsh et coll. '71).
Poids du cerveau. La plupart des études ont démontré que les
encéphales des rats élevés dans un milieu riche sont significativement plus
lourds que ceux des animaux élevés dans un milieu pauvre (Bennett et coll.
'69, '74; Bhide et Bedi '82, '84a, '84b; Cummins et coll. '73; Eterovic et
Ferchmin '74; Ferchmin et coll. '70, '75; Geller et coll. '65; Globus et coll. '73;
Katz et Davies '83, '84; Krech et coll. '66; Riege '71; Rosenzweig '66;
Rosenzweig et coll. '71, '72; Walsh et coll. '74). Toutefois, les effets de la
complexité de l'environnement sur ce paramètre sont minimes (de l'ordre de
1 à 5%) et il faut utiliser beaucoup d'individus pairés par litières, par sexe et
par poids corporel au sevrage, pour démontrer une différence significative.
Par exemple, 80 jours d'élevage différentiel démontrent une différence
significative d'à peine 1% entre 175 paires de rats mâles enrichis et
appauvris (Rosenzweig et coll. '71). Walsh et collaborateurs ('74), en utilisant
200 paires de rats élevés dans les mêmes conditions expérimentales pendant
18 à 530 jours ont trouvé une différence moyenne dans le poids de l'encéphale
de l'ordre de 3%. Beaucoup d'études, qui ont utilisé un plus petit nombre de
sujets ou n'ont pas pairés leurs animaux au sevrage, n’ont pu démontrer de
changements significatifs entre les deux milieux expérimentaux (Bennett et
coll. '64; Cmic '83; Krech et coll. '60, '62; McConnell et coll. '81; Quay et coll.
'74; Riege et Morimoto '73; Rosenzweig et coll. '62, '68; Walsh et coll. ’69).
Chez la souris, Henderson ('70) et LaTorre ('68) ont démontré une
augmentation moyenne du poids de l'encéphale d'environ 4 à 5% chez des
animaux enrichis. Henderson ne trouve pas de différence significative chez
les parents mais seulement chez les descendants de parents qui ont été
31
élevés dans des milieux riches et pauvres, tandis que LaTorre ('68) a trouvé
une différence significative dans deux lignées génétiques de souris dont les
parents n'ont pas subi d'élevage différentiel. On pourrait expliquer les
résultats d'Henderson par le fait que des parents "enrichis" forment un
milieu plus riche pour leur progéniture.
Les différences de poids de l'encéphale qui résultent de l'élevage en
milieu riche et pauvre ne sont pas les mêmes pour toutes les parties du
cerveau. Dans l'une de leurs études, Rosenzweig et collaborateurs ('62)
n'ayant découvert aucune différence significative dans le poids de
l'encéphale de rats enrichis et appauvris, ont eut l'idée de peser séparément
le cortex cérébral et les régions sous-corticales. L'ensemble du cortex de
l'animal enrichi y était significativement plus lourd (4%) que celui de
l'animal appauvri. Ils ont aussi pesé séparément des pièces de tissu qui
provenaient de différentes parties du cortex cérébral. Avec l'aide d'une règle
en matière plastique en forme de T (voir Fig. 2 dans Bennett et coll. '64), ils
prenaient des pièces de tissu d'une surface corticale de grandeur constante
dans des régions prédéterminées du cortex cérébral. Avec cette méthode,
pour le moins grossière, ils ont conclu que c'est le cortex visuel (région
occipitale du cortex) qui présente la plus grande différence après un élevage
différentiel de 30 à 80 jours. Le poids de cette région est de 6 à 10% plus élevé
chez l'animal enrichi. Le poids du cortex somatosensoriel (région frontale)
est le moins influencé par ces conditions expérimentales. Ils n'y trouvent
qu'une différence d'environ 2% entre les deux groupes d'animaux. Cette
méthode a été plusieurs fois employée par la suite et les résultats de
Rosenzweig et collaborateurs ont été maintes fois confirmés (Bennett et coll.
32
'64, '69, '74; Globus et coll. '73; Krech et coll. '66; LaTorre '66; Riege et
Morimoto '70; Rosenzweig '66; Rosenzweig et coll. '68, '69). En dépit des effets
importants de l'environnement sur le poids de la région occipitale, des rats
élevés en colonie ou isolés dans une cage mais dans le noir total ou après
énucléation à la naissance présentent eux aussi des différences dans le poids
du cortex occipital (Krech et coll. '63). Ces auteurs ainsi que Rosenzweig et
collaborateurs ('69) en ont conclu que les différences dans le poids du cortex
occipital entre les deux milieux ne seraient pas reliées aux stimuli visuels.
Toutefois, si l'on considère la technique utilisée, et le fait que ces résultats
n'ont jamais été vérifiés, il serait dangereux d'accepter cette conclusion
comme étant définitive.
Comme les différences dans le poids de l'encéphale sont minimes,
certains auteurs (voir Rosenzweig et coll. '71) ont pensé que le liquide
extracellulaire pourrait être responsable de la différence dans le poids de
l'encéphale des animaux pauvres et enrichis. Des mesures sur du tissu
séché ont montré un effet du même ordre de grandeur que sur du tissu frais
(Bennett et coll '69; Eterovic et Ferchmin '74; Hoover et Diamond '76). On doit
donc conclure que la différence entre les deux conditions expérimentales est
vraiment due à une augmentation du tissu parenchymateux chez l'animal
enrichi.
Longueur et largeur des hémisphères cérébraux. Chez le rat, la
croissance en largeur des hémisphères est complétée au moment du
sevrage, à l'âge de 20 jours (Altman et coll. '68). Il n'est donc pas surprenant
que l'élevage différentiel en milieu pauvre et enrichi, qui débute au sevrage,
n'amène aucune différence significative dans la largeur des hémisphères
33
cérébraux (Altman et coll. '68; Rosenzweig et Bennett '69; Walsh et coll 73).
Contrairement à la largeur, la longueur des hémisphères cérébraux croît
encore au moment du sevrage (Altman et coll. '68). Cette dimension est donc
susceptible d'être affectée par l'environnement et on trouve en effet des
différences dans la longueur cérébrale entre les rats élevés dans les 2
milieux (Cummins et coll. '73, '77; Cummins et Livesey '79; Kuenzle et
Knusel '74; Walsh et coll. 71). La plupart des études ont démontré que ces
différences augmentent avec le temps passé dans les conditions
expérimentales (Cummins et coll. '77; Cummins et Livesay '79; Kuenzle et
Knusel 74). Elles sont de l'ordre de 1 à 2% après 30 jours (Cummins et
Livesey '79; Walsh et coll. 71), de 3% après 80 jours (Cummins et Livesey 79;
Walsh et coll. 71) et de 5% après 120 jours (Cummins et Livesey 79).
Toutefois, Cummins et collaborateurs (73) ne confirment pas cette tendance
puisqu'ils n'ont obtenu qu'une différence de 1% après 509 jours d'élevage
différentiel. On pourrait donc supposer qu'à un âge très avancé, les
différences dans la longueur des hémisphères régressent et deviennent
moins marquées: on verra plus loin que certains paramètres sont plus
affectés à 30 jours qu’à 80 jours d'élevage différentiel.
Dans une étude où ils n'ont trouvé aucune différence statistique dans la
longueur et la largeur des hémisphères cérébraux entre des rats élevés
différentiel!ement pendant 30 jours, Walsh et collaborateurs (71) ont pu
démontrer quand même une différence significative de la surface corticale,
en multipliant ces 2 paramètres. Ce qui fait dire à Walsh ('81) que le produit
de la longueur et de la largeur cérébrale serait l'indice le plus distinctif des
effets différentiels de l'environnement sur les dimensions des hémisphères
34
cérébraux.
2.2.2- Effets microscopiques sur le cortex cérébral
Epaisseur du cortex cérébral. Chez le rat, l'épaisseur du cortex cérébral
augmente de la naissance jusqu'à l'âge de 26 jours pour ensuite croître plus
lentement jusqu'à l'âge de 650 jours (Diamond et coll. '65, '77). Cette
augmentation de l'épaisseur est affectée par l'environnement. Toutefois les
régions du cortex cérébral ne sont pas toutes affectées uniformément par un
élevage en milieu pauvre et enrichi. Les différences riches pauvres sont plus
marquées au niveau du cortex visuel et paravisuel (5 à 10%; Bennett et coll.
'64; Bhide et Bedi '82, '84a, '84b; Connor et coll. '80; Cummins et coll. '82;
Davies et Katz '83; Diamond et coll. '64, '66, '67, '71, '72, '75, '76; Hamilton et
coll. '77; Katz et Davies '84, '83; Katz et coll. '82; Pappas et coll. '78;
Rosenzweig '66; Rosenzweig et coll. '69; Szeligo et Leblond '77; Uylings et coll.
'78a, '78b; Walsh et coll. ’69) et la différence est minimale dans les régions du
cortex moteur et somatosensoriel (2 à 3%; Diamond et coll. '72; Rosenzweig et
coll. '72). Il est intéressant de constater que les effets de l'environnement sur
l'épaisseur corticale n’augmentent pas pari passu avec la période de temps
passée dans le milieu. Des différences dans l'épaisseur corticale peuvent être
produites par des périodes de temps d'élevage différentiel d’aussi peu que 4
jours (3% dans le cas du cortex occipital; Diamond et coll. '76). Elles sont plus
marquées après 30 jours (7%), mais diminuent après 80 jours d'élevage
différentiel (4-5%; Diamond et coll. '72).
Comme je l'ai déjà fait remarqué, toutes ces études ont été menées chez
des rats placés dans leur milieu respectif après sevrage. Un travail
35
intéressant de Malkasian et de Diamond (71) a démontré que l'épaisseur
corticale peut être 15% plus grande chez des jeunes ratons placés dès la
naissance dans un milieu riche formé de plusieurs familles,
comparativement à des ratons élevés avec leur seule famille.
Nombre de cellules. Dans les études traitant de l'effet des milieux
pauvres et enrichis sur le cortex cérébral, différentes méthodes ont été
employées pour calculer le nombre de cellules dans le cortex occipital. Une
première méthode consiste à compter le nombre de profils de noyaux ou de
nucléoles sur des sections histologiques épaisses teintes avec la méthode de
Nissl (Diamond et coll. 64, '66; Katz et Davies '84). Les profils sont comptés
sur une surface de grandeur définie. Comme on connaît l’épaisseur de la
section, on peut exprimer ces résultats en terme de neurones par unité
volumétrique pourvu qu'on fasse les corrections qui s'imposent du fait que
certains objets comptés peuvent être coupés par les côtés de la section
(Abercrombie '46). Certains auteurs expriment toutefois leurs résultats en
terme de nombre de cellules par champ microscopique ou par aire.
Cependant, il faut noter que cette valeur ne représente pas réellement le
nombre d’objets par aire puisque les sections histologiques que ces auteurs
ont utilisées ont une épaisseur non négligeable par rapport aux profils
étudiés: techniquement, pour obtenir le rapport nombre sur aire (le Na tel
que défini en stéréologie), il faut que l'épaisseur de la section histologique soit
négligeable par rapport à celle des profils étudiés (voir Weibel 79). Quoiqu'il
en soit, en admettant que toutes les coupes histologiques étudiées ont
exactement la même épaisseur, des différences dans le nombre de cellules
par champs microscopiques obtenues par cette méthode, devraient donner
36
une bonne estimation du degré véritable de différence.
Une autre méthode détermine le rapport du nombre de noyaux sur une
surface donnée (Na) sur des coupes histologiques dont l'épaisseur est
négligeable par rapport aux profils étudiés (Szeligo et Leblond '76). En
mesurant aussi la grandeur des profils des noyaux, on peut à l'aide de
formules mathématiques, évaluer le nombre d'objets par unité volumétrique
(Nv: Bhide et Bedi '84a, '84b, '84c, '85; Turner et Greenough '85). Cette
méthode s'applique aussi aux comptes de synapses. Pour plus de détails, voir
la section Matériels et Méthodes.
Nombre de neurones. Diamond et collaborateurs ('64) ont été les
premiers à étudier le nombre de neurones dans le cortex d'animaux élevés
en milieux pauvre et enrichi. Sur des sections histologiques teintes par la
méthode de Nissl ils ont démontré que le nombre de neurones par champ
microscopique était en moyenne 17% plus petit dans le cortex visuel
d'animaux élevés 80 jours dans un milieu riche. Cette différence est
significative avec un pcO.Ol. Comme pour le poids cortical, le cortex visuel
est plus affecté que les autres régions corticales: le nombre de neurones par
champ microscopique dans le cortex somatosensoriel n'est que de 7% plus
petit chez les animaux enrichis (p<0.05). De plus, d'après ces auteurs, ce
sont les lames II et III qui sont le plus affectées par l'élevage différentiel.
Pour l'ensemble du cortex visuel, Bhide et Bedi 084a, '84b) ont démontré
que le nombre de neurones par unité de volume (Nv) est de 5 à 9% plus petit
chez des animaux qui ont vécu 30 jours dans le milieu riche. Ils ont
également démontré que les lames supérieures sont plus affectées que
l'ensemble du cortex: le Nv des neurones dans les lames II et III du cortex
37
visuel de rats enrichis est de 16 à 18% plus petit que celui des rats pauvres
(Bhide et Bedi '84b, '84c, '85). Une différence semblable (15%) dans le Nv des
neurones a aussi été démontrée par Turner et Greenough ('85) pour
l'ensemble des lames I à IV du cortex visuel du rat. Il faut noter toutefois
que Katz et Davies ('84) en élevant 32 paires de rats pendant 2 mois n'ont pu
confirmer ces données. Us observent bien un nombre plus petit chez l'animal
enrichi mais, d'après eux, cette différence n'est pas significative.
Dès leur première étude, Diamond et collaborateurs ('64) assument que
le nombre total de neurones est fixe et que la réduction du nombre de
neurones par champ microscopique dans le cortex visuel d'animaux
enrichis n'est en fait que le reflet d'une dilution d'une même quantité de
neurones dans un volume plus grand de tissu cérébral. Dès cette époque, ils
suggèrent que cette dilution est due à une plus grande et plus complexe
arborisation dendritique des neurones des animaux enrichis, ce qui aurait
pour effet de séparer les corps cellulaires les uns des autres et d'augmenter
l'épaisseur corticale. En 1966, ils reprennent leurs résultats de 1964 mais
cette fois-ci, ils expriment le nombre de neurones en tenant compte de
l'épaisseur du cortex. Ainsi, ils calculent le nombre de neurones par
champs microscopiques successifs de la pie-mère à la matière blanche. La
différence entre les 2 milieux est alors plus petite (3%) et non significative.
Ils concluent que cela confirme en partie l'hypothèse de la dilution du
nombre de neurones dans un plus grand volume.
Nombre de cellules gliales. L'élevage en milieu pauvre et enrichi n'a
pas d'effet significatif sur le nombre de l'ensemble de tous les types de
cellules gliales par champ microscopique (Diamond et coll. '64; Katz et
38
Davies '84). Cependant, si l'on tient compte de l'épaisseur corticale, le
nombre de cellules gliales est 14% plus élevé dans le cortex visuel de l'animal
enrichi, le rapport nombre de cellules gliales par neurone est de 13 à 16%
plus élevé chez l’animal enrichi (Diamond et coll. '64, '66) et ces différences
sont significatives. La différence du rapport cellule gliale/neurone se
comprend facilement puisque le nombre de cellules gliales par champ
microcopique est semblable entre les 2 groupes d'animaux tandis que le
nombre de neurones par champ microscopique est plus élevé chez les
animaux pauvres.
Pour déterminer si un type particulier de cellule gliale change plus que
l'autre suite à un élevage différentiel, Diamond et collaborateurs ('66) ont fait
des comptes séparés sur les deux principaux types: les astrocytes et les
oligodendrocytes. Après 80 jours d'élevage différentiel, le nombre
d'oligodendrocytes par champ microscopique est significativement plus élevé
chez l'animal enrichi (20%) tandis que celui des astrocytes n'est pas
significativement différent entre les 2 groupes d'animaux (Diamond et coll.
’66). Toutefois, le rapport du nombre d'astrocytes par neurone est quand
même 13% plus élevé chez l'animal enrichi (Szeligo et Leblond 77). Une telle
différence significative ne s'observe que si la période d'élevage différentiel
dure au moins 80 jours. Bien sûr, le rapport oligodendrocytes/ neurone est
également plus élevé dans le milieu riche mais l'effet différentiel est
maximal à 30 jours (33%; p<0.005) tandis qu'il est un peu moindre à 80 jours
(25%; p<0.01; Szeligo et Leblond 77). Bhide et Bedi (’84b) n'ont pas pu
confirmé ces changements dans leurs études sur le Nv des cellules gliales.
Szeligo et Leblond (77) et Jones et Smith ('80) suggèrent qu'un plus grand
39
nombre d'oligodendrocytes peut être requis pour la myélinisation d'axones
plus nombreux et plus gros et qu'un plus grand nombre d'astrocytes
servirait les besoins nutritionels et de support plus grands, dûs à l'activité
accrue des neurones de l'animal enrichi.
Morphologie de l'arbre dendritique. Les changements dendritiques
induits par l'élevage en milieux pauvre et enrichi ont été analysés par trois
méthodes différentes. La première méthode est tirée de Shell ('56). Elle
consiste à décrire les ramifications dendritiques en terme d'intersections
faites par les dendrites avec des cercles concentriques, dessinées à
intervalles réguliers à partir du corps cellulaire (Sholl '56; voir aussi Fig. 1
dans Jones et Smith '80). Cette technique nous donne un indice combiné de la
longueur, du degré de ramification et de la position des branches
dendritiques par rapport au périkaryon. La deuxième méthode consiste à
classifier les branches dendritiques selon leur degré de ramifications. Une
branche qui prend sa source directement du corps cellulaire ou du dendrite
apical (dans le cas de cellules pyramidales) est classifiée branche du premier
degré. Les deux autres branches qui se séparent de la branche du premier
degré à la première bifurcation, sont du deuxième degré et ainsi de suite. On
compte le nombre de dendrites pour chaque degré de ramification. Cette
technique a été décrite par Coleman et Riesen ('68). Une telle analyse nous
donne un très bon indice du degré de ramification de l'arbre dendritique. La
dernière façon d'analyser les changements dendritiques consiste à mesurer
la longueur de l'arbre dendritique au complet ou de chaque segment
dendritique. Elle s'allie bien à la classification de la 2ème méthode.
En utilisant la première technique, Holloway ('66) a démontré qu'après
40
80 jours d'élevage différentiel, les dendrites des neurones de forme étoilée de
la lame II du cortex occipital font plus d'intersections avec les cercles
concentriques chez des rats élevés dans le milieu riche. Ceci peut signifier
que le nombre de dendrites est plus élevé dans le milieu riche ou encore que
les dendrites sont plus longues (les deux hypothèses ne sont pas
mutuellement exclusives). Une série d'études subséquentes faite par l'équipe
de Greenough (Greenough et Volkmar '73; Greenough et coll. '73; Volkmar
et Greenough '72) complète de façon très élégante les travaux de Holloway.
Dans un premier temps, Volkmar et Greenough ('72) analysent le nombre et
le degré des segments dendritiques des cellules pyramidales des lames II,
IV et V et des cellules étoilées de la lame IV dans le cortex occipital de rats
élevés différentiellement pendant 30 jours. Tous les types de cellules de
l'animal enrichi présentent un plus grand nombre de segments dendritiques
dans les degrés les plus élevés. Donc, chez l'animal enrichi, l'arbre
dendritique est plus ramifié dans sa portion distale. Greenough et Volkmar
(73) constatent de plus que dans le cas des cellules pyramidales, ce haut
degré de ramification des portions distales de l'arbre dendritique provient
principalement des dendrites basilaires. Les animaux enrichis ont tendance
à avoir plus de dendrites basilaires au-delà de la 3ème et de la 4ème
bifurcation. Dans cette étude, aucune différence dans la longueur des
segments dendritiques n'est observée entre les deux conditions
expérimentales. Il faut noter cependant que selon Juraska ('84), la longueur
des segments dendritiques des branches terminales et que l'étendue de
l'arbre dendritique sont significativement plus élevées chez l'animal enrichi.
Greenough et collaborateurs (73) ont analysé l'arbre dendritique de cellules
41
pyramidales des lames IV et V au niveau du cortex temporal et des lames II
et IV au niveau du cortex frontal chez des rats élevés dans des milieux
pauvres et enrichis pendant 30 jours. Dans le cortex temporal, ils ont
démontré encore une fois que les dendrites basilaires des cellules
pyramidales de la lame IV et de la lame V ont significativement plus de
segments dendritiques dans leur portion distale chez l'animal enrichi.
Cependant, aucune différence n'a pu être démontrée au niveau du cortex
frontal. L'ensemble de ces travaux confirme donc l'hypothèse originale de
Diamond et collaborateurs ('64) que la chute du nombre de neurones par
champ microscopique est due, du moins en partie, à l'augmentation de la
complexité et de la grosseur des arbres dendritiques chez l'animal enrichi.
Il est intéressant de constater que Greenough et collaborateurs (73) et
Juraska ('84) ont également démontré qu'il existe une différence significative
entre les différentes portées d'animaux utilisés dans l'étude quant au degré
de ramification des cellules. De plus, d'après Juraska (’84), l'arbre
dendritique des neurones des animaux mâles a une portion terminale
dendritique plus ramifiée et des dendrites plus longues que celui des
femelles.
Récemment, des études ont été entreprises pour déterminer si des
changements dendritiques peuvent être induits par un élevage différentiel
d'animaux d'âge adulte. L'âge auquel les animaux ont été placés dans leur
milieu respectif a varié de 112 jours (Uylings et eoll. 78) à 630 jours (Connor
et coll. '80). Les animaux ont vécu dans les milieux différentiels de 1 à 6
mois. Dans ces conditions, on a observé chez l'animal enrichi une
augmentation du nombre et de la longueur des ramifications de la portion
42
distale des dendrites basilaires des cellules pyramidales (Connor '82; Connor
et coll. '80, '81, '82; Green et coll. '83; Juraska et coll. '80; Uylings et coll. '78a,
'78b;). A prime abord, il peut sembler surprenant que l'arbre dendritique
puisse subir de tels changements à l’âge adulte mais il ne faut pas oublier
que le cerveau du rat croît de la naissance jusqu'à un âge très avancé (au
moins 650 jours; Diamond '76).
Selon Jones et Smith 080), le degré de complexité de l'arbre dendritique
répéterait bien l'organisation synaptique: "Dendritic branching complexity
may well reflect patterns of increasing synaptic organization, the more
complex the arrangement of dendritic branches the greater the number of
potential sites of synaptic interaction.".
Grosseur du corps cellulaire et du noyau des neurones. Diamond et
collaborateurs ('66) ont été les premiers à mesurer la grosseur des périkarya
et des noyaux des neurones dans le cortex cérébral d'animaux élevés dans
des milieux pauvres et enrichis. Dans un premier travail, ils n'ont trouvé
aucune différence significative après une période d’élevage différentiel de 80
jours. Ces auteurs s’attendaient à trouver une différence puisque
l'accroissement de l'arbre dendritique chez l'animal enrichi devrait selon
eux, s'accompagner de plus gros noyaux ou de plus gros périkarya. Dans
une étude ultérieure, ils analysent de nouveau leur matériel de '66 mais cette
fois, ils augmentent leur échantillonnage de cellules étudiées et subdivisent
le cortex visuel en trois parties d'épaisseurs égales (Diamond et
collaborateurs '67). Dans le premier tiers supérieur (à partir de la pie-mère),
la surface des périkarya et des noyaux est significativement plus grande (18
à 20%) dans le cortex visuel de l'animal enrichi. Dans le deuxième et le
43
troisième tiers du cortex, la surface des périkarya et des noyaux est
également plus grande dans le cortex des animaux enrichis, mais la
différence, malgré quelle soit toujours significative, n'est plus que de 10%.
En élevant des jeunes ratons depuis l'âge de 6 jours jusqu'à l'âge de 28 jours
dans des milieux riches et pauvres, Malkasian et Diamond ('71) ont trouvé
que la surface des noyaux du cortex visuel de ratons enrichis est en moyenne
25% plus élevée (pcO.Ol) que celles des ratons pauvres. Bhide et Bedi ('84b)
n'ont pu confirmer ces données.
Nombre d'épines dendritiques. Sur des coupes histologiques colorées
avec la méthode de Golgi, les dendrites de plusieurs types de cellules,
pyramidales et étoilées, portent de petites excroissances cytoplasmiques
appelées épines dendritiques. Sur les cellules épineuses, la plupart des
contacts synaptiques se retrouvent sur les épines dendritiques. De plus, dans
la plupart des cas, il n'y a qu'un contact synaptique par épine (Beaulieu et
Colonnier '85; voir revue par Colonnier '81). Ainsi, la détermination du
nombre d'épines (qui peut être faite en microscopie optique) pourrait nous
donner une bonne approximation de la fréquence des contacts synaptiques
sur les neurones porteurs d'épines. La première étude de l'effet de l'élevage
d'animaux dans des milieux pauvres et enrichis sur le nombre d'épines
vient de l'équipe de Diamond (Globus et coll. '73). Quarante paires de rats ont
été élevés différentiellement à partir de l'âge de 25 jours jusqu'à l'âge de 55
jours. Le nombre d'épines par unité de longueur de dendrite a été calculé
dans les différentes portions de l'arbre dendritique de cellules pyramidales
des lames IV et V. Cette étude a démontré de façon significative que le
nombre d'épines par unité linéaire de dendrites basilaires est 10% plus élevé
44
chez l'animal enrichi. Le nombre d'épines des autres portions de l'arbre
dendritique est beaucoup moins influencé par l'élevage différentiel. Aucune
différence significative n'est démontrée dans le nombre d'épines par unité
linéaire du dendrite apical, sauf pour les branches dendritiques secondaires
qui naissent de ce dendrite apical et qui ont 3% (p<0.05) plus d'épines
dendritiques chez l'animal enrichi.
Plus récemment, Connor et collaborateurs ('80) ont évalué le nombre
d'épines par unité linéaire de dendrites basilaires de cellules pyramidales
chez des animaux âgés de 90, 444 et 630 jours, placés dans des milieux
différentiels pendant 30 jours. Ils ne trouvent aucune différence significative
dans le nombre d'épines pour chacun des 3 âges étudiés. Ces auteurs ont de
plus classifié les épines en deux types principaux: le type lollipop (épines
avec une tige et un renflement terminal) et le type nubbin (sans tige).
Aucune différence significative n'a pu être démontrée entre les 2 milieux
expérimentaux dans le nombre d'épines du type lollipop et du type nubbin
dans aucun des 3 âges analysés. Que la densité d'épines soit augmentée ou
demeure la même, puisque dans un milieu riche les dendrites sont plus
longues, on doit conclure que le nombre d'épines par neurone épineux a
aussi augmenté et que le nombre de sites synaptiques pour ces neurones est
également plus grand.
Nombre et longueur des contacts synaptiques. La littérature ancienne
nous propose plusieurs hypothèses sur les mécanismes qui pourraient être
responsables de l'effet de l'apprentissage sur le cortex cérébral. Citons
l'hypothèse énoncée par Tanzi (1893; citée dans Ramon y Cajal '09): " Un
courant nerveux qui passe plus fréquemment à travers une articulation de
45
neurones (i.e. synapse: terme introduit par Sherrington ('06)) provoquera
dans les voies articulées une nutrition plus active et, par suite, une
hypertrophie, tout comme dans les muscles bien exercés. Ici, l'hypertrophie
se traduira par un allongement des ramifications cellulaires, allongement
qui déterminera lui-même une diminution de la distance qui sépare les
surfaces articulaires. La conductibilité des voies nerveuses en sera donc
augmentée, puisque la résistance au courant est en raison directe de la
distance inter-articulaire. Par conséquent, l'exercice, par son essence tend à
diminuer les intervalles d'articulation, est capable d'accroître la puissance
fonctionnelle des neurones." Ramon y Cajal ('09) suggère que l'exercice en
augmentant le degré de ramification des cellules nerveuses a un effet sur
l'efficacité des articulations des neurones non pas en rapprochant les
éléments nerveux de la synapse mais plutôt en permettant "la création de
nouvelles voies de communication entre les centres". Il ajoute que l'exercice
peut aussi modifier les communications entre neurones par d'autres
mécanismes tels "les modifications dans la composition chimique des
cellules nerveuses (...) et bien d'autres détails de toute nature que nous ne
soupçonnons même pas."
Quelques décades plus tard, Hebb ('49) suggère plus clairement que
l'apprentissage se traduit par la formation de nouvelles synapses. Il propose
que les synapses peu utilisées s'atrophient tandis que celles qui servent le
plus deviennent beaucoup plus efficientes.
La première étude qui a quantifié le nombre de synapses dans le cortex
cérébral des animaux pauvres et enrichis est celle de l'équipe de Marian
Diamond (Mollgaard et coll. '71). Ces auteurs ont analysés le nombre et la
46
longueur des synapses axodendritiques asymétriques à vésicules sphéroïdes
chez 12 paires de rats élevés différentiellement pendant 30 jours. Un total de
2,211 synapses a été mesuré dans la lame III du cortex visuel du rat. D'après
ces auteurs, le Na des synapses de type asymétrique à vésicules rondes serait
en moyenne 35% plus petit et la zone de contact synaptique serait 52% plus
longue chez l'animal enrichi. Par la suite, Diamond et collaborateurs ('75)
ont encore une fois estimé que le Na des synapses est plus petit et les contacts
plus long dans la lame IV du cortex occipital du rat enrichi, mais cette fois le
nombre ne diminue que de 15% et les contacts synaptiques n'augmentent que
de 5 à 10% en longueur. Les résultats de l'équipe de Diamond semblent donc
être diamétralement opposés à l'hypothèse de la formation de nouvelles
synapses émise par Hebb. Leurs données ont toutefois été contestées par deux
groupes de chercheurs.
Bhide et Bedi 084c) ont élevé des rats dans des milieux pauvres et
enrichis de l'âge de 35 jours jusqu'à 115 jours. Ils ont mesuré le nombre de
tous les types de synapses par unité volumétrique (Nv) des lames II et III du
cortex occipital du rat. Dans cette étude, aucune différence significative entre
les 2 milieux n'a pu être démontrée dans le Nv des synapses. Cependant, le
nombre de synapses par neurone est 37% plus élevé chez l'animal enrichi et
cela est significatif avec un p<0.05, tel qu'estimé par une analyse de variance
à 2 voies. Dans cette étude, les contacts synaptiques sont 14% plus longs chez
l'animal enrichi. Dans un travail ultérieur, ces mêmes auteurs (Bhide et
Bedi '85) se sont demandé si les changements observés dans leur étude
surviennent au début ou à la fin de la période d'élevage différentiel qu'ils
avaient utilisée. Afin de déterminer cela, ils ont élevé leurs rats
47
différentiellement, soit de l'âge de 35 à 65 jours, soit de l'âge de 85 à 115 jours.
Aucune différence significative n'a pu être démontrée entre les 2 milieux
pour le Nv des synapses et le nombre de synapses par neurone. Cependant,
la longueur des contacts est 10% plus élevée chez l'animal qui a vécu 85 à 115
jours dans le milieu riche.
Turner et Greenough ('85) n'ont également pas trouvé de différences
significatives dans le Nv des synapses asymétriques à vésicules sphéroïdes
dans les lames I, II-III et IV chez 11 paires de rats élevés pendant 30 jours
dans des milieux pauvres et enrichis. Ils montrent cependant de façon
convainquante (p<0.02) que le nombre de synapses asymétriques à vésicules
rondes par neurone est 25% plus élevé chez l'animal enrichi. Ils confirment
aussi que ces synapses sont environ 10% plus longues chez l'animal enrichi
(Sirevaag et Greenough '85). Ces données semblent donner raison à
l'hypothèse de Hebb sur la formation de nouvelles synapses. En effet, pour
Hebb l'apprentissage amènerait la formation de nouvelles synapses (et non
pas de nouveaux neurones). Ce qui augmenterait dans un milieu riche c’est
donc le nombre de synapses par rapport au nombre de neurones, soit le
nombre de synapses par neurone. Cela peut s'opérer soit par une
augmentation du Nv des synapses, soit par une augmentation du volume
cortical due à des prolongements dendritiques accrus chez l'animal enrichi.
Si l'on accepte les données de Bhide et Bedi et de Turner et Greenough de
préférence à celles de Diamond et de ses collaborateurs, l'absence de
changement du Nv des synapses et la chute du Nv des neurones démontrent
que c'est le deuxième mécanisme qui se produit dans cette situation
expérimentale.
48
Il faut noter qu'il n'y a, jusqu'à présent, aucune étude dans la
littérature des milieux pauvres et enrichis dans laquelle on aurait calculé le
nombre de synapses symétriques à vésicules aplaties. Ce type de synapses
qui ne représente que 15% du total des contacts synaptiques, ne semble pas
avoir intéresser les chercheurs dans ce domaine.
Autres paramètres morphologiques des contacts synaptiques. Entre une
terminaison synaptique et une épine dendritique, on observe souvent 2 ou 3
zones d'épaississement membranaire. En coupes sériées, Peters et
Kaisermann-AbramofF ('68) ont constaté que ce groupe de contacts n'est en
fait qu'une seule et même synapse, mais que sa zone de contact est perforée.
Cela a été confirmé par Cohen et Siekevitz ('78) qui ont de plus démontré de
façon systématique que ces synapses perforées sont en général plus longues.
Greenough et collaborateurs ('78) ont calculé la fréquence des synapses qui
ont des perforations chez des animaux élevés différentiellement pendant 30
jours. Ils ont démontré de façon significative qu'il y a une plus grande
proportion de synapses perforées chez l'animal enrichi. A prime abord, cela
semble logique puisque, comme nous l'avons vu dans la section précédente,
les contacts synaptiques sont plus long chez l'animal enrichi.
Malheureusement, dans cette étude les auteurs n'ont pu confirmer une
différence dans la longueur des contacts synaptiques entre les deux milieux.
Un paramètre particulièrement intéressant a été analysé par Wesa et
collaborateurs ('82). Ces auteurs ont déterminé la forme et le degré de
courbure de l'élément présynaptique chez 11 paires d'animaux élevés
différentiellement pendant 30 jours. Ils analysent séparément la courbure
des synapses avec ou sans perforations. Chez l'animal enrichi, il y a une
49
tendance générale et significative pour les synapses non-perforées à être plus
concaves présynaptiquement quelle que soit la longueur du contact. La
signification exacte de la courbure des contacts synaptiques demeure
obscure. Du fait de leurs observations, Dyson et Jones (’80) suggèrent
cependant que la convexité présynaptique peut être associée à des synapses
qui ne fonctionnent pas ou qui ne fonctionnent pas normalement.
Le plus grand nombre de synapses par neurone chez l'animal enrichi
peut venir de la formation de nouvelles synapses ou encore de la stabilisation
sélective de synapses pré-existantes (Greenough et coll. '85). D'après Steward
('83), la localisation d'une structure dite "aggrégat polyribosomal (PRA)" est
un bon indicateur morphologique de synapses nouvellement formées puisque
lors de la synaptogénèse, les PRA se retrouvent plus fréquemment au niveau
de la tête et de la tige de l'épine dendritique. Ils ont donc élevé
différentiel!ement des rats pendant 30 jours et trouvent chez l'animal
enrichi, une plus grande proportion d'épines dendritiques qui présentent des
PRA à leurs têtes ou à leurs tiges. Si l'on accepte l'hypothèse originale, cela
suggère que le plus grand nombre de contacts synaptiques par neurone chez
l'animal enrichi pourrait venir de synapses néoformées.
Dans une étude très récente, Sirevaag et Greenough ('85) ont fait une
analyse morphométrique très systématique des synapses asymétriques à
vésicules sphéroïdes sur épines dans la lame IV du cortex cérébral
d'animaux enrichis et appauvris. Ces auteurs mesurent la longueur de la
zone d'apposition, de la zone de contact synaptique, de l'épaississement
membranaire et du périmètre. Ils calculent de plus l'aire des profils pré et
postsynaptiques, la largeur de la fente synaptique, le diamètre et la hauteur
50
de la tête et de la tige de l'épine dendritique. Dans cette étude, il apparaît
qu'en plus de la longueur du contact synaptique, l'aire des profils
présynaptiques est plus grande chez l'animal enrichi.
2.3- Résumé et conclusion
L'ensemble de la littérature démontre donc clairement que l'anatomie
du cerveau est modifiée par l'élevage différentiel. Ainsi, le poids de
l'encéphale, la longueur des hémisphères cérébraux et l'épaisseur du cortex
sont plus grands chez l'animal qui a vécu dans un milieu riche que chez
celui qui a vécu dans un milieu pauvre. Il apparaît aussi que le nombre de
neurones par unité de volume est plus petit chez l'animal enrichi. Cela
signifie que les corps cellulaires sont plus séparés les uns des autres et qu'il
y a plus de neuropil dans le cortex de l'animal enrichi. Cette augmentation
du neuropil vient du moins en partie du fait que les corps cellulaires et les
noyaux des neurones sont plus gros et que leurs arbres dendritiques sont
plus ramifiés chez l'animal enrichi. De plus, les neurones à dendrites
épineuses de l'animal enrichi ont un plus grand nombre d'épines
dendritiques. Ces différences expliquent en partie l'accroissement du poids
de l'encéphale et du volume du cortex cérébral de l'animal enrichi. Au
niveau ultrastructural, la densité numérique des synapses asymétriques à
vésicules arrondies n'est pas significativement différente entre les deux
milieux. Cependant, le nombre de ce type de contacts synaptiques par
neurone est environ 25% plus élevé dans le cortex de l’animal enrichi. Ce
type de contact est plus long, est plus concave pré-synaptiquement et a plus
de perforations chez le rat enrichi.
51
FORMULATION DU PROBLEME ET RESULTATS ESCOMPTES
Comme on l'a vu dans l'introduction, deux études récentes des aires
visuelles du cortex cérébral du chat (Beaulieu et Colonnier '85a; '85c), nous
ont permis de démontrer qu'il y a des différences significatives du Nv des
synapses symétriques à vésicules aplaties et de celui des neurones, entre les
animaux qui faisaient partie de l'échantillonnage. Nous avons proposé que
des facteurs de l'environnement peuvent expliquer ces différences
interindividuelles. L'hypothèse de l'effet de l'environnement sur le Nv des
synapses symétriques à vésicules aplaties est basée sur les raisons
suivantes. Comme nous l'avons vu à la section 1, la binoculari té et la
sélectivité d'orientation et de direction sont des propriétés qui caractérisent
les champs récepteurs de la plupart des neurones du cortex visuel du chat
adulte normal. Chez le jeune chaton, seulement 25% des neurones sont
sélectifs à l'orientation et à la direction. De plus, lorsqu'elle est présente, la
sélectivité pour l'orientation manque de précision. Nous avons aussi vu que
la binocularité et que la sélectivité sont plastiques, c'est à dire qu'elles
peuvent être modifiées par une expérience visuelle anormale. Cette
expérience peut être une privation visuelle due soit à l'élevage dans le noir
soit à une suture d'une ou des deux paupières soit à un strabisme
chirurgical ou bien à un élevage dans un monde visuel dont les stimuli sont
orientés dans un seul sens ou déplacés dans une seule direction. Puisque la
binocularité et la sélectivité des neurones visuels sont spécifiées, du moins en
grande partie, par les circuits intracorticaux inhibiteurs utilisant du GABA,
52
il est logique de penser que les changements de ces propriétés, qui sont dûs à
une expérience visuelle anormale, proviennent principalement d'une
altération des connexions inhibitrices GABAergiques. Comme les synapses
qui contiennent du GABA sont du type symétrique à vésicules aplaties, on
peut penser que ce type de contacts synaptiques est particulièrement
dépendant de l'environnement. Il faut admettre cependant, que les
conditions expérimentales utilisées dans les études décrites à la section 1.3
sont différentes de celles qu'auraient pu subir les animaux où nous avons
trouvé des différences interindividuelles dans le nombre de synapses
symétriques à vésicules aplaties. Même si nous ne connaissons pas
exactement les conditions d'élevage de ces animaux, il est quasi certain
qu'ils n'ont pas eu de privation visuelle du genre de celles utilisées dans les
études de la section 1.3. Est-ce que des changements plus subtils de
l'environnement peuvent affecter la densité numérique des synapses
symétriques à vésicules aplaties?
Nous avons vu à la section 2 que des différences dans la richesse de
l'environnement peuvent certainement amener des changements dans
l'anatomie du cerveau du rat. Ainsi, il y a des différences dans le poids de
l'encéphale, dans la longueur du cortex cérébral, dans l'épaisseur du cortex
visuel, dans la grosseur de l'arbre dendritique, dans le Nv des neurones,
dans la longueur et la courbure de la différenciation membranaire des
synapses et dans la fréquence des perforations synaptiques. Le Nv des
synapses asymétriques à vésicules rondes ne semble pas affecté mais il y a
des différences dans leur nombre par neurone. Sur la base de ces études,
nous pouvons donc suggérer que le milieu peut amener des différences
53
interindividuelles du Nv des neurones mais pas du Nv des synapses à
vésicules rondes. Cependant aucune des études précédentes n’a été faite chez
le chat et de plus, il n'y a aucune information disponible sur les effets de la
richesse de l'environnement sur le nombre de synapses symétriques à
vésicules aplaties dans aucune espèce.
Dans la présente étude, je veux déterminer si la richesse de
l'environnement peut avoir un effet différentiel sur la densité numérique des
synapses qui ont une différenciation symétrique des membranes pré et
postsynaptiques et dont le bouton axonal contient des vésicules aplaties et
ainsi expliquer les différences interindividuelles qui ont été démontrées
précédemment pour ce type de synapses. De plus, je veux savoir si la
richesse de l'environnement a un effet sur le nombre de neurones par mm3
de tissu sans affecter la densité numérique des synapses asymétriques à
vésicules rondes comme cela a été observé chez le rat.
54
MATERIELS ET METHODES
Sauf pour le modèle expérimental, les procédures expérimentales
décrites dans ce chapitre sont les mêmes que celles utilisées dans des études
précédentes sur le nombre de neurones (Beaulieu '83; Beaulieu et Colonnier
'83) et de synapses (Beaulieu et Colonnier '85a; Colonnier et Beaulieu '85;
Annexe 1 et 2) dans le cortex visuel du chat.
1- MODELE EXPERIMENTAL
Douze chats domestiques (Felis domesticus) ont été utilisés dans cette
étude. Les animaux provenaient de six portées différentes. Ils sont tous nés
dans notre laboratoire. Les chatons ont vécu avec leur mère dans une cage de
75x75 cm jusqu'au moment de leur sevrage à l'âge de 6 semaines. Durant
cette période, la portée a été dérangée le moins souvent possible, les seules
manipulations permises étant celles requises pour l'entretien de la propreté
de la cage, la nutrition de la mère et un programme de vaccination. Les
chatons ont été immunisés avec un vaccin triple de marque de commerce
Felocell CVR contre la rhinotrachéite, la panleucopénie et les infections des
chats dues aux calici virus. Ce vaccin a été administré à raison de la
demi-dose (0.5 ml) à l'âge de 4 semaines, ensuite avec une dose complète à 6,
10 et 14 semaines.
A leur sevrage, c'est à dire à l'âge de 6 semaines, les chatons ont été
appariés suivant leur sexe et un de chaque paire a été placé au hasard, soit
dans un milieu pauvre, soit dans un milieu riche. Les chatons ont vécu dans
leurs environnements respectifs jusqu'à l'âge de 8 mois (ou plus
55
précisément, 250 jours). Les animaux de la même portée ont été sacrifiés
dans la même journée. A cet âge, on considère que le chat domestique est
adulte parce que sa dentition est complète (Berman '74) et il a atteint 95% de
son poids corporel.
Nous avons logé les animaux des deux milieux dans deux salles
séparées. Pour réduire les stimulations sensori-motrices des animaux en
milieu pauvre, nous les avons placés seuls, à leur sevrage, dans une cage de
grandeur moyenne (45x60 cm) dont la porte a été orientée vers le mur. Tous
les autres côtés de la cage étaient fermés de façon à ce que les animaux ne
puissent pas se voir entre eux. Le préposé à l'entretien était le seul contact
quotidien de l'animal. En fait, l'entretien de l'animal ne prenait au
maximum qu'une dizaine de minutes par jour pour chaque cage. Durant les
8 mois en cage, les chats pauvres n'ont pas été touchés sauf pour des raisons
d'immunisation ou d'hygiène.
Les animaux dans le milieu riche en stimulations sensori-motrices ont
été pour leur part logés dans une grande salle éclairée et spécialement
aménagée pour eux (dimension 10x10 mètres). De 8 à 24 chats y évoluaient
librement. Sept femelles adultes et un mâle formaient le milieu animal
adulte. Les chattes gestantes ont été placées environ une semaine avant
l'accouchement dans des cages situées dans le milieu riche. Le nombre de
chatons dans le milieu a varié durant l'expérience d'un minimum de 3 (1ère
portée) à un maximum de 16. Dans le milieu enrichi, des jouets et des objets
variés (montage de morceaux de bois, boîtes de carton, ficelles, papier, etc...)
étaient réparties dans la salle. La plupart des objets ont été changés ou
disposés différemment au moins deux fois par semaine. De plus, ces chatons
56
ont eu la visite régulière d'humains qui jouaient souvent avec eux. Durant
leur croissance tous les chatons (en milieux pauvre et riche) ont reçu le
même type de nourriture deux fois par jour et de l'eau à volonté.
2- PRELEVEMENT DES ECHANTILLONS
Les animaux étudiés pesaient de 2.1 à 3.7 Kg. Ils ont été anesthésiés
avec une dose de 40 mg/kg de pentobarbital sodique (Nembutal), administrée
par injection intrapéritoniale. Nous avons pratiqué une trachéotomie pour
maintenir artificiellement la respiration pendant la perfusion. Après avoir
ouvert la cage thoracique, nous avons injecté 0.4 cc d'héparine et 0.8 cc de
nitrite de sodium dans le ventricule gauche. Par la suite, une solution
contenant 4% de formaldéhyde, 0.1% de glutaraldéhyde et 0.03M de chlorure
de calcium dans un tampon cacodylate à 0.1M (pH 7.3-7.4; voir Appendice 1)
a été injectée dans le système cardiovasculaire par l'aorte ascendante.
Durant le premier cinq minutes de la perfusion, le débit a été fait à une
vitesse de 200 cc/min et subséquemment pendant une heure à 50 cc/min.
Après avoir retiré l'encéphale de la cavité crânienne, nous l'avons pesé,
mesuré et photographié. Nous avons ensuite prélevé une tranche de tissu
perpendiculaire au sillon interhémisphérique entre les plans frontaux Fl et
F3 selon l'atlas de Jasper et Ajmone-Marsan ('54). Ces plans passent à
travers le gyrus ectosylvien postérieur et la tranche de tissu incluent
l'extrémité postérieure du corps calleux (voir figure 1). Les deux côtés de
cette tranche ont été photographiés immédiatement après le prélèvement
(figure 2). La tranche a subséquemment été immergée durant une nuit dans
la solution de formaldéhyde mais sans glutaraldéhyde (Appendice 1). Le
57
lendemain, environ dix blocs de tissu ont été prélevés dans la région
binoculaire de l'aire visuelle primaire (aire 17). Le choix de l'endroit exact de
l'échantillonnage est critique pour l'étude de la région binoculaire de l'aire
17 du chat puisque celle-ci a des gyrus et des sillons. Les cellules des régions
corticales sont organisées en rangées verticales ou "colonnes" s'étendant de
la pie-mère à la matière blanche. Au sommet d'un gyrus, les colonnes
divergent de la pie-mère à la matière blanche. De plus, les lames corticales
supérieures y sont très épaisses tandis que les lames inférieures sont
minces. Dans le fond d'un sillon, on observe le phénomène inverse: les
colonnes convergent de la pie-mère à la matière blanche et les lames
supérieures deviennent minces et les inférieures, épaisses (Bok '59; voir
aussi la figure 3). Nous avons choisi d'échantillonner entre le sillon
suprasplénial et l'apex du gyrus latéral (figure 3) puisque c’est cette portion
de la région binoculaire qui est le moins influencée par la distorsion gyrale: à
cet endroit, la surface corticale de l'aire 17 est relativement droite et quoique
les colonnes de cellules sont légèrement courbes, elles demeurent cependant
toujours parallèles entre elles.
Les blocs de tissu ont été rapidement lavés dans un tampon cacodylate à
0.1M (pH 7.3-7.4), placés dans une solution de 2% de tétroxyde d'osmium
(0s04) dans le même tampon pendant une heure et finalement dans une
autre solution de 2% d'0s04 avec 3% de ferrocyanure de potassium pendant
une autre heure (Appendice 2). Ils ont ensuite été enrobés dans l'Epon selon
la méthode de Luft ('61). Après un lavage de 5 minutes dans la solution
tampon, les blocs ont été déshydratés dans des concentrations ascendantes
d'éthanol, plongés dans de l'oxyde de propylène pour 30 minutes, transférés
58
FIGURE 1
Schéma illustrant la configuration des gyri et des sulci du cerveau du
chat. Les astérisques déterminent les limites de l'aire 17 et la partie
hachurée correspond à l'endroit où la tranche de tissu était prélevée.
A. Face externe du cerveau gL: gyrus latéral; gLP: gyrus latéral
postérieur; gSM: gyrus suprasylvien médian; gSP: gyrus suprasylvien
postérieur; sL: sulcus latéral; sLP: sulcus latéral postérieur; sSM: sulcus
supasylvien postérieur; si: sillon interhémisphérique; gEP: gyrus
ectosylvien postérieur.
B. Face médiane du cerveau gS: gyrus splénial; gSS: gyrus
supraspénial; sS: sulcus splénial; sSS: sulcus suprasplénial; cc: corps
calleux.
A1
A.
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60
FIGURE 2
Microphotographie d'une coupe frontale de cerveau de chat faite au
niveau du gyrus ectosylvien postérieur. Les têtes de flèches représentent les
limites des régions monoculaires et binoculaires de l'aire 17. Le micromètre
est gradué en mm et sous-gradué en 0.1mm.
FIGURE 3
Microphotographie illustrant les variations dans l'orientation des
colonnes de cellules au niveau du gyrus latéral (GL), du sulcus
suprasplénial (SS) et de la portion intermédiaire. Remarquez que dans cette
portion intermédiaire, les colonnes de cellules sont parallèles entre elles
même si elles ne demeurent pas exactement perpendiculaires à la pie-mère.
iâÊÊÊt SS
/ 'jt J-1* *. J
64
pour une heure dans une solution contenant des proportions égales d'oxyde
de propylene et d'Epon et finalement placés dans de l'Epon pur. Les
échantillons ont été ensuite déposés dans une étuve à 45°C pour 12 heures et
dans une autre étuve à 60°C pour 12 autres heures. Après ce traitement, les
blocs étaient prêts à être coupés.
3- DETERMINATION DU NOMBRE DE NEURONES
Dans la littérature, deux méthodes principales ont été utilisées pour
déterminer le nombre de neurones dans le cortex cérébral. La première
méthode consiste simplement à compter le nombre de nucléoles sur des
sections épaisses de tissu cérébral. C’est la méthode des nucléoles. La
deuxième méthode est une méthode dite stéréologique (voir revue par Weibel
'79) qui consiste à calculer le nombre de noyaux à partir de sections dont
l'épaisseur est négligeable par rapport à la grosseur des noyaux. Cette
méthode est basée sur le principe de Delesse qui dit que si une section
strictement bi-dimensionnelle est faite à travers un volume de tissu
contenant un groupe d'objet, la fraction de l'aire des profils des objets est
égale à la fraction du volume occupé par l'objet dans la structure. Les deux
méthodes donnent sensiblement les mêmes résultats (Beaulieu et Colonnier
'83). Nous avons toutefois employé la méthode stéréologique plutôt que le
compte de nucléoles pour la raison suivante. La deuxième partie de notre
étude comporte des comptes de synapses et comme nous le verrons il était
important d'obtenir des rapports synapses/ neurone exacts. Un facteur qui
influence beaucoup les comptes obtenus est celui du rétrécissement. Il était
donc important de faire les comptes de neurones sur les mêmes blocs de
65
tissu que le compte de synapses car même s'il y a une erreur dans
l'estimation du rétrécissement du tissu, cela n'affecte pas le rapport qui
nous intéresse.
Nous avons fait le compte des noyaux des neurones sur des sections
semi-fines (0.5 à 1.0 |im) colorées à l'Azur-bleu de méthylène selon le
protocole de Richardson et coll. ('60). J'ai déjà présenté les critères
d'identification des cellules du cortex visuel du chat dans le cadre de ma
thèse de maîtrise (Beaulieu '83; voir aussi Beaulieu et Colonnier '83).
Brièvement, les neurones présentent un noyau pâle contenant quelques
grains de chromatine et leur cytoplasme est reconnaisable par ses petits
amas de substance Nissl foncés. De plus, la membrane nucléaire présente
souvent des invaginations profondes. Les oligodendrocytes, microglies et
péricytes se distinguent facilement des neurones par leurs noyaux vivement
colorés qui sont plus petits que ceux de la grande majorité des neurones. De
plus, le cytoplasme qui entoure le noyau est très étroit en comparaison de
celui du neurone. L'astrocyte ressemble davantage au neurone mais s’en
distingue par son peu de cytoplasme: la surface de celui-ci vue sur une coupe
semi-fine est habituellement moins importante que celle du neurone. De
plus, le nucléoplasme a une apparence perlée, homogène et moins
granuleuse que celui du neurone.
Trois sections ont été obtenues pour chaque animal. Nous les avons
photographiées avec un objectif 63X sur film Polaroid type 665 et imprimées
en positif à un grossissement final de 1200X. Pour chaque section
photographiée, nous avons fait un montage photographique final d'environ 2
mètres de haut et de 0.5 mètre de large. Sur ce montage, deux lignes
66
verticales parallèles aux colonnes de cellules ont été tirées à 400 mm l'une de
l'autre (correspondant à environ 330 pm de tissu). Seuls les profils
nucléaires touchant à la ligne du côté droit ont été inclus dans le compte. Des
lignes horizontales ont été tirées sur chaque montage à la limite des
différentes lames corticales. Si un profil nucléaire touchait à la ligne de
démarcation, il était inclus dans la lame corticale qui contenait la plus
grande partie de sa surface. Nous avons mesuré la surface et le diamètre le
plus long des profils des noyaux neuronaux. L'ensemble des trois montages
forme l'échantillon d'un animal.
De la mesure de la surface et du diamètre de chaque profil nucléaire,
on peut calculer le nombre de neurones par mm3 de tissu (Nv) à partir d'une
formule développée par Weibel et Gomez ('62) et Knight et coll. ('63) pour des
objets ayant une forme ellipsoïde régulière.
Nv
Kx(Na)1'5
J3 x (Vv)0'5
Na est le nombre de profils nucléaires par unité de surface et Vv est la
densité volumétrique des noyaux (volume relatif des noyaux par rapport à un
volume de tissu donné). Selon le principe de Delesse (voir Weibel et Bolender
'73):
Vv = Aa
où Aa est la surface totale des profils nucléaires par rapport à l'aire étudiée.
67
Nous avons donc obtenu le rapport Vv en mesurant l'aire des noyaux sur
une aire connu de tissu. K est une constante qui dépend de la distribution
relative des diamètres des noyaux (Weibel '79; Weibel et Bol end er '73). Cette
valeur est égale à 1 si tous les profils étudiés ont la même grosseur et elle est
plus grande que 1 si la grosseur varie. Il s'agit ici de la grosseur des objets
eux-mêmes et non de la grosseur de leurs profils sur une coupe fine. D'après
Weibel ('79), pour du matériel biologique la valeur de K se situe entre 1.01 et
1.1. Cependant, Weibel nous dit que la valeur de K peut être fixée à 1 et que
cela donne une erreur négligeable. J'ai assumé dans ma thèse de maîtrise
(Beaulieu '83) et dans une publication ultérieure (Beaulieu et Colonnier '83)
que, dans l'aire 17, K se situe à mi-chemin entre 1.01 et 1.1, soit 1.05. Pour
s'assurer de la précision de cette valeur, nous avons mesuré le grand (a) et le
petit (b) diamètre de noyaux complètement inclus à l'intérieur de coupes
épaisses de cortex visuel. Nous avons analysé environ 100 noyaux dans un
chat pauvre et 100 autres dans un chat enrichi. Nous avons ensuite calculé le
diamètre moyen (D) de chaque neurone à l'aide de la formule:
D = Tab
où a et b sont le long et le petit diamètre respectivement. Sur le total des
noyaux étudiés, l'écart-type a été estimée à 14-16% de la moyenne dans les 2
animaux. A partir du graphique de Weibel (79), on peut estimer de façon
approximative que le K se situerait entre 1.04 et 1.05. Nous maintenons donc
la valeur de 1.05 utilisée dans nos travaux antérieurs, confiants quelle est
une bonne approximation et que toute erreur quelle pourrait introduire
68
serait vraiment négligeable.
Le facteur B dépend de l'allongement du profil ellipsoïde étudié sur les
sections minces. Il est obtenu à partir d'un graphique donnant les valeurs de
B en fonction du rapport long axe/petit axe pour les formes ellipsoïdes (Weibel
et Gomez '62). Dans notre étude, l'aire des noyaux et leur long axe a été
mesuré directement, et le petit axe a été calculé selon la formule:
A = 7i ab
où A est l'aire du profil ellipsoïde et a et b sont le long et le petit semiaxe
respectivement.
La densité numérique des neurones a été calculée séparément dans
chaque lame corticale et est exprimée comme le nombre de neurones par
mm3 de tissu. En mesurant l'épaisseur de chaque lame, on a pu également
calculer le nombre de neurones sous 1 mm2 de surface corticale dans chaque
lame et pour l’ensemble de l'épaisseur du cortex.
4- CRITERES D'IDENTIFICATION DES LAMES DU CORTEX VISUEL DU
CHAT
La nomenclature des lames corticales et les différents critères
permettant de les identifier sur des sections semi-fines ont été présentés en
détail précédemment dans ma thèse de maîtrise (Beaulieu '83; voir aussi
Beaulieu et Colonnier ’83). Je me contenterai ici d'un bref rappel. Le cortex
visuel du chat est divisé en six lames principales de la pie-mère à la matière
blanche. La lame I est étroite et contient peu de neurones. La lame II se
69
caractérise par une augmentation de la densité neuronale. Les cellules ont
une forme ovoïde ou polyhédrique. On peut de plus observer des neurones de
forme triangulaire. La lame III présente une diminution de la densité
cellulaire et une augmentation du nombre de cellules de forme
triangulaires. Ces cellules ont un cytoplasme pâle dont la grosseur
augmente du haut vers le bas de la lame. Les grandes cellules disparaissent
abruptement à la limite III-IV. Nous avons divisé la lame III en 2 parties
puisque dans la partie inférieure de cette lame (MB) les neurones nous
semblaient plus gros et plus nombreux que dans la partie supérieure (lame
IIIA). La lame IV se divise en deux parties bien distinctes. La partie
supérieure (lame IVA) est formée de petits, de moyens et de gros neurones
de forme ovoïde au cytoplasme foncée. La partie inférieure (lame IVB)
contient de nombreuses petites cellules du même genre mais les grosses
cellules en sont absentes. La lame V est étroite et se caractérise par une
diminution du nombre de cellules et par la présence de gros corps cellulaires
de forme triangulaire (pyramidales). La lame VIA se caractérise par la
présence de colonnes de cellules qui se terminent abruptement, pour être
remplacées par des neurones plus épars dans la lame VIB. Plus bas, le
neuropil diminue considérablement en importance et la myéline devient
beaucoup plus compacte: c'est le début de la matière blanche. D'une façon
surprenante, l'endroit exact où se fait la transition de la lame VIB et de la
matière blanche est souvent difficile à déterminer. C’est pour cela que dans
la section résultats, les variations dans les différentes mesures faites dans la
lame VIB sont relativement grandes.
70
5- CALCUL DU NOMBRE DE SYNAPSES
5.1- Echantillonnage
Pour déterminer la densité numérique des synapses dans le cortex
visuel des chats pauvres et enrichis, des sections ultrafines de couleur
argentée ont été coupées perpendiculairement à la pie-mère et teintes avec de
l'acétate d'uranyle et du citrate de plomb (Appendice 3). Ces sections
provenaient des mêmes blocs que ceux utilisés dans la détermination du
nombre de neurones. Elles ont été montées sur des grilles à barres parallèles
et orientées de telle façon que les colonnes de cellules qui s'étendent de la
pie-mère à la matière blanche soient parallèles aux barres. Lorsqu'une zone
de tissu pouvait être vue ininterrompue, sans perforation ou pli important,
entre deux barres de la grille, nous l'avons photographiée (280X) sur un film
Kodak 35 mm type 5302, avec un microscope électronique. Subséquemment,
nous avons préparé un montage complet de la zone à un grossissement final
d'environ 2,100X. Nous avons placé la limite des lames corticales
directement sur ce montage, en s'aidant des épaisseurs laminaires obtenues
sur la section teinte à l'Azur-bleu de méthylène et qui provenait du même
bloc de tissu. Pour s'assurer que les synapses provenaient exactement de la
lame étudiée, nous n'avons échantillonné que sa portion centrale, évitant les
régions les plus près des limites laminaires. Nous avons fait cela en
appliquant le procédé d'échantillonnage suivant. A l'intérieur de chaque
lame corticale, trois lignes horizontales ont été tirées à 1/3,1/2 et 2/3 de la
distance entre les limites supérieures et inférieures de la lame. Nous avons
traçé de plus, deux lignes verticales sur le montage, 2 centimètres
(correspondant à environ 10 |im sur le tissu) à l'intérieur des barres
71
parallèles de la grille. Centré sur le point d'intersection formé par les trois
lignes horizontales et les deux verticales, six photographies ont été prises sur
film Kodak 35 mm type 5302, à un grossissement de 7,260X. A partir de
chaque montage, nous avons donc pris 6 photos dans 9 lames corticales.
Nous avons imprimé ces négatifs à un grossissement final d'environ
20,000X. Pour déterminer précisément le grossissement, une grille de lignes
croisées à dimensions connues a été photographiée à la fin de chaque série
de photos. Dans chaque animal, nous avons analysé trois montages pour un
total de 162 photographies. Nous avons considéré cela comme étant
l'échantillon de cet animal.
5.2- Critères d'identification des catégories de synapses étudiées
D'après l'élément présynaptique, il y a deux types principaux de
synapses dans le cortex cérébral (voir introduction). Le premier type a un
bouton terminal qui contient des vésicules synaptiques de forme ronde
(figure 4, r) tandis que l'autre présente des vésicules de type aplaties (figure
4, a). La membrane différenciée postsynaptique du premier type est
ordinairement bordée d'une opacité cytoplasmique tandis que celle du
deuxième type n'en présente pas (Colonnier '68). Cette différence ne peut
cependant être observée que si la synapse est sectionnée dans le plan
perpendiculaire au sens de l'allongement du contact, plan qui permet de voir
l'espace entre les membranes pré et postsynaptiques (figure 4A; 4C; 4E; 4F;
têtes de flèches). Dans ce plan de coupe, l'opacité postsynaptique se distingue
très bien de l'épaisissement membranaire. Lorsque le contact d'une synapse
à vésicules aplaties est coupée dans un plan oblique et que l'on ne peut voir
72
l'espace entre les membranes, la zone de contact est vue comme une opacité
accrue (figure 4B,a; 4D,a) mais celle-ci n'est pas due à l'opacité
postsynaptique comme telle, mais aux membranes différenciées. Remarquez
à la figure 4D comment le contact synaptique du bouton qui contient des
vésicules aplaties (a) est très semblable à celui du bouton qui contient des
vésicules rondes (r). Lorsque les membrane synaptiques sont sectionnées en
oblique, seule la forme des vésicules permet de distinguer le type de synapse.
Pour respecter les formules stéréologiques, il fallait dans cette étude
mesurer les sites de contacts même lorsqu'ils étaient coupés obliquement.
Dans ce cas, nous ne pouvions déterminer si la différenciation membranaire
était symétrique ou asymétrique. Nous nous sommes donc servis
principalement de la forme des vésicules pour classer les synapses. C'est
pourquoi dans cette étude, les synapses sont appelées "à vésicules rondes" ou
"à vésicules aplaties". Il y a cependant une très haute corrélation entre la
forme des vésicules et la présence ou l'absence de l'opacité postsynaptique
(Colonnier '68; '81). Ainsi, les synapses à vésicules rondes correspondent
dans la presque totalité des cas aux synapses asymétriques et les synapses à
vésicules aplaties correspondent aux synapses symétriques.
On a de plus subdivisé ces deux groupes de synapses selon la nature de
l'élément postsynaptique où ils s'articulent, c'est à dire, sur les corps
cellulaires, les épines dendritiques et les troncs dendritiques. Le profil du
corps cellulaire est facilement reconnaissable par sa grosseur, la présence
de ribosomes et sa forme caractéristique (figure 4F; So). Petite, de forme
ronde, conique ou ovale, l'épine dendritique se distingue principalement par
son absence de tubules (figure 4A, 4B, 4C; ep) et souvent par une structure
73
formée de 2 ou plusieurs saccules séparées par des barres de matériel
opaques et que Gray ('59) a appelé l'appareil de l'épine (voir figure 4B; tête de
flèche). En coupe longitudinale, le tronc dendritique présente une série de
longues microtubules longitudinales (figure 4D, dend 1; 4E, dend; voir aussi
Palay '56 et Gray '59). Si l'on coupe transversalement une dendrite, ces
structures tubulaires apparaissent comme des petits cercles (figure 4D;
dendr 2, têtes de flèches). Une dernière catégorie d'élément postsynaptique
est rencontrée dans le cortex: le segment initial de l'axone (voir Peters et coll.
'68). H se distingue de la dendrite par la présence de faisceaux de
microtubules réunis entre eux par de petits ponts filamenteux et par une fine
granulation qui entoure la membrane plasmique (Peters et coll. '68). Comme
nous n'avons trouvé que trois profils de contacts synaptiques sur des
segments initiaux d'axones et que dans une étude précédente (Beaulieu et
Colonnier '85a; Annexe 1) nous n'en n'avions trouvé aucun, nous ne
pouvons en calculer le Nv de façon significative. Notre étude se limitera donc
à présenter les synapses à vésicules rondes ou à vésicules aplaties sur épines
dendritiques, troncs dendritiques et sur corps cellulaires. Les synapses à
vésicules rondes ou aplaties ont été placées dans une autre catégorie lorsque
nous ne pouvions pas déterminer précisément la nature de l'élément
postsynaptique. Cela nous donne 8 catégories de synapses. Lorsque ni la
forme des vésicules ni l'apparence de la différenciation membranaire ne
permettait de classifier clairement le contact dans la catégorie des types à
vésicules rondes ou aplaties, la synapse a été placée dans une 9ème catégorie
nommée "inconnue" (quelle que soit la nature de l'élément postsynaptique).
Cette dernière catégorie ne représente en fait que 1 à 2% de toutes les
74
FIGURE 4
Montage de photographies prises en microscopie électronique illustrant les synapses à vésicules rondes (r) et celles à vésicules aplaties (a) sur les épines (ep), dendrites (Dend) et somas (So).
A. Synapses à vésicules rondes (r) sur épines (ep). Notez que le contact synaptique au centre de la photo (marqué d'une tête de flèche) montrent l'espace entre les membranes pré et postsynaptiques et que la membrane postsynaptique est bordée d'une opacité postsynaptique. L'espace entre les membranes pré et postsynaptique du contact situé plus haut dans la photo n'est pas bien marqué. Dans ce dernier cas, le contact synaptique n'est pas sectionné parfaitement orthogonal aux membranes différenciées.
B. Synapses à vésicules rondes (r) et synapses à vésicules aplaties (a) sur épines; la tête de flèche indique l'appareil de l'épine. Notez que les contacts synaptiques ne sont pas sectionnés orthogonalement aux membranes pré et postsynaptique. Dans ce cas, on ne peut classifier les synapses en type symétrique ou en type asymétrique.
C. Synapses à vésicules rondes sur épines dont le contact montrent des discontinuités. Notez que l'on peut distinguer les membranes pré et postsynaptiques de la synapse indiquée par la tête de flèche
D. Contacts de synapses à vésicules rondes et à vésicules aplaties dont les membranes différenciées sont sectionnées obliquement. Remarquez que l'apparence du contact lui-même est très semblable entre ces deux synapses. Les têtes de flèches indiquent les microtubules d'une dendrite sectionnée transversalement.
E. Synapses à vésicules aplaties sur dendrites. Même si du matériel gris floconneux est accolé à la membrane postsynaptique de ce synapse, son apparence et sa coloration est très différente de l'opacité postsynaptique typique de l'autre type de synapse. Ce synapse est donc du type symétrique.
F. Synapses à vésicules aplaties sur soma. Notez aussi l'absence de l'opacité postsynaptique.
76
synapses. Nous n'avons pas tenu compte de cette catégorie dans nos
résultats sauf dans le cas où nous donnons le nombre total des synapses qui
est en fait la somme des synapses à vésicules rondes, des synapses à
vésicules aplaties et des inconnues. Cette estimation n'apparaît que dans la
section discussion pour comparer ce chiffre avec celui qui est donné par
d'autres auteurs.
5.3- Détermination du Nv
Le nombre et la longeur des contacts synaptiques vus sur les photos à
fort grossissement ont été mesurés séparément dans toutes les lames
corticales. La longeur de la différenciation membranaire pré et
postsynaptique a été mesuré avec l'aide d'une tablette électromagnétique
reliée à un ordinateur. Deux ou trois petites zones de la différenciation
membranaire peuvent être quelquefois vues entre un profil présynaptique et
une épine dendritique (figure 4C). Des reconstructions de tels profils en des
coupes sériées (Peters et Kaisermann-Abramoff '69; Cohen et Siekevitz '78)
ont démontré qu'il s'agissait d'une seule et même synapse perforée. Nous
avons considéré de tels contacts comme n'appartenant qu'à une seule
synapse. Nous avons mesuré environ 2,000 synapses par animal pour un
total d'environ 24,000 contacts.
Le nombre de synapses par unité de volume (Nv) a été calculé pour
chaque catégorie de contacts synaptiques en utilisant deux formules soit:
77
où Na est le nombre de contacts synaptiques par unité de surface et d la
longueur moyenne de la différenciation synaptique déterminée directement
sur les microphotographies, soit:
Nv = —2 x NAZ%
où Z est la moyenne des réciproques des longeurs des contacts synaptiques
(DeHoff'68). Pour l'ensemble des synapses les deux formules ont donné des
résultats qui diffèrent d'à peine 4%. Cependant, nous avons préféré la
formule Na /d puisqu'une vérification empirique a suggéré qu'elle est moins
affectée par la forme exacte de la synapse et par la grosseur de l'échantillon
(Colonnier et Beaulieu '85; annexe 2). Pour plus de détails concernant ces
formules voir l'annexe 2. Dans le présent travail, tous les chiffres présentés
proviennent de la formule Na /d.
La densité numérique des synapses est exprimée en nombre de
synapses par mm3 de tissu pour chacun des 2 types de contacts synaptiques
étudiés. En divisant la densité numérique des synapses par la densité
neuronale, on obtient le nombre de synapses par neurone.
6- MESURE DU RETRECISSEMENT
Durant les étapes de l'enrobement du tissu dans l'Epon, le matériel
rétrécit. Pour en estimer le degré dans chaque animal, nous avons prélevé
un bloc de tissu spécialement sélectionné dans la région monoculaire de
78
l'aire 17. Nous avons choisi un bloc de la région monoculaire puisque sa
surface est plus droite et que la transition de la matière grise à la matière
blanche tend à être mieux définie que dans la partie de la région binoculaire
étudiée où la surface est légèrement courbe et la transition est plus graduelle
(voir thèse de maîtrise). Le bloc de tissu de la région monoculaire est traité de
la même façon que les blocs de la région binoculaire. Une section semi-fine
est coupée et colorée à l'Azur-bleu de méthylène. L’épaisseur du cortex
cérébral mesurée sur cette section est comparée à celle de la matière grise
mesurée directement sur la photographie de la tranche de tissu faite
immédiatement après la perfusion. Cette procédure permet d'avoir une
mesure exacte de la différence d'épaisseur avant et après les manipulations
histologiques et de calculer le rétrécissement et les facteurs de correction qui
donnent les valeurs originales (O'Kusky et Colonnier '82)
7- TESTS STATISTIQUES
Nous avons employé un test d'analyse de variance à deux voies sans
replication (ANOVA à deux voies) pour comparer l'effet des deux
environnements sur les six portées. Ce test statistique nous permet aussi de
comparer entre elles les six portées étudiées. De plus, nous avons employé le
test ANOVA à une voie pour comparer par sexe les différentes valeurs
obtenues chez les animaux pauvres et enrichis.
79
RESULTATS
1-POIDS DU CORPS
Le poids moyen du corps des animaux pauvres et enrichis est présentée
à la figure 5A. Les animaux du milieu riche ont un poids plus élevé que ceux
du milieu pauvre. Les poids des enrichis varient de 2.11 à 3.79 Kg (moyenne
de 2.89 Kg) et celui des pauvres de 1.67 à 3.39 Kg (moyenne de 2.62 Kg). Cette
différence de l'ordre de 10% est significative à p<0.05 (Analyse de variance à 2
voies; F(l,5)= 10.1). Cette donnée est en contradiction avec celles obtenues
chez le rat où ce sont les animaux pauvres qui pèsent le plus. Cela sera traité
plus à fond dans la section discussion. L'analyse de variance à deux voies ne
compare pas seulement les différence entre les 2 milieux mais aussi elle
peut démontrer des différences entre les portées. Ainsi, dans la présente
étude il y a une différence très significative entre les six portées de chats
(F(5,5)= 23.01; pcO.Ol). Cette dernière différence peut en partie s'expliquer
par le fait que 3 portées étaient composées de femelles et que les trois autres
étaient mâles. Si l'on fait la moyenne des valeurs de tous les poids des mâles
pour le comparer aux femelles (qu'ils soient enrichis ou pauvres), les mâles
pèsent en moyenne 38% de plus que les femelles. Cette différence est très
significative à p<0.01 (Analyse de variance à une voie; F(l,10)= 14.24). Il est
d'ailleurs déjà bien connu que chez les mammifères, les animaux mâles
pèsent plus que les femelles. A cause de notre protocole expérimental, nous
ne pouvons dire lorsqu'il y a des différences à la fois entre les portées et entre
les mâles et les femelles, si des facteurs autres que le sexe sont responsables
des différences entre les portées. Cependant, lorsqu’il n'y a pas de différence
POIDSde
L'ENCEPHALE
25.4 ± 1.0 g23.7 ± 1.4 g
Riches Pauvres
+7% p < 0.01
POIDSdu
CORPS2.9 ± 0.6 kg
2.6 ±0.6 kg
Riches Pauvres
+10% p < 0.05
RAPPORTENCEPHALE
CORPS.0094 ± .0020
.0089+.0016
Riches Pauvres
n.s.
A: POIDS
LONGUEUR de
L’ENCEPHALE
5.23 ± 0.09 cm5.16 ± 0.18 cm
Riches Pauvres
n.s.
LONGUEURdes
HEMISPHERES
4.16± 0.12 cm3.95 ± 0.08 cm
Riches Pauvres
+5% p < 0.01
LARGEURdes
HEMISPHERES
4.12 ± 0.07 cm3.92 + 0.13 cm
Riches Pauvres
+5% p < 0.05
PROJECTION DORSALE des
HEMISPHERES13.7+ 0.5 cm2
12.6 ±0.3 cm
Riches Pauvres
+9% p < 0.01
B: DIMENSIONS
FIGURE 5
81
entre les sexes, on peut penser que ce sont des facteurs génétiques ou des
facteurs familiaux (comme l'accès à la nourriture en bas âge) qui peuvent
expliquer les différences entre les portées.
2- POIDS DE L'ENCEPHALE
Le poids moyen des encéphales des animaux enrichis est de 25.35 g et
celui des animaux pauvres, de 23.69 g (figure 5A). Cette différence de 7% est
très significative (F(l,5)= 26.19; pcO.Ol). Donc chez le chat comme chez le rat
(voir section 2.2.1 dans l'introduction), la richesse de l'environnement a une
influence sur le poids de l'encéphale. De plus, une différence statistique peut
aussi être démontrée entre les litières (F(5,5)= 8.35; p<0.05). Cette différence
peut s'expliquer de la même manière que celle qui a été fournie pour le poids
corporel. Si nous compilons par sexe les mesures des poids des encéphales,
on observe que les encéphales des animaux mâles sont 8% plus lourds que
ceux des femelles (F(l,10)= 8.46; p<0.05). Le fait que l'encéphale des animaux
mâles pèsent plus que celui des femelles n'est pas surprenant. Il y a une
abondante littérature décrivant ce phénomène qui serait imputable surtout
au fait que le mâle a un corps plus lourd que celui de la femelle et une
musculature plus importante à commander (Blinkov et Glezer '68;
Changeux '83; Tobias '75).
La figure 5A nous donne aussi la moyenne du rapport poids de
l'encéphale/ poids du corps des animaux utilisés dans cette étude. D'une
façon surprenante, ce rapport n'est pas significativement différent entre les
2 conditions de l'environnement (F(l,5)= 3.03; p>0.05). On peut donc penser
que chez le chat enrichi, l'augmentation du poids de l'encéphale vient
82
essentiellement de l'augmentation de son poids corporel. Une différence de
ce rapport peut cependant être observée entre les portées (F(5,5)= 20.19;
pcO.Ol). Cette différence semble encore une fois être due, du moins en partie,
aux sexes des animaux. En effet, si l'on compile les différentes valeurs des
rapports par sexe, on observe que les femelles ont un rapport poids de
l'encéphale / poids du corps beaucoup plus élevé que celui des mâles; de
l'ordre de 29% (F(l,10)= 10.48; pcO.Ol). On sait d'après la littérature que chez
l'humain cette différence dans le rapport poids de l'encéphale/ poids du
corps existe également (Blinkov et Glezer '68)
Une analyse statistique plus poussée révèle qu'il existe une corrélation
positive entre le poids du corps des animaux et celui de l'encéphale: plus le
corps est lourd, plus l'encéphale le sera (coefficient de corrélation r=0.85;
p<0.01). Cependant cette corrélation ne peut être démontrée que si l'on tient
compte de tous les animaux à la fois: riches et pauvres, mâles et femelles. H
est impossible de démontrer statistiquement une corrélation significative
entre le poids corporel et de l'encéphale en se restreignant à une seule
catégorie d'animaux. Cela s’explique probablement par le nombre restreint
d'animaux dans chaque catégorie.
3- DIMENSIONS DES ENCEPHALES
La figure 5B présente la moyenne de la longueur rostro-caudale de
l'encéphale ainsi que la longueur et la largeur des hémisphères du cortex
cérébral des animaux enrichis et pauvres étudiés. Ces valeurs ont été
obtenues par des mesures faites directement sur les photos de la région
dorsale de l'encéphale. La longueur rostro-caudale moyenne des encéphales
83
de chats du milieu enrichi n'est pas significativement différente de celle
d'animaux pauvres (5.23 et 5.16 cm respectivement). Cependant, les
hémisphères cérébraux des animaux enrichis (4.16 cm) sont en moyenne 5%
plus longs que ceux d'animaux pauvres (3.95 cm). Cette différence est très
significative (F(l,5)=16.41; pcO.Ol). La figure 6 nous montre les encéphales de
2 chats de la portée C. Notez comment la partie postérieure des hémisphères
de l'animal enrichi semble recouvrir une partie plus importante du cervelet.
Nous avons aussi mesuré la largeur du cortex cérébral. Celui-ci est
significativement plus large chez l'animal enrichi (4.12 cm) que chez le
pauvre (3.92 cm; différence de 5%; p<0.05). Donc chez le chat contrairement à
ce qu'on observe chez le rat, l'effet de 1 'environnement peut être démontré et
sur la longueur et sur la largeur des hémisphères cérébraux. En multipliant
la longueur des hémisphères par leur largeur, tel que cela a été fait chez le
rat (voir section 2.2.1 dans l'introduction), on obtient une estimation de la
dimension de la surface corticale. Celle-ci est en moyenne 10% plus élevée
chez l'animal enrichi. Cette différence est très significative (F(l,5)= 24.74;
p<0.01). Nous avons aussi estimé la surface corticale (figure 5B) en mesurant
la vue dorsale des hémisphères cérébraux avec une tablette
électromagnétique. La surface des hémisphères cérébraux de l'animal
enrichi (13.69 cm2) est 9% plus grande que celle des hémisphères de l'animal
pauvre (12.57 cm2). Cette différence est très significative (F(l,5)= 32.67;
pcO.Ol). Donc avec les deux méthodes de mesure, la surface du cortex
cérébral est plus élevée chez l'enrichi. Par contre, aucune différence
significative n'a pu être démontrée entre les portées ou encore entre les sexes
pour toutes les dimensions de l'encéphale mesurées dans cette étude. Il y a
84
FIGURE 6
Photographie de l'encéphale de deux chats de la même portée.
L'encéphale à la droite du montage provient d'un animal qui a vécu dans le
milieu riche tandis que l’autre est d'un animal qui a vécu dans un milieu
pauvre.
86
cependant une corrélation significative entre la surface du cortex cérébral et
le poids de l'encéphale (r= 0.54; p<0.05). Comme on s'y attend, plus la surface
du cortex est grande, plus l'encéphale est lourd.
4- DENSITE NUMERIQUE DES NEURONES DANS L'AIRE 17 DU CHAT
Pour l'ensemble du cortex, la densité numérique (Nv) des neurones est
de 47,100 par mm3 chez les animaux enrichis et de 57,100 par mm3 chez les
pauvres (table 1 et figure 7). Cette différence de 17% est extrêmement
significative (F(l,5)= 53.38; p<0.001). Il est intéressant de constater que ce
pourcentage est très semblable à celui que Turner et Greenough ('85) ont
calculé chez le rat élevé dans des conditions similaires. Dans les lames
corticales, des différences significatives dans le même sens que celles
démontrées pour l'ensemble du cortex, sont présentes de la lame III à la
lame VIA (au moins p<0.05). Les valeurs moyennes des lames I et II sont
aussi plus basses (sans l'être significativement) chez les animaux enrichis,
ce qui laisse supposer que le Nv y est également affecté par la richesse de
l'environnement. Comme on s'y attendrait d'après l'apparence des lames, il
y a un moins grand Nv dans la lame I, V et VLB. Les différences entre les
lames II, III, IV et VIA sont peu prononcées.
Une différence significative entre les portées peut être démontrée pour
le Nv neuronal de l'ensemble des lames du cortex (F(5,5)= 23.45; pcO.Ol) et
pour la lame III (F(5,5)= 5.11; p<0.05). En compilant les valeurs par sexe, le
Nv des neurones des animaux femelles n'est pas significativement différent
de celui des mâles (51,000 et 54,600 par mm3 respectivement; F(l,10)= 1.20;
p>0.1). Il n'y a pas non plus de corrélation significative entre le Nv des
TABLE 1Épaisseur corticale et nombre de neurones
Moyenne ± écart type n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
Lames Épaisseur Densité numérique (Ny) Nombre sous 1 mm 2(mm) (xlO 3) ^ surface (Ne)
Riches Pauvres Riches Pauvres Riches Pauvres
I 0.18 ±0.02 0.17 ±0.02 6.2 ±2.4 9.9 ±5.0 *** 1.1 ±0.4 1.7 ±0.8
n 0.12 ±0.02 0.12 ±0.02 57.8 ±8.1 68.0 ±12.2 6.7 ±0.5 8.0 ±1.2
m 0.38 ±0.06 0.36 ±0.05 57.6 ±9.3 70.8 ±13.0** 21.5±5.0 21.8±3.1
ÏVA 0.26 ±0.04 0.26 ±0.02 50.2 ±12.7 63.0 ±12.3 13.0 ±2.9 16.4 ±4.0
IVB 0.23 ±0.04 0.23 ±0.02 58.8 ±13.4 70.8 ±7.3 13.9 ±5.1 16.1 ±2.1
V 0.14 ±0.02 0.13 ±0.02 39.6 ±8.9 48.4 ±8.1 5.7 ±1.2 6.5 ± 1.6
VIA 0.32 ±0.06 0.31 ±0.07 54.1 ±9.4 65.3 ±8.3 17. 1±2.2 20.2 ±6.2
VIB 0.11 ±0.03 0.12 ±0.03 24.7 ±4.8 23.7 ±3.7 2.7 ±0.6 2.8 ±0.8
I-VI 1.75 ±0.11 1.69±0.1 47.1 ±8.2 57.1 ±8.4*** 82.0 ±9.6 96.6 ± 16.6
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies * p < 0.05** p < 0.01 *** p < 0.001
NOMBRE DE NEURONES PAR MM 3 DE CORTEX VISUEL
Lames Moyennes et écarts-types AN O VA
* p <0.05, ** p <0.01, *** p <0.001
FIGURE 7
89
neurones et les paramètres macroscopiques des sections précédentes. Ces
différences entre portées dépendent donc de facteurs autres que le sexe ou la
richesse de l'environnement après sevrage. Elles peuvent être soit
génétiques, soit de nature familiale.
5- EPAISSEUR DU CORTEX VISUEL
Les valeurs moyennes de l'épaisseur totale de l'aire 17 et de chacune
des lames corticales sont données à la table 1 et à la figure 8. Le cortex visuel
de l'animal en milieu enrichi mesure 1,749 |im et celui de l'animal pauvre,
1,690 |im. L'aire 17 de l'animal enrichi est donc en moyenne 4% plus épaisse
que celle de l'animal pauvre. Quoique le pourcentage de différence est du
même ordre que celui qu'on retrouve chez des rats élevés dans des conditions
semblables (voir section 2.2.1 dans l'introduction), ici l'épaisseur corticale
n'est pas significativement différente (F(l,5)= 0.67; p>0.1). Il faut dire que
notre échantillonnage est moins grand que celui des études chez le rat.
Aucune différence significative d'épaisseur ne peut être démontrée pour
aucune des lames corticales, même si la plupart d'entre elles tendent à être
plus épaisses dans le cerveau enrichi. L'épaisseur totale de l'aire 17 montre
peu de variabilité entre les individus (coefficient de variation: 6%) pour
l'épaisseur totale de l'aire 17. L'épaisseur des lames est aussi relativement
uniforme, à l'exception de la lame VI où le coefficient de variation atteint
20%.
H n'y a aucune différence significative entre les 6 portées pour
l'épaisseur totale du cortex visuel (F(5,5)= 0.45; p>0.1) ni dans aucunes de ses
lames corticales. De plus, l'épaisseur de faire 17 des mâles n'est pas
Lames
I
II
III
IVA
IVB
V
VIA
VIB
I-VIB
EPAISSEUR DES LAMES
Moyennes et écarts-types ANOVA
100 |xm 200 (xm 300 pm 400 |xm
| Riches
Pauvres
1500 (im500 |im 1000 |xm
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
FIGURE 8
91
statistiquement différent de celui des femelles (1,701 pm et 1,737 pm
respectivement; F(l,10)= 0.33; p>0.1). Comme l'épaisseur n'est pas différente
ni entre les milieux ni entre les portées, il n'est pas surprenant que l'analyse
du coefficient de corrélation ne démontre aucune relation significative de
l'épaisseur corticale avec les données anatomiques analysées dans les
sections précédentes.
6- LE NOMBRE DE NEURONES SOUS 1 MM2 DE SURFACE CORTICALE
En multipliant le Nv des neurones avec l'épaisseur du cortex visuel, on
obtient le nombre de neurones sous 1 mm2 de surface corticale (Ne: nombre
par unité de "colonnes corticales"). Pour l'épaisseur totale de l'aire 17, il y a
environ 82,000 neurones sous 1 mm2 de surface de cortex enrichis et 96,600
neurones sous la même unité de surface de cortex pauvres (table 1 et figure
9). Cette différence de l'ordre de 15% est significative à un p<0.05 (F(l ,5)=
10.96). Dans les lames corticales, seule la lame II a un Ne de neurones
significativement plus petit dans le cortex des chats enrichis, mais les autres
lames ont la même tendance. Il est intéressant de noter que la proportion de
cellules dans les lames supragranulaires (I à III: 36%), granulaires (IV:
33%) et infragranulaires (V et VI: 31%) est semblable entre les 2 conditions
expérimentales. Cela suggère que chez l’animal enrichi, le plus petit Ne de
neurones pour l'épaisseur totale du cortex n'est pas restreint à un groupe
particulier de lames corticales. Cette suggestion n'est pas en accord avec les
études chez les rongeurs où ce sont les lames supragranulaires qui sont le
plus affectées par la richesse de l'environnement (voir section 2.2.1 dans
l'introduction).
Lames ANOVA
NOMBRE DE NEURONES SOUS 1 MM 2 DE SURFACE DU CORTEX VISUEL
Moyennes et écarts-types
I
II
III
IVA
IVB
V
VLA
VIB
I-VIB
5,000 10,000 15,000 20,000
I Riches
Pauvres
20,000 100,00040,000 60,000 80,000
* p < 0.05, ** p <0.01, *** p <0.001
*
*
FIGURE 9
93
Pour le Ne de l'ensemble du cortex il y a une différence significative
entre les portées (F(5,5)= 5.31; p<0.05). Une telle différence ne peut cependant
pas être prouvée statistiquement pour aucune des lames corticales. Aucune
différence significative mâle-femelle n'apparaît dans le Ne des neurones
pour l'épaisseur totale du cortex (F(l,10)= 0.78; p>0.1), ni pour aucune des
lames de l'aire 17. Il n'y a aucune corrélation significative entre Ne des
neurones et les autres paramètres discutés auparavant. Comme pour le Nv
des neurones, il faut donc penser que les différences du Ne entre les portées
dépendent de facteurs autres que le sexe ou que la richesse de
l'environnement après sevrage. Elles peuvent donc dépendre de facteurs
génétiques ou familiaux.
7- SURFACE MOYENNE DES PROFILS DES NOYAUX NEURONAUX DE
L’AIRE 17
La table 2 et la figure 10 présentent la surface moyenne des profils des
noyaux neuronaux dans chaque lame corticale pour les 2 conditions
expérimentales. Pour l'ensemble du cortex, cette aire est de 70.07 gm2 chez
l'animal enrichi et de 63.89 |im2 chez le pauvre. Cette différence de 10% est
très significative (F(l,5)= 19.04; p<0.01). Cette augmentation dans le milieu
riche confirme les données obtenues chez les rats (voir section 2.2.1 dans
l'introduction). La moyenne des surfaces des noyaux est aussi plus élevée
dans la plupart des lames corticales des chats élevés en milieu riche (de la
lame II à la lame V: pcO.05 à p<0.01). Les données obtenues pour les autres
lames suivent la même tendance. D'après la figure 10, on remarque que la
surface des noyaux est légèrement plus petite dans les lames I, IV et VIB
TABLE 2
Surface des profils des noyaux des neurones (pm2) Moyenne ± écart type
n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
LAMES RICHES PAUVRES
I 63.56 ±11.79 60.42 ± 3.98
II 80.36 ± 9.02 70.77 ± 5.97 *
III 74.01 ± 6.92 68.31 ± 6.38 **
IVA 63.30 ± 7.05 57.41 ± 5.03 *
IVB 60.93 ± 6.36 54.41 ±4.12 **
V 69.67 ± 9.28 63.57 ± 7.61 **
VIA 73.61 ± 7.33 68.47 ± 4.43
VIS 66.08 ±11.49 59.59 ± 5.71
I-VIB 70.07 ± 7.09 63.89 ± 4.80 **
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies
* p < 0.05** p < 0.01* * * p < 0.001
Lames
I
II
III
IVA
rvB
V
VIA
VIB
I-VIB
SURFACE DES PROFILS DES NOYAUX
Moyennes et écarts-types ANOVA
20 pm
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
1 260 pm 80 pm'
*
**
**
FIGURE 10
96
que dans les autres lames.
H y a aussi des différences significatives de surface des noyaux entre
les différentes portées pour l'épaisseur totale du cortex (F(5,5)= 11.16; pcO.Ol)
et pour les lames III (pcO.Ol), IV et V (p<0.05). La surface moyenne des
noyaux des neurones est presqu identique pour les mâles et les femelles. Il
existe par ailleurs une corrélation positive entre la surface des noyaux et
l'épaisseur de l'aire 17 (r= 0.64; p<0.05). Plus la surface des noyaux est
grande, plus le Nv des neurones est petit. Une autre corrélation statistique
peut être faite mais cette fois-ci négative, entre l'aire moyenne des noyaux et
le Nv des neurones (r= -0.79; p<0.01). Nous suggérons dans la discussion que
chez l'enrichi de plus gros noyaux réflètent des arbres dendritiques plus
étendus et que cela explique la chute du Nv des neurones.
8-DENSITE NUMERIQUE DES SYNAPSES.
8.1- Synapses à vésicules rondes
Pour l'ensemble du cortex, la densité numérique des synapses à
vésicules rondes est de l'ordre de 246 millions par mm3 chez l'animal
enrichi et de 255 millions par mm3 chez le pauvre (table 3 et figure 11). Cette
petite différence de 4% n'est pas significative (F(l,5)= 4.10; p>0.05). De plus,
aucune lame corticale ne présente de différence significative entre les deux
conditions expérimentales. Chez le rat, Turner et Greenough ont trouvé des
résultats similaires. Il semble donc que l'environnement n'a que très peu
d'influence sur la densité numérique des synapses à vésicules rondes. Les
données de la présente étude appuient aussi le fait que nous n'avions pas
trouvé de différences interindividuelles pour ce type de contacts dans l'étude
97
précédente (Annexe 1). Dans chacune des deux conditions expérimentales, le
Nv des synapses à vésicules rondes décroît de la lame I à la lame IVA,
augmente en IVB pour décroître de nouveau jusqu'à la lame VIB. Le plus
grand Nv dans les lames supérieures peut provenir en partie du fait que
dans ces lames la quantité de myéline est moins importante que dans les
autres lames corticales. La diminution progressive du Nv de la lame V
jusqu'à la lame VIB proviendrait de l'augmentation progressive de la
quantité de myéline due à la fusion graduelle de ces lames avec la matière
blanche. Le coefficient de variation demeure relativement petit dans toutes
les lames corticales (moyenne de 11% dans le riche et dans le pauvre) et pour
l'ensemble de l'aire 17 (5% dans le riche et 2% dans le pauvre).
Aucune différence entre les portées n'est démontrée statistiquement
pour la densité des synapses à vésicules rondes ni dans l'ensemble du cortex,
ni dans aucune des lames corticales. Si l'on compile le Nv des synapses à
vésicules rondes par sexe, les femelles ont une densité numérique moyenne
de l'ordre de 247 millions de synapses par mm3 de tissu et les mâles ont un
Nv de 253 millions par mm3 de tissu. Cette petite différence de 2% n'est pas
significative (F(l,10)= 1.38; p>0.1). Aucune corrélation significative ne peut
être faite entre le Nv des synapses à vésicules rondes et le poids de
l'encéphale, les dimensions de l'encéphale, l'épaisseur corticale et enfin
avec la densité numérique des neurones.
8.2- Synapses à vésicules aplaties
Le Nv moyen des synapses à vésicules aplaties est présenté à la table 3
et à la figure 12 pour chacune des deux conditions environnementales
98
étudiées. La première constation vraiment frappante est la grande différence
dans le Nv des synapses à vésicules aplaties entre les deux conditions
expérimentales. Pour l'ensemble du cortex, la densité numérique de ces
synapses est de l'ordre de 41 millions par mm3 de tissu chez l'animal enrichi
et de 75 millions chez le pauvre. L'ensemble de l'aire visuelle de l'animal
enrichi a donc en moyenne une densité numérique de synapses à vésicules
aplaties 45% plus petite que chez l'animal pauvre; le Nv de ce type de
synapses chez le pauvre est donc presque deux fois plus élevé que chez le
riche. Cette grande différence est extrêmement significative (F(l,5)= 805.81;
pcO.OOl). Dans toutes les lames corticales, sauf VIB, le Nv est
significativement plus bas chez l'animal enrichi. Les différences entre les 2
conditions varient de 30% à la lame VLB à 50% à la lame I. Dans chacune des
deux conditions d'élevage étudiées, le Nv des synapses à vésicules aplaties
varie à peu près de la même manière d'une lame corticale à l'autre. Il est
bas dans la lame I, il augmente en II et demeure à peu près le même jusqu'à
la lame LVB. Il décroît quelque peu dans la lame V, demeure relativement
stable en VIA, pour ensuite diminuer légèrement dans la lame VIB. Cette
distribution est très semblable à celle des synapses à vésicules rondes. Il est
intéressant de noter que le coefficient de variation pour l'ensemble du cortex
est de 7% chez le pauvre et de 11% chez l'enrichi. Cela signifie que
l'écart-type du Nv des synapses à vésicules aplaties est considérablement
réduit chez les six animaux des deux milieux si on le compare à l'étude
précédente où le coefficient de variation pour l'ensemble du cortex visuel était
de 30% de la moyenne dans la région binoculaire (voir annexe 1). Dans les
lames corticales, on observe aussi cette diminution du coefficient de
TABLE 3
Densité numérique des synapses (xlO ) Moyenne ± écart type
n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
Lames Vésicules rondes Vésicules aplaties
Riches Pauvres Riches Pauvres
I 326 ± 24 343 ± 36 31 ±8 63+ 17 **
II 291 ± 16 305 ± 36 51 ± 12 94 ± 20 **
III 286 ± 27 271 ± 17 49 ± 7 93 ±9 ***
IVA 215 ± 16 253 ± 37 42+ 10 80 + 19 **
IVB 246 ± 31 278 ±6 50 ±9 91± 17 ***
V 238 ± 46 242 ± 20 34 + 9 63 ± 14 **
VIA 217 + 39 210 ± 34 37 + 9 60 ±8 **
VIB 119 ± 11 115 ±23 19 + 10 27 + 6
I-VIB 246 ± 12 255 ± 5 41 + 4 75 + 5 * * *
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies
* p < 0.05** p < 0.01* * * p < 0.001
NOMBRE DE SYNAPSES A VESICULES RONDES PAR MM 3 DE CORTEX VISUEL
Lames Moyennes et écarts-types ANOVA
I
II
III
rvA
rvB
v
VIA
VIB
I-VIBRiches
Pauvres
100,000,000 400,000,000200,000,000 300,000,000
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
FIGURE 11
Lames ANOVA
I
II
III
IVA
IVB
V
VIA
VIB
I-VIB
NOMBRE DE SYNAPSES A VESICULES APLATIES PAR MM3 DE CORTEX VISUEL
Moyennes et écarts-types
**
**
«KH»
**
1--------------------- 1----------- ---------- ---------------------- 125,000,000 50,000,000 75,000,000 100,000,000
* p <0.05, ** p <0.01, *** p <0.001
FIGURE 12
102
variation. Ainsi, dans la présente étude la moyenne des coefficients de
variation dans les lames est de l'ordre de 23% chez l'enrichi et de 20% chez le
pauvre. Dans notre étude précédente, la moyenne des coefficients dans les
lames de la région binoculaire était de l'ordre de 35%.
Pour l'ensemble du cortex, une différence significative de la densité des
synapses à vésicules aplaties entre les 6 portées peut être démontrée (F(5,5)=
9.32; p<0.05). Il n'y a pas cependant de différence significative dans le Nv des
synapses à vésicules aplaties entre les animaux femelles (57 millions par
mm3) et les animaux mâles (59 millions par mm3; F(l,10)= 0.3; p>0.1). On
peut donc suggérer que cette différence entre les portées est de nature
génétique ou familiale. Des corrélations négatives existent entre le Nv des
synapses à vésicules aplaties d'une part et le poids de l'encéphale (r= -0.62;
p<0.05) et la surface corticale (r= -0.65; p<0.01) d'autre part. Plus le Nv des
synapses à vésicules aplaties est élevé, plus le poids et la surface corticale
sont petits. Ces corrélations se comprennent facilement puisque tous ces
paramètres sont affectés par la richesse de l'environnement.
8.3- Proportion des synapses à vésicules aplaties
La proportion de synapses à vésicules aplaties par rapport à toutes les
synapses identifiées (somme des synapses à vésicules rondes et à vésicules
aplaties) est présentée pour les deux conditions expérimentales à la figure
13. Pour l'ensemble du cortex, la proportion de synapses à vésicules aplaties
se situe à 14% du total chez le chat enrichi et à 23% chez le pauvre. Cette
différence dans la proportion des synapses à vésicules aplaties entre les deux
milieux étudiés est extrêmement significative (F(l,5)= 302.14; pcO.001). Ceci
103
n'est pas surprenant puisque ce rapport provient du Nv des synapses à
vésicules aplaties qui change considérablement entre les deux milieux et du
Nv des synapses à vésicules rondes qui ne changent pas. Dans chaque lame
corticale, la proportion des synapses à vésicules aplaties est toujours plus
basse dans le milieu riche. D'après la figure 13, on note que la proportion des
synapses à vésicules aplaties entre les différentes lames corticales suit à peu
près la même distribution dans les deux conditions d'élevage. La proportion
des synapses à vésicules aplaties est basse dans la lame I, augmente et
demeure relativement stable de la lame II à la lame VI. On peut noter
cependant que cette proportion semble légèrement plus élevée dans la lame
IV. Comme pour le Nv des synapses à vésicules aplaties, le coefficient de
variation de la proportion de ce type de synapses pour l'ensemble de toutes les
lames est de 9% chez l'animal enrichi et de 5% chez le pauvre. Dans les
lames corticales, le coefficient de variation est plus élevé (moyenne de 24%
chez l'enrichi et de 17% chez le pauvre). On peut associer cette plus grande
variation au niveau laminaire au fait que pour chaque lame,
l'échantillonnage des synapses à vésicules aplaties n’était pas très
considérable (environ 30 à 40 synapses par lame par individu).
Aucune différence statistique du pourcentage de synapses à vésicules
aplaties n'a pu être démontrée entre les six portées pour l'ensemble du
cortex, ni dans aucune des lames corticales. De plus, il n'y a pas de
différence significative dans la proportion de synapses à vésicules aplaties
entre les animaux femelles (18%) et les animaux mâles (19%). De même que
pour le NV de ce type de synapse, des corrélations négatives existent entre la
proportion de synapses à vésicules aplaties d'une part et le poids de
POURCENTAGE DE SYNAPSES A VESICULES APLATIES
Lames Moyennes et écarts-types ANOVA
I
II
III
IVA
rvB
v
VLA
VIB
I-VIBRiches
Pauvres
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
FIGURE 13
105
l'encéphale (r= -0.62; p<0.05) et la surface corticale (r= -0.82; p<0.01) d'autre
part.
9- NOMBRE DE SYNAPSES PAR NEURONE
Un changement ou une absence de changement dans le Nv des
synapses est difficile à interpréter physiologiquement surtout quand les
dimensions corticales et le Nv des neurones sont également modifiés. Le
nombre total de chaque type de synapses change-t-il dans l'ensemble de l'aire
17? Nous ne pouvons répondre à cette première question puisque nous
n'avons pas de mesure de la superficie de l'aire 17 chez nos chats pauvres et
enrichis. Une telle mesure est difficile à obtenir chez le chat pour les raisons
suivantes. Les limites exactes entre l'aire 17 et les autres aires
environnantes sont relativement faciles à déterminer sur des sections
histologiques coupées perpendiculairement à la pie-mère. Cependant, sur
des sections histologiques obliques par rapport à la pie-mère, les limites de
l'aire 17 sont dans certains cas impossibles à déterminer. Puisque l'aire
visuelle présente des courbures, il est impossible de faire des coupes qui
soient toujours perpendiculaires à la pie-mère et par conséquent il s’avère
difficile de faire une estimation valable de la surface de l'aire 17 du chat. Il
est à noter que chez le singe, l'estimation de la surface du cortex visuel peut
être faite puisqu'il est possible de déterminer les limites de l'aire 17 même
sur sections histologiques obliques (voir O'Kusky et Colonnier '82). Puisqu'il
est impossible de connaître le nombre de synapses dans l’ensemble de l'aire
17, on peut se demander en deuxième lieu si le nombre de synapses par
neurone est modifié et dans quel sens. Nous pouvons répondre à cette
106
deuxième question, nous n'avons qu'à calculer le nombre de synapses par
neurone en divisant le Nv des synapses par le Nv des neurones.
9.1- Synapses à vésicules rondes
Pour l'ensemble du cortex, le nombre de synapses à vésicules rondes
par neurone (table 4 et figure 14) est 18% plus élevé chez le chat enrichi
(5,345) que chez le pauvre (4,540). Cette différence est très significative
(F(l,5)= 19.51; p<0.01). Ce résultat se comprend facilement puisque le Nv de
ce type de synapses ne change pas entre les deux milieux et qu'il y a une
chute du Nv des neurones chez l'enrichi. Même si toutes les lames
corticales, sauf VIB, présentent ce plus grand nombre de synapses à
vésicules rondes par neurone, les différences ne sont significatives que dans
les lames III (p<0.01) et VIA (p<0.05). Un élevage dans un milieu riche ne
change pas la densité des synapses à vésicules rondes mais augmente leur
nombre par neurone. Il est intéressant de constater que Turner et
Greenough ('85) sont arrivés aux mêmes résultats chez le rat.
Pour un milieu donné, ce rapport synapses/ neurone varie beaucoup d’une
lame à l'autre. Il est très élevé à la lame I, décroît à la lame II, demeure
relativement constant de la II à la VIB, quoiqu'il soit un peu plus élevé en V
et un peu plus bas en VIA. Il est difficile d'interpréter ces résultats puisque
si l'on prend comme exemple la lame I, son grand nombre de synapses par
neurone ne veut pas dire que les neurones dont les corps cellulaires sont
situés dans cette lame reçoivent un plus grand nombre de contacts que ceux
des autres lames. La plupart des synapses de cette lame sont placées sur les
dendrites ascendants de cellules qui sont situées dans les lames inférieures.
107
Pour l'ensemble du cortex, il y a une différence significative du rapport
synapses à vésicules rondes par neurone entre les 6 portées de chats étudiés
(F(5,5)= 10.82; pcO.05). Malgré que le nombre de synapses à vésicules rondes
par neurone soit 10% plus élevé chez les femelles (5,184) que les mâles (4,701),
aucune différence statistique ne peut y être démontrée (F(l,10)= 0.98; p>0.1).
Il faut donc penser que les différences entre portées ne s'explique pas par des
différences entre les mâles et les femelles mais par des facteurs génétiques et
familiaux. Des corrélations significatives (p<0.01) existent entre le nombre
des synapses à vésicules rondes par neurone et le Nv des neurones (r= -0.96),
le Ne neuronal (r= -0.90) et l'aire des noyaux (r= 0.75). Les deux premières
corrélations s'expliquent facilement par le fait que le rapport
synapse/neurone et le Ne neuronal s'obtiennent à partir du Nv des neurones.
Quant à la Sème corrélation, on a déjà dit que la grosseur des noyaux reflète
probablement l'étendue de l'arbre dendritique. Les arbres dendritiques plus
étendus reçoivent un plus grand nombre de synapses.
9.2- Synapses à vésicules aplaties
Chez l'animal enrichi, le fait qu'il y a à la fois un plus petit Nv de
synapses à vésicules aplaties et une chute du Nv des neurones pourrait
signifier que le nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone est le
même dans les 2 conditions. Ainsi, le petit Nv de ce type de synapses chez
l'enrichi pourrait être dû à une dilution d'un nombre identique de ces
contacts sur de plus grands arbres dendritiques. Le calcul du nombre de
synapses à vésicules aplaties par neurone révèle toutefois que la diminution
108
du Nv n'est pas une simple dilution. Le nombre de synapses à vésicules
aplaties par neurone est également affecté. Bien sûr, la différence entre les
deux milieux est moins grande que pour le Nv, mais le chat enrichi a quand
même 34% moins de synapses à vésicules aplaties par neurone (table 4 et
figure 15) et cette différence est très significative (F(l,5)= 67.32; pcO.OOl). Le
coefficient de variation pour chacun des 2 milieux est de l'ordre de 12%. Ce
coefficient est beaucoup moins grand que celui trouvé dans l'étude
précédente (32% dans la région binoculaire) et supporte l'hypothèse que les
variations de l'étude précédente sont dues aux conditions du milieu.
Dans les lames corticales, les lames II, III, IVB et VIA ont un plus grand
nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone (différence de l'ordre de
35%; au moins p<0.05). Les différences dans les autres lames, qui vont dans
le même sens, ne peuvent être démontrées statistiquement. Les coefficients
de variation sont beaucoup plus élevés et atteignent quelquefois 53% (lame
VLB). Cela est probablement dû à l'échantillonnage plus petit dans les
différentes lames.
Il n'y a aucune différence significative ni entre les portées ni entre les
sexes dans le nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone. Il existe
cependant une corrélation statistique entre le nombre de synapse à vésicules
aplaties par neurone et le poids de l'encéphale (r= -0.62; p<0.05) et la surface
du cortex (r= -0.78; p<0.01). Ces corrélations ne sont pas surprenantes
puisque tous ces paramètres sont influencés par la richesse de
l'environnement.
TABLE 4
Nombre de synapses par neurone Moyenne ± écart type
n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
Lames Vésicules rondes Vésicules aplaties
Riches Pauvres Riches Pauvres
I 60,777 ±26,537 42,384 ± 17,511 5,810 ±3,115 7,408 ±2,756
II 5.116 ±807 4,524 ±578 887 ±254 1,392 ± 260 *
III 5,095 ±1,113 3,962 ±872 ** 863± 190 1,350 ± 299 **
IVA 4,442 ±817 4,127 ±964 884 ±278 1,334±514
IVB 4,727 ±1,913 3,962 ±416 992 ±228 1,286 ±159 *
V 6,169 ± 1,532 5,083 ±631 907 ±331 1,356 ±522
VIA 4,087 ±887 3,289 ± 767 * 690±165 936 ± 166 *
VIB 4,964 ± 1,077 4,964 ± 1,318 770 ±405 1,111 ± 164
I-VIB 5,345 ±876 4,540±640 ** 878 ±96 1,325±164 ***
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies
* p < 0.05* * p < 0.01 *** p <0.001
Lames
I
II
III
IVA
IVB
V
VIA
VIB
I-VIB
NOMBRE DE SYNAPSES A VESICULES RONDES PAR NEURONE
Moyennes et écarts-types ANOVA
61,000 + 27,000
42,000 ± 18,000
Riches
Pauvres
2,000 8,0006,0004,000
* p<0.05, ** p<0.01, *** p< 0.001
FIGURE 14
NOMBRE DE SYNAPSES A VESICULES APLATIES PAR NEURONE
Lames Moyennes et écarts-types ANOVA
5,800 ±3,100
7,400 ± 2,800
II
III
TVA
IVB
V
VIA
VIB
T VIB
1,000
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
1,500 2.000
FIGURE 15
112
10- LONGUEUR DES PROFILS DES CONTACTS SYNAPTIQUES
10.1- Synapses à vésicules rondes
Pour l'ensemble du cortex, la longueur moyenne des profils des
contacts des synapses à vésicules rondes est de l'ordre de 0.35 pm tant chez
l'animal enrichi que chez le pauvre (table 5 et figure 16). Il n'y a également
pas de différence significative dans la longueur moyenne de ce type de
synapses dans aucune des lames corticales. L'environnement n'a donc pas
ou peu d'influence sur la longueur des contacts synaptiques des synapses à
vésicules rondes. Il y a une très grande similarité dans la longueur de ce
type de contacts entre les différentes lames corticales. Il y a peu de variabilité
entre les portées étudiées (coefficient de variation de 5% pour le total et de
moins de 10% dans les lames corticales individuelles) et aucune différence ni
entre les portées, ni entre les mâles et les femelles n'est démontrée
statistiquement.
10.2- Synapses à vésicules aplaties
Contrairement à la longueur moyenne des profils des contacts des
synapses à vésicules rondes, celle des synapses à vésicules aplaties est 25%
plus longue (F(l,5)= 132.78; p<0.001) chez l'animal enrichi (0.31 pm) que chez
l'animal pauvre (0.25 pm; table 5 et figure 17). Cette différence significative
s'observe aussi dans chaque lame corticale (de p<0.05 à p<0.001).
L'environnement a donc une influence importante sur la longueur des
synapses à vésicules aplaties. Puisque la longueur de ce type de synapses est
augmentée chez l'animal enrichi et que leur nombre est plus bas, on peut se
TABLE 5
Longueur des profils des contacts synaptiques (xlO pm) Moyenne ± écart type
n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
Lames Vésicules rondes Vésicules aplaties
Riches Pauvres Riches Pauvres
I 368 ± 09 367 ± 24 302 ± 29 250 ± 24 *
II 374 ± 21 368 ± 31 312 ±23 242 ± 29 * *
III 359 ± 14 368 ± 22 323 ± 22 249 ± 20 * * *
IVA 342 ± 13 341 ± 25 311 ± 10 253 ± 19 * * *
IVB 329 ± 11 331 ± 16 305 ± 13 258 ± 29 *
V 337 ± 18 342 ± 22 334 ± 23 263 ± 20 * *
VIA 337 ± 27 344 ± 20 308 ± 23 256 ± 27 *
VIB 353 ± 29 344 ± 24 309 ± 40 249 ± 30 * *
I-VIB 353 ± 13 355 ± 20 314 ± 10 252 ± 20 * * *
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies
* p < 0.05** p < 0.01 *** p <0.001
LONGUEUR DES PROFILS DE SYNAPSES A VESICULES RONDES
Lames Moyennes et écarts-types ANOVA
IVA4
IVB
V
VIA
VIB
I-VIB
4
% Riches
Pauvres —i
0.100 pm 0.200 pm 0.300 pm 0.400 pm
* p < 0.05, ** p <0.01, *** p <0.001
FIGURE 16
LONGUEUR DES PROFILS DE SYNAPSES A VESICULES APLATIES
Lames Moyennes et écarts-types ANOVA
II
III
IVA
rvB
v
VLA
VIS
I-VIB
*
**
***
*
**
**
***
0.100 |im 0.200 (xm
* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001
0.300 pm
FIGURE 17
116
demander si la surface occupée par les contacts synaptiques sur un neurone,
est différente entre les 2 conditions expérimentales. Nous traiterons de cette
question à la section suivante.
Pour un milieu d'élevage donné, la longueur moyenne des profils des
contacts des synapses à vésicules aplaties demeure relativement stable d'une
lame à l'autre. Il n'y a de plus, aucune difference significative entre les six
portées étudiées. Cependant, une différence très significative est démontrée
entre les longueurs des synapses à vésicules aplaties des animaux mâles et
des animaux femelles (0.28 et 0.36 pm respectivement; F(l,10)= 20.58; p<0.01).
Le coefficient de corrélation est significatif entre la longueur des contacts des
synapses à vésicules aplaties d'une part et le poids de l'encéphale (r= 0.69;
p<0.05) et la surface corticale (r= 0.75; p<0.01) d'autre part. Cela n’est pas
surprenant puisque tous ces paramètres sont affectées par la richesse de
l'environnement.
11- SURFACE TOTALE DES CONTACTS SYNAPTIQUES PAR NEURONE
A partir de la mesure de la longueur, nous avons calculé la surface des
contacts synaptiques en assumant que la synapse fait un contact circulaire.
Cette estimation de la surface des contacts a été multipliée par le nombre de
synapses par neurone pour nous donner la surface totale des contacts
synaptiques par neurone. Si l'on assume que les récepteurs sont distribués
également sur la membrane postsynaptique, cette mesure pourrait être une
bonne estimation de la quantité de récepteurs sur la membrane
postsynaptique du neurone cible.
117
11.1- Synapses à vésicules rondes
Pour l'épaisseur totale du cortex, la surface totale des contacts par
neurone faits par des synapses à vésicules rondes est 16% plus élevée chez
l'animal enrichi (528 jim2) que chez le pauvre (454 jim2; table 6). Cette
différence est significative (F(l,5)= 15.41; p<0.05). Ce résultat est facile à
comprendre puisque la surface moyenne des contacts ne change pas entre
les 2 milieux mais que le nombre de synapses à vésicules rondes par neurone
augmente dans le milieu riche. Quant aux lames corticales, seule la lame
III de l'animal enrichi démontre une différence significative entre les deux
milieux. Dans chacune des autres lames, les différences ne sont pas
significatives, mais on observe quand même que ce paramètre est plus grand
chez l'enrichi.
Il n'y a aucune différence entre les portées ou entre les sexes pour ce
paramètre. De plus, il est impossible de démontrer une corrélation
significative entre cette mesure de la surface des contacts et les données
anatomiques décrites dans les sections 1 à 7.
11.2- Synapses à vésicules aplaties
On se rappelle que le Nv des synapses à vésicules aplaties est
considérablement plus élevé chez l'animal pauvre. Par contre la longueur de
ce type de contact y est plus petite. On peut se demander si la superficie
couverte par les contacts de synapses à vésicules aplaties par neurone n'était
pas la même dans les 2 conditions expérimentales. Si l'on fait les calculs, on
s'aperçoit que pour l'épaisseur totale du cortex, la surface occupée par les
contacts synaptiques n'est pas différente entre l'animal enrichi (68 jim2) et
TABLE 6
Surface des contacts synaptiques par neurone (pm 2) Moyenne ± écart type
n = 6 chats enrichis et 6 pauvres
Lames Vésicules rondes Vésicules aplaties
Riches Pauvres Riches Pauvres
I 6,491 + 2,799 4.634 1 2320 426+257 3681153
II 5641112 4891134 66113 65+21
III 521+148 4261129 * 71120 66120
IVA 413 ± 101 3831130 67121 67+27
rvB 4071183 341151 68119 68+15
V 555+165 4731114 78+23 73 128
VIA 363+80 309+87 50+7 49114
VIB 490+144 455 +99 55+20 54+7
I-VIB 5281114 4541109 * 68 + 10 67 + 14
p a été calculé avec un test ANOVA à deux voies
* p < 0.05** p < 0.01 *** p < 0.001
119
pauvre (67 (im2; table 6). On n'observe également aucune différence
significative dans les lames corticales. Donc la richesse de l'environnement
affecte à la fois la longueur et le nombre de synapses à vésicules aplaties
mais n’altèrent pas la quantité de surface occupée par ce type de contacts sur
un neurone. Il n'y a de plus, aucune différence significative ni entre les
portées ni entre les sexes dans la surface des contacts de ce type de synapses
par neurone.
12- PROPORTION DE SYNAPSES SUR EPINES, DENDRITES ET SOMAS
Le pourcentage des synapses à vésicules rondes et à vésicules aplaties
sur les différents éléments postsynaptiques a été obtenu à partir des synapses
dont l'élément postsynaptique a pu être identifié. Dans certaines catégories
cependant, l'élément postsynaptique n'a pu être identifié dans 8% des cas.
Pour estimer le Nv pour toutes les catégories, nous avons réparti ce montant
d’inconnus proportionnellement aux pourcentages de synapses qui ont pu
être identifiées. Ainsi, le Nv des synapses sur épines, troncs dendritiques ou
somas dans la section qui suit a été obtenu en multipliant le pourcentage
obtenu dans chaque catégorie d'éléments postsynaptiques par le Nv du type
de synapses qui comprenait les inconnus.
12.1- Synapses à vésicules rondes
Les proportions des synapses à vésicules rondes et à vésicules aplaties
sur les épines, les troncs dendritiques et les corps cellulaires sont présentées
aux tables 7 et 8 pour les deux conditions expérimentales. La proportion des
synapses à vésicules rondes sur les épines est de l'ordre de 75%; 25% sont sur
TABLE 7
Proportion des synapses à vésicules rondes sur épines, dendrites et somas
LAMES EPINES DENDRITES SOMAS
Riches Pauvres Riches Pauvres Riches Pauvres
I 84.5 88.0 15.1 12.0 < 1 0
II 82.9 80.7 16.7 19.2 < 1 < 1
III 80.8 75.6 18.7 23.9 < 1 < 1
IVA 59.9 51.0 40.1 48.2 < 1 1
IVB 56.3 57.1 43.2 42.0 1 1
V 73.5 72.8 26.1 26.9 < 1 < 1
VIA 80.5 82.9 19.2 17.1 < 1 0
VIS 68.0 78.3 32.0 21.7 0 0
I-VIB 75.1 72.2 24.5 27.4 < 1 < 1
TABLE 8
Proportion des synapses à vésicules aplaties sur épines, dendrites et somas
LAMES EPINES DENDRITES SOMAS
Riches Pauvres Riches Pauvres Riches Pauvres
I 33.6 25.1 65.4 74.4 01.0 0.5
II 21.6 21.6 60.2 63.0 18.2 15.4
III 27.5 22.2 58.5 64.2 14.0 13.6
IVA 29.7 30.8 55.4 60.0 14.9 09.2
IVB 23.0 29.0 59.4 60.8 17.6 10.2
V 21.2 20.5 65.3 68.3 13.5 11.2
VIA 18.0 20.5 72.1 71.3 09.9 08.2
VIS 19.4 17.6 76.8 80.5 03.8 01.9
I-VIB 25.0 24.0 61.7 65.9 13.3 10.1
122
les dendrites et moins de 1% sur les corps cellulaires. Pour l'ensemble du
cortex, les animaux en milieux riche et pauvre auraient un NV de synapses à
vésicules rondes sur les épines de l'ordre de 185 millions par mm3. La
densité des synapses à vésicules rondes sur les troncs dendritiques est
environ 14% plus petite (sans être significative) chez l'enrichi (60 millions
par mm3) que chez le pauvre (70 millions par mm3). De plus, il y a seulement
environ 1 million de synapses à vésicules rondes par mm3 qui font contacts
sur les corps cellulaires dans l'aire visuelle des animaux pauvres ou
enrichis. Le nombre sur les corps cellulaires est très petit, mais puisque ces
contacts à toutes fins pratiques n'existent pas sur les cellules pyramidales et
forment seulement une portion des contacts axo-somatiques des cellules
étoilées, ce chiffre semble raisonnable.
Pour une lame corticale donnée, les proportions des synapses à
vésicules rondes sur les différents éléments postsynaptiques demeurent
relativement constantes dans les deux conditions expérimentales. Entre les
lames corticales, on peut observer cependant une diminution de la
proportion des synapses à vésicules rondes sur les épines dans les lames IV
(51 à 60%) et une augmentation correspondante des contacts sur les troncs
dendritiques (40 à 48%).
12.2- Synapses à vésicules aplaties
Pour l'ensemble des lames corticales de l'animal enrichi, on retrouve
25% de synapses à vésicules aplaties sur les épines, 62% sur les dendrites et
13% sur les corps cellulaires. Chez l'animal pauvre même si l'on a observé
un plus grand Nv des synapses à vésicules aplaties, la proportion sur les
123
différents éléments postsynaptiques est semblable dans les deux milieux.
Ainsi chez le pauvre, 24% des contacts se font sur les épines, 66% sur les
dendrites et 10% sur les somas. Puisque le Nv de l’ensemble des synapses à
vésicules aplaties est beaucoup plus petit chez l’animal enrichi que chez le
pauvre, une proportion équivalente ne représente pas un Nv identique. Le Nv
des synapses à vésicules aplaties sur épines est 44% plus petit (p<0.001) chez
l’animal enrichi (10 millions par mm3) que chez le pauvre (18 millions par
mm3). De même, la densité numérique des synapses à vésicules aplaties sur
dendrites est 49% plus petite (pcO.OOl) chez l’animal enrichi (25 millions par
mm3) que chez le pauvre (49 millions par mm3). Le Nv des contacts
axo-somatiques est en moyenne 29% plus petit (non significatif) chez
l'animal enrichi (5 millions par mm3) que chez l'animal pauvre (7 millions
par mm3). Les différences du Nv des synapses à vésicules aplaties sont donc
attribuables aux synapses axo-épineuses et aux synapses axo-dendritiques.
Quant aux contacts sur les somas, il est difficile de conclure s'ils sont
affectés par le milieu. Il y a une assez grande différence dans le Nv de ce type
de synapses entre les 2 milieux, ce qui laisse supposer qu'il est affecté
comme les autres. Par contre, nous n'avons pas démontré la différence de
29% de façon significative. Cela est présumément du aux nombre
relativement petit de synapses dans cette catégorie: nous avons échantillonné
environ une trentaine de synapses par individu.
Les différentes proportions des synapses à vésicules aplaties sur les
épines, les dendrites et les corps cellulaires ne changent pas beaucoup entre
les lames. Contrairement aux synapses à vésicules rondes, la proportion des
contacts des synapses à vésicules aplaties sur épines et dendrites dans les
124
lames IV demeurent à peu près les mêmes que dans les lames adjacentes.
125
DISCUSSION
1- FACTEURS QUI INFLUENCENT LE POIDS CORPOREL AINSI QUE LE
POIDS ET LES DIMENSIONS DE L'ENCEPHALE: COMPARAISON
AVEC LE RAT
Ll- Effets de la richesse de l'envirormement
Les chats élevés dans un milieu riche sont 10% plus lourds que les
animaux d'un milieu pauvre. Ce résultat est différent de celui obtenu chez
des rats élevés dans des conditions semblables où ce sont les animaux
pauvres qui pèsent le plus. Cette différence peut s'expliquer de deux façons.
Le métabolisme du rat et sa façon de réagir à l'isolation ou à la vie en colonie
peuvent être très différents de ceux du chat. De plus, nos animaux ont été
élevés dans des milieux expérimentaux pendant 6 1/2 mois tandis que les
rats y sont habituellement maintenu pendant 30 jours. Il se pourrait qu'un
élevage différentiel plus long puisse entraîner même chez les rongeurs, des
effets semblables à ceux que nous avons trouvés chez le chat. Cette hypothèse
est basée sur les observations suivantes. Cummins et collaborateurs ('82) ont
démontré que des souris élevées dans un milieu pauvre pendant 30 jours,
pèsent plus que celles du milieu riche comme cela a déjà été décrit chez le
rat. Cependant, cette différence n'est plus significative après 80 jours
d’élevage différentiel. Après 100 jours, les souris du milieu riche pèsent plus
que celles du milieu pauvre. On peut se demander pourquoi un temps plus
long inverse l'effet de l'environnement sur le poids du corps. Nous avons
remarqué que lors de la perfusion, les animaux pauvres avaient une masse
de tissu adipeux beaucoup plus grande que celle des animaux enrichis. Ces
126
derniers avaient une musculature plus développée. On peut donc penser que
le peu d'activité physique des animaux pauvres qui vivent isolés dans une
cage, entraîne rapidement une augmentation du montant de tissu adipeux.
Au cours de la maturation, la musculature de l'animal pauvre se développe
très peu. Par contre, chez l'animal enrichi, il n'y aurait pas d'augmentation
rapide de la masse adipeuse puisque ces animaux font beaucoup d'exercice.
Cela expliquerait que les animaux enrichis pèsent moins au début. A long
terme cependant, la masse musculaire des animaux enrichis deviendrait
plus importante et ainsi leur corps serait plus lourd que celui des pauvres.
Le poids de l'encéphale des chats enrichis est plus élevé que celui des
pauvres et cela est en accord avec les données obtenues chez le rat. Chez ce
dernier, la plupart des études ont démontré une différence de l'ordre 1 à 5%.
Pour notre part, nous avons démontré une différence de 7%. Cette différence
est plus élevée que la limite supérieure des résultats obtenus chez le rat.
Deux facteurs peuvent expliquer cette différence. Le premier est le temps
plus long de l'élevage différentiel. Le second, c'est que puisque la période de
maturation du cerveau du chat est plus longue que celle du rat, il se pourrait
que le cortex cérébral du chat est plus sensible à l'effet de la richesse de
l'environnement. On peut se demander pourquoi le milieu riche entraîne
une augmentation dans le poids de l'encéphale. Il est remarquable à ce point
de vue que si l'on considère l’effet de la richesse de l'environnement sur le
rapport poids de l'encéphale/ poids du corps, il n'y a aucune différence
significative entre les 2 milieux. En plus, nous avons trouvé une corrélation
positive entre le poids de l'encéphale et le poids du corps. Comme le poids de
127
l'encéphale dans les différentes espèces de vertébrés est déterminé
principalement par le poids du corps (Jerison '76; '85), on peut penser que
l'augmentation du poids de l'encéphale dans le milieu riche résulte tout
simplement de l'augmentation du poids du corps. Le cerveau aurait besoin
plus de tissu pour interpréter les informations et commander une masse
musculaire plus importante. Cela explique bien les différences entre les
espèces de vertébrés où il y a plus de cellules musculaires et une surface plus
grande à commander. Cependant, pour des individus de la même espèce,
cette explication ne semble pas correcte puisqu'on sait que l'entraînement
physique n'entraîne pas d'augmentation du nombre de cellules musculaires
(McDonagh et Davis '84) et qu'on peut supposer qu'il n’y a pas
d'augmentation très importante de la surface somatique. Il faut plutôt
penser à une modification des circuits cérébraux, pour assurer un
comportement plus complexe et mieux adapté. Nous suggérons que la
modification de la masse corporelle reliée à l'activité physique de l'animal a
lieu en parallèle à cette complexification du cerveau, sans qu'il n’y ait
d'influence directe de ces deux effets l'un sur l’autre.
Dans notre étude, l'environnement affecte la surface des hémisphères
cérébraux. Chez le chat enrichi, l'augmentation de la surface du cortex
cérébral vient de l'augmentation et de la longueur et de la largeur des
hémisphères cérébraux. Les études faites chez le rat ont démontré que les
effets de la richesse de l'environnement sur la surface du cortex cérébral
viennent principalement de l'augmentation de la longueur des hémisphères;
il y a très peu d'effets de l'environnement sur la largeur cérébrale. Cela peut
s'expliquer par le fait que chez le rat, la croissance en largeur des
128
hémisphères cérébraux est déjà terminée au début de la période d'élevage en
milieu pauvre et enrichi. On peut donc penser que chez le chat, la croissance
en longueur et en largeur du cortex cérébral n'est pas complétée au moment
du sevrage, c'est à dire à l'âge de 6 semaines, et ainsi la richesse
de l’environnement peut affecter ces paramètres.
Dans la présente étude, il y une corrélation significative entre la surface
du cortex cérébral et le poids de l'encéphale. Comme l'épaisseur corticale est
semblable dans les deux conditions expérimentales, l'augmentation de la
surface dans le milieu riche, implique donc une augmentation du volume du
cortex cérébral. Ainsi, l'augmentation du poids de l'encéphale chez l'animal
enrichi est due, en partie, à l'augmentation du volume du cortex cérébral.
Comme la longueur rostro-caudale de l'encéphale n'est pas affectée, on doit
même conclure que l'augmentation du poids de tout l'encéphale est
principalement due à celle du cortex cérébral. D'ailleurs, c'est ce qui a été
démontré chez le rat où les structures sous-corticales de l'animal enrichi
sont moins lourdes que celles de l'animal pauvre.
L2- Différences selon les portées ou selon les sexes
Nous avons démontré dans cette étude des différences significative entre
les portées à la fois sur le poids du corps, sur le poids de l'encéphale et sur le
rapport poids de l'encéphale/ poids du corps. On ne peut conclure si ces
différences entre les portées sont de nature génétique et familiale puisque
dans notre expérience nous avons trouvé des différences entre les sexes qui
pourraient bien expliquer celles que l'on démontre entre les portées. Ainsi, le
corps et l'encéphale des animaux mâles est plus lourd que celui des
129
femelles. On sait que ce dimorphisme sexuel est également présent chez
l'humain (Blinkov et Glezer '68). H est intéressant de constater que chez nos
animaux le rapport poids de l'encéphale/ poids du corps est cependant plus
bas chez les mâles. Cette dernière différence a aussi été décrite chez
l'humain (Stratz '26 cité dans Blinkov et Glezer '68). L'interprétation de ces
données est difficile.
130
2- FACTEURS QUI INFLUENCENT LA DENSITE NUMERIQUE DES
NEURONES ET DES SYNAPSES: EXPLICATION DES DIFFERENCES
INTERINDIVIDUELLES
2.1- Effets de la richesse de l'environnement sur le Nv des neurones
Chez le chat, comme chez le rat (Bhide et Bedi '84a; '84b; Turner et
Greenough '85), un élevage en milieu enrichi entraîne une diminution du
nombre de neurones par unité volumétrique de tissu. On se rappelle que
nous avions déjà démontré dans une étude récente, une différence
interindividuelle dans le Nv des neurones dans différentes aires visuelles.
Puisque la richesse de l'environnement influence le Nv neuronal dans l'aire
17 du chat, nous suggérons que des différences dans la richesse de
l'environnement puissent entraîner des différences interindividuelles dans
le Nv des neurones telles que celles que nous avions démontrées dans l'étude
précédente.
Le plus petit Nv des neurones chez l'animal enrichi signifie que les
corps cellulaires sont plus séparés les uns des autres. Cette faible densité des
corps cellulaires peut être due soit à une diminution du nombre total de
neurones dans l'ensemble du cortex visuel, soit à une augmentation de la
masse de tissu cortical. On sait qu'il y a une augmentation de la grosseur de
l'arbre dendritique des neurones du cortex visuel chez des rats enrichis. Des
arbres dendritiques plus développés amènent une séparation plus grande
des corps cellulaires, ce qui occasionne un plus petit Nv de neurones chez
l'animal enrichi. Cette augmentation de la dimension de l'arbre dendritique
pourrait aussi expliquer l’augmentation de la grosseur des noyaux des
neurones observée chez l'animal enrichi. La grosseur du noyau réflèterait de
131
quelque façon, la grosseur du cytoplasme du neurone. Dans une étude sur le
développement du cortex visuel du singe, O'Kusky et Cotonnier ('82b) ont
démontré que les noyaux des neurones sont plus gros chez des animaux âgés
de 6 mois tandis qu'ils sont plus petits chez l'adulte et le nouveau-né. Selon
ces auteurs, cette augmentation de la grosseur des noyaux des neurones
chez le singe âgé de 6 mois est due à l'augmentation de l'étendue et de la
complexité de l'arbre dendritique des neurones. Dans l'étude de O’Kusky et
Cotonnier, il est intéressant de noter qu'il y a une relation entre la grosseur
des noyaux des neurones et le volume de tissu cortical. Il faut admettre
cependant qu'il est assez difficile de comprendre d'un point de vue
fonctionnel et moléculaire pourquoi il y a correspondance entre
l'augmentation du cytoplasme d'un neurone et celle de son noyau.
Selon la morphologie de l'arbre dendritique, il y a dans le cortex visuel
trois catégories principales de cellules, les pyramidales, les étoilées avec
épines et les étoilées avec peu ou pas d'épines. H semble d'après Ribak ('78)
que les cellules qui contiennent du G ADA (dont on sait l'importance
fonctionnelle dans le cortex visuel; voir introduction) appartiennent au type
étoilé avec peu ou pas d'épines. Il serait intéressant de savoir la part qui
revient à chacun de ces trois types de cellules dans l'accroissement total des
arbres dendritiques qui entraîne une chute du Nv des neurones chez
l'animal enrichi.
Même s'il y a une augmentation (non significative) de l'épaisseur du
cortex visuel chez les animaux enrichis, le nombre de neurones sous 1 mm2
de surface corticale demeure significativement plus petit chez l'animal
enrichi. Donc l'épaisseur ne compense pas pour le plus petit Nv. Cela
132
suggère deux choses, soit qu'il y a perte du nombre absolu de neurones dans
tout le volume du cortex visuel, soit qu'il y a augmentation de ce volume chez
l'animal enrichi. Cette dernière hypothèse est plus probable puisqu'il y a une
augmentation de la surface des hémisphères cérébraux. Chez l'animal
enrichi, l'augmentation de la surface du cortex visuel peut donc compenser
pour le petit Ne. H est impossible de faire des calculs satisfaisants quant aux
nombres absolus de neurones présents dans l'aire visuelle de ces animaux
puisque nous n'avons pas de mesures de la superficie du cortex visuel. De
plus, le pourcentage de différence calculé pour l'ensemble de la surface du
cortex cérébral n'est pas directement applicable au cortex visuel puisqu'on a
démontré chez le rat que les différentes aires cytoarchitecturales réagissent
différemment à un élevage différentiel. Comme chez le rat, c'est le cortex
visuel qui est le plus affecté, il est raisonnable de penser qu'il y a
augmentation du volume du cortex visuel et que le moins grand Nv
représente une dilution d'un nombre identique de neurone dans un volume
plus grand. Cette hypothèse a déjà été énoncée par Diamond et
collaborateurs ('66) à la différence que, selon ces auteurs, la plus faible
densité de neurones chez le rat enrichi est presque totalement compensée
par l'épaisseur de son cortex visuel. D'après nos données chez le chat, la
compensation se fait surtout par l'expansion de la surface du cortex. En
conclusion, on peut suggérer que le plus petit nombre de neurones par unité
volumétrique de tissu chez l'animal enrichi est le résultat d'une dispersion
d'un nombre semblable de neurones dans un volume plus grand, et qu'un
environnement riche en stimulation n’entraîne pas une mort cellulaire plus
marquée mais plutôt une expansion des arbres dendritiques et un plus
133
grand volume cortical.
On sait que le cortex visuel du chat est organisée en colonnes de
dominance oculaire et en colonnes d'orientation (Hubel et Wiesel '65). Ces
colonnes ont pu être démontrés anatomiquement par l'injection d'un traçeur
radioactif dans un oeil ou bien par la technique de déoxyglucose. Suite à
l'augmentation de la surface corticale chez l'animal enrichi, nous devrions
avoir une augmentation soit du nombre, soit de la largeur des colonnes de
dominance oculaire et des colonnes d'orientation. Il faut cependant admettre
qu’une telle démonstration anatomique serait très difficile à réaliser avec ces
techniques puisqu'on peut estimer que les colonnes seraient à peine 10 à 15%
plus larges ou plus nombreuses dans l'aire 17 de l'animal enrichi.
Dans les lames corticales, certaines études faites chez le rat ont indiqué
que l'épaisseur et le Nv neuronal des lames supragranulaires (I-II-III) sont
plus affectées par un élevage en milieu riche que ceux des autres lames.
Dans notre étude chez le chat, nous ne trouvons pas de différences plus
marquées pour l'une ou l'autre des lames individuelles ni pour des groupes
de lames corticales. Leur Nv et leur épaisseur sont affectées à peu près
également par un élevage différentiel. Chez le chat, la richesse de
l'environnement a donc un effet global sur le cortex visuel et n'est pas
restreinte à une portion spécifique de la lamination corticale.
2.1.1- Comparaison du nombre de neurones avec celui obtenu dans d'autres
études chez le chat
Peu d'auteurs ont calculé la densité numérique des neurones dans
l'épaisseur totale de faire 17 du chat (Beaulieu et Colonnier '83; Cragg '75).
134
Cragg a déterminé qu'il y a en moyenne 42,500 neurones par mm3 de tissu
en comptant les noyaux sur des sections congelées et en appliquant la
correction d’Abercrombie (’46). Beaulieu et Colonnier ont calculé pour la
région binoculaire de l'aire 17, un Nv des neurones de l'ordre 48,000 par
mm3 sur des sections semifines en employant une méthode stéréologique.
Dans la présente étude, nous avons calculé un Nv de 47,000 neurones par
mm3 chez les animaux enrichis et de 57,000 par mm3 chez les chats pauvres
avec la même méthodologie que celle que nous avons employée
précédemment. La différence entre les résultats de Cragg et de ceux de
Beaulieu et Colonnier est relativement petite puisque ces chiffres ont été
calculé en utilisant 2 méthodes différentes, sur différents types de
préparation et dans 2 laboratoires différents. Dans l'étude de '83, nous
n'avions pas contrôlé les conditions d'élevage. Cependant les résultats se
rapprochent du Nv moyen des animaux enrichis obtenus dans la présente
étude. On peut proposer à ce stade-ci de l'étude que la plupart des chats
utilisés dans le travail de '83 ont été élevés dans des environnements
relativement riche en stimulations diverses. Il serait surprenant en effet
qu'ils aient été élevés dans des conditions d'isolation comme celles de nos
animaux pauvres.
Rockell et collaborateurs ('80) ont trouvé une moyenne de 109.8 neurones
sous 30 x 25 pm de surface corticale dans le cortex visuel du chat. Ce chiffre
a été calculé sur des coupes de tissu enrobé à la paraffine. Il correspond à un
Ne de 146,400 neurones. Dans notre étude de '83, nous avons trouvé un Ne de
78,000 neurones pour la région binoculaire et de 62,000 neurones pour la
région monoculaire. Nous estimons que la grande différence entre les
135
chiffres absolus obtenus dans l'étude de Rockell et collaborateurs et dans la
nôtre pouvait provenir du fait que nous avons fait des corrections pour le
rétrécissement du tissu tandis que Rockell et collaborateurs ont donné des
chiffres bruts. Dans la présente étude, nous avons trouvé un Ne de l'ordre de
82,000 chez l'enrichi et de 97,000 chez le pauvre. Le Ne de l'animal enrichi se
rapproche sensiblement de celui calculé dans notre étude précédente. Encore
une fois, nous pouvons donc penser que les animaux utilisés dans l'étude de
'83 provenaient principalement de milieux relativement riches en
stimulations.
Rockell et collaborateurs affirment que le nombre de neurones sous une
unité de surface corticale est le même dans six aires cytoarchitecturales chez
cinq espèces (excepté dans l'aire 17 des primates). Ainsi d'après eux, le
nombre de neurones sous une unité de surface corticale aurait été
déterminée génétiquement, tôt dans l'évolution des espèces animales et seule
l'aire 17 des primates déroge à cette règle. Nous avons également trouvé
récemment que les Ne neuronaux des aires 18 et PMLS (aires paravisuelles)
et de la région monoculaire de l'aire 17 du chat sont très semblables entre
eux (Beaulieu et Colonnier '85). Dans la présente étude, nous avons trouvé
cependant que le Ne des neurones de l'aire 17 est 15% moins élevé chez
l’animal enrichi que chez le pauvre. Ce résultat va l’encontre de l'hypothèse
de Rockell et collaborateurs sur l'aspect purement génétique de la régulation
du nombre de neurones sous une unité de surface corticale. Ce nombre
dépend aussi de facteurs reliés à l'environnement.
136
2.2- Effets de la richesse de l'environnement sur le Nv des synapses
L'influence la plus marquée de l'environnement est sur le Nv des synapses à
vésicules aplaties. Ce dernier est 45% plus petit chez l’animal enrichi que
chez l'animal pauvre ou encore on peut dire qu'il y a presque deux fois plus
de synapses à vésicules aplaties par unité volumétrique dans le cortex visuel
des chats pauvres. Dans l'étude où nous avons trouvé une différence
interindividuelle dans le Nv des synapses à vésicules aplaties, le coefficient
de variation était de l'ordre de 30%. Dans la présente étude, ce coefficient de
variation tombe à 9% dans le milieu riche et à 6% dans le milieu pauvre. Si
nous compilons ensemble les résultats des Nv des synapses à vésicules
aplaties sans nous soucier des 2 conditions expérimentales, on obtient un Nv
moyen de 57 ± 18 millions par mm3. Dans ce cas, le coefficient de variation
est aussi de l'ordre de 30%. La différence dans le Nv des synapses à vésicules
aplaties entre les animaux pauvres et enrichis aussi bien que la réduction du
coefficient de variation dans chacun des deux groupes d'animaux
démontrent que des différences dans la richesse de l'environnement étaient
en grande partie responsables des différences interindividuelles dans le Nv
des synapses à vésicules aplaties que nous avions vues dans l'étude
précédente.
H est intéressant de noter que le Nv des synapses à vésicules aplaties le
plus grand que l'on peut retrouver parmi tous les animaux pauvres, est plus
élevé que le Nv le plus grand qui a été calculé parmi ceux des animaux qui
faisait partie de l'échantillonnage de l'étude où l'on a démontré des
différences interindividuelles. De plus, le Nv des synapses à vésicules
aplaties le plus bas qui a été calculé parmi les animaux enrichis de la
137
présente étude, n'est pas aussi petit que le Nv le plus bas retrouvé parmi les
animaux de l'étude précédente. De ces observations, on peut supposer que
l'animal le plus enrichi parmi tous nos animaux qui ont vécu dans le milieu
riche, ne l'était pas autant que les animaux les plus enrichis de l’étude
précédente. Aussi, l’animal le plus pauvre dans la présente étude, l’était
plus que l’animal le plus pauvre de l'étude précédente. Cela suggère que
certains animaux que nous avons utilisés dans l'étude précédente, ont vécu
dans des milieux où l'environnement était plus riche (peut être s'agissait-il
de chats élevés par exemple sur une ferme avec beaucoup d'autres animaux)
que ceux de notre colonie. De plus, aucun animal de l'étude précédente n'a
vécu dans un milieu aussi pauvre que notre milieu isolé.
L'effet de la richesse de l'environnement sur le Nv des vésicules aplaties
constraste avec le peu d'effet sur le Nv des synapses à vésicules rondes. Pour
l'épaisseur totale du cortex visuel, une petite diminution de 3% du Nv des
synapses à vésicules rondes dans le milieu riche n'est pas significativement
différente du milieu pauvre. Dans l'étude précédente sur les synapses, le
coefficient de variation pour le Nv de ce type de synapses était de l'ordre de 6 à
8%. Dans la présente étude, ce coefficient est de 5% chez l'animal enrichi et
de 2% chez l'animal pauvre. Ces diminutions de la variation entre les
différents chats pour un milieu donné suggèrent que l'environnement a un
effet sur le Nv de ce type de synapses. Si cet effet existe, il est évidemment
plus petit que celui sur le Nv des synapses à vésicules aplaties et ne peut être
démontré avec le nombre d'animaux utilisé dans la présente étude. Quoiqu'il
en soit, notre étude démontre clairement que les effets de la richesse de
l'environnement sur le Nv des synapses à vésicules aplaties et l'absence
138
d’effet sur celui des synapses à vésicules rondes expliquent le fait que nous
avons trouvé des différences interindividuelles pour l'un et non pour l'autre
type de synapses dans notre étude précédente.
On note que le coefficient de variation est plus grand dans le milieu riche
pour les 2 types de synapses. Cette plus grande variabilité peut venir du fait
que durant l'expérience, le montant de stimulation a pu varier dans le
milieu riche, suite par exemple, au nombre variable d'animaux qui se
trouvait dans le milieu à différentes époques. Les conditions dans le milieu
pauvre étaient beaucoup plus uniformes.
H est intéressant de constater qu'il y a des indications dans la littérature
que certaines manipulations expérimentales entraînent une augmentation
de la densité numérique des synapses symétriques à vésicules aplaties dans
le cerveau. Ainsi, la lésion du thalamus dans le cerveau de la tortue entraîne
une augmentation du Nv de ce type de synapses (Smith et Ebner '80).
Rutledge ('78) a décrit qu’en isolant le cortex cérébral par une section de la
matière blanche, il y a une augmentation de la densité numérique des
synapses symétriques à vésicules aplaties. De plus, Lund et Lund (71) ont
décrit une augmentation de la proportion de ce type de synapses dans le
collicule supérieur suite à une énucléation. Donc, on s'aperçoit que si l'on
prive une structure cérébrale d'une partie de ses afférences, il en résulte une
augmentation du nombre ou de la proportion de synapses symétriques à
vésicules aplaties.
2.2.1- Comparaison du nombre de synapses calculé dans la présente étude
avec celui obtenu dans d'autres travaux faits chez le chat
139
Dans la littérature, il y a quelques auteurs qui ont calculé le nombre de
synapses dans le cortex visuel du chat. Selon Cragg (75), il y aurait 406
millions de synapses par mm3 de tissu dans l'aire 17 du chat. Pour sa part,
Winfield ('81; '83) a calculé un plus petit Nv de l'ordre de 276 millions par
mm3. Dans une étude récente, Beaulieu et Colonnier ('85) ont trouvé, pour la
région binoculaire de l'aire 17 du chat, un Nv très semblable à celui de
Winfield, c'est à dire de 284 millions par mm3 de tissu. Dans l'étude
présente, nous avons calculé chez l'animal enrichi un Nv de toutes les
catégories de synapses de 286 millions (somme des synapses à vésicules
rondes, à vésicules aplaties et des inconnus). Il est difficile de savoir
pourquoi nos résultats et ceux de Winfield sont si différent de ceux de Cragg.
H semble que ce ne soit pas une question d'estimation du degré de
rétrécissement puisque et Cragg et Winfield donnent leurs résultats bruts. Il
ne semble pas non plus que ce soit la méthode de calcul puisque Winfield a
employé la même méthode que Cragg. Quoiqu'il en soit, je crois qu'il est
raisonnable d'estimer le Nv de toutes les catégories de synapses dans le
cortex visuel du chat à environ 250 à 300 millions par mm3.
Winfield ('81; '83) a estimé séparément le Nv des 2 types de synapses. Il a
trouvé 235 millions de synapses à vésicules rondes et 16 millions de synapses
à vésicules aplaties par mm3 de tissu, ces dernières ne représentant que 6%
du total. Dans notre étude précédente nous avons trouvé 235 millions de
synapses à vésicules rondes et 44 millions de synapses à vésicules aplaties.
Dans la présente étude nous avons calculé un Nv de 246 millions de synapses
à vésicules rondes et de 41 millions de synapses à vésicules aplaties chez
l'animal enrichi. Les synapses à vésicules aplaties représente ici 14% de tous
140
les synapses. La différence entre nos résultats et ceux de Winfield peuvent
s’expliquer de deux façons. Il se pourrait que Winfield analyse des animaux
élevés dans des milieux très enrichis. Par ailleurs, Winfield ne calcule pas
la longueur des synapses mais emprunte la valeur de la longeur que Cragg a
mesuré pour l'ensemble des synapses, qui sont en majeure partie du type à
vésicules rondes. Comme nos études démontrent que les synapses à
vésicules aplaties sont moins longues que celles à vésicules rondes, Winfield
a sûrement sous-estimé le Nv des synapses à vésicules aplaties. Winfield a
fait aussi des comptes chez l'animal adulte privé de vision par la suture
d'une paupière ou des 2 paupières. Il ne donne pas de chiffres exacts mais à
l'aide d'un graphique comparant un animal dans chaque situation
expérimentale avec un animal normal, il soutient que la privation de vision
amène une diminution (non significative) du Nv des synapses à vésicules
aplaties. Si l'on assume que l'élevage en milieu isolé a des effets comparables
à ceux obtenus avec une privation de la vision, il semble que ce résultat est
opposé au nôtre. Comme les données de Winfield n'ont été obtenu que sur un
seul individu dans chacune des 2 conditions de privation, il faut attendre des
données plus complètes avant d'essayer d'expliquer ces divergences.
2.2.2- Distribution des synapses à vésicules rondes et à vésicules aplaties sur
les épines, les dendrites et les somas
Pour l'épaisseur totale du cortex des chats pauvres et enrichis, les trois
quarts des synapses à vésicules rondes se font sur les épines, un quart se fait
sur les dendrites et moins de 1% sont sur les corps cellulaires. La
distribution de ce type de synapses sur ces différents éléments
141
postsynaptiques est en accord avec les données de la littérature (voir revue
par Colonnier '81 ).
La proportion des synapses à vésicules aplaties sur les différents
éléments post-synaptiques demeure relativement constante dans les deux
milieux. La plupart des contacts se font sur les dendrites (de 62 à 66%), il y en
a moins sur les épines (25%) et encore moins sur les corps cellulaires (de 10 à
13%). On remarque cependant que contrairement à cette constance dans la
proportion des synapses à vésicules aplaties sur les différents éléments
postsynaptiques, le Nv de ce type de synapses sur les épines, dendrites ou
somas est très différent entre les deux conditions expérimentales (même si la
différence n'est pas significative pour les synapses axo-somatiques). Donc, la
diminution du Nv chez l'enrichi se fait à la fois et à des degrés
correspondants sur les épines, les dendrites et les somas. La constance de la
proportion de synapses à vésicules aplaties sur les épines ou les dendrites ou
les somas entre les deux milieux, se retrouve au niveau de chaque lame
corticale. La richesse de l'environnement peut donc entraîner des
différences interindividuelles dans le Nv des synapses à vésicules aplaties
tant sur épines, sur dendrites que sur somas.
Cette distribution des synapses à vésicules aplaties sur épines,
dendrites et somas est très semblable à celle que nous avions observée dans
notre étude précédente. Cette répartition de ce type de synapses sur les
éléments postsynaptiques peut paraître surprenante par rapport à la
littérature qui précède nos travaux (voir revue par Colonnier '81). Cette
littérature a toujours insisté sur le fait que la majorité des contacts
synaptiques sur les épines sont de type à vésicules rondes tandis que les
142
contacts sur somas sont du type à vésicules aplaties, ce qui laisse croire que
la plupart des synapses à vésicules aplaties sont sur les somas. D'après nos
résultats, l'observation originale est correcte: nous pouvons calculer que les
synapses à vésicules aplaties représente seulement 5% et 9% (riche et pauvre
respectivement) de tous les contacts sur épines, tandis quelles forment 86 et
88% de toutes les synapses sur somas. La majorité des contacts sur épines
est donc du type à vésicules rondes et sur les somas, du type à vésicules
aplaties. Cependant, il y a tellement plus d'épines que de corps cellulaires
que lorsqu'un compte total de synapses est fait, le Nv des synapses à
vésicules aplaties sur épine et dendrites est plus élevée que sur les somas.
2.3- Différences selon les portées ou selon les sexes
En plus des différences du Nv qui sont attribuables aux milieux, le Nv
des neurones et des synapses à vésicules aplaties présentent des différences
entre les portées. Puisque ces Nv ne sont pas significativement différents
entre les mâles et les femelles, on peut penser que ces différences sont de
nature génétique ou familiale. Donc, en plus de la richesse de
l'environnement, des différences génétiques et familiales peuvent entraîner
des différences interindividuelles telles que celles démontrées dans nos
études précédentes. Cependant la grande différence entre les deux milieux et
la réduction marquée du coefficient de variation du Nv des synapses à
vésicules aplaties dans chacunes des deux conditions expérimentales,
démontre que la richesse de l'environnement demeure le principal facteur
de variation entre les animaux.
143
3- FACTEURS QUI INFLUENCENT LE NOMBRE DE SYNAPSES PAR
NEURONE ET LEUR LONGUEUR: SIGNIFICATION FONCTIONNELLE
DU CHANGEMENT DES CIRCUITS SYNAPTIQUES DANS LE CORTEX
VISUEL
3.1- Effets de la richesse de l'environnement
Puisque chez l'animal enrichi, la chute du Nv des neurones est
probablement due à de plus grands arbres dendritiques, il aurait été logique
de penser que le fait que le plus petit Nv des synapses à vésicules aplaties
n'est qu’une dilution d'un nombre identique de ce type de contacts sur de
plus grands arbres dendritiques. Cependant, ce n'est pas le cas puisque le
nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone demeure toujours plus
bas chez l'animal enrichi (différence de l'ordre de 34%). Pour les synapses à
vésicules rondes, il est évident que le fait que leur Nv est identique dans les
deux conditions et qu'il y a une chute du Nv des neurones chez l'enrichi
résulte en un plus grand nombre de synapses à vésicules rondes par
neurone. Dans le cortex visuel du chat enrichi, il y a donc un plus petit
nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone et un plus grand
nombre de synapses à vésicules rondes par neurone. Chez le rat, Turner et
Greenough ('85) ont démontré un pourcentage de différence similaire pour
les synapses à vésicules rondes par neurone. L'environnement a donc des
effets semblables sur le nombre de synapses à vésicules rondes dans les deux
espèces. On sait que chez le rat, aucune étude n'est disponible sur le nombre
de synapses à vésicules aplaties.
La surface des zones actives des synapses à vésicules aplaties par
neurone est la même dans les 2 conditions environnementales. Ce résultat
144
surprenant vient du fait que chez l'animal enrichi, le Nv des synapses à
vésicules aplaties est beaucoup plus bas et que les contacts de ce type de
synapses sont plus longs. Si l'on assume que les récepteurs sont distribués
également sur la membrane postsynaptique, on peut donc penser que même
s'il y a une diminution importante du nombre de synapses à vésicules
aplaties par neurone chez l'enrichi, le nombre de récepteurs GABAergiques
demeure le même. On n'aurait chez l'animal enrichi qu'une redistribution
d'un même nombre de récepteurs sur le neurone cible.
Il faut noter cependant que cette constance de la surface des contacts sur
un neurone n'existe que pour les synapses à vésicules aplaties. La surface
occupée par les contacts des synapses à vésicules rondes est plus élevé chez
l’animal enrichi. Cette donnée se comprend facilement puisque la longueur
de ce type de contacts ne change pas entre les 2 milieux, mais que leur
nombre par neurone augmente. Toujours en assumant que les récepteurs
sont réparties uniformément à la membrane postsynaptique de la synapse, le
nombre de récepteurs pour les contacts faits par les boutons qui contiennent
des vésicules rondes, serait plus élevé chez l'enrichi. Les effets différentiels
de la richesse de l’environnement sur la surface des zones actives par
neurone de ces deux types de synapses semblent donc indiquer que les
mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans les processus plastiques
durant les périodes critiques du développement sont très différents entre ces
deux types de synapses.
Comment se compare nos résultats avec les hypothèses de Hebb ('49) et
de Changeux et Danchin (76) sur les changements synaptiques impliqués
dans les processus de l'apprentissage? Selon l'hypothèse de Hebb,
145
l'apprentissage entraîne la formation de nouvelles synapses. Si l'on assume
que Hebb voulait dire nombre de synapses par neurone, cette hypothèse est
donc vrai pour les synapses à vésicules rondes où l'on a effectivement
démontré une augmentation du nombre de ces synapses par neurone.
Cependant, l'hypothèse ne serait pas valable pour les synapses à vésicules
aplaties, puisqu'il y a une chute du nombre de ces synapses par neurone.
Hebb propose de plus que les contacts synaptiques peu utilisés s'atrophient
tandis que ceux qui servent le plus deviennent plus efficaces. Nous n'avons
aucune indication de changement de taille, ni aucun autre indice pouvant
impliquer des changements d'efficacité des synapses à vésicules rondes.
Toutefois, on peut penser que les synapses à vésicules aplaties sont plus
efficaces dans le milieu riche puisque ces contacts sont plus longs. Plus
récemment Changeux et Danchin proposent que durant le développement,
les récepteurs se redistribuent préférentiellement vers les synapses les plus
utilisées. Cette hypothèse est en accord avec nos résultats sur les synapses à
vésicules aplaties. Cependant, pour l'autre type de synapses, on peut penser
à une augmentation du nombre plutôt qu'une redistribution des récepteurs.
Il semble donc que les hypothèses de Hebb et de Changeux et Danchin ne sont
valables que pour l'un ou l'autre des deux types de synapses et qu'une théorie
sur les mécanismes de l'apprentissage devra tenir compte des deux types de
synapses. Nous énoncerons une telle théorie plus loin dans le texte mais
auparavant, il nous faut considérer d'autres éléments qui permettront de
mieux la présenter.
Quoique Houser et collaborateurs ('86) ont remarqué que les synapses
cholinergiques dans le cortex cérébral ont une différenciation symétrique des
146
membranes synaptiques, il apparaît cependant que la grande majorité des
synapses symétriques sont GABAergiques (Wolff et coll. '84; Somogyi et coll.
'85). Selon ces derniers auteurs, 90% des synapses du type symétrique
seraient GABAergiques. Des auteurs ont démontré qu'il n'y a pas de
différences dans la concentration de G AD ou dans la concentration de
sites de liaisons du GABA par gramme de protéines chez des rongeurs
élevés dans des milieux pauvres et enrichis (DeFeudis et coll. '75; Geller et
coll. ’65). Ces données semblent donc contredire nos résultats sur le Nv des
synapses à vésicules aplaties qui sont en grande majorité GABAergiques.
Nous avons cependant démontré que la surface des zones actives par
neurone ne change pas entre les deux milieux. Ce résultat peut expliquer du
moins en partie pourquoi il n'y a pas de différences dans le nombre de sites
de liaison du GABA. De plus, la similitude de la quantité de G AD dans les
deux conditions expérimentales peut s'expliquer de la façon suivante. Au
cours de l'expérience, nous nous sommes aperçu après quelques animaux
que le Nv des synapses à vésicules aplaties était presque deux fois plus élevé
chez l'animal pauvre. Nous avons donc pensé qu'une si grande différence
pourrait être vue en immunohistochimie du G AD, même si cette méthode
n'est pas très sensible du point de vue quantitatif. Nous avons donc incubé
des sections de tissu de l'aire 17 prélevées chez trois paires d'animaux. A
partir de ces quelques préparations, nous nous sommes aperçus qu'il y a très
peu de différence dans le degré de marquage de boutons GABAergiques entre
les deux conditions expérimentales. Ces quelques préparations ont par
conséquent semblé confirmer les résultats de Geller et de DeFeudis sur le fait
que la quantité de G AD ne change pas entre les animaux pauvres et
147
enrichis. Il faut se rappeler cependant que nous avons estimé le nombre de
contacts synaptiques et non le nombre de boutons. H semble donc que le
grand nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone n'est pas due à
une augmentation du nombre de boutons qui font des contacts synaptiques
sur les neurones, mais plutôt à une augmentation du nombre de contacts
synaptiques faits par les boutons. Cette augmentation du nombre de contacts
synaptiques par les boutons GABAergiques pourrait ne pas impliquer de
changements dans la quantité de GAD ou de GABA dans le cortex
d'animaux pauvres. Pour vérifier ces hypothèses, durant ma rédaction de
thèse, j'ai repris toutes les photographies en microscopie électronique sur
lesquelles nous avons estimé le Nv des contacts synaptiques mais cette fois-ci
j'ai calculé le Nv des boutons qui contiennent des vésicules aplaties (boutons
de type F). Les résultats généraux de cette étude apparaissent à l'annexe 4
sous la forme d'un résumé de communication. Il apparaît que le Nv des
boutons de type F est plus élevé (de l'ordre de 21%) chez l’animal pauvre.
Cependant, cette augmentation est beaucoup moins grande que celle calculée
pour le Nv des synapses à vésicules aplaties (83%). Par conséquent, c’est
principalement le nombre de contacts synaptiques par boutons de type F qui
change entre les deux conditions expérimentales.
En dépit des nombreux travaux démontrant des différences dans
l'anatomie du cortex visuel d’animaux pauvres et enrichis, il n'y a jamais
eu d'analyse physiologique des propriétés des champs récepteurs des
neurones visuels. Nous ne pouvons donc que spéculer au sujet de la
signification fonctionnelle de nos résultats. On peut assumer que la plupart
des synapses à vésicules aplaties sont inhibitrices et que les synapses à
148
vésicules rondes sont excitatrices (Colonnier '81). D'après nos résultats sur
les synapses, l'environnement entraîne une modification de l'équilibre
excitateur/ inhibiteur. C'est ce changement d'équilibre qu'il faut considérer
pour faire des hypothèses valables sur les changements de la fonction du
cortex visuel qui peuvent survenir suite à un élevage différentiel. Chez
l’animal pauvre, il y a un plus grand nombre de synapses inhibitrices,
associé avec une diminution des synapses excitatrices par neurone. Ces
résultats suggèrent que les neurones du cortex visuel des chats pauvres
seraient moins réactifs aux stimuli visuels. Cela ferait que le cortex visuel
d'un animal élevé dans un milieu pauvre se rapproche de celui d'animaux
immatures puisqu'on a démontré chez ces derniers, une réactivité très basse
des neurones aux stimuli visuels. Le cortex des animaux pauvres pourraient
donc être à un stade moins avancé de maturation et les animaux enrichis
auraient un cortex visuel plus mature physiologiquement.
B. est intéressant de noter que les neurones du cortex visuel de chats
privés de vision ont aussi une faible réactivité aux stimuli visuel; aussi,
peut-on penser que le cortex de nos animaux pauvres ressemble à ceux
privés de vision. Mower et collaborateurs (’85) ont démontré que si l'on
applique de la bicuculline (inhibiteur du GABA) aux neurones du cortex
visuel d'animaux qui ont une privation visuelle monoculaire ou un
strabisme, on obtient une plus grande proportion de neurones qui est affectée
comparativement à l'animal normal. Par conséquent, ils ont suggéré que la
diminution de la réactivité des neurones chez les animaux privés de vision
est due à une augmentation de l'inhibition. D’autres études ne vont pas dans
le même sens. Ainsi, Bear et collaborateurs ('85) croient que la diminution de
149
la proportion de neurones qui répondent à l'oeil privé de vision n'est que le
reflet de la diminution des afférences géniculo-corti cales de cet oeil,
afférences qui sont excitatrices. Ces derniers auteurs en sont venus à cette
hypothèse parce qu'ils n'ont pas trouvé de changements dans la
concentration de CAD chez des animaux qui ont une suture d'un oeil.
D'autre part, il y a des indications dans la littérature que le marquage des
boutons et des neurones GABAergiques diminuent chez les rats et les singes
qui ont eu une énucléation ou la suture d'une paupière (Ribak et coll. '86;
Hendry et Jones '86). Ces dernières études et celle de Bear et collaborateurs
semblent donc contredire l'hypothèse de Mower et aussi notre suggestion que
le cortex visuel des animaux pauvres pourrait se rapprocher de celui d'un
animal privé de vision. H est cependant important de se rappeler que les
résultats que nous avons obtenu dans la présente étude sont des estimations
du nombre de contacts synaptiques. Une différence dans le nombre de
contacts formés par des boutons axonaux n'implique pas nécessairement
une différence dans le nombre de boutons, dans le nombre de vésicules, ni
dans le montant de G AD ou de GABA. On a démontré plus haut que le
nombre de boutons qui contiennent des vésicules aplaties est beaucoup moins
affecté que le nombre de contacts synaptiques de ce type. Nous suggérons
donc que la privation de la vision chez les chats pourraient entraîner une
augmentation du nombre de contacts synaptiques par boutons de type F
comme nous l'avons démontré chez l'animal pauvre. Cette suggestion est
facilement vérifiable en faisant des comptes du nombre de synapses à
vésicules aplaties chez des animaux privés de vision.
Comme nous l'avons vu dans l'introduction, la sélectivité à l'orientation
150
et à la direction dépend du G AB A. Chez nos animaux pauvres, l'altération
du nombre et de la longueur des synapses GABAergiques laisse supposer
que la sélectivité à l'orientation et à la direction est affectée. Mais comment?
Dans le paragraphe précédent, nous avons suggéré que les neurones du
cortex visuel d'un animal pauvre ont une réactivité aux stimuli visuels
semblable à celle de l'animal jeune. Chez ce dernier, la sélectivité à
l'orientation est peu précise et seulement quelques neurones sont sélectifs à
la direction. La maturation du cortex entraîne chez un chat normal une plus
grande proportion de neurones sélectifs à l'orientation et à la direction du
stimulus visuel et parmi les neurones qui sont sélectifs à l'orientation, une
plus grande précision de cette sélectivité. Buisseret et Singer ('83) ont
démontré que cette maturation est améliorée par l'attention que les animaux
portent à leur environnement. De plus, d'une manière simplement intuitive,
il semble logique de penser que les neurones du cortex visuel de l'animal
enrichi sont plus sélectifs puisque ces derniers doivent être amenés à faire
des discriminations plus subtiles des stimuli de leur environnement. La
moins grande précision de la sélectivité à l'orientation et à la direction chez
l'animal pauvre devrait être le résultat d'une faible efficacité des contacts
inhibiteurs. Nous avons trouvé dans la présente étude que la longueur des
contacts des synapses à vésicules aplaties est plus petite dans un milieu
pauvre et cela est compatible avec l'idée d'une moins bonne efficacité des
connexions inhibitrices. Toutefois le fait que nous avons trouvé un nombre de
synapses à vésicules aplaties plus grand dans le milieu pauvre semble être
en contradiction avec l'hypothèse. Il ne faut pas oublier cependant que nous
avons calculé que la surface des contacts des synapses à vésicules aplaties
151
par neurone n'est pas affectée par le milieu, et l'on sait que chez le rat le
montant de G AD et de sites récepteurs du GABA n'est pas affecté par
l'environnement. La "puissance" du système GABAergique ne devrait pas
logiquement être diminuée dans le cortex visuel de l'animal enrichi. Nous
devons plutôt penser a une restructuration de la connectivité GABAergique.
En principe, cette restructuration peut avoir lieu aussi bien par la
soustraction que par l'addition de synapses. Il y a durant une certaine
période du développement postnatal une surabondance du nombre total de
contacts synaptiques dans le cortex visuel du chat. En assumant qu'une telle
surabondance existe spécifiquement pour les synapses à vésicules aplaties,
l'environnement enrichi entraînerait une plus grande réduction de la
surabondance de ces contacts. Cet élagage serait une partie essentielle du
réarrangement structural des circuits inhibiteurs responsables des
propriétés des champs récepteurs des neurones visuels.
Ainsi, dans le cortex de l'animal enrichi, le plus petit nombre de
synapses à vésicules aplaties (et l'augmentation correspondante du nombre
de synapses à vésicules rondes par neurone) résulterait en une
augmentation de la réactivité des neurones du cortex visuel et en une
augmentation de la fine précision des propriétés d'orientation et de direction.
Ces augmentations seraient dues à l'attention accrue que doivent porter les
animaux en milieu riche à leur environnement. Il est intéressant de
constater que dans les études qui ont comparé l'animal privé de vision et le
normal, la moins grande réactivité des neurones aux stimuli visuels chez
des chats privés de vision (présumément due du moins en partie à une
augmentation de l'inhibition) est ordinairement accompagnée par une
152
diminution de la précision des propriétés d'orientation. La diminution de la
binoculari té du cortex visuel du chat suturé d'une paupière ou qui souffre
d'un strabisme s'accompagne aussi d'une diminution de la précision de la
sélectivité à l'orientation et à la direction.
Nous croyons que les différences que nous avons retrouvées entre les
deux types de synapses pourraient s'expliquer par l'hypothèse suivante: Les
mécanismes moléculaires qui soustendent la restructuration des circuits
excitateurs permettent la multiplication des récepteurs tandis que les
modifications des circuits inhibiteurs doivent s'opérer sans changer le
nombre de ces récepteurs. Selon cette hypothèse, il est facile de restructurer
l'organisation des circuits excitateurs, tout simplement en augmentant le
nombre de synapses aux endroits appropriés. Pour les synapses inhibitrices,
il faut que l'augmentation de l'inhibition aux endroits appropriés se fasse
aux dépens des synapses moins utilisées. Si ces dernières s'atrophient au
point de disparaître, il en résulte une diminution du nombre de synapses
inhibitrices. Par contre, la surface des membranes synaptiques individuelles
s'agrandit. Telle que nous l'avons formulée, notre théorie s'applique
directement pour les synapses excitatrices et inhibitrices chez l'individu
adulte. Chez celui-ci, il est facile de comprendre que l'augmentation de
l'efficacité des circuits excitateurs se fasse par l'addition de synapses par
neurone tandis que l'efficacité des circuits inhibiteurs s'accomplit par
l'hypertrophie de certaines synapses au dépens des autres. Durant le
développement, toutefois, la séquence des évènements doit être quelque peu
différente. En effet, on sait que chez le jeune chaton, il y a une surabondance
de contacts synaptiques suivie plus tardivement d'un élagage des synapses
153
surnuméraires. Si cette surabondance et cet élagage s'applique pour les
deux types de synapses, il faut penser que l'élagage des contacts excitateurs
serait moins grand lorsque ces synapses sont plus actives. Par contre,
l’apprentissage entraîne un élagage plus marqué des synapses inhibitrices
précisément parce que le nombre de ses récepteurs ne peut être maintenu
au-delà d'un certain seuil chez l'adulte. Pour expliquer cela, nous
reformulons notre théorie en suggérant que les changements observés sont
dûs au fait que le nombre de récepteurs excitateurs possible chez l'adulte est
variable tandis que le nombre de récepteurs inhibiteurs ne peut dépasser un
certain seuil. On peut retructurer les circuits excitateurs en maintenant un
plus grand nombre de synapses. Pour les synapses inhibitrices, celles qui
sont le plus utilisées s'approprient les récepteurs inhibiteurs. Dans le cadre
de cette hypothèse, pour restructurer ce système il faut que le nombre de
synapses inhibitrices diminue.
On peut se demander quels neurotransmetteurs ou neuromodulateurs
affectent le système GABAergique intracortical et pourraient être impliqués
dans les mécanismes d'apprentissage. On sait que le cortex cérébral reçoit
par exemple des afférences noradrénergiques du locus coereleus (Ksofsky et
coll. '84; Moore et Card '84) et des inputs cholinergiques des noyaux de la
base de l'avant-cerveau ( Mesulam et coll. '83; '84 ). Hohmann et
collaborateurs ('85) ont démontré que chez la souris une destruction des
noyaux cholinergiques de la base de l'avant-cerveau entraîne rapidement
une diminution de l'acétylcholine dans le cortex visuel mais que plus
tardivement, la quantité de G AD se met aussi à diminuer. On peut donc
penser que les afférences cholinergiques au cortex visuel sont
154
particulièrement importantes pour la régulation du montant du G AD. Il est
intéressant de constater que l'acétylcholine est très importante dans la
plasticité du cortex visuel. Ainsi, Bear et Singer ('85) ont trouvé que ni la
destruction des noyaux noradrénergiques du locus coereleus, ni la
destruction des noyaux eholinergiques de la base de l'avant-cerveau, faits
séparément, n'entraînent d'effet sur la plasticité du cortex. Cependant, la
destruction des deux à la fois entraîne une réduction considérable de la
plasticité du cortex visuel. Donc, l'acétylcholine et la noradrénaline jouent
un rôle très important dans la plasticité corticale et l'acétylcholine est
impliquée de quelque façon dans la régulation du système GABAergique
intracortical.
3.2- Différences selon les portées ou selon les sexes
Il n'y a aucune différence selon les portées pour la longueur et le
nombre de synapses par neurone. Cependant, la longueur des synapses à
vésicules aplaties est significativement différente entre les mâles et les
femelles. Ainsi, la longueur moyenne des synapses à vésicules aplaties est
29% plus élevée chez les femelles. Malgré cette différence dans la longueur,
il est intéressant de constater qu'il n'y a pas de différence ni dans le Nv, ni
dans le nombre de synapses à vésicules aplaties par neurone entre les mâles
et les femelles. On peut donc suggérer que les hormones sexuelles ont une
influence sur la longueur des synapses à vésicules aplaties. Pour vérifier
cette hypothèse, on pourrait par exemple, castrer des mâles en jeune âge et
mesurer la longueur des synapses à vésicules aplaties lorsqu'ils seront
adultes.
155
CONCLUSION
Nous avons démontré que pour la plupart des paramètres étudiés, la
richesse de l'environnement a des effets sur le cortex visuel du chat
similaires à ceux qui ont été décrits chez le rat. Ainsi, dans un milieu riche
en stimulation, il y a une augmentation du poids de l'encéphale et de la
surface corticale, une diminution du Nv des neurones et une augmentation
du nombre de synapses à vésicules rondes par neurone. Nous avons de plus
trouvé une diminution marquée du Nv des synapses à vésicules aplaties et de
leur nombre par neurone. On se rappelle que dans l'étude précédente sur les
synapses, le coefficient de variation du Nv des synapses à vésicules aplaties
était très élevé. Ce coefficient diminue considérablement dans la présente
étude si l'on tient compte des deux conditions expérimentales. En rapport
avec notre hypothèse originale, il est important de noter que le Nv des
synapses à vésicules rondes ne change pas dans les deux milieux. La
richesse de l'environnement peut donc amener des différences
interindividuelles sélectives pour le Nv des synapses à vésicules aplaties chez
des groupes d'animaux dont les conditions d'élevage n'ont pas été contrôlées.
Dans le cortex visuel de l'animal enrichi, le nombre de synapses à
vésicules rondes par neurone est plus élevé et le nombre de synapses à
vésicules aplaties est beaucoup plus bas. La richesse de l'environnement
affecte donc différentiellement ces deux types de synapses et change
l'équilibre excitateur/ inhibiteur des circuits synaptiques du cortex visuel.
Ainsi, nous suggérons qu'à cause de ce changement de l'équilibre, les
neurones du cortex visuel de l'animal enrichi deviennent plus matures et
156
acquièrent une plus grande réactivité aux stimuli visuels et qu'ils présentent
une plus grande sélectivité d'orientation et de direction. La vérification de
cette dernière hypothèse sera l'objet de notre prochain travail.
Nous suggérons que les mécanismes impliqués dans les processus
d'apprentissage sont différents pour les circuits excitateurs et inhibiteurs.
La restructuration des circuits excitateurs induite par l'apprentissage se
ferait par une multiplication des récepteurs tandis que les modifications des
circuits inhibiteurs s'opéreraient sans changer le nombre des récepteurs. En
conséquence, les mécanismes moléculaires des circuits excitateurs
permetteraient une multiplication des synapses en réponse à un
environnement riche. Pour les contacts inhibiteurs, l'augmentation de
l'efficacité du système se ferait en augmentant les récepteurs des synapses
les plus utilisées aux dépens des synapses moins utilisées, au point que les
moins utilisées disparaîtraient complètement: paradoxalement, l'efficacité
du système inhibiteur serait accrue par une chute du nombre de synapses
par neurone.
157
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185
APPENDICES
APPENDICE 1
PROTOCOLE DE LA PREPARATION DES SOLUTIONS DE PERFUSION -- Dissoudre 85.6 gr cacodylate de sodium dans 3,200 cc eau
distillé- Ajuster le pH à 7.3-7.4 avec une solution de 0.1M de HCl- Dissoudre 160 gr parafolmaldéhyde en cristaux dans la solution- Chauffer la solution jusqu'à dissolution totale des cristaux- Compléter la solution à 3,920 cc avec eau distillé- Ajouter 0.66 gr de chlorure de calcium- Filtrer- Prendre une partie (Solution de formaldéhyde et de glutaraldéhyde)
: Prendre 2,960 cc de la solution mère : Ajouter 6 cc de glutaraldéhyde 50%: Vérifier le pH et ajuster si nécessaire : Compléter à 3,000 cc avec eau distillé : Refroidir à 4°C
- L'autre partie (Solution de formaldéhyde sans glutaraldéhyde): Prendre 960 cc : Ajuster le pH à 7.S-7.4 : Compléter à 1 litre : Refroidir à 4°C
186
APPENDICE 2
SOLUTION TAMPON CACODYLATE DE SODIUM A 0.1M- Dissoudre 21.4 gr de cacodylate de sodium dans 900 cc d'eau distillé- Ajuster le pH à 7.3-7.4 avec une solution 0.1M de HCl- Compléter à 1 litre- Refroidir à 4°C
SOLUTION TETROXIDE D'OSMIUM 0.1M- Dissoudre 1 gr 0s04 dans 25 cc eau distillé (24 heures d'avance)- Dissoudre 1.6 gr cacodylate de sodium dans 20 cc eau distillé- Ajuster le pH du cacodylate à 7.S-7.4- Mélanger les 2 solutions- Compléter à 50cc avec eau distillé- Réserver 25cc comme solution d'0s04 à 0.1M
SOLUTION 0s04 + FERROCYANURE DE POTASSIUM 3%- Prendre l'autre 25cc et ajouter 0.75 gr de ferrocyanure de potassium
PROTOCOLE EXPERIMENTAL1- Blocs de tissu 12 heures dans la formaldéhyde à 4°C2- Tampon cacodylate 10 minutes3- 1 heure dans 0s04 à 0.1M4- 1 heure dans 0s04 + ferrocyanure5- Tampon cacodylate 5 minutes
187
APPENDICE 3
SOLUTION D'ACETATE D'URANYLE- Peser 16 gr d'acétate d'uranyle- Dissoudre dans 100 cc d'alcool éthylique absolu- Filtrer et réfrigérer
SOLUTION DE CITRATE DE PLOMB- Peser 1.33 gr de nitrate de plomb- Peser 1.76 gr de citrate de sodium- Dissoudre ces produits dans 30 cc d'eau distillé- Mélanger pendant 30 minutes- Dissoudre 4.27 gr hydroxide de sodium dans 100 cc d'eau distillé- Prendre 8 cc de cette dernière solution et l'ajouter à l'autre- Compléter à 50 cc avec de l'eau distillé- Filtrer et réfrigérer
188
ANNEXES
1- Beaulieu C. et M. Colonnier (1985) A laminar analysis of the number ofround-asymmetrical and flat-symmetrical synapses on spines, dendritic trunks, and cells bodies in area 17 of the cat. J. Comp. Neurol. 231: 180-189
2- Colonnier M. et C. Beaulieu (1985) An empirical assessment ofstereological formulae applied to the counting of synaptic disks in the cerebral cortex. J. Comp. Neurol. 231:175-179
3- Beaulieu C. et M. Colonnier (1985) A comparison of the number of neuronsin individual laminae of cortical areas 17,18 and posteromedial suprasylvian (PMLS) area in the cat. Brain Res. 339:166-170
4- Beaulieu C. et M. Colonnier (1986) The effects of impoverished andenriched environments on the number and size of boutons containing flat vesicles in the visual cortex of cat. Soc. Neurosc. Abst.