Les Neurones Géants d'Aplysie et le développement de l ... - Ens

Angélique, Henry, Alfred, Ladislav,
Hersh, Eric …et les autres!
Les Neurones Géants
d’Aplysie
et le développement de
l’électrophysiologie
cellulaire
François Clarac P3M, CNRS,
L ’essor des Neurosciences
(1945-1975)
Kandel 1976
21/23 Septembre 2006

Alfred Fessard ( 1900-1982)
et la physiologie cellulaire:
A coté des travaux de Louis Lapicque (1866-
1952), A Fessard, accueilli dans le laboratoire
d’Henri Pieron et très influencé par l’école de
Cambridge, s’est intéressé aux mécanismes les
plus intégrés (travaux sur l’EEG avec Durup,
1935) comme aux processus cellulaires.
Il se tournait à la fois vers la biophysique
comme vers la psychophysiologie.
Il a sans cesse recherché les préparations, les
plus simples possibles.
Il ne s’est pas focalisé sur le concept de réflexe
mais au contraire sur les activités nerveuses
internes, rythmiques dont il voulait comprendre
le fonctionnement (revue de 1931).
A. Fessard sait manier l’électronique et améliore à la fois
l’oscillographe utilisé ainsi que les amplificateurs.
(J. de physiol. et de pathol. génér. 31-1: 5-29.)

Les espèces d’Aplysie.
Aplysia punctata (Tamaris)
Aplysia fasciata ,
Aplysia depilans (Tamaris et
Arcachon)
Et Aplysia californica
( Californie)
Même chez la plus petite espèce, les
neurones sont géants!, ce sont
des espèces saisonnières collectées
dans les stations marines
Plan de l ’exposé
Pour les latins,
l’animal avait
très mauvaise
réputation…
I/ L ’Aplysie à Tamaris
II/ L ’Aplysie à Arcachon
III/ Propriétés synaptiques
IV/ L ’Internationalisation
de « l’Aplysie Californienne »

I/ L’Aplysie à la station Marine de
Tamaris,
dans la baie du Lazaret
(Toulon)
La station possède un style
Mauresque à cause de « Michel
Pacha » le fondateur de
Tamaris.
Elle dépend du laboratoire de
physiologie de la faculté de
Lyon.
C’est là que le fonctionnement
nerveux des Aplysies a été
étudié pour la première fois.

Madame Angélique
Arvanitaki (1901-1988)
Grecque, née à Alexandrie. Licence de Sciences
à Lyon. Elle Travaille à la faculté avec H.Cardot (1886-1942).
Étude de la conduction des nerfs de crabe avec A.Fessard.
Thèse soutenue à Lyon en 1938: « Les Variations graduées de
la polarisation des systèmes excitables. Relation avec la
négativité propagée et signification fonctionnelle dans l’activité
rythmique. »
Travaux à la Station de Tamaris. Découverte de L’Aplysie.
Travaux sur l’Axone isolé de Sépia.
Publication de 1941 à la surface d’un Neurone géant.
Avec N.Chalazonitis (1949) à la station Marine de Monaco:
Enregistrement intracellulaire en 1955. Cellules rythmiques;
Propriétés biophysiques.
Venue à L’INP 2 à Marseille en 1963.

A coté des modèles de la conduction
nerveuse ( voir l’axone géant de
calmar, JZ Young 1936), Les ganglions
d’Aplysie ou d’escargot apparaissent
les modèles cellulaires.
Arvanitaki recherche l’emplacement
des cellules géantes
et leurs relations avec
la grosseur des animaux.
Le ganglion viscéral est privilégié!
L’Aplysie est un gastéropode, connu grâce
aux travaux d’Amédée Bonnet (1927)
et de Tchang Si (1931). Tchou Si Ho fera
l’anatomie nerveuse de l’espèce de Tamaris.

Les premiers enregistrements
1939
1949: congrès du CNRS, Paris
Parmi tous les ganglions de
l’Aplysie, les plus grosses
cellules se trouvent dans le
ganglion viscéral (jusqu’à
500µ de diamètre).
Les premières publications
sur la physiologie nerveuse
de l’Aplysie datent de 1941.
Les électrodes sont
placées sur les nerfs ou
sur le ganglion viscéral.
L’électrode sera ensuite sur
la membrane cellulaire
Et enfin dans la cellule

Ces résultats
ont permis à
J. Eccles de
Proposer en
1946, sa théorie
sur les synapses
électriques
L’Article du J.
Neurophysiol. 1942
5:89-108. Publication sur
l’activité « éphaptique »
d’axones géants de seiche
Les expériences ont été
faites à Tamaris avant
Mai 1940. Le manuscrit
envoyé à R.W. Gerard a
pu paraître grâce à lui.
Il est étudié le passage
d’un message électrique
liminaire et subliminaire
d’un axone à
l’autre. Ce phénomène
est discuté en relation
avec les actions de type
synaptique.

Les travaux sur l’Aplysie avec N.Chalazonitis
(1918-2004) N.Chalazonitis était
Résultats présentés au congrès
De Friday Harbor, 31Mai au
4 juin 1960.
vétérinaire d’origine et
chimiste de formation.
Il s’est surtout intéressé à
l’excitabilité photique des
neurones d’Aplysie et aux
phénomènes respiratoires.
la présence de
cytochromes dans le
cytoplasme lui fait émettre
l’hypothèse qu’il existerait
au centre de la cellule une
pile REDOX qui
s’inverserait vers la
membrane.
A la mort de H. Cardot, son
successeur,
D.Cordier ne donne pas à
A. Arvanitaki
la place nécessaire pour travailler.

A.Arvanitaki travaille à
partir de 1945 avec son mari
N. Chalazonitis. Ils publient
leurs premiers
enregistrements
intracellulaires en 1955.
Leurs intérêts portent
surtout sur la position de
l’électrode intracellulaire et
le recueil des potentiels à
l’intérieur des neurones
géants.
l’Aplysie à la station
marine de Monaco
A partir de 1963, le couple prend un
département à l’INP à Marseille,
ce sera l ’INP2: leurs élèves Romey et
Gola travaillent sur les canaux ioniques
des oscillations…

II/ L’Aplysie à Arcachon:
A. Fessard obtient 3 pièces à l’Institut Marey pour
l’électrophysiologie.
La station d’ Arcachon servira pour des modèles marins
remarquables: La Torpille et l’Aplysie.
Travaux avec A. Auger.
et avec V.Kruta.
Début des recherches à Arcachon avec W.Feldberg et
D.Nachmanson sur le lobe électrique de la Torpille.
Travail poursuivi par
D. Albe-Fessard et P. Buser.

Travaux
à l’automne
à la station
marine
d’Arcachon.
L’hiver on
travaille sur
l’Escargot.
Ladislav TAUC
(1926- 1998)
et l’Institut Marey.
L.Tauc, après ses travaux à Brno vient à Paris
un an en 1947 à l’ENS, en électrophysiologie.
Après la fermeture du rideau de fer (1948), il revient en
France et A. Fessard l’accueille à l ’Institut Marey.
Il se passionne pour les électrodes intracellulaires
( micro-manipulateur de Font brune),
hésite sur un thème de recherche…
et se lance, conseillé par A. Fessard,
dans l’étude de l’Aplysie.
Publication en 1950 d’un article sur les variations de résistance de la Crète du
chapon en relation avec son état hormonal et en 1951 du potentiel de repos
d’une électroplaque de Torpille.

La venue de nombreux
chercheurs Français et
étrangers avec lesquels il
va collaborer, fera de
cette préparation un des
modèles les plus connus
de la Neurobiologie
Le système nerveux des
gastéropodes est torsadé
avec un grand nombre
de ganglions:
les ganglions cérébroides,
les ganglions pédieux,
pleuraux, buccaux et
viscéraux (abdominaux)
Kandel imposera le terme
« abdominal ».
Le ganglion contrôle des réactions
défensives, des processus neuroendocrines
et des activités
viscérales.
Le système nerveux de L’Aplysie

Les premiers résultats
de L. Tauc sont présentés
au congrès de Gif de 1955
L. Tauc est capable de pénétrer
un même neurone par deux
micro électrodes.
Il a commencé par comparer
les propriétés du soma à
celles de l’axone des fibres
géantes de calmar:
Excitabilité, Polarisation de
repos,Forme de la pointe,
Accommodation…
Définition d’un nouveau
concept, la pseudo-pointe.
Le soma neuronique est un
ensemble complexe dont la
réactivité varie.

L. Tauc va chez T. Bullock: Il
publiera deux articles dans
J.Gen. Physiol.,1962:
Par des stimulations
antidromiques et
orthodromiques, la forme du PA
a été étudiée. La PA naît en une
zone de l’axone très excitable (
à 1.5 mm du soma). Le corps
cellulaire est excitable mais a un
seuil élevé.
Propriétés actives
d’une cellule géante
et lieu de naissance
du potentiel d’action.

Etude des trajets
des neurones géants
Deux neurones géants, l’un à
droite dans le gg.
Abdominal et l’autre à
gauche dans le gg. Pleural
ont des trajets complexes
(travail avec G.M.Hughes,
Nature 1961, J.Physiol
1968).
Ces deux cellules innervent
les différents nerfs
pédieux à droite comme à
gauche. Elles sont reliées
entre elles par une liaison
monosynaptique avec
suivant la fréquence de
stimulation, une réponse
biphasique (BPSP).
Cette réponse sera étudiée
plus tard avec J-M
Meunier(1973), elle est
due à une jonction
électrique entre les deux
neurones.

H. Gershenfeld
(1925-2004)
Photo d’Autobombo
2005
Hersh Gershenfeld né en Pologne,
émigré en Argentine, était
politiquement considéré comme
« un dangereux agitateur ». Docteur
en médecine en 1950. Il fait à cette
époque, un premier séjour à Paris.
Avec Dora,ils reviennent en 1959
travailler à L’institut Marey.
En 1961, il est professeur à la
Faculté de Buenos Aires avec D.J.
Chiarandini et E. Stefani.
Après le coup d’État en Argentine, il
s’installe définitivement en France
en1968.
III/ Propriétés synaptiques
Travaux sur
L’Acétylcholine:
action excitatrice et
inhibitrice,
Cellules H et D.

La désensibilisation des
récepteurs cholinergiques par
l’acétylcholine
Par micro injection
ionophorétique répétées
de faibles doses d’Ach,
à la surface de la
membrane somatique,
la réponse au départ
dépolarisante diminue
et ne récupère que
graduellement. La
cinétique est la même
dans les cellules D et H.
Travaux de J. Bruner.
Elève de J.Konorski,
il commence à Marey
par travailler sur le
chat puis sur l’Aplysie
recherche le substrat
neuronique de
phénomènes à long
terme: l’Habituation
synaptique.

L’adaptation synaptique:
Travaux de J. Bruner
« Habituation et déshabituation » de la
réponse synaptique d’une cellule
géante par des gouttes d’eau de mer
tombant toutes les 10 s. près du
tentacule antérieur
Au Congrès de St. Andrews
1965, J. Bruner présente ses
résultats; il fait la
connaissance de D. Kennedy
et va faire un Post. Doc.
à Stanford.

Phénomènes
présynaptiques
inhibiteurs
- Dans l’article de J. Physiol.(1965)
L. Tauc analyse un phénomène
déjà vu chez les vertébrés par
Frank et Fuortes 1957) et chez les
Invertébrés
par Dudel et Kuffler 1961).
- Après avoir établi une réponse test,
la stimulation d’une autre entrée,
déprime la première réponse
pendant des dizaines de secondes.

Etude des courants
des neurones géants d’Aplysie.
Ces travaux sont
précurseurs de ceux
qui seront regroupés
plus tard sous le nom
de
« Patch clamp ».
E. Neher dans son
discours « Nobel »,
le 9 décembre 1991,
a mentionné leurs
travaux
Avec K. Frank
( 1962-1964),
il améliore la technique du
voltage –clamp grâce à
une électrode
extracellulaire placée
contre le soma qui permet
de connaître les courants
qui traversent la
membrane. Ces
expériences ont permis de
montrer que si des soma
ont des propriétés actives
d’autres sont « passifs ».

La facilitation
« hétérosynaptique »
Travaux avec T.
Shimahara qui vient
une 1ere fois, en
1967 travailler avec
L. Tauc et sera
définitivement avec
lui à Gif en 1972 :
l’Aplysie se révèle
un modèle
intéressant pour
caractériser la
complexité des
synapses et les
différentes formes
de potentiels.
Concept de
facilitation
hétérosynaptique.

Rôle de la fameuse
cellule Br,
« Oberon » ou R 15!
En étudiant les propriétés de
l’Osphradium J. Stinnakre démontre
que R15 (Oberon) change
complètement de régime suivant la
salinité de l’eau. Une dilution de
seulement 5% suffit à l’inhiber.
(J. Exp. Biol. 51, 1969)

Mise au point
de la visualisation
des flux de calcium
dans les neurones
J. Stinnakre met au point
avec l’aequorine la
possibilité de voir les flux
de calcium et de
confirmer l’implication de
cet ion dans la génération
de certains potentiels
synaptiques.
(CR Acad. 278, 1974)

IV/ « L’internationalisation » du modèle Aplysie.
Comment se situe l’Aplysie vis à vis des autres
préparations d’invertébrés?
Éléments cellulaires:
L’axone de Calmar (1952):
Hodgkin et Huxley
Le récepteur de tension de
l’écrevisse ( 1955):
Eyzaguirre et Kuffler
Le synapse chimique du
ganglion stellaire du calmar
(1957): Bullock et Hagiwara
La synapse électrique des
fibres géantes de l’abdomen
de l’écrevisse (1957)
Furshpan et Potter.
Réseaux de neurones:
Le système des palettes
natatoires: (1960) Wiersma
et al. Les fibres de
commande (1964).
Enregistrement
intracellulaire (1968).
-Le circuit sensori-moteur
de l’abdomen de l’écrevisse:
(1968) Kennedy et al.
Le système
Stomatogastrique (1972):
Maynard et al.

L ’Aplysie est pris en exemple dans le livre de
« Bullock et Horridge » ( 1965) avec les
données d ’Arvanitaki.

E. Kandel cherchait un
modèle « simple »
d’apprentissage.
Il a travaillé à l’Institut
Marey et a appris la
préparation. Il a étudié
systématiquement
l’activité de nombreuses
cellules.
« The fact that the EPSPs can be
facilitated for over half-an-hour…
suggests that the concomitant changes
in the efficacy of synaptic transmission
may underlie certain simple forms of
information storage in the intact animal. »
Brit. J. Physiol. 1965
Les travaux d’ E. Kandel
à L’institut Marey
(1962-1963)
Sur une des cellules géantes, Kandel
et Tauc stimulent les différentes
branches nerveuses ( 3 ):
1) Réponse du nerf génital.
2/3) stimulation du nerf du siphon.
4/8) déclin de la réponse facilitée.

Activités des neurones
de l’Aplysie ( Kandel 1976)
On peut ainsi analyser très
finement les différents
cellules et relier
leurs modulations électriques
avec une activité
comportementale donnée.

L’Aplysie devient un des
modèles privilégié d’étude
de la microphysiologie
« Chez l’escargot marin, on trouve
« …des cellules géantes,qui ont quelques
dixièmes de millimètres de diamètre.
Cela nous permet d’y introduire
des électrodes d’enregistrement
extrêmement fines…Nous pouvons
explorer
le fonctionnement du système nerveux
à l’échelon unitaire! »
« Une Extrême amitié ». H. Troyat
La possibilité de reconnaître d’une
préparation
à l’autre, les mêmes neurones ouvre un
champ d’investigation totalement
nouveau à l’électrophysiologie: ce
sera le début de l’étude de « réseaux
neuroniques ».
E.Kandel,1979

E. Kandel après Marey…retour à Harvard en Nov. 1963
( Kuffler, Hubel, Wiesel, Furshpan, Potter et Kravitz).
- Poste à New York University en dec. 1965.
Il forme une équipe et trouve
une nouvelle préparation où il
peut mettre en évidence …tout
ce qu’il a pu apprendre en
France.
Il a maintenant son modèle
d’habituation et de
sensibilisation à long terme.
Entre 1967 et 1970:
7 « Science » ( 2 en 1967, 2 en
1969 et 3 en 1970).
6 J. Neurophysiol.
et 6 autres articles.
Ses
collaborateurs: V.
Castellucci
I. Kupfermann.
et H. Pinsker.
Et à un moindre niveau, R.E.
Coggeshall, W.T. Frazier et
H. Watchel.
Autres chercheurs sur le
modèle Aplysie:T. Bullock,
F.Strumwasser, J. Jacklet…

Le 1er article présente la préparation
entière, le retrait de la branchie, son
habituation et sa déshabituation.
La préparation qui mènera E. Kandel au
Prix Nobel de 2000 est présentée en 1970
dans trois articles de « Science »
Le 2eme présente le circuit, identifie
l’afférence sensorielle, les
interneurones et les motoneurones
Le 3eme article correspond
a une préparation isolée
L’empêcheur de tourner en rond: B. Peretz:
1) Le circuit est « oversimplified ».
2) Les effets à long terme ne s’observent
que chez les jeunes.
Conclusions

Parmi ses élèves,
G. Baux,
M. Simonneau,
B. Poulain,
P. Fossier…
L. Tauc, sera directeur du
laboratoire de Neurobiologie
cellulaire à Gif-sur-Yvette
de 1972 à 1994 et continuera à
travailler sur les propriétés
synaptiques des neurones
d’Aplysie en apportant un
ensemble de données
impressionnantes!
A partir des travaux de J-M.Meunier et de
L.Fiore (1975-1979) un couple de neurones
cholinergiques (pré-post) a été identifié dans le
ganglion buccal.
Calcium transients and
Neurotransmitter release at
an identified synapse:
TINS, 22 (4):161-166

H. Cardot ( 1886-1942) occupait la chaire de
Physiologie générale et Comparée de
l’Université de Lyon depuis 1927:
Après avoir été un zoologiste des mollusques,
il fait de la microbiologie. Mais sous
l’influence de L. Lapicque, il collabore avec
H. Laugier et devient un
électrophysiologiste expérimenté.
A Lyon, il s’intéresse à la réactivité des tissus
spontanément actifs:
1)Activité électrique et mécanique du cœur de
l’escargot.
2) Composition ionique des milieux.
3) Conduction dans les nerfs d’invertébrés, et
analyse des Potentiels d’action.

Pendant 30 ans, les
différents processus
impliquant des mécanismes
moléculaires à long terme
seront analysés.
L’Aplysie!:
E. Kandel obtient le
prix Nobel en 2000.

CONCLUSION
S
L’histoire de L’Aplysie et du développement de son étude
en Neurosciences, est un modèle du genre.
Lancée par l’École de Lyon, reprise par A. Fessard, elle se
développe véritablement à l’Institut Marey
et à l’INP à Marseille.
Elle sera ensuite utilisée par le monde scientifique Anglo-
Saxon, surtout aux U.S. Avec E. Kandel, la préparation est
couronnée en 2000 par le Prix Nobel.
Malgré les modèles pour la génétique ou les préparations
de « Mammifères »,
c’est un des Invertébrés encore régulièrement utilisé.
Remerciements à P. Ascher, J. Bruner, G. Baux, P.
Buser, C. Bange, M. Gola, J. Massion, R. Naquet, J.
Paillard, T. Shimahara et J. Stinnakre pour leur
aide pendant la préparation de cette présentation.

Travaux
de P. Ascher et J.S. Kehoe sur la
transmission chimique.
Après une thèse avec P.
Buser,P. Ascher, influencé
par « Coco » utilise le
modèle Aplysie
Travaux de P. Ascher et de
J.S. Kehoe: étude de la
dopamine.
Présence de 2
neurotransmetteurs
excitateurs sur un même
neurone

Le comportement alimentaire chez
Travaux de
Kupferman
et de Wise.
du comportement alimentaire
Aux propriétés cellulaires.
l’Aplysie.
Diagramme hiérarchique
d’un réseau modulé:
Il existe différents
modules qui participent
au comportement
alimentaire.

Autres préparations:
Drosophiles: 25300
C. elegans: 10300
Abeilles: 6700
Criquet:1200
Ecrvisse:1200
« Pubmed »: plus de 3500
articles référencés depuis
1952.
79 en 2005.
De la biologie moléculaire
au comportement.
Un exemple: Attaquée
l’Aplysie sécrète son encre
et de l’opaline. La langouste
est à la fois attirée par les
différentes substances
comme si c’était de la
nourriture mais aussi ces
sécrétions sont aversives et
l’Aplysie peut s’échapper
après ses sécrétions.
L’Aplysie
aujourd’hui
Défense de l’Aplysie
devant un
prédateur!

La nage de l’Aplysie
La nage de L’Aplysie est assurée par des
mouvements lents des parapodies. Il
existe un CPG central qui induit le rythme
de nage (Hening, Carew, Kandel.

Activation d’un neurone Br
« d’Aplysia fasciata »
par des rampes de courant
Imposé: présence d’une pente
négative caractéristique des
Réponse en salves successives.
1974.
Les travaux de L’INP2 à Marseille:
G.Romey et M. Gola, deux jeunes chercheurs des « Chalazonitis »,
étudient par patch-clamp les propriétés des neurones d’Aplysie:
Régulation de l’électrogénèse de la membrane somatique par des
gaz respiratoires (étude des perméabilités).
Régulation pharmacologique de l’oscillabilité.
Propriétés magnétique des cellules excitables et anisotropie des
systèmes à membranes multiples.
Mécanismes ioniques.