Neurophysiologie : cellules gliales
Astrocytes et espace extracellulaire : diffusion

Les astrocytes assument de nombreuses fonctions (fonctions des astrocytes).

En sus de leurs interactions avec les neurones (échanges astrocyte/neurone et rôle synaptique), les astrocytes interagissent avec l'espace extracellulaire (ECS, extracelular space) par :

• des échanges pour réguler l'homéostasie,
• par les modifications de leur volume cellulaire, provoquant celles du volume extracellulaire, essentiel pour la diffusion des molécules.

La diffusion dans l'ECS est différente d'une diffusion simple.

Anisotropie

L'anisotropie, i.e. diffusion extracellulaire dans une direction privilégiée (contraire de l'isotropie), est dépendante :

• 

  des processus astrocytaires organisés,
• des protéines d'échafaudages de la matrice extracellulaire (ECM),
• des gaines de myéline.

La diffusion dans l'ECS (espace extracellulaire) est déterminé par son volume, sa géométrie et les molécules qu'elle contient.

Modifications de la loi de diffusion de Fick

Par rapport à un milieu libre de toute contrainte, on doit introduire trois paramètres supplémentaires à la deuxième loi de diffusion de Fick.

1. La fraction volumique α de l'ECS par rapport au volume total du tissu, ici nerveux est : $\alpha=\dfrac{V_{ECS}}{V_{TISSU}} \simeq 0,20-0,22$

2. La tortuosité λ, dont la valeur est environ 1,5-1,6, caractérise l'obstacle à la diffusion des molécules observé dans le tissu comparé à celui dans un milieu libre. On peut retenir cinq obstacles principaux pour retarder la diffusion des molécules :

• l'augmentation de la longueur du trajet pour contourner les obstructions cellulaires ;
• le piégeage transitoire dans des espaces morts ;
• l'augmentation de la viscosité par les macromolécules qui composent la matrice extracellulaire ou par le frottement des molécules volumineuses sur les parois des canaux ;
• la liaison transitoire à des récepteurs fixés à la membrane ou à la matrice extracellulaire
• l'interaction non spécifique avec des charges électriques négatives comme les glycoaminoglycanes ou les protéoglycanes.

3. L'absorption non spécifique k' est caractérisée par la perte des molécules dans les capillaires ou à travers les membranes cellulaires.

Régulation de la diffusion

La diffusion extracellulaire est régulée par :

• les astrocytes
• les remodelages de l'espace extracellulaire (ECS).

Régulation par les astrocytes

Les astrocytes régulent la diffusion dans l'ECS.

1. Leur gonflement en général transitoire, i.e. afflux d'eau dans l'astrocyte due à l'augmentation intracellulaire de l'osmolarité, est du aux mouvements ioniques transmembranaires.

Le gonflement astrocytaire est considéré comme une cause majeure d'œdème cytotoxique dans diverses conditions pathologiques par :

• l'altération des mécanismes homéostatiques protecteurs,
• l'accumulation pathologique de substances cytotoxiques comme le glutamate.

Le gonflement astrocytaire peut être provoqué par :

• un stress hypotonique ou une augmentation du potassium extracellulaire (The Impact of Alpha-Syntrophin Deletion on the Changes in Tissue Structure and Extracellular Diffusion Associated with Cell Swelling under Physiological and Pathological Conditions 2013) ;

AQP4 est ancré par l'α-syntrophine (α-syn), sa délétion entraîne une réduction des taux d'AQP4 dans les membranes périvasculaires et subpiales.

• une ischémie/anoxie, comme vue sur la figure ci-contre (Cell death/proliferation and alterations in glial morphology contribute to changes in diffusivity in the rat hippocampus after hypoxia–ischemia 2010) ;
• une dépression (Transient swelling, acidification, and mitochondrial depolarization occurs in neurons but not astrocytes during spreading depression 2010).

Une étude récente a montré que le stress tonique réduirait de 6 à 20 fois le nombre des astrocytes, que ce soit dans le cortex préfrontal (siège du raisonnement) que dans les aires sous-corticales impliquées dans la mémoire et le comportement.

2. La reconstruction morphologique des astrocytes peut survenir lors lors de processus persistants par ischémie/anoxie lors de maladies chroniques avec prolifération et hypertrophie (Extrasynaptic volume transmission and diffusion parameters of the extracellular space 2004).

Régulation par le remodelage de l'ECS

Les remodelages de l'espace extracellulaire peuvent avoir lieu lors :

• de tumeur,
• de maladies neurodégénératives comme la maladie d'Azheimer,
• de tissu épileptogène…

La perturbation de cette diffusion affectent le mouvement des substances neuroactives et/ou des facteurs trophiques, qui, à leur tour, peuvent moduler l'étendue des dégâts tissulaires, ou même le métabolisme des médicaments.

Astrocytes/neurones : synapse tripartite