Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle des vésicules synaptiques
3-4. Amarrage (docking) et amorçage (priming)
Modèle RS/DS et modèle LS/TS

Modèle RS/DS (Remplacement Site/Docking Site)

Le modèle RS/DS (Remplacement Site/Docking Site) est basé sur des données électrophysiologiques ( Actin- and Myosin-Dependent Vesicle Loading of Presynaptic Docking Sites Prior to Exocytosis 2016).

1. Dans le modèle RS/DS, deux VS peuvent occuper simultanément le site de remplacement et le site d'amarrage associé (A maximum of two readily releasable vesicles per docking site at a cerebellar single active zone synapse 2024).

2. Le pool de recyclage était considéré comme un grand pool qui contient les VS qui vont transiter vers le site de liaison distale, i.e. RS ou LS.

• Par conséquent, la dépression se produit lorsque le RRP est épuisé et que l'état d'équilibre reflète le flux de VS provenant du pool de recyclage.
• Or, lors de la dépression et de sa récupération par la suite, un modèle a introduit un nouveau petit pool de VS, appelé pool intermédiaire (IP), en amont du RRP.

Selon le modèle présenté, les transitions de l'IP vers le RRP sont dépendantes du calcium, tout comme celles du RS vers le DS (Three small vesicular pools in sequence govern synaptic response dynamics during action potential trains 2022).

Modèle LS/TS
(Loose State/Tight State)

Généralités

Le modèle LS/TS (Loose State/Tight State) a été proposé sur la base d'observations en microscopie électronique d'animaux KO (Dynamically Primed Synaptic Vesicle States: Key to Understand Synaptic Short-Term Plasticity 2018).

1. Dans le modèle LS/TS, les liaisons VS vers LS et TS sont exclusives, i.e. il n'y a qu'une VS par site d'amarrage, i.e. ES (Empty Site) étant un site vide.

2. Des récentes observations ont montré des amarrages transitoires (Synaptic vesicles transiently dock to refill release sites 2020).

a. Au repos, des vésicules proches de la zone active sont proposées pour transiter entre les états amarrés et non amarrés, un certain nombre de vésicules amarrées sont prêtes à fusionner à tout moment.

b. Suite à un potentiel d'action (PA), la libération synchrone, souvent de plusieurs vésicules, commence dans toute la zone active (ZA) en moins de quelques centaines de microsecondes, et les vésicules finissent par s'effondrer en 11 ms, le calcium local élevé ne dure que 100 microsecondes.

c. Entre 5 et 11 ms, le calcium résiduel déclenche la libération asynchrone, préférentiellement vers le centre de la zone active, mais on ne sait pas si la libération synchrone et asynchrone se produit dans la même zone active après un potentiel d'action unique.

d. À 14 ms, les vésicules du pic de fusion asynchrone, qui peut se poursuivre pendant des dizaines à des centaines de millisecondes, se sont complètement effondrées, et de nouvelles vésicules amarrées, qui ont été recrutées en moins de 10 ms, ont entièrement remplacé les vésicules utilisées pour la fusion, i.e. ces vésicules fusionnent ou se désamarrent dans les 100 ms.

3. Le modèle a donc été révisé (Fast resupply of synaptic vesicles requires Synaptotagmin-3 2022).

a. Des vésicules labiles à l'état serré (TSL) ont été ajoutées au modèle (A sequential two-step priming scheme reproduces diversity in synaptic strength and short-term plasticity 2022).

b. La seule différence entre TS et TSL est le taux de transition vers TS vers LS.

• Les VS TS mettent 3-4 secondes pour revenir au stade LS.
• Les VS TSL reviennent au stade LS en les ~ 100 ms.

Conclusion sur les modèles

1. La machinerie de libération du neurotransmetteur nécessite Munc13-1, Munc18-1, les SNARE et les senseurs calciques pour ancrer étroitement les VS amorcées à la zone active (ZA) au niveau de la membrane plasmique.

En l'absence de l'une de ces protéines, les VS au repos se retrouvent plus éloignées de la membrane et avec des complexes SNARE partiellement décompressés.

2. Cette instabilité dans l'état des VS étroitement amarrées et amorcées peut être compensée par des augmentations de Ca⁺⁺.

Différences entre synapses phasiques et toniques

1. Les synapses phasiques montrent :

• soit une dépression synaptique à court terme (STD ou Short-Term Depression) lors de trains de stimuli à haute fréquence,
• soit une séquence de légère facilitation, suivie d'une dépression des stimuli après 2 à 3 secondes.

2. Les synapses toniques sont initialement faibles après des périodes de repos prolongées, mais la capacité de fusion de leurs VS augmente avec chaque stimulus lors d'une stimulation à moyenne fréquence jusqu'à ce que les réponses post-synaptiques atteignent environ 10 fois, ou même dans certains cas 100 à 1 000 fois la taille de la réponse initiale.

Elles sont représentées par les synapses :

• des terminaisons des fibres moussues du gyrus denté dans CA3 (Loose coupling between Ca2+ channels and release sensors at a plastic hippocampal synapse 2014),
• des cellules granulaires du cervelet aux synapses des cellules de Purkinje (Frequency-dependent mobilization of heterogeneous pools of synaptic vesicles shapes presynaptic plasticity 2017).

3. L'augmentation de la force synaptique des synapses toniques, au-delà de l'augmentation de la probabilité de libération, est une augmentation rapide de l'occupation des LS et des TS, y compris un déplacement des VS du LS au TS à partir desquels elles fusionnent en réponse à un potentiel d'action (PA) avec une forte probabilité.

4. Les cercles représentent les pools de VS, la partie colorée indiquant le degré de remplissage du pool. Les longueurs des flèches indiquent les constantes de taux (A two-step docking site model predicting different short-term synaptic plasticity patterns 2018).

a. Dans une synapse phasique, la constante de vitesse pour la transition LS ➞ TS est plus grande que celle inverse.

Le pool de VS étroitement amarrées/amorcées se remplit.

b. Dans une synapse tonique, cela ne se produit pas, car les VS ont un taux de désamorçage important, même si l'amorçage est aussi rapide que dans le premier cas.

• Une facilitation fréquentielle (remplissage du TS) peut se produire si, lors de l'activité, la transition LS ➞ TS s'accélère, tant que la fusion VS (petite flèche à droite) ne domine pas la balance.
• Lors d'une forte stimulation, les VS TS sont consommées plus rapidement qu'elles ne sont fournies, ce qui entraîne un épuisement des TS et LS et une dépression à court terme.

En résumé, les études sur les synapses phasiques et toniques documentent un pool VS très dynamique compétent en matière de fusion, i.e. les TS, et indiquent que la principale différence entre les synapses phasiques et toniques est leur pTS, qui est compris entre 0,4 et 0,7 pour les synapses phasiques et ≤ 0,2 pour les synapses toniques.

• l'amarrage lâche initial (LS) et l'amorçage des VS aux sites de libération de la zone active (ZA) et la constitution d'une machinerie de fusion faiblement organisée, qui se produit sur une échelle de temps d'environ 20 à 50 ms lors de l'activité synaptique à haute fréquence et de l'augmentation concomitante de Ca⁺⁺,
• une transition réversible vers l'état étroitement amarré (TS), qui est lente au repos, mais peut se produire en ∼1–5 ms à un [Ca⁺⁺]i élevé.

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