Les noyaux gris centraux, représentés sur la figure 2.1., sont des formations de substance grise situées au sein de la substance blanche hémisphérique.

Ils se composent principalement du noyau caudé, du putamen et du pallidum, auxquels s’ajoutent le noyau subthalamique (ou corps de Luys) et la substantia nigra, formation mésencéphalique formée de deux parties: la pars compacta et la pars reticulata. Le noyau caudé et le putamen forment, avec le noyau accumbens et le tubercule olfactif, le striatum. On distingue généralement le striatum dorsal, représentant la majeure partie du noyau caudé et du putamen, et le striatum ventral qui comprend le noyau accumbens, la partie ventromédiane du noyau caudé et du putamen ainsi que le tubercule olfactif. Le pallidum est formé de deux segments: interne (globus pallidus interne) et externe (globus pallidus externe).

Les multiples afférences des noyaux gris centraux convergent vers le striatum et le noyau subthalamique. La totalité du cortex, à la seule exception du cortex visuel primaire, envoie des axones au striatum. Les fibres cortico-striées sont des voies excitatrices glutamatergiques. Le striatum reçoit aussi des projections dopaminergiques excitatrices et inhibitrices en provenance de la substantia nigra pars compacta, et des afférences excitatrices du thalamus, de l’hippocampe et de l’amygdale. Pour le noyau subthalamique, les afférences sont plus limitées, restreintes au cortex frontal, au noyau parafasciculaire du thalamus et au noyau pédonculo-pontin.

Toutes les efférences des noyaux gris centraux sont issues du pallidum interne et de la substantia nigra pars reticulata. Ces structures exercent une inhibition tonique GABAergique sur les noyaux ventral antérieur et ventral latéral du thalamus qui projettent à leur tour vers le cortex cérébral, essentiellement le cortex frontal.

Les composantes des noyaux gris centraux sont reliées entre elles via deux grands systèmes de projection: la voie directe et la voie indirecte (Fig. 2.2).

La voie directe prend son origine dans les neurones striataux contenant du GABA plus de la substance P ou de la dynorphine et projette monosynaptiquement vers le complexe pallidum interne- substantia nigra pars reticulata. Si la substance P exerce une influence excitatrice sur les neurones cibles, les autres neurotransmetteurs sont inhibiteurs. La voie indirecte prend son origine dans les neurones striataux contenant du GABA plus de l’enképhaline et projette de façon polysynaptique vers le complexe pallidum interne- substantia nigra pars reticulata en faisant un relais par le pallidum externe et le noyau subthalamique. Cette voie comprend une projection inhibitrice GABAergique du striatum vers le pallidum externe, puis des projections inhibitrices GABAergique du pallidum externe vers le noyau subthalamique et le complexe pallidum interne- substantia nigra pars reticulata, enfin une projection excitatrice glutamatergique du noyau subthalamique vers le complexe pallidum interne- substantia nigra pars reticulata.

Au total entre ces pôles d’entrée et de sortie, on distingue trois principaux circuits de traitement de l’information: un circuit trans-striatal direct et deux circuits trans-subthalamiques, direct et indirect (Fig. 2.3). Les réponses électrophysiologiques obtenues après stimulation corticale chez le rongeur et chez le primate au niveau des neurones du GPi et de la SNr confirment la réalité fonctionnelle de ces trois circuits. On enregistre une activation à courte latence suivie d’une inhibition puis d’une activation tardive selon une séquence triphasique correspondant aux transmissions successives des circuits trans-subthalamique direct (voie hyperdirecte), trans-striatal (voie directe) et trans-subthalamique indirect (voie indirecte, trans-striato-pallido-subthalamique).