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Submitted on 20 May 2019
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associée au syndrome d’apnées obstructives du sommeil
et caractérisation d’un nouveau modèle murin
David Baum
To cite this version:
David Baum. Dimorphismes sexuels de la neuroplasticité respiratoire associée au syndrome d’apnées obstructives du sommeil et caractérisation d’un nouveau modèle murin. Neurobiologie. Sorbonne Université, 2018. Français. �NNT : 2018SORUS044�. �tel-02134089�
THESE DE DOCTORAT DE SORBONNE UNIVERSITE Ecole doctorale 394 – Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique
réalisée au sein de l’UMR_S1158 Inserm-Sorbonne Université Neurophysiologie Respiratoire Expérimentale et Clinique
directeur : Professeur Thomas SIMILOWSKI
directeurs adjoints : Professeur Laurence BODINEAU et Professeur Christian STRAUS
présentée par
David Marcel BAUM
dirigée par
le Professeur Philippe CARDOT
et
le Docteur Marie-Noëlle FIAMMA
soutenue publiquement le 15 mars 2018
Jury composé de
M. Philippe LE ROUZIC, Professeur Président
Mme Véronique BACH, Professeur Rapporteur
M. Valéry MATARAZZO, Professeur Rapporteur
Mme Véronique FABRE, Chargée de Recherche Inserm Examinateur
Mme Julie PEYRONNET-ROUX, Maître de conférences Examinateur
D
IMORPHISMES SEXUELS DE LA NEUROPLASTICITE RESPIRATOIRE ASSOCIEE AUS
YNDROME D’A
PNEESO
BSTRUCTIVES DUS
OMMEIL ETREMERCIEMENTS
Pour commencer, je tiens à remercier Madame le Professeur Véronique Bach et Monsieur le Professeur Valéry Matarazzo, les Rapporteurs, Madame le Docteur Julie Peyronnet-Roux et Madame le Docteur Véronique Fabre, les Examinateurs ainsi que Monsieur le Professeur Phi-lippe Le Rouzic, le Président du jury de me faire l’honneur d’expertiser mon travail.
Ensuite, je souhaite remercier Monsieur le Professeur homas Similowski, Madame le Profes-seur Laurence Bodineau et Monsieur le ProfesProfes-seur Christian Straus, directeur et co-directeurs adjoints de l’UMR_S1158 de m’avoir accueilli au sein de l’équipe.
J’aimerais remercier le Docteur Marie-Noëlle Fiamma et le Professeur Philippe Cardot de m’avoir encadré pendant ces années. Merci, Marie-Noëlle, de m’avoir formé à Somnologica et à la respiration. Merci, Philippe, des échanges concernant la biologie moléculaire. Merci aussi d’avoir aidé à inaliser ce manuscrit.
Madame le Professeur Carole Planes et Madame et Monsieur les Docteurs Florine Jeton et Ni-colas Voituron, directrice et membres de l’équipe EA2363 Hypoxie & Poumon, je tiens à vous remercier de votre collaboration dans ce projet. Le rôle central que vous avez joué dans ma thèse est évident. Merci d’avoir fourni les souris et les locaux.
Je tiens à remercier la SFRMS d’avoir accepté de inancer la dernière année de ma thèse. Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Monsieur le Professeur Franck Carreiras et Madame le Docteur Johanne Leroy-Dudal pour leurs enseignements durant mes études à l’Université de Cergy-Pontoise. Les quatre années passées dans cette université m’ont beaucoup marqué et j’y repense avec beaucoup de nostalgie. Croyez-le ou non, je considère que tous les deux, vous avez contribué à ce que je crois en mes potentiels aujourd’hui et je n’ai pas oublié votre enca-drement depuis.
J’aimerais remercier Sabrina Martin qui m’a encadré pendant mon stage de M2 et plus tard encore. Tu m’as transformé de quelqu’un qui part dans tous les sens pendant les jours chargés en quelqu’un chez qui on arrive à identiier des débuts de capacités organisationnelles. Merci notamment pour ta loyauté.
Je souhaite remercier de tout mon cœur Madame le Docteur Catherine Monnot, directrice ad-jointe de l’ED394. Je te suis ininiment reconnaissant de m’avoir accepté au sein de ton école doctorale et de nos échanges.
Maud Saussereau, mon rayon de soleil, j’aimerais te remercier pour ton aide dans ce projet durant ton stage de M2. Jusqu’à la in, nous avons continué à interpréter les résultats obtenus grâce à toi.
Dans ce contexte, je souhaite remercier Constance Nivoit, qui pendant son stage de M1 nous a aidés à mettre au point la technique de Western blot.
J’aimerais te remercier, Margaux Cauhapé, de ton aide en animalerie et des prélèvements de tissus.
Besma Barka (Bzzzma), je souhaite te remercier de ton aide en in de thèse. Sans toi, on n’aurait pas avancé aussi loin.
Christopher Prochasson, l’Irlandais-Portugais, merci des moments de rigolade et de ton écoute. Tes vannes sont quand-même pourries, par contre.
Madame le Docteur Florence Cayetanot, je te remercie d’avoir ramené l’anticorps anti-ChAT. Ce marquage me tenait spécialement à cœur. Merci également d’avoir pris le temps pour les discussions concernant les motoneurones et la technique de patch-clamp.
Je remercie également Monsieur le Professeur Alain Frugière pour nos interactions lors des réunions de labo.
Je remercie Madame le Docteur Caroline Sevoz-Couche de tous les échanges scientiiques con-cernant les approches expérimentales et l’interprétation des résultats lors des réunions de labo. Je souhaite remercier Madame le Docteur Brigitte Quenet. J’adore ton attitude et c’est impos-sible de ne pas être afecté par ta bonne humeur. Merci de tes discussions concernant le projet qui avaient toujours une touche philosophique.
Je remercie également le Docteur Valérie Attali pour tous les échanges scientiiques. Nos vies tournent autour des voies aériennes supérieures comme certains muscles respiratoires autour du pharynx. Cela n’est pas anatomiquement correct, mais tant pis, c’est pour la métaphore. Bernadette Millim, je te remercie de ton aide administrative lors de mon arrivée dans ce labo et lors des déplacements en congrès.
J’aimerais remercier Anne-Sophie Perrin-Terrin, Camille Loiseau et Fanny Joubert pour toute leur formation et aide en immunohistochimie. Il se trouve que cette technique occupe une bonne partie de cette thèse.
J’aimerais dire à quel point je suis reconnaissant envers toi, Rodrigo Alvear, ami et tuteur de thèse, de ta loyauté et de ton envie d’aider les gens ainsi que de ton soutien durant mon chan-gement d’équipe d’accueil.
Gino Fagard, que je connais depuis le printemps 2013, je veux te remercier de tes soutiens moraux et inanciers durant ces années et d’être toujours loyal avec les gens qui t’entourent. Une année comprend 52 semaines, ce qui fait que tu m’as accueilli environ 260 fois chez toi. Merci également d’avoir ajouté une note de douceur pendant les moments de déprime : « Oh c’est bon, arrête de te plaindre, c’est toi qui as choisi de faire une thèse » (Fagard, 2015). Merci donc de m’avoir secoué quand il fallait.
J’aimerais te remercier, Anne-Sophie Perrin-Terrin, pour tes soutiens et de nos pauses pipe qui ont fait remonter mon … moral (il s’agit ici d’une pipe à tabac). Ta présence et ton attitude positive ont vraiment un efet apaisant sur moi et je te remercie de tes valeurs ainsi que ta sincérité dans tes relations amicales.
Je vous remercie, Camille Loiseau et Benjamin Vallin, pour vos soutiens et notamment votre douceur. Ça aurait été intéressant de calculer le nombre d’heures que vous avez passés à m’écouter. Merci de m’avoir constamment rappelé qu’il est important de croire en soi-même. Merci, Benjamin, de tes conseils pour la mise au point des nombreuses approches tentées en biologie moléculaire.
Ma chère Soledad Acuña Mendoza, toi qui me connais dans tous les moments, je veux te re-mercier pour ton soutien et ta patience. Merci de ta gentillesse, mais aussi du fait que tu saches être suisamment « latina » (on n’a pas encore inventé un adjectif pour te décrire) pour me faire agir dans la bonne direction quand il le faut. Tu as traversé en premières loges les hauts et les bas avec moi du matin jusqu’au soir. Je sais que tu as soufert à l’idée de ne pas être à mes côtés pendant la in de l’écriture du manuscrit, mais tu as pourtant été présente au quotidien. Ton départ nous a faits regarder vers l’avant et m’a sorti de cette bulle à paroi épaisse nommée hèse.
--,-‘-
Je veux remercier ma mère Beatrice et mon père Ingo Baum, sans lesquels j’aurais baissé les bras à bien plusieurs occasions dans la vie. Comment inalement exprimer ce que je ressens pour les personnes qui sont là pour moi sans jamais hésiter, qui soufrent à chaque fois que moi je soufre et qui sont heureux à chaque fois que je le suis aussi ? Ça ressemblerait probablement à un de ces monologues ridicules tels qu’on les trouve seulement dans les ilms américains …
Je souhaite inir par Madame le Professeur Laurence Bodineau puisque mon séjour au sein de cette équipe a commencé par toi, Laurence. Lorsque nous nous sommes parlés pour la première fois, j’avais l’intention d’arrêter le doctorat. Je te remercie de m’avoir accueilli au sein de ton équipe animale malgré mon manque de connaissances des bases de la neurophysiologie. J’ai pu m’approprier ce sujet de thèse durant les années et cela grâce aux nombreux échanges scienti-iques que nous avons eus. Merci beaucoup de ta formation dans ce domaine et de m’avoir freiné dans l’interprétation des résultats lorsque j’avais laissé les tests stats derrière moi. On sait tous que j’ai « tendance » à le faire, espérons donc que cela va diminuer « signiicativement ». Merci notamment de ton input inestimable pour faire avancer mon travail, je me souviendrai encore longtemps de ton engagement.
Par ordre alphabétique Anne-Sophie Perrin-Terrin Beatrice Baum Benjamin Vallin Camille Loiseau Géraldine Raths Gino Fagard Ingo Baum Katharina Breuer Soledad Acuña Mendoza
Vérane Meyer
Il est incontestable que le plus important dans la vie, ce sont les gens qui nous entourent. Vous avez chacun formé mon bien-être et je voudrais vous dédier ce manuscrit.
PUBLICATIONS
Article de recherche soumis
Baum DM.*, Morales Rodriguez B.*, Attali V., Arnulf I., Cardot P., Bodineau L., Fiamma
MN. New Zealand Obese mice as translational model of obesity-related Obstructive Sleep Apnea. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. *, co-premiers auteurs
Articles de recherche à soumettre
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Planes C., Voituron N., Cardot P., Fiamma MN, Bodineau
L. Sex efect on chronic intermittent hypoxic FosB/FosB expression in cardiorespiratory- related brain structures in mice. Frontiers in Physiology
Communications scientiiques dans des congrès
Symposium
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L.*, Fiamma
MN*. Obstructive sleep apnea – afecting serotonin signaling without afecting serotonin?
Congrès du Sommeil, Strasbourg novembre 2016; *, co-derniers auteurs
Communications orales
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L., Fiamma
MN.Central long-term modulation in sleep apnea-like chronic intermittent hypoxia: A matter of sex. 18èmes Journées de l’Ecole Doctorale 394, Paris mai 2017
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L., Fiamma
MN. Implication de structures cardiorespiratoires dans les apnées du sommeil : Une question de sexe. Congrès du Sommeil, Marseille novembre 2017
Communications aichées
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L., Fiamma
MN. Obstructive sleep apnea – afecting serotonin signaling without afecting serotonin? 17èmes
Journées de l’Ecole Doctorale 394, Paris mai 2016. Premier prix pour Poster teasing
Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L.*, Fiamma
MN*. Obstructive sleep apnea – afecting serotonin signaling without afecting serotonin?
Federation of European Physiological Societies, Paris juillet 2016; *, co-derniers auteurs Baum DM., Saussereau M., Jeton F., Voituron N., Planes C., Cardot P., Bodineau L., Fiamma
MN. Long-term modulation of brainstem structures in sleep apnea-like chronic intermittent hypoxia: A matter of sex. Journée des Jeunes Chercheurs de Bichat, Paris juin 2017
ABREVIATIONS
A
A1 à A7 Groupements cellulaires noradrénergiques 1 à 7 A5 Région noradrénergique A5
ADN Acide désoxyribonucléique ADP Adénosine diphosphate AMP Adénosine monophosphate
AMPc Adénosine monophosphate cyclique AP-1 Activator protein complex 1
Aq Aqueduc de Sylvius
AR Récepteurs cytoplasmiques aux androgènes ARE Androgen response element
ARN Acide ribonucléique
B
B1 à B9 Groupements cellulaires sérotoninergiques 1 à 9 BDNF Brain-derived neurotrophic factor
BötC Complexe de Bötzinger BrdU Bromodésoxyuridine
C
C (C1, C2, …) Racines cervicales
C1 à C3 Groupements cellulaires adrénergiques 1 à 3 cAMP Cyclic adenosine monophosphate (voir AMPc) CCR Commande centrale respiratoire
CD133 Prominine 1, un marqueur d’hémangioblastes CD34 Marqueur d’hémangioblastes
c-FOS FBJ osteosarcoma oncogene homolog
CIH Chronic intermittent hypoxia
CIHH Chronic intermittent hypoxia / hypercapnia
cNTS Subdivision commissurale du noyau du tractus solitaire CPAP Continuous Positive Airway Pressure
Cre Cre recombinase, enzyme à action topoisomérase reconnaissant les sites loxP (« floxés »)
CREB cAMP response element binding protein
Cyp19a1 Gène codant pour l’Aromatase
D
DLPAG Subdivision dorsolatérale de la substance grise périaqueductale DM Noyau hypothalamique dorsomédian
DMPAG Subdivision dorsomédiane de la substance grise périaqueductale DR Dorsal raphe nucleus, Raphé Dorsal
E
E2 17-estradiol
ER Récepteurs aux œstrogènes translocalisables dans le noyau ERE Estrogen response element
F
Fi (FiCO2 ou
FiO2)
Fraction inspirée (en CO2 ou O2)
FOSB FBJ osteosarcoma oncogene homolog B
G
GABA Gamma-Amino Butyric Acid
GFAP Glial fibrillary acidic protein
GFP Green fluorescent protein
Gi Protéine G inhibitrice de l’Adénylate cyclase gpER Récepteurs aux œstrogènes couplés aux protéines G
Gq Protéine G stimulatrice de la Phospholipase C GRD Groupe respiratoire dorsal
GRP Groupe respiratoire pontique GRV Groupe respiratoire ventral
Gs Protéine G stimulatrice de l’Adénylate cyclase
H
HHIC Hypoxie et hypercapnie intermittentes chroniques HIC Hypoxie intermittente chronique
HIF-1 et -2 Hypoxia inducible factors 1 et 2
hLTF Facilitation hypoglossale à long terme ou hypoglossal long-term
facili-tation
I
IAH Index d’apnées et d’hypopnées IL-6 Interleukine 6
K
KF Noyau Kölliker-Fuse
L
LC Locus coeruleus LepR Récepteur à la Leptine LH Aire hypothalamique latérale
Lmx1b LIM homeobox transcription factor 1
Loop gain Rapport entre l’intensité du stimulus et l’intensité de la réponse
respi-ratoire
lPB Subdivision latérale du noyau parabrachial LPGi Noyau réticulaire paragigantocellulaire latéral LTF Facilitation à long terme ou Long-term facilitation
LTP Potentialisation à long terme ou Long-term potentiation
M
MAPK Mitogen-activated protein kinase
mAR Récepteurs membranaires aux androgènes
mNTS Subdivision médiane du noyau du tractus solitaire mPB Subdivision médiane du noyau parabrachial
mPR Récepteurs à la progestérone couplés aux protéines G
N
NF-B Nuclear factor kappa B
NOX NADPH oxidase
nPR Récepteurs à la progestérone translocalisables dans le noyau NREM Sommeil lent ou Non-rapid eye movement sleep
NTS Noyau du tractus solitaire
O
OSA(S) Obstructive Sleep Apnea (Syndrome)
OXR Récepteur à l’orexine
P
P Pression
P2X Récepteurs ionotropiques à l’ATP Pa Pression artérielle
PAG Substance grise périaquéductale ou Periaqueductal gray
PaLM Subdivision latérale magnocellulaire du noyau paraventriculaire PB Noyau parabrachial
Pcrit Pression critique (ici : pression négative critique à la fermeture des VAS)
Pet1 pheochromocytoma 12 ETS factor-1
pFRG Groupement respiratoire parafacial
Pgrmc1 progesterone receptor membrane component 1
PI3K Phosphoinositide 3-kinase PiCo Postinspiratory complex
pLTF Facilitation phrénique à long terme ou phrenic long-term facilitation
PPC Pression positive continue pré-BötC Complexe de pré-Bötzinger Protéines G
(Gi, Gq, Gs) Voir respectivement « Gi », « Gq » et « Gs » PVN Noyau paraventriculaire ou Paraventricular nucleus
R
REM Sommeil paradoxal ou Rapid eye movement sleep
ROS Dérivés réactifs de l’oxygène ou Reactive oxygen species
RTN Noyau rétrotrépézoïde rVLM Partie rostrale de la VLM
S
Sa Saturation artérielle
SAOS Syndrome d’apnées obstructives du sommeil
SAP Saporine, un agent toxique inhibiteur des ribosomes Sat (SatO2) Saturation sanguine (en dioxygène)
Sol(C,M,VL) Noyau du tractus solitaire (angl., nucleus of the solitary tract), subdivi-sions commissurale, médiane et ventrolatérale
STF Facilitation à court terme ou Short-term facilitation
STP Potentialisation à court terme ou Short-term potentiation
SubC Noyau subcoeruleus
SWS Sommeil lent ou Slow wave sleep
Syndrome X Syndrome métabolique
T
TASK Twik-related acid-sensitive K+ channel
Tph L-tryptophane hydroxylase TrkB Tropomyosin receptor kinase B
V
v1 et v2 Récepteurs à la vasopressine VAS Voies aériennes supérieures
VEGF Vascular endothelial growth factor
VEGFR2 Récepteur membranaire au VEGF
VLM Noyau réticulaire ventrolatéral ou Ventrolateral medulla
vlNTS Subdivision ventrolatérale du noyau du tractus solitaire
VLPAG Subdivision ventrolatérale de la substance grise périaqueductale
Autres
10N Noyau dorsomédian du nerf vagal 12N Noyau hypoglosse
4V Quatrième ventricule 5-HT 5-hydroxytryptamine
5-HTIAA Acide 5-hydroxyindolacétique 5-HTR Récepteurs à la sérotonine 5-HTT Transporteur de la sérotonine
5-htt Gène codant pour le transporteur de la sérotonine 7N Noyau facial
IX Nerf glossopharyngien
X Nerf vague
XII Nerf hypoglosse
2FOSB Forme doublement tronquée (delta, delta) de FOSB FOSB Forme tronquée (delta) de FOSB
ILLUSTRATIONS
Figure 1 : Illustration schématique du système respiratoire ... 3
Figure 2 : Vue transversale de la partie encéphalique de l’Homme par imagerie à résonance magnétique localisant les voies aériennes supérieures ... 4
Figure 3: Muscles pharyngés des voies aériennes supérieures ... 6
Figure 4: Contrôle des muscles des voies aériennes supérieures par le noyau hypoglosse via le nerf hypoglosse ... 7
Figure 5: Organisation somatotopique du noyau de l’hypoglosse ... 9
Figure 6: L’activité du génioglosse en fonction de l’état de vigilance chez l’Homme ... 13
Figure 7: Identification des neurones respiratoires selon le moment de décharge ... 15
Figure 8: Activité spatio-temporelle des régions génératrices du rythme respiratoire ... 16
Figure 9 : Représentation schématique des structures respiratoires bulbo-pontiques majeures chez la souris ... 20
Figure 10: Co-localisation de glutamate et substance P dans les neurones sérotoninergiques 24 Figure 11: Illustration schématique de la distribution des noyaux Raphés dans le tronc cérébral de la souris ... 25
Figure 12: Distribution des neurones sérotoninergiques dans le tronc cérébral humain ... 26
Figure 13: Projections des neurones sérotoninergiques vers les motoneurones respiratoires .. 27
Figure 14: Projections du Raphé Dorsal de la souris – Reconstruction in silico ... 28
Figure 15: Stimulation des motoneurones respiratoires par le Raphé Obscurus ... 34
Figure 16: L’activité des neurones sérotoninergiques diminue graduellement entre les stades d’éveil et de sommeil ... 37
Figure 17: Stimulation sérotoninergique du tonus du génioglosse pendant le sommeil ... 38
Figure 18: Chémoréponse à l’hypoxie par les canaux TASK des corps carotidiens ... 44
Figure 19: L’activité des corps carotidiens en fonction des variations d’O2 ... 46
Figure 20: Augmentation des afférences provenant des corps carotidiens en hypoxie chronique ... 47
Figure 21: Réponse respiratoire à l’hypercapnie en fonction du stade de vigilance au cours du temps ... 48
Figure 22: Effet de la lésion du RTN sur la réponse ventilatoire à l’hypercapnie ... 50
Figure 23: La chémoréponse au CO2/H+ du génioglosse est sérotonine-dépendante ... 53
Figure 24: Chémosensibilité H+ et localisation périvasculaire des neurones sérotoninergiques ... 54
Figure 25: Réponse ventilatoire et réponse des neurones sérotoninergiques à l’hypercapnie chez l'Homme en fonction de l'état de vigilance ... 55
Figure 26: La stéroïdogénèse ... 61
Figure 27: Cycle ovarien chez les rats et souris comparé à la femme ... 62
Figure 29: Modulation et neuroplasticité respiratoires ... 72
Figure 30: Mécanismes de neuroplasticité respiratoire ... 73
Figure 31: Désensibilisation de c-FOS suite au pré-conditionnement à l’amphétamine ... 75
Figure 32: Isoformes de FOSB chez la souris ... 76
Figure 33: Induction de l’expression de l’isoforme FOSB ... 77
Figure 34: L’implication de FOSB dans la plasticité dendritique ... 78
Figure 35: Mécanisme de mise en place de la facilitation à long terme phrénique (pLTF) induite par l’hypoxie intermittente chronique ... 79
Figure 36: Plasticité des corps carotidiens suite à l’hypoxie (intermittente) chronique ... 81
Figure 37: Dualismes de l'hypoxie intermittente... 84
Figure 38: La LTF phrénique et hypoglossale chez les rats mâles est estradiol-dépendante ... 88
Figure 39: Micro-éveil d’un patient atteint d’apnées obstructives du sommeil ... 94
Figure 40: Polygraphies de sujets atteints d'apnées du sommeil ... 95
Figure 41: Schématisation du SAOS cyclique ... 98
Figure 42: Impact de l’obésité sur le diamètre des voies aériennes supérieures ... 101
Figure 43: Activité du génioglosse pendant différents exercices musculaires à l’éveil dans le SAOS ... 106
Figure 44: Impact de la privation du sommeil sur le muscle génioglosse ... 107
Figure 45: Schématisation des modèles du lien entre le syndrome X et le SAOS ... 114
Figure 46: Accidents cardiovasculaires en fonction de la sévérité du SAOS ... 116
Figure 47: Thérapie de Pression Positive Continue chez des patients SAOS avec insuffisance cardiaque ... 120
Figure 48 : Expression de FosB par les structures centrales cardio-respiratoires en réponse à l’hypoxie intermittente chronique chez le rat mâle ... 123
Figure 49: Identification des stades ovariens chez les souris C57BL/6 ... 171
Figure 50: Répartition de FOSB/FOSB dans les différentes subdivisions du noyau hypoglosse et caractérisation des neurones immunoréactifs pour FOSB/FOSB ... 174
Figure 51: Caractérisation des neurones FOSB/FOSB-positifs du noyau hypoglosse ... 175
Figure 52: FOSB/FOSB n’est pas détecté au sein des neurones ocytocinergiques de la partie magnocellulaire du PVN ... 176
Figure 53: FOSB/FOSB n’est pas détecté dans les astrocytes... 177
Figure 54: Coloration à l’éosine du Raphé Dorsal chez les souris mâles ... 178
Figure 55: Le nombre de neurones FOSB/FOSB-positifs n’est pas impacté par le cycle ovarien ... 179
Figure 56: Courbe de croissance des souris New Zealand ... 193
Figure 57: Cartographie des neurones FOSB/FOSB-positifs dans le tronc cérébral des souris New Zealand ... 195
Figure 58: Cartographie des neurones FOSB/FOSB-positifs dans le diencéphale des souris New Zealand ... 196
Figure 59: Détermination de l’identité des neurones FOSB/FOSB-positifs chez les souris
New Zealand ... 198 Figure 60: La distinction des intensités de l’immunomarquage ne donne pas ouverture à une implication différentielle des structures respiratoires impactées. ... 205 Figure 61: Implication de l’estradiol dans la neuroplasticité en réponse à l’hypoxie
intermittente chronique. ... 230
Table 1 : Structures rétromarquées par injection du Virus de Pseudo-rage dans les différents muscles de la langue chez le rat ... 10 Table 2: Les récepteurs de la sérotonine identifiés dans les structures centrales respiratoires 29 Table 3 : Les modèles de SAOS... 126 Table 4: Nombre de neurones FOSB/FOSB-positifs au sein des structures cardiorespiratoires des souris New Zealand ... 197
AVANT PROPOS
Ce travail doctoral s’intègre dans l’étude du Syndrome d’Apnées Obstructives du Sommeil (SAOS), une pathologie respiratoire qui se manifeste pendant le sommeil par des collapsus des voies aériennes supérieures (VAS). La stabilité des VAS étant régulée par le système nerveux central, ce travail se focalise pour l’essentiel sur les répercussions du SAOS au niveau des structures encéphaliques cardiorespiratoires.
Dans ce contexte, j’introduirai d’abord le rôle joué par diférentes structures centrales dans l’établissement de la commande respiratoire ainsi que sa modulation suite à des stimuli divers tels que l’hypoxie (Chapitre 1).
L’hypoxie intermittente étant une des conséquences prédominantes du SAOS, je parlerai des données qui mettent en évidence ses efets à long terme sur la physiologie cardiorespiratoire avec des études qui démontrent depuis peu l’implication des structures centrales dans les alté-rations cardiorespiratoires (Chapitre 2). Quelques données émergentes concernant l’inluence des hormones sexuelles dans l’induction d’un remodelage de la commande centrale respiratoire par l’hypoxie intermittente chronique seront mises en évidence au regard de l’intérêt majeur qu’elles représentent dans ce travail doctoral.
Enin, je inirai par aborder la physiopathologie du SAOS (Chapitre 3). Cette pathologie étant décrite principalement par des études cliniques, je m’attacherai à mettre en évidence qu’elle est mal connue en ce qui concerne ses répercussions centrales, notamment en lien avec les hor-mones sexuelles. C’est cette dernière observation qui a fourni les bases de la première partie de notre étude qui a pour vocation de permettre une meilleure compréhension du SAOS. Une deu-xième partie de ce travail doctoral consiste en la caractérisation d’un nouveau modèle murin qui récapitule davantage de caractérisitiques pathologiques des patients atteints du SAOS.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ... 1
La respiration ... 2
1) Généralités ... 2
2) Les voies aériennes supérieures (VAS) ... 4
2.1 Organisation anatomique des VAS ... 4
2.2 Physiologie des voies aériennes supérieures ... 5
Les muscles dilatateurs des VAS ... 5
Innervation des muscles des VAS ... 7
Contrôle nerveux des motoneurones du noyau hypoglosse, structure d’innervation principale des muscles des VAS ... 9
Systèmes de neurotransmission qui modulent l’activité des motoneurones du noyau hypoglosse ... 10
2.3 Instabilité physiologique ... 12
Instabilité anatomique ... 12
Instabilité sommeil-dépendante ... 12
3) La commande centrale respiratoire ... 14
3.1 Les structures à la base de la commande centrale respiratoire ... 14
Un bref aperçu de la théorisation des principes à la base de l’élaboration du rythme respiratoire ... 15
Les structures autorythmogènes ... 16
3.2 Le réseau bulbo-pontique : La CCR à la base de trois groupes respiratoires ... 18
4) Les structures respiratoires influençant la CCR ... 21
4.1 Les structures catécholaminergiques ... 21
La VLM ... 21
Le NTS commissural et médian ... 21
Le locus coeruleus ... 22
La région A5 ... 22
4.2 L’influence de la sérotonine sur la CCR... 23
Généralités sur les systèmes sérotoninergiques ... 23
Effets ventilatoires des structures sérotoninergiques ... 30
La sérotonine dans le contrôle des motoneurones des muscles pharyngés ... 34
4.3 D’autres structures qui influencent la commande respiratoire et les motoneurones innervant les muscles des voies aériennes supérieures ... 38
Le noyau subcoeruleus ... 38
Les structures hypothalamiques influençant la CCR ... 39
5) Adaptation de la CCR chémo- et mécanosensible ... 41
5.1 La chémosensibilité périphérique ... 42
Les structures périphériques chémosensibles ... 42
Le chémoréflexe des structures périphériques à l’O2 ... 43
Le chémoréflexe des structures périphériques au CO2/H+ ... 47
5.2 La chémosensibilité centrale... 48
La chémosensibilité centrale au CO2/H+ ... 48
Les populations sérotoninergiques comme chémorécepteurs du CO2/H+ ... 51
La chémosensibilité centrale à l’O2 ... 55
5.3 Adaptation de la CCR mécanosensible... 59
Le Negative Pressure Reflex ... 59
6) Influence des hormones sexuelles sur la CCR ... 61
6.1 Les hormones sexuelles – généralités ... 61
Les œstrogènes ... 62
La progestérone ... 64
La testostérone ... 66
6.2 Gonadostéroïdogénèse vs neurostéroïdogénèse ... 67
6.3 La respiration et les dimorphismes sexuels ... 68
Neuroplasticité respiratoire et neuroprotection ... 71
1) Neuroplasticité versus neuromodulation ... 71
2) Mécanismes de la mise en place de la neuroplasticité ... 72
3) Marqueurs moléculaires de la neuroplasticité respiratoire ... 74
3.1 c-FOS comme marqueur de la réponse respiratoire neuronale ... 75
3.2 Le facteur de transcription FOSB comme marqueur de neuroplasticité ... 76
L’isoforme stable FOSB ... 76
Gènes cibles de FOSB/FOSB ... 77
FOSB/FOSB dans la neuroplasticité respiratoire ... 78
4) La neuroplasticité associée à l’hypoxie intermittente... 79
4.1 Mécanismes de neuroplasticité par l’hypoxie intermittente ... 79
4.2 Hypoxie intermittente – amie ou ennemie ? ... 81
Effets bénéfiques de l’hypoxie intermittente ... 82
Effets néfastes de l’hypoxie intermittente ... 83
4.3 L’hypoxie intermittente chronique – Impact cardiorespiratoire ... 85
Les conséquences sur les systèmes cardiovasculaires ... 85
Impact sur la signalisation sérotoninergique au sein du noyau hypoglosse ... 86
5) Influence des hormones sexuelles dans l’HIC ... 87
5.1 Interférences des hormones sexuelles dans la neuroplasticité ... 87 Hormones sexuelles masculines versus féminines ... 87 L’effet de la testostérone sous forme masculine ou sous forme d’estradiol ? .. 88 5.2 Les hormones sexuelles féminines – fonctions protectrices ? ... 89 Les muscles pharyngés ... 89 La neuroprotection : Une déduction à partir d’observations macroscopiques mais dont les mécanismes sont inconnus ... 89
Le syndrome d’apnées obstructives du sommeil ... 93 1) Définition ... 93 2) Symptômes, diagnostic et prévalence ... 95 3) Facteurs de risque ... 98
3.1 L’âge ... 99 3.2 Les facteurs anatomiques ... 99 L’obésité ... 100 3.3 Les facteurs génétiques ... 102 3.4 Le genre et les hormones sexuelles ... 103
4) Conséquences fonctionnelles et systémiques ... 105
4.1 Impacts sur les voies aériennes supérieures... 105 Physiopathologie des muscles pharyngés ... 105 Neuroplasticité de la commande des muscles pharyngés associée au SAOS . 106 4.2 Les troubles cognitifs et mentaux ... 109 4.3 Stress oxydant et inflammation ... 111 4.4 Conséquences métaboliques – Syndrome X ou syndrome Z ? ... 112 4.5 Impacts sur l’intégrité cardiovasculaire ... 114 4.6 Tumorogenèse... 117
5) Prise en charge des patients et traitements ... 118 6) Modèles de SAOS – Plus de points faibles que forts ... 123
OBJECTIFS DU TRAVAIL DOCTORAL ... 128
PARTIE 1 : ETUDE DE LA NEUROPLASTICITE ASSOCIEE A
L’HYPOXIE INTERMITTENTE CHRONIQUE ... 131
1) L’expression de FosB en réponse à l’hypoxie intermittente chronique dans les structures centrales cardiorespiratoires en fonction du sexe ... 1331.1 Introduction... 134 1.2 Material and Methods ... 136
Animals and CIH induction ... 136 Brain insolation and sectioning ... 136 Immunohistochemistry ... 136 Quantitative analysis of the effect of chronic intermittent hypoxia on the number of FOSB/FOSB-positive cells and their characterization ... 137 Quantitative analysis of the effect of chronic intermittent hypoxia on
serotoninergic innervation of the 12N ... 138 Analysis of the number of serotoninergic neurons in the DR ... 138 Statistics ... 139 1.3 Results ... 140 1.4 Discussion ... 142 1.5 Conclusion ... 146 1.6 Author contributions ... 146 1.7 Fundings ... 146 1.8 Acknowledgments ... 146 1.9 Figures ... 147 1.10 References... 163 2) Résultats complémentaires ... 170 2.1 Matériel et méthodes... 170 Immunohistochimie ... 170 Quantification des neurones FOSB/FOSB-positifs dans les subdivisions du noyau hypoglosse ... 170 Caractérisation des neurones FOSB/FOSB-positifs du noyau hypoglosse .. 171 Coloration des coupes d’encéphale à l’éosine ... 171 Caractérisation du stade ovarien des femelles au moment du prélèvement de l’encéphale ... 171 Statistiques ... 172 2.2 Résultats ... 172
Accumulation de FOSB/FOSB dans la partie rostrale du noyau hypoglosse ... 172 Les neurones immunoréactifs pour FOSB/FOSB du noyau hypoglosse sont des motoneurones ... 172 FOSB/FOSB n’est pas détecté dans la population ocytocinergique du PaLM ... 173
FosBn’est pas exprimé par les cellules GFAP-positives ... 173
Identification des processus neurodégénératifs par coloration à l’éosine ... 173 L’expression de FosBchez les femelles n’est pas impactée par le cycle ovarien
PARTIE 2 : CARACTERISATION D’UN MODELE MURIN DE SAOS
... 180
1) Caractérisation de la présence d’un syndrome d’apnées du sommeil chez les souris New Zealand Obese ... 182 2) Etude de la neuroplasticité associée au SAOS des souris NZO ... 193
2.1 Cartographie des neurones FOSB/FOSB-positifs au sein du tronc cérébral et du diencéphale ... 193 2.2 Détermination du type de neurones caractérisés par une neuroplasticité associée au
SAOS ... 194 2.3 Figures ... 195
DISCUSSION GENERALE ... 199
1) Résumé des résultats... 200 2) L’étude de la neuroplasticité associée à l’HIC ... 2022.1 Considérations méthodologiques ... 202 L’hypoxie intermittente chronique comme modèle de SAOS ... 202 Les limites de l’approche centrale pour étudier les effets de l’HIC sur les mouvements respiratoires et les dimorphismes sexuels associés ... 203 FOSB comme outil de détection de la neuroplasticité respiratoire ... 203 La détection de l’implication différentielle des neurones par FOSB/FOSB 205 L’outil FOSB pour l’étude de la neuroplasticité des motoneurones
hypoglossaux ... 206 La quantification de l’innervation sérotoninergique du noyau hypoglosse .... 206 2.2 L’hyperventilation normoxique et l’hypertension chronique observée dans l’HIC
chez la souris peuvent être reliées à l’expression de FosB ... 207 Similitudes et différences entre les souris et les rats mâles ... 207 Nouveauté : La cartographie de FOSB/FOSB en HIC chez les femelles .... 208 Une implication potentiellement cardiorespiratoire du Raphé Médian ? ... 210 Les dimorphismes sexuels observés en HIC, peuvent-ils être reliés à des dimorphismes dans la neuroplasticité ? ... 210 2.3 Implication du stress oxydant dans la neuroplasticité cardiorespiratoire associée à
l’HIC ... 212 Implication des populations cellulaires pro-inflammatoires ... 212 Le stress oxydant entraîne une perte partielle des neurones sérotoninergiques au sein du Raphé Dorsal ... 213 2.4 L’HIC affecte le noyau hypoglosse de façon sexe-dépendante ... 214 Signifiance physiopathologique ... 214 Signifiance de la neuroplasticité de la commande sérotoninergique au sein du noyau hypoglosse chez les souris mâles ... 215
Possible implication espèce-dépendante de la partie ventromédiane du noyau hypoglosse dans la stabilisation des VAS ... 221 Des systèmes non sérotoninergiques à la base de l’induction de FosB dans la subdivision rostrale du noyau hypoglosse chez les mâles ... 222 2.5 Une forte expression de FosB chez les femelles, confère-t-elle une meilleure
adaptabilité à l’HIC ? ... 223 L’expression de FosBn’est pas impactée par le taux d’hormones sexuelles
circulantes ... 223 L’estradiol, favorise-t-il une activité FOSB basale et en réponse à l’HIC ? .. 224 Dualisme de l’estradiol : La neuroplasticité et la neuroprotection ? Ou la neuroprotection dépendante de la neuroplasticité ? ... 225 2.6 Remarques concluantes concernant l’effet des hormones sexuelles sur la
neuroplasticité respiratoire associée à l’HIC ... 229
3) Les souris New Zealand Obese en tant que modèle du SAOS obèse ... 231
3.1 Considérations méthodologiques ... 232 3.2 L’hypertension des souris NZO peut être associée à une neuroplasticité révélée par
FosB ... 233 3.3 Comment expliquer les différences de neuroplasticité entre les souris mâles
soumises à l’HIC et les souris mâles NZO ? ... 233
CONCLUSION ET PERSPECTIVES ... 236
REFERENCES ... 241
INTRODUCTION
GENERALE
La respiration
1) Généralités
La respiration fait partie des grandes fonctions physiologiques. Elle est présente chez tous les organismes, y compris unicellulaires, et est indispensable à leur survie. Lorsque l’on parle de respiration aérobie, on s’intéresse soit à la respiration cellulaire, le processus de conversion métabolique de nutriments en énergie utilisable consommant du dioxygène (O2) et produisant
du dioxyde de carbone (CO2) au niveau des cellules, ou bien à la respiration physiologique,
appelée ventilation. Cette dernière correspond au renouvellement d’air dans les poumons, à la base des échanges gazeux entre l’organisme et son environnement, qui permet un apport en O2
vers les tissus et l’élimination du CO2 produit par les cellules vers le milieu extérieur. Les
pou-mons constituent un sac lexible et gonlable dont les mouvements suivent ceux des muscles ventilatoires. Lorsque je mentionnerai la respiration, je vous parlerai de la respiration physio-logique et l’homéostasie en O2 et CO2 qui y est associée. La respiration dépend d’une
commande centrale respiratoire (CCR) adaptée en permanence aux besoins physiologiques de l’organisme. La respiration est un processus autonome, c'est-à-dire non-conscient, sous contrôle d’une CCR automatique qui peut également être modulée de façon consciente, par exemple quand le sujet veut accélérer ou ralentir sa ventilation volontairement pendant la toux ou pen-dant la prise de la parole.
Le système respiratoire est complexe : structurellement, il assure l’entrée et le trajet de l’air dans les voies aériennes et les poumons et les échanges gazeux alvéolaires (Figure 1). Le larynx délimite les voies aériennes supérieures des voies aériennes inférieures.
Fonctionnellement, le système respiratoire dépend de la CCR à la source de tout mouvement des muscles respiratoires et des systèmes qui assurent sa régulation. Ainsi, la ventilation pul-monaire constitue le processus par lequel les muscles respiratoires modulent le volume de la cage thoracique, modiiant ainsi la pression intra-thoracique ce qui conduit à l’inspiration ou à l’expiration qui se traduisent respectivement par l’entrée de l’air ou la sortie de gaz.
L’inspiration est un processus actif basé sur la contraction du diaphragme, principal muscle inspiratoire (Cappello et al., 2002), et des muscles inspiratoires extra-diaphragmatiques (les muscles scalènes, les muscles intercostaux externes et accessoirement les muscles sterno-cleïdo-mastoïdiens). Leurs contractions entraînent une augmentation du volume de la cage tho-racique dans les trois dimensions (Duron, 1970). Ils sont innervés par les ibres nerveuses de motoneurones tels que les motoneurones phréniques pour le diaphragme localisés chez l’Homme dans la corne ventrale de la moelle épinière cervicale, principalement au niveau de la quatrième racine cervicale C4 avec des racines accessoires au niveau de C3 et C5.
Figure 1 : Illustration schématique du système respiratoire
Schématisation des trois parties nécessaires à la respiration. En bleu, Système nerveux central avec l’encéphale, lieu d’élaboration de la CCR, et la partie supérieure de la moelle épinière contenant les racines cervicales. En rouge, Voies aériennes supérieures qui s’étendent de l’es-pace du nasopharynx et oropharynx à travers le pharynx jusqu’au larynx. Le pharynx constitue la partie souple des voies aériennes. En violet, Voies aériennes inférieures qui sont constituées majoritairement de la trachée, des bronches, des bronchioles jusqu’aux sacs alvéolaires. L’air pénètre jusqu’aux alvéolaires pulmonaires où se font les échanges gazeux. Le diaphragme, prin-cipal muscle inspiratoire, sépare l’espace thoracique de la cavité abdominale. Cette dernière n’est pas illustrée ici.
Lorsque les muscles inspiratoires se contractent, le volume thoracique augmente et génère une pression négative intra-thoracique. Les poumons qui sont solidaires de la cage thoracique sui-vent alors passivement le même mouvement et génèrent la même pression négative. Sous cette pression, l’air ambiant, riche en O2, est conduit dans les poumons. L’O2 difuse ensuite à travers
la paroi des alvéoles vers le sang en suivant un gradient de pression partielle. Le CO2 difuse à
travers la paroi des alvéoles en suivant le mouvement inverse en fonction des pressions par-tielles. L’O2 sanguin sera ensuite transporté via la circulation systémique vers tous les autres
organes. Pendant l’expiration non forcée, chez l’Homme, les muscles inspiratoires se relâchent et le gaz alvéolaire, enrichi en CO2 est expulsé. Ces deux phases d’inspiration et d’expiration
constituent un cycle respiratoire.
Lors d’un efort physique, la consommation d’O2 et la production de CO2 augmentent et les
cycles respiratoires s’accélèrent ce qui permet de maintenir un apport suisant en O2 et une
élimination appropriée de CO2. L’expiration passive étant trop lente, ce processus devient alors
actif sous contraction des muscles abdominaux et des muscles intercostaux internes (Cappello et al., 2002). Le même phénomène est observé lorsque le sujet se trouve en hypercapnie, c’est-à-dire en situation de CO2 sanguin augmenté, ou en hypoxie, d’O2 sanguin abaissé. Chez les
rongeurs, l’expiration est toujours exercée sous efort musculaire actif, et cela indépendamment d’un efort physique et d’une augmentation des demandes métaboliques.
2) Les voies aériennes supérieures (VAS)
2.1 Organisation anatomique des VAS
Les voies aériennes supérieures (VAS) sont constituées de plusieurs cavités en continuité. De haut en bas, les cavités sont : le nasopharynx, l’oropharynx1 relié à la cavité buccale et le larynx
qui mène vers la partie extra-thoracique de la trachée (Figure 2). Le pharynx est une cavité souple avec ses parois constituées de muscles qui parmi d’autres fonctions oriente les aliments dans l’œsophage et assure l’entrée de l’air dans la trachée. Il est délimité en arrière par le rachis cervical et en avant et latéralement par la mandibule. Ainsi, la souplesse des muscles pharyngés lui accorde un caractère collabable2, à l’inverse de la cavité nasale et le larynx qui forment des
cavités osseuses/cartilagineuses. Les narines sont aussi des parties souples, mais aucune étude n’a documenté des collapsus respiratoires des narines et elles ne sont généralement pas consi-dérées comme une structure collabable. Selon les sujets, une quantité plus ou moins importante de tissu mou (musculaire et adipeux) enveloppe le pharynx et le larynx ; ces tissus impactent sur le diamètre des VAS.
Figure 2 : Vue transversale de la partie encéphalique de l’Homme par imagerie à réso-nance magnétique localisant les voies aériennes supérieures
En bleu, L'encéphale et les segments cervicaux de la moelle épinière. En rouge, Les VAS. A l’exception du pharynx et du larynx, les VAS sont délimitées par des structures osseuses, ex-cepté par le nez qui est cartilagineux. Le pharynx et larynx, dont la paroi est constituée de muscles et de tissu adipeux, peuvent ainsi être le siège de collapsus. L’espace oropharyngé est masqué sur cette photo par le génioglosse qui s’étend entre la mâchoire inférieure et supérieure. La mandibule, selon sa position, peut pousser la langue vers l’arrière et ainsi réduire le diamètre des VAS. (D’après Dempsey et al., 2010)
1 L’orophaynx héberge la base de la langue (le génioglosse). La langue constitue la plus grande structure
Bien que ne faisant pas directement partie des VAS, la mandibule est également un élément important dans la ventilation. Sa position, si elle est trop en retrait, peut impacter de façon majeure le diamètre des VAS en faisant reculer davantage la base de la langue.
Comparé aux autres primates, l’Homme possède un pharynx allongé et de petit diamètre (Fitch, 2000). Le diamètre réduit du pharynx, la souplesse de la langue, ainsi que la position en arrière de cette dernière ont conféré à l’Homme des caractéristiques favorisant le développement d’une phonation et d’articulation complexe (Davidson, 2003). Il s’avère néanmoins que ces caracté-ristiques sont défavorables quant à la stabilité des VAS pendant la respiration.
2.2 Physiologie des voies aériennes supérieures
Les VAS participent à diférentes fonctions telles que la ventilation, la déglutition, la phonation. Dans la respiration, leur rôle est d’assurer le passage de l’air en se maintenant en position ou-verte. Pendant l’inspiration, le thorax exerce une pression négative sur les VAS qui, sans un maintien actif de leur diamètre par stimulation des muscles pharyngés, collapseraient, ce qui arrêterait le lux d’air. Les muscles dilatateurs qui entourent les VAS, en particulier les muscles pharyngés, se contractent notamment en amont de la contraction du diaphragme et des autres muscles extra-diaphragmatiques inspiratoires permettant ainsi d’éviter une obstruction. Il existe ainsi une organisation spatio-temporelle de la CCR. L’activité des muscles « dilatateurs » des VAS durant l’inspiration maintient l’ouverture adéquate de ces dernières malgré la pression
négative intra-thoracique (Suratt et al., 1983). Le fonctionnement des VAS joue par conséquent un rôle crucial dans la respiration.
Les muscles dilatateurs des VAS
Il n’existe en réalité aucun muscle proprement dit dilatateur des VAS, à l’exception de ceux des narines. Les mouvements de ces muscles sont constricteurs ou élévateurs et leur activité aboutit à un maintien du diamètre des VAS pendant l’inspiration et non à la dilatation de ces derniers. Le pharynx héberge la langue qui occupe une grande partie de la cavité buccale. Ses mouvements interviennent dans la mastication, l’articulation et la déglutition. La langue peut être considérée comme une masse musculaire qui est capable de basculer vers l’arrière et l’avant. Comme tous les muscles, la langue a un volume constant qui ne change pas au cours de la contraction et l’ouverture des VAS se fait donc par son déplacement (Smith et al., 1985). Elle est constituée de huit paires de muscles : quatre muscles extrinsèques (génioglosse, hyoglosse, styloglosse et palatoglosse) qui s’insèrent sur des structures osseuses, quatre muscles intrin-sèques (longitudinal inférieur, transversal, géniohyoïdien, pharyngoglosse), ainsi qu’un muscle impair (longitudinal supérieur) (Figure 3).
Figure 3: Muscles pharyngés des voies aériennes supérieures
Gauche, Vue transversale de l’oropharynx humain et illustration 3D des muscles de la langue. Les lèches indiquent la direction du déplacement du muscle correspondant lors de sa contrac-tion. Droite, Vue frontale de l’oropharynx humain. (D’après Lamiot, 2008, Wikimedia Commons selon la Licence Creative Commons Paternité 3.0; Sanders et al., 2013)
Le génioglosse, muscle extrapharyngé lingual, est considéré comme le muscle principal des VAS. Il s’insère sur la face interne de la mandibule en avant et sur l’os hyoïde en bas et en avant (Shaw et al., 2013; Attali, 2015). La contraction du génioglosse déplace la base de la langue vers le bas et l’avant ce qui ouvre les VAS. Néanmoins, l’attribution au génioglosse du titre de muscle dilatateur principal est due au fait que ce muscle est le plus facile d’accès pour des études expérimentales (Mateika et al., 1999). Naturellement, cette facilité d’accès a abouti à une meilleure connaissance du génioglosse comparée aux autres muscles pharyngés. Les muscles styloglosse et l’hyoglosse par exemple sont impliqués dans le positionnement de la langue dans la cavité buccale, mais leur étude demande des méthodes invasives (Mateika et al., 1999). Selon la thèse doctorale du Dr. Valérie ATTALI (2015), le géniohyoïde par exemple
dé-place l’os hyoïde sur lequel s’insère le génioglosse (Shaw et al., 2013). Le rôle du géniohyoïde n’a pas encore été décrit déinitivement car son anatomie varie entre les sujets et qu’il n’est pas certain si sa contraction contribue à l’ouverture des VAS tel que c’est le cas du génioglosse (Zaidi et al., 2013). L’hyoglosse est antagoniste du génioglosse et son activité de rétraction est toujours synchronisée avec l’activité d’ouverture du génioglosse (Fuller et al., 1998). La stabi-lité des VAS est supérieure lors de l’activité simultanée du génioglosse et du géniohyoïde comparée à l’activité du génioglosse seul (Oliven et al., 2007). Au sein du génioglosse même, certaines ibres présentent également des mouvements antagonistes au mouvement principal de celui-ci (Dotan et al., 2011). Le palatoglosse est un élévateur du voile du palais. Le stylopha-ryngien est élévateur du larynx et sa contraction dilate le pharynx, facilitant la déglutition (Rea, 2014). La coordination des mouvements musculaires des VAS joue ainsi un rôle crucial dans le maintien de leur position ouverte.
Innervation des muscles des VAS
Sept des huit paires de muscles de la langue sont innervées par la douzième paire de nerfs crâniens (XII) : les nerfs hypoglosses (Figure 4). La stimulation électrique des nerfs hypo-glosses chez les chiens augmente le tonus musculaire des VAS (Hida et al., 1995). Les muscles palatoglossaux constituent la huitième paire des muscles de la langue et celui-ci et les muscles stylopharyngés sont innervés par le nerf vague, la dixième paire de nerfs crâniens (X). La neu-vième paire de nerfs crâniens (IX), les nerfs glossopharyngiens, s’associent au nerf vague dans l’innervation des muscles stylopharyngés.
Figure 4: Contrôle des muscles des voies aériennes supérieures par le noyau hypoglosse
via le nerf hypoglosse
Les nerfs crâniens sont composés d’axones arrangés en faisceaux et provenant de motoneurones dont les corps cellulaires sont situés dans ce qui est appelé des Noyaux ou « N » au niveau du tronc cérébral et du diencéphale. Pour la paire crânienne XII, les corps cellulaires sont situés dans le noyau hypoglosse (Hypoglossal nucleus, 12N, Figure 4). Ces axones se terminent di-rectement sur les muscles dont ils contrôlent la contraction (Barnard, 1940; Heckman et al., 2012).
Le noyau hypoglosse est majoritairement composé de motoneurones, mais d’autres populations cellulaires y sont également localisées. Ainsi, 13% du millier de ses cellules chez la souris sont des interneurones3 (Sturrock, 1991). Tous les motoneurones expriment l’Acétylcholine
trans-férase qui est par conséquent utilisée comme marqueur moléculaire de ces cellules (Paxinos et al., 2004).
Dans le noyau hypoglosse, les motoneurones sont organisés de manière spéciique en fonction des diférents muscles pharyngés qu’ils innervent (Figure 5). Cette structuration interne est con-nue sous le terme de somatotopie (Krammer et al., 1979; Uemura et al., 1979; Fay et al., 1997). Ainsi, au niveau caudal, la partie ventromédiane du noyau hypoglosse du rat innerve les muscles intrinsèques de la langue, la partie ventrolatérale innerve le génioglosse et le géniohyoïde (Fay et al., 1997), bien que des motoneurones immunomarqués à partir d’injections d’un traceur rétrograde dans le génioglosse sont présents sur toute la surface ventrale du noyau hypoglosse selon quelques études chez la même espèce(Krammer et al., 1979; Schwarz et al., 2009). La partie dorsale innerve les muscles rétruseurs (styloglosse et hyoglosse) (Odutola, 1976). Au niveau rostral, après apparition du quatrième ventricule, les motoneurones en position dorsale innervent le muscle styloglosse et ceux en position ventrale l’hyoglosse (Fay et al., 1997). L’activation d’un motoneurone a toujours un efet excitateur du muscle qu’il innerve. La force contractile d’un muscle se régule par le nombre de motoneurones stimulés, la taille de l’unité motrice4 de ces derniers ainsi que la fréquence des spikes5 (Hick et al., 2002; Vestergaard et al.,
2015). Le relâchement ou l’inhibition de la contraction musculaire se fait alors respectivement par arrêt de la stimulation ou par une inhibition active du motoneurone.
3 Les interneurones relaient les messages entre deux neurones. Ainsi, ils peuvent par exemple transmettre des
messages entre des neurones sensoriels et des motoneurones.
4 L’unité motrice traduit le nombre de plaques motrices formés par un même motoneurone. Un bourgeonnement
axonal important d’un motoneurone fait ainsi qu’il peut stimuler un muscle à plusieurs endroits et augmenter par conséquent la force contractile de ce dernier.
5 Les spikes décrivent l’activité mesurable d’un nerf provenant d’un groupe de neurones, à l’inverse du potentiel
d’action qui se mesure sur les neurones individuellement. Tandis qu’une unique stimulation musculaire aboutit à sa contraction, celle-ci ne déclenche pas une contraction maximale possible. Une deuxième stimulation aug-mente la contraction selon le principe de superposition. Par conséquent, l’activité d’un nerf est définie par
Figure 5: Organisation somatotopique du noyau de l’hypoglosse
A, Vue sagittale de l’encéphale de rat avec indication du niveau des coupes coronales réalisées au niveau du noyau de l’hypoglosse i.e. rostral (B) et caudal (C). Ces coupes ont été immuno-marquées à l’Acétylcholine transférase. A droite, Deux schémas délimitant les subdivisions du noyau de l’hypoglosse au sein de la coupe rostrale (D) et la coupe caudale (E). En position rostrale, le noyau de l’hypoglosse (12) le styloglosse (S) et l’hyoglosse (H). La partie caudale innerve le retruseur (R), le génioglosse (Gg), les muscles intrinsèques (T), ainsi que le génio-hyoïde (Gh). (D’après Fay et al., 1997; Paxinos et al., 2004)
Contrôle nerveux des motoneurones du noyau hypoglosse, structure d’innervation principale des muscles des VAS
La contraction des muscles pharyngés et ceux des ailes du nez est renforcée juste avant l’inspi-ration et diminue lors de l’expil’inspi-ration, mettant en évidence une commande centrale en phase avec l’imposition d’une pression négative inspiratoire (Strohl et al., 1980; Meurice et al., 1996; Series et al., 2003). Lorsque le besoin ventilatoire augmente (p.ex. en hypoxie ou hypercapnie), l’activité des muscles des VAS augmente, ce qui traduit une « stabilisation » des VAS (Oliven et al., 1989; Dinh et al., 1991). A l’inverse, leur stabilité est diminuée lorsque le besoin venti-latoire baisse provoquant une baisse de la commande centrale respiratoire (Series et al., 1989) comme par exemple au cours du sommeil.
Le noyau hypoglosse reçoit des aférences de nombreuses structures participant directement ou indirectement à l’élaboration d’une CCR adaptée aux besoins de l’organisme, telles que la subs-tance grise périaquéductale (PAG), le noyau réticulaire paragigantocellulaire latéral (LPGi), le noyau gigantocellulaire réticulaire (GiA), le noyau du tractus solitaire (NTS), l’area postrema, le noyau ambiguu, le groupe respiratoire ventral, le Kölliker-Füse, le noyau parabrachial latéral (lPB), le locus coeruleus (LC), le noyau Roller, le noyau subcoeruleus (SubC) et les noyaux Raphés Pallidus, Obscurus, Magnus et Dorsal (Table 1) (Fay et al., 1997; Barker et al., 2009).
Table 1 : Structures rétromarquées par injection du Virus de Pseudo-rage dans les diffé-rents muscles de la langue chez le rat
E, Muscles extrinsèques de la langue (génioglosse, hyoglosse, styloglosse et palatoglosse); Gg, Génioglosse; Gh, Géniohyoïde; H, Hyoglosse; S, Styloglosse; T, Muscles intrinsèques (longi-tudinal inférieur, transversal, géniohyoïdien, pharyngoglosse). 0, 0.00%; +, 0.01<2.50%; ++, 2.51<5.00%; +++, 5.01<7.50%; ++++, 7.51<10.0%; *>10.01%. Les proportions ont été calcu-lées par le rapport entre neurones infectés et neurones marqués au Neutral Red. Les symboles entre parenthèses décrivent des diférences observées entre le côté gauche et le côté droit d’une structure. (D’après Fay et al., 1997)
Systèmes de neurotransmission qui modulent l’activité des motoneurones du noyau hypoglosse
De nombreux messagers chimiques sont impliqués dans la signalisation aférente au noyau hy-poglosse. Les neurotransmetteurs tels que le GABA, le glutamate, les catécholamines et la sérotonine sont quelques-uns des messagers majeurs agissant sur les motoneurones du noyau hypoglosse et constituent probablement des éléments clés dans les pathologies respiratoires telles que les apnées du sommeil (Fenik et al., 2003; Morrison et al., 2003a, 2003b; Sood et al., 2005; Dempsey et al., 2010; Yokota et al., 2011). Chez le rat, des stimulations électriques et des marquages antérogrades ont mis en évidence que les motoneurones du noyau hypoglosse sont stimulés par des aférences provenant du Raphé Dorsal, une structure riche en neurones
E Gg Gh H S T
Noyau hypoglosse + (0) + (0) + (0) + (0) + (0) + (0)
Noyau facial + + + + + +
Région noradrénergique A5 + + + + + +
Aire tegmentale centrale ++ (+) ++ ++ + + +
Noyau cuneiforme + + + + + +
Aire paragigantocellulaire dorsale + + + + + +
Noyau réticulaire gigantocellulaire + + + + + +
Noyau réticulaire gigantocellulaire ++ (+) ++ (+) + ++ (+) ++ (+) + Noyau réticulaire gigantocellulaire ventral + ++ (+) + + + +
VLM rostrale + + + + + +
Kölliker-Fuse + + + + + +
Locus Coeruleus + + + + + +
Noyau tegmental dorsolatéral + + + + + +
Parabrachial latéral + + + + + +
Noyau réticulaire paragigantocellulaire latéral + ++ + + + +
Noyau réticulaire latéral + + + + + +
Aire réticulaire ventrale bulbaire ++ (+) + + ++ (+) ++ (+) ++ (+)
Aire réticulaire dorsale bulbaire + + + + + +
Parabrachial médian + + + + + +
Noyau du Tractus Solitaire ++ +++ (++) +++ (++) +++ (++) +++ (++) +++ (++)
Substance grise périaquéductale ++ ++ +++ +++ (++) ++ +
Noyau parvicellulaire réticulaire
++++
(+++) ++++ (++) +++ ++++ (++) * (+++) *
Raphé Dorsal (RDo) + + + + + +
Raphé Magnus (RMg) + + + + + +
Raphé Pallidus (RPa) + + + + + +
Substance noire, pars compacta + + + + + +
Substance noire, pars reticulata + + + + + +
Noyau du tronc mandibulaire caudal ++ (+) ++ (+) ++ (+) ++ +++ (+) ++ (+)
(Vertes et al., 1994; Fay et al., 1997; Wu et al., 2017). L’antagonisation des récepteurs GABAA
au sein du noyau hypoglosse augmente l’activité du génioglosse (Morrison et al., 2003a, 2003b). A l’intérieur du noyau hypoglosse même, des neurones GABAergiques sont également trouvés. Selon des études de knock-in du gène codant pour la GFP dans le gène GAD67 (GAD, angl.
Glutamic acid decarboxylase), une enzyme impliquée dans la synthèse du GABA à partir du
glutamate, ces neurones sont localisés dans la partie ventrale du noyau hypoglosse (Aldes et al., 1988).
Des neurones GABAergiques sont également trouvés au sein du noyau Roller (Aldes et al., 1988; van Brederode et al., 2011). Les neurones du noyau Roller sont actifs en phase avec l’activité des neurones du pré-BötC (une structure dont l’activité marque la phase inspiratoire) et des motoneurones hypoglossaux et pourraient contribuer à la régulation des motoneurones du noyau hypoglosse pendant la ventilation (van Brederode et al., 2011). En efet, l’agonisation des récepteurs GABAA dans le noyau Roller par le muscimol augmente l’activité du muscle
génioglosse en réponse à la pression négative inspiratoire chez le rat (Chamberlin et al., 2007). Le glutamate, précurseur du GABA, lui est un des neurotransmetteurs les plus abondants dans le système nerveux central et, à l’inverse de GABA, il est généralement associé à des fonctions excitatrices via ses récepteurs couplés aux protéines G et ionotropiques, parmi lesquels le ré-cepteur N-méthyl-D-aspartate (NMDA) (McEntee et al., 1993; Meldrum, 2000). Plusieurs études démontrent en efet son implication dans la fréquence de décharge des motoneurones phréniques et hypoglossaux6 (Liu et al., 1990; Funk et al., 1993; Berger, 2000; Rekling et al.,
2000; Wang et al., 2002a). L’inhibition de la recapture du glutamate dans le noyau hypoglosse augmente l’activité du génioglosse chez le rat anesthésié, mais n’a pas d’efet pendant l’éveil (Steenland et al., 2008). Lors d’un stress sévère, le glutamate peut avoir des efets cytotoxiques sur les neurones en stimulant une entrée excessive de Ca2+ et Na+, susceptible d’induire des
stress oxydatifs et ainsi des dysfonctionnements dans la CCR (Meldrum et al., 1990).
De nombreuses études démontrent également des aférences sérotoninergiques dans le noyau hypoglosse. La sérotonine (5-HT, pour 5-hydroxytryptamine) est un neuromodulateur qui im-pacte le fonctionnement encéphalique global dont le contrôle de l’activité des muscles pharyngés. La sérotonine constitue un intérêt particulier dans le cadre de la réalisation de ce travail doctoral. La régulation des muscles des VAS par la sérotonine sera de ce fait traitée en détail dans le chapitre L’inluence de la sérotonine sur la CCR, page 23.
Ainsi, l’activité des motoneurones hypoglossaux est sous contrôle d’un vaste réseau respiratoire formant la CCR qui est à l’origine de la dynamique musculaire des VAS.
6 Le tonus des motoneurones décrit l’activité périodique du motoneurone qui ne varie pas entre les cycles
2.3 Instabilité physiologique
Instabilité anatomiqueLa taille réduite du pharynx et la souplesse de la langue de l’Homme constituent un désavantage pour les VAS qui sont alors susceptibles de collapser sous la pression négative inspiratoire. En efet, il est possible d’obtenir une obstruction complète chez des sujets humains sains en appli-quant une forte pression négative via l’intermédiaire d’un masque nasal qui empêche l’entrée d’air pendant l’inspiration (Suratt et al., 1984; Schwartz et al., 1988).
Un autre facteur à prendre en considération est la posture du sujet. La position avec la tête léchie ou une bouche ouverte pendant le sommeil, ou alors le décubitus dorsal diminuent le tonus musculaire ou la stabilité des VAS et augmentent la collapsibilité de celles-ci (Meurice et al., 1996; Walsh et al., 2008).
Instabilité sommeil-dépendante
Lorsque le sujet passe de l’état de veille au sommeil, il y a une baisse physiologique générale du tonus musculaire, y compris de celui des VAS (Sauerland et al., 1976; Jelev et al., 2001; McSharry et al., 2014). Le sommeil chez l’Homme est divisé en cinq phases : les trois phases de sommeil lent léger I à III (NREM, angl. Pour Non-Rapid Eye Movement), le stade IV du NREM, nommé sommeil lent profond, et le sommeil paradoxal7 (REM, angl., Rapid Eye Movement). Lors de la progression des phases, le tonus musculaire de la plupart des muscles, y
compris celui des muscles pharyngés des VAS, s’atténue jusqu’à l’atonie générale pendant le sommeil paradoxal. Pendant cette dernière phase, seuls le muscle cardiaque, le diaphragme et les muscles responsables des mouvements oculaires sont actifs. Les mouvements des globes oculaires sont d’ailleurs caractéristiques du sommeil paradoxal8.
En efet, si l’activité du génioglosse est maintenue en phase avec l’inspiration pendant le som-meil, son tonus est diminué et la latence de sa réponse à l’inspiration augmentée (Figure 6) (Sériès, 2002). Sa participation au maintien de l’ouverture des VAS est de ce fait moins grande. La résultante Pcrit9 est cinq fois plus élevée pendant le sommeil qu’à l’éveil (Dempsey et al.,
2010). Pendant le sommeil lent, l’activité contractile des muscles des VAS est parfois nulle pendant une durée allant jusqu’à 90 secondes. Par la suite, cette activité reprend de manière courte et élevée (Sauerland et al., 1976). De façon similaire, le muscle génioglosse ne présente pas d’activité pendant des phases prolongées pendant le sommeil paradoxal avec une activité phasique sporadique pendant l’inspiration (Sauerland et al., 1976). Les auteurs n’ont pas décrit
7 La désignation comme étant paradoxale a été attribuée à cette phase du sommeil étant donné qu’elle présente
des caractéristiques similaires à l’éveil. Elle est caractérisée par un EEG similaire à celui d’un travail cognitif, un rythme ventilatoire irrégulier, une fréquence cardiaque et une pression sanguine élevées, des érections gé-nitales périodiques et une consommation d’O2 encéphalique qui peut dépasser celle à l’éveil.
8 Le phénomène d’atonie nous sert probablement de protection contre des blessures éventuellement auto-induites
pendant nos rêves (Chiu et al., 2000). Ainsi, seuls les muscles vitaux sont actifs et assurent le maintien de l’apport d’O2 vers les tissus. En revanche, les mouvements oculaires pendant le sommeil paradoxal n’ont pas
un rôle défini, mais il est suggéré qu’ils sont influencés par les rêves étant donné qu’ils concordent avec des pics d’activités dans les régions centrales visuelles.
l’origine de cette reprise d’activité temporaire, mais il est possible que cela est associée aux ronlements qui stimulent déclenchent des mouvements de la langue par contraction musculaire (Sauerland et al., 1976).
Figure 6: L’activité du génioglosse en fonction de l’état de vigilance chez l’Homme
Tracés intégrés et bruts de l’électromyogramme du génioglosse (EMG GG) en fonction de la pression au sein des voies aériennes supérieures. La diminution de la pression d’air (bas) traduit l’activité inspiratoire du sujet. A noter, la latence augmentée et l’amplitude réduite pendant le sommeil lent (droite) en comparaison de l’éveil (gauche). (D’après Sériès, 2002)
L’activité des systèmes excitateurs tels que des neurones sérotoninergiques (Levine et al., 1992; Portas et al., 1998; Gervasoni et al., 2000; Python et al., 2001) et noradrénergiques (Aston-Jones et al., 1981) s’atténue lors du sommeil ou leur action est contrée par des signaux inhibi-teurs tels que les signaux cholinergiques, GABAergiques et glycinergiques (Horner, 2001). Pendant le sommeil paradoxal, les motoneurones innervant les muscles des VAS sont inhibés par des aférences provenant du LC (Jouvet et al., 1959; Berger, 1961). Les motoneurones sont hyperpolarisés, ce qui augmente l’intensité des stimuli nécessaires pour déclencher un potentiel d’action (Steriade et al., 1990). L’administration de 5-HT dans le noyau hypoglosse induit une augmentation de l’activité des motoneurones du noyau hypoglosse chez le chat décérébré (Douse et al., 1996) et du génioglosse de rat pendant le sommeil (Jelev et al., 2001).
Par conséquent la stabilité des VAS et le maintien de leur position ouverte n’est pas seulement dépendante de facteurs anatomiques, mais également sous contrôle d’un système de neurotrans-mission dynamique.
50ms
éveil sommeil lent
EMG GG tracé intégré
EMG GG tracé brut
pression intra-VAS
50ms 0
-25 cm H2O
