HAL Id: tel-01811689
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01811689
Submitted on 10 Jun 2018
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
vivo chez la souris
Marie Lacroix
To cite this version:
Marie Lacroix. Le sommeil : microarchitecture, oscillations cérébrales et consolidation mnésique. Etude électrophysiologique in vivo chez la souris. Neurosciences [q-bio.NC]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. Français. �NNT : 2016PA066098�. �tel-01811689�
���������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
����������������������������������������������
�������������������������������������
���������������������������������������������������
�
������������������
�����������������������������������
�����������������������������
���������������������������������������������������
�
�����������������������������
����������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������� � ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������� �������������������������� � ����������� �������� ���������� ���� ���������� ��� ��������� ������ ������� ��������� ����� ��� �������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������� ������������� �� ��� �� ���� ��������� ������� ��� ��������� ���� ���������� ����� ����� �������� ���� ���������� ������� �� ������ ������ �� ���� ���� ����� ������� ��� ���������� ��� �������� ������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������� � ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������ � ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������� ������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������� ��� ���� ������ ����������� ����� ������ �������� �� ������ ���� �������������� ���� ����� ���������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� � ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������� ��������� ����� ��� ���� ����� ���� ������� ������� ������������� �� ������ ���� ����� ����� ����� ����������������������������� � ������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������� ������������ ����� ���������������������
�������
�
������������������������������������������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������� ��������� ��� ��� ���������� ������� ��� �������� ��������� ���� ������������ ������� ��� �������� ����� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������� � ������������������������������������������������������������������������������������������ ��������� ���� ������������� ���� ��������� ��� ���� ������ ������ ����� ��� �������� ���� ������ ��� ���� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������� � ���������������������������������������������������������������������������������������� ����� ����������� �������� ����� ��� �������� ���������� ���� ������� ��� ������� ������� ������ ���������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� ����� ����������� ���� ������������ ��������� �� ��� ��������� ��� ���������� ������ ��� �������������� ��������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ����� �������������� ��� ����� ������������ ��������� ����� ��� �������� ���� ����� �������� �� ��� ���������� �������������������������������������������������������� � ������������������������������������������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������ � � ���������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ��������������������������������������������������������������������������������������������� ��������� �������� ����� ������������� ���� ������������ ��� �������� ����� ��� �������� ����������� ��� ������������ ����� ���� ������������� ������ ���� ������������� ����������� ��� �������� ����������� ����� ��� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������� � � ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
I-
Introduction Partie 1 : Sommeil et rythmes cérébraux ... 4
����
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
I-1-a
Définition, origine et importance du sommeil ... 6
Définition du sommeil ... 6
Définition des cycles de sommeil ... 8
Fonctions du sommeil : indices provenant de l’étude phylogénétique ... 8
Fonctions du sommeil : les déficits induits par la privation de sommeil ... 12
I-1-b
Physiologie et régulation du sommeil ... 14
Réseaux cérébraux responsables de l’éveil, du REM et du NREM ... 14
Modulation et régulation des états de sommeil : Facteurs humoraux ... 18
Modulation et régulation des états de sommeil : le rythme circadien ... 20
Modulation et régulation des états de sommeil : Facteurs physiologiques ... 24
Qualité du sommeil, troubles du sommeil et pathologies ... 25
����
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������
I-2-a Caractéristique d’un cycle de sommeil ...28
Les différentes phases d’un cycle de sommeil ...28
Cyclic alternative patterns ... 30
Les rythmes cérébraux et leur importance ... 32
I-2-b
Spécificité des sous-stades de sommeil chez l’animal ... 34
Différenciations de sous-stades chez l’animal ...34
Raisons putatives pour un manque de consensus ... 35
I-2-c
Régulation de la microarchitecture du sommeil : processus homéostatiques ... 38
Homéostasie du sommeil et NREM ... 38
Contrôle homéostatique ou oscillatoire du REM ... 42
Homéostasie neuronale ... 44
����
����������������������������������������������������������������������������������������������������������
I-3-a
Origine et implication des rythmes cérébraux ... 48
Le potentiel de champ local ... 48
Les sources et puits de courants ... 50
I-3-c
Genèse des rythmes du sommeil ... 52
Les spindles ... 52
Les ondes lentes ... 54
Les ripples ... 56
Le thêta du REM ... 58
I-3-b
Le rythme respiratoire et le bulbe olfactif durant le sommeil ... 60
La respiration et sa régulation ... 60
Anatomie du circuit olfactif et couplage à la respiration ... 62
Respiration, bulbe olfactif et sommeil ... 66
Sommeil, olfaction et dépression ... 68
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
II-
Introduction Partie 2 : Mémoire et Sommeil ... 76
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
II-1-a Historique de l’étude de la mémoire ... 76
A la recherche de l’engramme ... 78
La classification de la mémoire chez l’homme ... 80
Classification de la mémoire chez l’animal ... 82
Double dissociation chez l’homme et chez l’animal ... 84
II-1-b Le système limbique ... 86
Anatomie de l’Hippocampe ... 86
Système de récompense : VTA et NAcc ... 88
Dialogue dans le système limbique ... 90
II-1-c Substrat et manipulation de l’engramme ... 92
Le substrat de l’engramme ... 92
Consolidation mnésique ... 94
Manipulation de l’engramme ... 98
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
II-2-a Historique du rôle mnésique du sommeil ... 102
Rôle bénéfique du sommeil pour l’apprentissage ... 102
Les effets de la privation de sommeil ... 104
Modification du sommeil par l’apprentissage ... 104
II-2-b Homéostasie synaptique durant le sommeil ... 108
II-2-c Apprentissage durant le sommeil ... 110
Le sommeil et l’insight ... 110
Création d’une nouvelle mémoire pendant le sommeil ... 110
Plasticité durant le sommeil ... 112
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
II-3-a Hippocampe et navigation spatiale ... 116
Les cellules de lieu ... 116
L’information spatiale ... 118
Autres cellules de l’espace ... 120
II-3-b le rôle causal des cellules de lieu ... 122
Modification de l’activité des cellules de lieu par le comportement ... 122
Modification du comportement après modification des cellules de lieu ... 122
Le mind-travelling ... 124
II-3-c Les cellules de lieu durant le sommeil ... 126
Réactivation des assemblées cellulaire ... 126
Causalité des réactivations neuronales ... 128
Le sommeil, un prisme pour l’étude de la mémoire ... 130
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
III-
Résultats Partie 1 : Création d’une préférence de place durant le
sommeil,
implication pour la compréhension de la mémoire spatiale ... 136
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Nouvelle association lieu-récompense durant le sommeil ... 168
Mémoire explicite et comportement dirigée vers un but ... 170
IV-
Résultats Partie 2. Microarchitecture du sommeil, description d’une
nouvelle
classification des états de vigilance chez la souris ... 176
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Implantation des électrodes ... 180
Session de sommeil ... 180
Acquisition des signaux électrophysiologiques et vidéo ... 180
Enregistrement de la respiration par pléthysmographe ... 182
Acquisition wifi des signaux électrophysiologiques (pléthysmographe) ... 182
Détection et clusterisation des spikes ... 182
Analyse sur l’activité neuronale ... 184
Détection des ripples. ... 184
Spectres de puissance et quantification du rythme delta ... 184
Détection des spindles. ... 186
Détection des périodes oscillantes du sommeil. ... 186
Base de donnée chez l’homme ... 186
����
�������������������������������������������������������������������������������������
IV-1-a. Développement d’une méthode de scoring des stades de NREM ... 188
Différenciation classique entre éveil, REM et NREM ... 188
Définition du N3 comme forte densité d’ondes delta ... 192
Détection des périodes oscillantes N2/N3 ... 194
Résumé de la méthode ... 196
IV-1-b. Caractéristiques générales des sous-stades de NREM ... 198
Durée totale des sous-stades de NREM ... 198
Variabilité interindividuelle et intra individuelle de la durée des états ... 198
Les rythmes du sommeil ... 198
Qu’est-ce que le N1 ? ... 202
Changement de l’activité neuronale ... 202
IV-1-c. Dynamique des sous-stades de sommeil ... 208
Durée moyenne d’un épisode ... 208
Probabilité de transition ... 208
Spectres de transition ... 210
����
����������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
IV-2-a. Macrostructure des différents sous-stades du sommeil ... 212
Corrélation entre la durée globale des états ... 212
IV-2-b Processus homéostatique ... 214
Evolution des sous-stades au cours de la « nuit de sommeil » ... 214
Quantification de la diminution du rythme delta au cours du sommeil ... 216
Evolution de l’activité neuronale au cours du temps de sommeil... 216
IV-2-c. Coordinations des rythmes ... 220
Cross-Corrélogrammes entre spindles, onde delta et ripples ... 220
IV-2-d. Communication entre hippocampe et cortex préfrontal ... 222
���� �������������������������������������������������������������������������������������������������������
IV-3-a Détecter les états de vigilance à partir du Bulbe Olfactif ... 224Le rythme gamma : différence éveil - sommeil ... 224
Méthode de scoring du sommeil ... 226
Avantages de la méthode ... 226
Exemples d’application de cette méthode ... 226
IV-3-b Le rythme respiratoire du Bulbe olfactif et les états de vigilance ... 230
Le rythme respiratoire du Bulbe Olfactif ... 230
La respiration au cours des états de vigilance et gating ... 232
Sous-stades de NREM et oscillations lentes dans le BO ... 234
IV-3-c La cohérence entre BO et Cortex au rythme delta ... 236
Modulation du cortex préfrontal par le LFP du BO ... 236
Cohérence entre respiration, BO et cortex ... 236
Causalité de Granger ... 238
�������������������������������������������������������������������������������������������������������
IV-4-a Le BO comme moteur de l’activité neuronale corticale ... 238
Modulation des neurones du cortex préfrontal par le BO ... 240
Modulation des ondes delta et états Down par le LFP du BO ... 242
IV-4-b Homéostasie des oscillations delta du BO ... 244
Décroissance des oscillations lentes du BO durant le sommeil ... 244
Lien entre homéostasie des oscillations lentes et sous-états de NREM ... 246
IV-4-c Cycles du sommeil et oscillations du BO ... 248
Décroissance de l’amplitude des oscillations du OB au sein d’un cycle de sommeil ... 248
Décroissance locale et décroissance globale ... 250
����������������������������������������������������������������������������������������������������������
IV-5-a conservation de l’organisation globale des cycles de sommeil ... 252
Evolution globale des phases de sommeil ... 252
Des cycles de sommeil ... 252
Evolution des cycles au cours de la nuit de sommeil ... 254
IV-5-b conservation de la dynamique de changement de phase ... 256
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
L’homéostasie globale du sommeil (macroarchitecture)... 260
L’homéostasie locale du sommeil (cycle de sommeil) ... 264
L’homéostasie ultrarapide (switch) ... 264
Différencier le sommeil pour étudier la consolidation mnésique ... 266
Conclusion
générale ... 270
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Article publié : l’organisation interne des cellules de direction de la tête ... 278
Article publié : Modulation des oscillations lentes du bulbe olfactif par les astrocytes ... 285
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
1
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
���������������������������
�
����������������������������
�
�
�
�
�
� � � ���������������������������������������������������������
�
� ������������������������������������������������������������������������������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ���� ����������� ��� ����� ��� ��������������� ��� ���� ��������� ��� ������� ���� ����������� ������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������� � � ������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������� ��������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������� ���������������������������� � �������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������� ��� ������������� ���� ���������� ��� ����������� ����� ��� ������� ������������ ���� ����������� ��������������������������������������������������������������������� �� �
�
����� ���������������������������
� ��������������������������������������������������������������������������������������� ����������� ������ ����� ���� �������� �������������� ��� ����� �������� ��������� ��� ������ ����������� ������������� ��� ��� ������������ ��� ��� �������� ������������ ��������� ������� ��������� ��� ��������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ ����������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������ ����������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������ ����������������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������� �����������������������������������������������������
�����������������������
������������������������������������������������������������������������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������� ����� ��� �������� ������ �� ������ ��� ���� ������� ��� �� �� ��� �� ��� �� ���������������� �� ��� ������ ���������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������� ������ ������ ����������� ��� ���������� �������� ����� �������� ���� ������������������ ������ �� ����� ����������������� ��������� ��� ����������� �������������������������� ������� �������������������� ���������������������������������������������������������������������������������
�
� � � � � � � � � � � � � � � � ��������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������� ���� ���� �������� ��� ������� ������ ��� ��� ������� ���� �������� ���� ����� ������� ���� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������������������������� ���������������������������������������� ����������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������������ �������������������������������������������������������������������������� ��
��
����� ��������� �������� ��� ������������ ���� ��� �������� ����������� ���� ������ ���������� ���� �������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������� ��� ����������� ���������� ������� ��� �������� ���� ���� ���� ����� ��� ��������� ��������� ��� ����������� �������� ���� ����� ��������� ���� ������ ���� ���� ������ ��� ���� ���� ������ ������ ���� �������������������������������������������������������������������������������������������������� ������ ������� ��� ����� ������� ��� �������� �� ��� �������� ��������� ������� ���� ������� ���������� ��� ���� �������������������������������� � ���������������������������������������������������������������������������������������� ���� ������ ��� ������ ���������� ����� ��� ������� ����������� ������ ���� ������ ������� ��� ����� ���� ���������� ������� ����� ��� �������� ��������������� ����� ������������ ������� ��� ������ ����� ����� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������������