DOSSIER
Sommeil
Physiologie du sommeil
Sleep physiology
F. Djouadi*, D. Léger*
* Centre du sommeil et de la vigi- lance, Hôtel-Dieu, AP-HP, université Paris-Descartes, et EA 7330 VIFASOM, Paris.
C
hez tous les êtres vivants, il existe 2 états bien distincts correspondant à des comportements différents : l’état d’activité et l’état de repos.Ces états alternent avec une périodicité ou une ryth- micité, le plus souvent sur un cycle de 24 heures. Chez l’Homme, on parle d’éveil et de sommeil.
Des systèmes complexes interviennent dans la régu- lation de l’éveil et du sommeil. Ces systèmes sont des circuits neurochimiques entre des structures du tronc cérébral, le thalamus et le cortex. Nous aborderons les mécanismes connus de l’éveil et du sommeildans un premier temps, puis la façon dont ces états s’organisent sur 24 heures.
Les mécanismes de l’éveil
Neuroanatomie et éveil
Les expériences classiques de stimulations et sec- tions transversales du tronc cérébral montrent que la formation réticulée mésencéphalique est une struc- ture indispensable aux comportements de veille et de sommeil :
➤ une section haute induit un ralentissement de l’activité électroencéphalographique (EEG) [ondes lentes] typique du sommeil ;
➤ une section basse permet des alternances de veille et de sommeil (1).
Le circuit neuroanatomique de l’éveil comprend 2 voies identifiées (2) :
➤ une voie thalamique diffuse, par laquelle les neurones thalamiques intralaminaires agissent sur le cortex via des neurotransmetteurs excitateurs (aspartate et glutamate) ;
➤ une voie extrathalamique regroupant les neu- rones du locus cœruleus, du raphé, du noyau tubéro mamillaire (hypothalamus postérieur) et du télencéphale basal (noyau de Meynert).
Les 2 voies aboutissent au cortex, l’ensemble étant activé par des systèmes venant du tronc cérébral à plusieurs niveaux :
➤ au niveau des noyaux mésopontins choliner- giques où l’acétylcholine (ACH) a une double action :
– inhibitrice, par hyperpolarisation des neurones réticulaires du thalamus (appartenant au système du sommeil),
– activatrice, par dépolarisation des neurones tha- lamocorticaux et corticaux ;
➤ au niveau de la formation réticulée mésencépha- lique (FRM) où des neurones à aspartate et gluta- mate projettent sur les noyaux thalamiques et dont la stimulation déclenche un éveil prolongé ;
➤ au niveau du noyau réticulé bulbaire magno- cellulaire avec des neurones à ACH ou des neurones à aspartate ou à glutamate qui projettent sur la FRM, l’hypothalamus postérieur et le télencéphale basal formant la voie réticulo-hypothalamo- corticale avec éveil prolongé ;
➤ au niveau du locus cœruleus pontique noradré- nergique (projections sur le cortex, l’hypothalamus, l’hippocampe). Actifs pendant l’éveil, l’inhibition des neurones de l’éveil entraîne une synchronisation corticale ;
➤ au niveau du raphé dorsal sérotoninergique qui projette vers l’hypothalamus et le cortex, dont les neurones actifs pendant l’éveil sont impliqués dans la régulation homéostatique de l’éveil : plus ce dernier est prolongé, plus l’activité des neurones sérotoninergiques est importante, plus le sommeil suivant sera long et profond.
Les systèmes neurochimiques responsables de l’induction ou du maintien de l’éveil cortical
Quatre systèmes neurochimiques sont identifiés dans l’induction ou le maintien de l’éveil (figure 1) :
➤ le système cholinergique, situé au niveau de la formation réticulée et des noyaux de la base relayés par d’autres neuromédiateurs (acide γ-aminobuty- rique [GABA], glutamate) ;
➤ le système noradrénergique, situé au niveau du locus cœruleus, et qui entraîne une stimulation globale de la vigilance (figure 2) ;
➤ le système sérotoninergique, situé au niveau des noyaux du raphé, qui joue un rôle double : direct, de maintien de l’éveil, et différé, qui prépare le
Acétylcholine (pont, Meynert) Systèmes
d’éveil
Processus homéostatique
Adénosine Processus
circadien Noyaux suprachiasmatiques
Mélatonine (glande pinéale) GABA/galanine
(VLPO)
Sommeil
Induction sommeildu Orexine/
hypocrétine (hypothalamus)
Noradrénaline (pont-raphé) Sérotonine (pont - locus cœruleus)
Histamine (nx tubéromamillaires)
Dopamine (mésencéphale - SN, ATV)
1. Partie supérieure du tronc cérébral 2. Thalamus
3. Cortex cérébral 4. Hypothalamus 5. Hypothalamus latéral
6. Noyau ventrolatéral préoptique (VLPO) 7. Noyau suprachiasmatique (SCN) 8. Glande pinéale
nx : noyaux SN : substance noire ATV : aire tegmentale ventrale 1
2 3
4 6 5
7 8
Figure 1. Les circuits cérébraux de la vigilance, d’après M. Peplow (2).
Noyau suprachiasmatique (horloge biologique)
Noyau latérodorsal du tegmentum Acétylcholine Noyau pédiculopontin du tegmentum Acétylcholine
Locus cœruleus Noradrénaline Noyau du raphé dorsal Sérotonine
Aire tegmentale ventrale Dopamine
Noyau tubéromamillaire Histamine
Télencéphale basal Acétylcholine
Hypothalamus latéral (neurones à orexine)
Thalamus
Tronc cérébral Hypophyse
VLPO
Figure 2. Circuits neurochimiques.
Highlights
»Awakening and sleep result from complex interactions between neuroanatomical systems and neurochemicals.
»Two factors influence the desire to sleep: the homeostatic factor, related to sleep pres
sure, and the biological factor, related to the circadian clock.
»The stages of sleep are defined from the polysomno
graphy, which must obligatorily include electro encephalography, electrooculography and elec
tromyography.
Keywords
Sleep Wake Physiology Polysomnography
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Sommeil
Physiologie du sommeil
sommeil déchargeant de façon régulière (1 à 2 Hz) vers l’hypothalamus et le noyau suprachiasmatique (horloge circadienne endogène) ;
➤ le système histaminergique, au niveau de l’hypo- thalamus postérieur (noyau tubéromamillaire), un des systèmes les plus importants de l’éveil (3, 4), car il projette sur les autres systèmes d’éveil et les structures d’endormissement situées dans l’hypo- thalamus antérieur. Tous les corps cellulaires à his- tamine situés dans la région tubéromamillaire de l’hypothalamus postérieur projettent vers la région préoptique, vers le cortex et vers les autres systèmes d’éveil (cholinergiques et adrénergiques du pont).
L’histamine libérée active les corps cellulaires des autres neurones : acétylcholine (ACN), noradrénaline (NOR) et dopamine (Dopa).
Au cours de l’éveil, la désynchronisation (activité tonique des neurones corticaux) est ainsi liée à l’ac- tivation directe du télédiencéphale et au blocage des neurones pacemakers situés dans le noyau réticulaire du thalamus qui produisent les fuseaux et ondes lentes (OL) du sommeil lent.
L’éveil comportemental
Il relève de processus cognitifs et d’attention contrôlés par le système dopaminergique localisé au niveau de la substance noire et de l’aire tegmen- tale ventrale.
Régulation métabolique et neurovégétative de l’éveil
Le système à hypocrétine ou à orexine, situé dans l’hypothalamus latéral, active tous les systèmes d’éveil et intervient dans la régulation métabolique (régulation pondérale, consommation alimentaire).
L’adénosine
Il s’agit d’un nucléoside à action différée, présent dans tout le corps. Il joue un rôle dans le métabo- lisme énergétique de l’adénosine triphosphate et augmente la circulation sanguine (effet protecteur sur le cerveau).
Au cours de l’éveil, l’activité cérébrale s’accompagne d’une accumulation d’adénosine et d’une forte consommation d’adénosine triphosphate. Cette accumulation augmente la somnolence liée à l’ac- tivation des récepteurs A1 dans le cerveau.
Par ces récepteurs, elle induit :
➤ une diminution de la production d’ACH des neu- rones du télencéphale basal ;
➤ dans un deuxième temps, un ralentissement de l’activité corticale et l’apparition du sommeil.
L’adénosine augmente beaucoup lors d’une veille prolongée, à la suite d’une privation de sommeil (mais aussi de stress : anoxie, ischémie) et décroît après la récupération du sommeil.
Elle joue un rôle important dans l’éveil et l’induction du sommeil.
Les mécanismes du sommeil
Le modèle de Borbély
Le sommeil résulte de l’effet conjugué d’un pro- cessus circadien interne (qui module la pression de sommeil en fonction du temps) et d’un processus homéostatique externe qui dépend de la durée de veille ou de sommeil qui le précède (5). La pression homéostatique est liée à la privation de sommeil.
Rôle du noyau ventrolatéral préoptique de l’hypothalamus antérieur
➤ Le noyau ventrolatéral préoptique de l’hypo- thalamus antérieur (VLPO) est un système majeur d’induction du sommeil. Ce dernier apparaît en effet lorsque le VLPO et les régions proches du télencéphale basal sont activés par la sérotonine libérée au cours de l’éveil (raphé). En s’activant, les neurones du VLPO (GABAergiques) inhibent le système d’éveil et favorisent le déclenchement et le maintien du sommeil.
➤ Au cours du sommeil à OL, la mesure de l’activité cellulaire montre que les neurones les plus actifs sont situés dans le VLPO. Les neurones du VLPO libèrent du GABA (neurotransmetteur inhibiteur du SNC).
➤ La destruction des neurones du VLPO entraîne une insomnie de longue durée (qui peut être fatale).
➤ Lorsque le VLPO est activé, il inhibe les systèmes d’éveil, l’individu est alors en sommeil.
À l’inverse, quand les systèmes d’éveil sont activés, ils inhibent le VLPO, on est alors en éveil. Le passage de la veille au sommeil induit une modification de l’activité cérébrale, qui passe de rapide (rythmes α-β) et désynchronisée à lente et synchrone (rythmes σ : fuseaux, ondes lentes) Les ondes lentes EEG reflètent la synchronisation des oscillations des décharges des
Éveil REM N1 N2 N3
Ouverture lumière Extinction
lumière Délai
4 à 6 cycles (90-110 mn)
N3Domine en début de nuit
N1-N2 et REM Dominent en fin de nuit Efficacité du sommeil : (TTS/TTE) × 100
22 0 2 4 6 8 Heures
TTE : temps total d’enregistrement PTS : péridode totale de sommeil
TTS : temps total de sommeil
Figure 3. Schéma explicatif des principaux paramètres déterminés par un hypnogramme normal.
noyau réticulaire du thalamus contrôlent les oscil- lations thalamocorticales et sont responsables de l’apparition des fuseaux de sommeil (stade II).
Déroulement d’une nuit de sommeil
◆Au cours de l’endormissement
Les centres d’éveil sont inhibés, leur action sur les neurones réticulaires est réduite, ceux-ci ont à nouveau leur activité spontanée oscillatoire.
Les potentiels d’action (PA) périodiques engendrés par les neurones GABAergiques du noyau réticulaire entraînent alors une hyperpolarisation cyclique des neurones thalamocorticaux, qui envoient à leur tour des bouffées de PA de façon oscillatoire vers le cortex et les neurones réticulaires.
Par leur action réciproque, les 2 types de neurones se synchroniseront et fonctionneront en même temps.
Le cortex cérébral recevra donc des bouffées de PA qui provoqueront des potentiels synaptiques exci- tateurs dans les neurones corticaux de la couche IV, et cette excitation simultanée de nombreux neu- rones se traduit au niveau de l’EEG par les fuseaux.
La boucle entre les neurones permet donc la syn- chronisation des neurones.
◆Au cours du sommeil lent
Le sommeil lent survient sous l’effet conjugué de l’inhibition du réseau de l’éveil par le VLPO et de la désinhibition des noyaux réticulaires thalamiques.
Les ondes lentes EEG apparaissent lorsque des décharges des PA oscillatoires des neurones thala- miques et corticaux sont parfaitement synchroni- sées. Les fuseaux (marqueur du stade II du sommeil lent léger : N2) disparaissent dans le sommeil lent (stades III et IV : N3).
◆Au cours du sommeil paradoxal
Du point de vue de l’ontogenèse, le sommeil para- doxal est le premier état de sommeil à apparaître, puisque les critères polygraphiques du sommeil paradoxal adulte sont observés dans le “sommeil agité” du nouveau-né et du prématuré ; cette phase de sommeil, caractérisée par l’atonie musculaire, signe de sommeil lent profond, et par l’activité corti- cale rapide, signe d’éveil, lui a fait donner par le neu- robiologiste M. Jouvet le nom de phase paradoxale.
Les phénomènes caractérisant le sommeil paradoxal sont :
➤ une activation corticale via des projections ascendantes : rythmes θ ;
➤ une atonie musculaire via des projections descen- dantes sur des neurones bulbaires (glycinergiques) inhibant les motoneurones spinaux et crâniens ;
➤ des mouvements oculaires (phasiques, rapides) : mouvements oculaires rapides, sommeil paradoxal ;
➤ des période de rêve. En 1953, E. Aserinsky et N. Kleitman ont provoqué des réveils en sommeil paradoxal et obtenu des récits de rêves hallucina- toires (6). En 1957, W.C. Dement et N. Kleitman ont montré l’existence dans le sommeil paradoxal de mouvements oculaires rapides chez des sujets volontaires et de rêves chez 80 % d’entre eux (7).
Description d’une nuit de sommeil
Le sommeil est composé de “cycles de sommeil”
de durée variable, entre 1 et 2 heures. Un cycle débute par du sommeil lent léger (stades 1 et 2), se continue par du sommeil lent profond (stade 3) et se termine par du sommeil paradoxal (figure 3).
Plus on avance dans la nuit, moins les cycles sont riches en sommeil lent profond, et plus ils sont riches en sommeil paradoxal. Ainsi, le dernier cycle de sommeil est surtout composé de sommeil léger et de sommeil paradoxal. Cette structure cyclique est assez régulière et serait déterminée génétique- ment. Ce sont surtout les phases de survenue du sommeil paradoxal qui sont les plus régulières. Des expériences réalisées chez des vrais jumeaux ont montré que leurs périodes de survenue du sommeil paradoxal étaient identiques.
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Sommeil
Physiologie du sommeil
Le sommeil lent
Le sommeil lent est composé de 3 stades : les stades N1 et N2, appelés sommeil lent léger, le stade N3, le sommeil lent profond (8).
Le stade N1 est caractérisé à l’EEG par une acti- vité de faible amplitude, dont la fréquence domi- nante varie entre 4 et 7 Hz. S’y associent parfois des pointes vertex, ondes de contours aigus d’une durée inférieure à 0,5 s. L’EEG retrouve des mou- vements oculaires lents, assez réguliers, avec une déflexion initiale d’une durée supérieure à 500 ms.
L’activité électromyographique est réduite par rapport à l’éveil.
Le stade N2 est caractérisé par la présence de 2 graphoéléments caractéristiques à l’EEG :
➤ le complexe K : onde aiguë négative clairement délimitée, immédiatement suivie d’une composante positive se détachant nettement de l’activité de fond de l’EEG et d’une durée supérieure à 0,5 s ;
➤ des fuseaux de sommeil : train net d’ondes sinu- soïdales d’une fréquence comprise entre 11 et 16 Hz durant au moins 0,5 s.
À l’EOG, on ne retrouve pas beaucoup d’activité ocu- laire, mais, parfois, des mouvements oculaires lents.
À l’électromyogramme, le tonus musculaire est plus faible que pendant l’éveil.
Pendant le sommeil lent léger, l’individu est encore sensible au monde extérieur : un bruit, une lumière, une sensation peut suffire à le réveiller et à le faire retrouver l’éveil. De très nombreuses personnes dorment en sommeil léger au cours de la journée dans les transports (train, bus, métro). Tandis qu’elles maintiennent leur position sur la banquette, leur tête tombe en avant, et cette chute de tonus les réveille un instant, puis elles se rendorment.
Certains, même, s’endorment en sommeil léger au volant : la somnolence est ainsi une des premières causes d’accident sur l’autoroute. Le sommeil léger est reposant lors de la sieste. Il est aussi l’un des composants essentiels du sommeil de la nuit (près de 50 % du temps de sommeil total).
Le stade N3 est caractérisé à l’EEG par une activité en ondes lentes de fréquence de 0,5 à 2 Hz et ampli- tude à pic supérieur de 75 μV qui occupent au moins 20 % d’une époque. Des fuseaux de sommeil peuvent persister. On ne retrouve en général pas de mouve- ments oculaires à l’EEG. À l’électromyogramme, le tonus musculaire est variable, mais souvent inférieur à celui du stade N2 et comparable à celui du sommeil paradoxal (9).
Pendant le sommeil lent profond, le sommeil est lourd et très reposant. Il est très difficile de réveiller
le dormeur et, lorsqu’on y parvient, celui-ci se retrouve dans un état de torpeur appelé inertie du sommeil. Pendant le sommeil profond, le dormeur est en général relâché, allongé, il lui est difficile de maintenir une position car ses muscles sont détendus. La respiration et le rythme cardiaque sont plus lents ; la température, en général, baisse. C’est le sommeil le plus présent lors des premières heures de la nuit. Il est très rare de dormir en sommeil profond au cours de la journée, sauf en cas de privation de sommeil les jours précédents.
Le sommeil paradoxal
Le sommeil paradoxal est caractérisé à l’EEG par des ondes “en dents de scie” d’une fréquence de 2 à 6 Hz, aux contours aigus ou triangulaires.
À l’EEG, on retrouve les caractéristiques mouve- ments oculaires rapides bilatéraux et symétriques conjugués. À l’électromyogramme, on identifie une activité musculaire phasique d’une durée inférieure à 0,25 s, survenant sur un tonus de base très faible, voire inexistant.
Pendant le sommeil paradoxal se produit la grande majorité des rêves. Le sommeil paradoxal a été ainsi nommé en français parce que, “paradoxalement”, alors que le dormeur est inerte (sans aucun tonus musculaire), son cerveau est très actif. Les anglo- phones l’appellent Rapid Eye Movement Sleep (REM sleep), parce que, au cours du sommeil paradoxal, se produisent des mouvements oculaires bilatéaux et symétriques tout à fait caractéristiques. La privation éclectique de sommeil paradoxal chez l’animal s’ac- compagne de troubles de la mémoire et de l’humeur.
En effet, le sommeil paradoxal semble indispensable à l’apprentissage (il est très élevé en proportion dans le sommeil de l’enfant), au classement des idées, des émotions, au maintien de l’équilibre psychologique.
Temps de sommeil
On appelle temps de sommeil total (TST) la durée consacrée au sommeil au cours de la nuit entre l’endormissement et le réveil, périodes de réveil nocturne exclues.
Le temps idéal de sommeil varie avec chaque indi- vidu, mais il est en moyenne de 7 à 8 heures par 24 heures chez l’adulte. Ceux qui ont besoin de moins de 5 heures sont très rares (0,5 %), ce sont les “petits dormeurs”. De même, ceux qui ont besoin de plus de 10 heures sont les “gros dormeurs”.
montré que les Français adultes avaient un TST aux alentours de 7 heures par 24 heures au cours de la semaine. Pendant les week-ends ou les congés, le TST est plus proche de 8 heures 30 minutes, comblant ainsi une petite dette de sommeil qui se constitue au cours de la semaine (11). De manière préoccupante, plus de 30 % des jeunes Français dormiraient moins de 6 heures par 24 heures, ce qui semble être un TST insuffisant. En effet, de grandes études de cohorte réalisées depuis le début des années 2000 ont montré que dormir moins de 6 heures par 24 heures augmentait le risque d’obésité, de diabète de type 2, de maladie cardio- vasculaire, d’accident de la route et de troubles de type anxiété-dépression.
À côté du TST nocturne, il faut aussi envisager la possi- bilité de plusieurs épisodes de sommeil sur 24 heures.
C’est le cas des travailleurs postés et de nuit, qui ont souvent un sommeil biphasique. C’est aussi, plus fréquemment, le cas des nombreux “siesteurs”.
Le temps de sieste doit être ajouté à celui de la nuit pour envisager le TST sur 24 heures. Certains petit dormeurs compensent leur dette quotidiennement par des siestes.
La période totale de sommeil nocturne (PTS) est le temps écoulé entre l’extinction des lampes et le lever. Elle ne recouvre pas uniquement le TST mais comprend aussi la latence d’endormissement (temps écoulé entre l’extinction des lampes et l’endormis-
tous les adultes se réveillent une à plusieurs fois par nuit. Ces éveils sont parfois de très courte durée et nous ne nous en rendons même pas compte. En effet, un éveil nocturne durant moins de 1 minute ne peut être mémorisé. Mais ces éveils sont parfois longs, et accompagnés de difficultés pour se rendormir. Avec l’âge, les éveils peuvent parfois représenter plusieurs heures au cours de la nuit. L’index d’efficacité du sommeil rend compte de cette proportion d’éveil.
Il est calculé en faisant le rapport TST/PTS. S’il est supérieur à 90 %, cela signifie que pas plus de 10 % de la nuit est occupée par les éveils.
Conclusion
L’analyse du sommeil de l’Homme repose aujourd’hui encore beaucoup sur la polysomnogra- phie, analyse combinée des signaux physiologiques au cours de la nuit. Mais, au cours de la dernière décennie, il est apparu que le sommeil pouvait être étudié, peut-être moins précisément mais sur de plus longues durées, par des outils moins susceptibles de le perturber : actigraphie, objets connectés, bandeaux ou textiles connectés (11).
Dans l’avenir, l’analyse du sommeil prendra sans doute en compte ces nouvelles approches et leur analyse au moyen de méthodes d’intelligence
artificielle. ■
F. Djouadi déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.
D. Léger déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.
1. Moruzzi G, Magoun HW. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalogr Clin Neuro- physiol 1949;1:455-73.
2. Peplow M. Structure: the anatomy of sleep. Nature 2013;497:S2-3.
3. Lin JS, Anaclet C, Sergeeva OA, Haas HL. The waking brain:
an update. Cell Mol Life Sci 2011;68:2499-512.
4. Valatx JL. Les mécanismes des cycles veille-sommeil.
Rev Prat 1996;46:2404-10.
5. Borbély AA. A two process model of sleep regulation.
Hum Neurobiol 1982;1:195-204.
6. Aserinsky E, Kleitman N. Regularly occurring periods of eye motility, and concomitant phenomena, during sleep.
Science 1953;118:273-4.
7. Dement WC, Kleitman N. Cyclic variations in EEG during sleep and their relation to eye movements, body motility, and dreaming. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1957;9:673-90.
8. AASM (American Academy of Sleep Medicine). Manuel pour le codage du sommeil et des événements associés.
Règles, terminologie et spécifications techniques. Société francaise de recherche et médecine du sommeil, édition 2018.
9. Léger D, Debellemaniere E, Rabat A, Bayon V, Benche- nane K, Chennaoui M. Slow-wave sleep: From the cell to the clinic.Sleep Med Rev 2018;41:113-32.
10. Léger D, Beck F, Richard JB, Sauvet F, Faraut B. The risks of sleeping “too much”. Survey of a national representative sample of 24671 adults (INPES health barometer). PLoS One 2014;9:e106950.
11. Debellemaniere E, Chambon S, Pinaud C et al. Per- formance of an ambulatory dry-EEG device for auditory closed-loop stimulation of sleep slow oscillations in the home environment. Front Hum Neurosci 2018;12:88.
Références bibliographiques
