Activité électrique cérébrale

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1 Activité GENESE DE L ACTIVITE ELECTRIQUE CEREBRALE ELECTROENCEPHALOGRAMME MECANISMES NEUROBIOLOGIQUES DES CYCLES VEILLE-SOMMEIL Département de Neurologie Montpellier Technique de mesure de l activité corticale: Electroencéphalographie (1 EEG en 1929: H Berger) Examen simple, non agressif mais long (> 20 min) Electrode reliée à amplificateur et enregistreur Condition standardisée : filtre, amplitude, base de temps Position des électrodes: Système international Symétriques et équidistantes les unes/ autres: 21 Enregistrement souvent bipolaire: Différence de potentiel entre 2 électrodes Potentiels rythmiques de faible amplitude et de fréquence variable 4 rythmes de bande de fréquence différente: alpha, béta, thêta, delta Analyse de l EEG Classification des rythmes EEG Montage bipolaire ou avec électrode de référence commune: lobe de l oreille 5 électrodes 8 électrodes 8 électrodes Amplificateur Gauche Droite Excité Classification Fréquence en hertz Au repos Sujet en Veille: Rythme alpha (YF, Détendu) Ouverture des Yeux: Réaction d Arrêt: Désynchronisation du tracé Rythme bêta hz Somnolent Rythme alpha 8 12 hz Endormi Rythme Béta Activation du cortex Rythme thêta 4 7 hz Rythme delta < 4 hz profond

2 Organisation des neurones pyramidaux corticaux Corps des cellules pyramidales dans profondeur du cortex: couche 4 et 5 : -Axone se dirige vers profondeur (axones parallèles entre eux) -2 dendrites: * Apicale: perpendiculaire à surface du cortex (dendrites apicales parallèles entre elles) * Basilaire: part de la base du corps cellulaire - Surface du cortex: Dendrites +++ Enregistrement de la surface du cortex Tout élément nerveux excité se négative en surface: = Charge négative De part et d autres: Zones positives: = Ensemble: Double Dipôle Enregistrement de la surface du cortex: Potentiel de surface est positif ou négatif Si excitations synchrones + éléments excités en parallèles (cas des c pyramidales) = Différence de potentiel en surface = Enregistrement d un phénomène électrique en surface = Reflet d une activité en surface qui est le reflet d une activité en profondeur = Activité synaptique simultanée de milliers de dendrites de c pyramidales Origine de l activité corticale Activité rythmique dans noyaux thalamiques non spécifiques (via enregistrement profond chez l animal) Noyaux réticulo-thalamiques: Auto-rythmiques Projection sur tout le thalamus Projection sur les nx intralaminaires Puis projection sur le cortex diffus Correspond en temps et en fréquence aux activités rythmiques corticales = Synchronisation thalamo-corticale Oscillateurs thalamiques et connexions corticales Thalamus: Pacemaker de l activité corticale (survient qq ms avant les ondes corticales) Si lésion du thalamus: perte des ondes corticales Si lésion du cortex: persistance de l oscillation thalamique

3 Oscillation thalamique Oscillation thalamique En l absence d excitation - Neurones réticulo-thalamiques: activité de dépolarisation lente et périodique transmise aux c pyramidales - Bouffée rythmique synchronisée d hyperpolarisation des c pyramid: Train de PA de 2-3 s au repos bien qu en hyperpolarisation Enregistrement intracellulaire simultanée de neurones En présence d une excitation Neurones réticulo-thalamique excités Perte du caractère rythmique Blocage des ondes corticales en surface = Arrêt de l oscillation thalamo-corticale = Rythme désynchronisé Indications de la réalisation d un EEG Exemple d absence typique: Décharge de PO à 3c/s symétrique, bilatérale, synchrone, durant 5-10 s, à début et fin brusque avec une activité de fond normale Cliniquement: suspension isolée de la conscience: rupture de contact Epileptologie Pathologies liées au sommeil: Polysomnographie Pathologies neurologiques Dégénérative: ralentissement EEG Infectieuse: encéphalite herpétique Pointes lentes périodique Toxique: Encéphalopathie hépatique : Ralentissement, pointes lentes Coma et mort cérébrale: Ralentissement puis disparition de l activité corticale avec bouffées aiguës de haut voltage signe d anoxie cérébrale (irréversibilité) = importance médico-légale avec les dons d organes

4 Exemple de coma anoxique Silences électriques + Bouffées aiguës de haut voltage = burst supression Le Définition comportementale et neurophysiologique Comportement caractérisé par Immobilité corporelle Perte de conscience Indifférence aux stimuli habituels Mais conservation de la sensibilité à des stimuli inhabituel ou intenses: Eveil Réversibilité immédiate le distingue de l AG, épilepsie, coma Processus actif Trait commun aux différentes espèces animales Différents états physiologiques d activité Analyse du sommeil: Polysomnographie Analyse de EEG, EOG et EMG Veille Veille active Veille calme lent (léger et profond) paradoxal En rapport avec des phénomènes d activation et d inhibition du cerveau

5 Tracé de veille Tracé de stade 1 Tracé de stade 2: Fuseaux de sommeil Tracé de transition entre la veille Tracé de stade 2: Complexe K Trace de stade 3: >20 % de l époque avec des ondes lentes de grande amplitudes (> 75 µv) et de 0,5 à 2 c/s Tracé de sommeil paradoxal avec mouvements oculaires rapides, atonie musculaire et des ondes en dent de scie Trace de stade 4: >50 % de l époque avec des ondes lentes de grande amplitudes (> 75 µv) et de 0,5 à 2 c/s Tracé de sommeil paradoxal avec importante activité musculaire: twitches»

6 paradoxal Organisation du sommeil normal: Analyse de l hypnogramme Activité EEG désynchronisée Difficulté à réveiller le sujet par des stimuli sonores = Paradoxal Activité MOR Atonie Musculaire Décharges visuelles: Pointes Ponto-Géniculées-Occipitales Accélération végétative: Fréquence cardiaque, Pression art Rêve dans 90% des cas Cycle: lent + paradoxal : 90 minutes 4-6 cycles / nuit Nuit de sommeil normal d un adulte jeune B S1 = 5 % S3+S4 = 25 % S2 = 50 % SP = 20 % Historique MECANISMES NEUROBIOLOGIQUES DES CYCLES VEILLE-SOMMEIL *1925: Encephalite léthargique Von Economo Lésion hypothalamique post: Somnolence Exp: Stimulation hypothalamique post: Eveil permanent Stimulation hypothalamique ant: Somnolence +++ Importance de l hypothalamus dans le sommeil

7 Eveil cortical 1935: Expérience pour mettre en évidence les structures responsables de la veille Transection complète du TC: Partie mésencéphalique en B: Cerveau isolé Tracé de sommeil ininterrompu: rythme lent delta Pas de stimulation sensorielle: pas d éveil cortical Transection complète de Moelle cervicale: en A: Encéphale isolé Alternance ondes lentes (sommeil) et rapides (eveil) Si stimulation sensorielle(via nerfs crâniens): Eveil cortical Expériences de stimulation/ lésion : Morruzzi Entre cerveau et encéphale isolé: = SRAA: substance réticulée activatrice ascendante Surtout mésencéphalique surtout cholinergique Stim SRAA: Eveil Lésion: Apparition d ondes lentes du sommeil. Historique Expériences de stimulation Donc sommeil = passif éveil = actif = 1 seul état EEG lent stade 1 à 4 avec pouls + respiration et MOL à l endormissement -Stimulation extéro, proprio ou intéroceptive de la SRAA: -Déclenche un éveil réticulaire -Structure d éveil stimulant le cortex diffus - Voies excitatrices ascendantes - Eveil cortical: désynchronisation de l EEG -Structure d éveil stimulant les voies motrices descendantes - Stimulation des motoneurones de ME - Eveil comportemental: augmentation du tonus musculaire, fréquence cardiaque, respiratoire et pression artérielle

8 Cortex cérébral: inhibiteur ou excitateur Autres structures impliquées dans la genèse de la Veille Système limbique: Emotion liée aux stimulations Autres noyaux impliqués Locus coeruleus: Pour Eveil cortical / Voie noradrénergique Hypothalamus postérieur Pour Eveil cortical / Voie histaminergique Hypothalamus latéral: Pour Eveil cortical / Voie hypocrétinergique Système nigro-strié: Pour Eveil comportemental / Voie dopaminergique Système du raphé Pour alternance Veille- / Voie sérotoninergique -Quand éveil: Raphé est actif et prépare le sommeil -Quand sommeil: rôle permissif en s inactivant (activité faible SL et nulle en SP) Le réseau exécutif de l éveil : bases neurochimiques Le système d éveil ascendant = 2 voies de projection: * Voie thalamique - Origine: neurones des noyaux latero-dorsal et pédiculopontin du tegmentum : SRAA - Type cholinergique. * Voie extra-thalamique - Type aminergique - Origine dans les noyaux (noyau tuberomamillaire, neurones du raphé et les neurones du locus coeruléus ) - projection diffuse dont téléncéphale basal Le réseau exécutif de l éveil : bases neurochimiques Régulation de EVEIL - SOMMEIL Eveil et sommeil = processus actif intimement lié *Pour l éveil: il faut activer l éveil et inhiber le sommeil *Pour le sommeil: il faut activer sommeil et inhiber veille SINON - Si éveil ne s inactive pas pendant le sommeil: Insomnie psychophysiologique = Activation des 2 systèmes - Si sommeil et éveil inactivé: Anesthésie = Inactivation des 2 systèmes Composante corticale + comportementale Sinon dissociation: somambulisme: cortex lent + comportement présent Les neurones à orexine de l hypothalamus latéral innervent toutes les composantes du système d éveil Intervention de plusieurs composantes: régulation différente

9 Inhibition de la Veille Activation du lent: - Noyau ventro-latéral-préoptique: VLPO - Activation du Nx du raphé -qui synthétise la sérotonine : Sécrétion pendant la veille (et peu pendant le sommeil) -et qui se projette sur VLPO Destruction du Nx Raphé ou VLPO ou inhibiteur de synthèse de sérotonine: = Insomnie Les neurones du VLPO: innervent la plupart des structures de l éveil: système cholinergique (SRAA) et autres systèmes de veille (Hypothal post ) Quand activation, VLPO inhibe la veille via l acide gamma-aminobutyrique (GABA) GABA = base de la grande majorité des hypnotiques (BZD et barbiturique) lent Plusieurs facteurs interviennent: GABA dans VLPO mais aussi PG, IL, Insuline MCH (Melanine Concentrating Hormone) dans l hypothalamus latéral Inhibe les neurones de la veille Mécanisme de l endormissement en SL: Décharge des neurones sérotoninergiques du raphé en veille Stimulation du VLPO Inhibition descendante du réseau de la veille (SRAA et hypothal post) Activation des neurones réticulaires gabaergiques thalamiques Transmission des hyperpolarisations rythmiques au cortex via neurones thalamo-corticaux: Synchronisation diffuse des ondes corticales: Maintien du sommeil lent -Hyperpolarisation courte: Fuseaux de sommeil, SLL Origine: Noyau réticulaire du thalamus -Hyperpolarisation prolongé: Ondes Lentes, SLP Origine: produite par néocortex Rôle du noyau ventro-latéral-préoptique (VLPO) dans l induction du sommeil lent Modèle Flip-Flop Hypocrétine lent VLPO (GABA) GABA Norepinephrine + TC Norepinephrine Histamine Dopamine Veille

10 VLPO TMN LC/ RD ON VLPO TMN LC/ RD Veille Flip-flop Veille Saper et al 2003 NSC Hypocrétine NSC Hypocrétine VLPO TMN LC/ RD VLPO TMN LC/ RD ON Veille Veille Flip-flop

11 1er cycle PCEM2 MI3 Neurosciences Neurobiologie et physiologie sensorielle Genèse de l activité Narcolepsie : Modèle de dysrégulation du sommeil Historique *Kleitman- Dement 1957 Observation de MOR = REM pendant la nuit correspondance avec phase où EEG est activé passif Découverte d un nouveau stade de sommeil (activation) Hypothalamus latéral Pathologies génétiques Narcoleptiques Témoins Hypocrétine + Nx Mono Aminergiques Tronc cérébral VLPO (GABA) Veille Norepinephrine Historique paradoxal *Jouvet 1957: Préparation pontique Dépend de neurones de la sphère ponto-bulbaire Découverte de l atonie musculaire chez chats «décérébrés» puis confirmé chez chat «entier» avec un cortex cérébral Neurones SP on «exécutifs» Actifs pdt SP, inactifs en SL et veille Neurotransmetteurs: Cholinergiques Localisation: réticulée bulbaire + pontique LC alpha, Nx pedunculo-pontin, Nx laterodorsal pontin du tegmentum Stade de sommeil avec MOR + activation EEG + Atonie musculaire + Activité PGO ds tronc cérébral (pont) SP: origine pontique Stimulation du SP par des agonistes cholinergiques et inhibition du SP par atropine

12 paradoxal : composante tonique * Activation ascendante thalamo-corticale via structure Neurones SP «on» cholinergique ponto-bulbaire Désynchronisation de EEG Inhibition descendante via neurones SP «on» actif (LC alpha): Active secondairement Neurones magnocellulaire Active IN inhibiteur Inhibition MN médullaire (via glycine?) Atonie musculaire Qd lésion LC alpha: persistance de composante phasique Absence d atonie musculaire en SP: TCSP paradoxal: composante phasique = MOR + secousse musculaire : apparaît en bouffées Commande dans PPT (tegmentum pontin) Générateur pontique: - Activation phasique secondaire des systèmes oculo-moteurs du TC - Activation des Corps Génouillés Latéraux puis des systèmes visuels = Pointe PGO = IMAGERIE visuelle pdt le SP. Générateur d activité phasique: -se projette sur d autres systèmes sensorielles: Pointes dans cortex auditif temporal: recueil de tension du tympan -se projette sur système végétatif: apnées + irrégularités pouls paradoxal: Interaction de 2 réseaux de neurones Neurones SP on «exécutifs» Neurones «SP-off» aminergiques: Mécanismes permissifs inactifs pdt SP, actifs pdt SL et éveil Neurotransmetteurs: monoaminergiques et glutamatergique Localisation: LC, raphé dorsal paradoxal: Interaction de 2 réseaux de neurones - En s arrêtant de fonctionner, les neurones SP off lèvent l inhibition exercée sur les neurones du système exécutif - Absence d activation de la Veille - Activation du SP - Facteur déclenchant du SP???? - Mécanisme périodique du SP: toutes les 90 min - Oscillateur ponto bulbaire de type PM - Déclenchement de ce PM via des facteurs énergétique de l organisme??

13 Neuromédiateurs de la régulation des états de vigilance Origine EVEIL SOMMEIL ACH SRAA, Meynert + + Histamine Hy Post + Dopamine LN + Adrenaline bulbe + Noradrénaline LC + Sérotonine Raphé dorsal ± ±