Bases Neurophysiologiques de l'alternance Veille/Sommeil

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1 UE : Neurologie Physiologie Date : 5/12/2011 Promo : DCEM 1 Plage horaire : 8h à 10h Enseignant : Dr. PHILIP Ronéistes : AH THIANE Laurent laurent.ah@hotmail.fr NATIVEL Mathilde thidou@msn.com Bases Neurophysiologiques de l'alternance Veille/Sommeil I. Historique et définition II. Organisation du sommeil (stades, cycles) III. Bases Neurochimiques et régulation des 3 états de conscience - éveil - sommeil lent - sommeil paradoxal IV. Alternance Veille/Sommeil - Homéostasie - chronobiologie 1/11

2 I. Historique : (normalement pas de questions dessus) Jusqu'au XIXème siècle on pensait que l'on dormait pour se reposer or en réalité le sommeil est un phénomène actif et sert à réaliser ce qu'on ne peut pas en état de veille, comme l'apprentissage, produire l'hormone de croissance... Rôle du sommeil : mécanisme actif (Dr Cerise) Formation Réticulée Ascendante et éveil (Moruzzi et Magoun montrent qu'il y a une alternance veille/sommeil) REM Sleep (Dement et Kleitman) Sommeil paradoxal (Jouvet) Théorie aminergique de Jouvet (Sérotonine) Adrénaline, Noradrénaline, Dopamine, Histamine (éveil) Le Sommeil est multisite, ce n'est pas un continuum : il y a une alternance des différents états de conscience Le Sommeil Lent Profond est le plus important car c'est lui qui code l'apprentissage. On ne sait toujours pas aujourd hui a quoi sert le sommeil paradoxal, on sait qu'il est lié a l'apprentissage de souvenir a forte charge limbique (souvenirs affectifs)mais pour l'heure c'est le sommeil lent profond qui sert à l'apprentissage. Il y a une combinaison, un conflit entre mécanismes du sommeil et de l'éveil. En effet plus on en avance dans la journée plus on a envie de dormir mais ce sont les systèmes d'éveil comme la pression homéostatique et circadien qui nous permettent de rester éveillé. D'où un niveau d'éveil constant tant que l'on est éveillé. Ceux sont des systèmes interpénétrés et très compliqués. De plus il y existe une programmation génétique, de la durée de sommeil, du rythme matin au soir.. ces mécanismes génétique sont compliqués dan les maladies du sommeil comme la narcolepsie le sommeil est donc une fonction indispensable qui peut, si lésée, être transmise aux générations suivantes. -Rôle des rythmes circadiens (Borbely, Parmeggiani, Czeisler) -programmation génétique -approche homéostatique modèles de Folklard II. Organisation du sommeil : A. Définition Comportementale : veille = activité sommeil = immobilité Il y a une plus ou moins grande profondeur du sommeil en fonction de l'absence de mouvements et/ou de la faible réactivité aux stimuli. Le sommeil est un trait commun aux différentes espèces animales, tout le monde dort, mais il existe de grandes hétérogénéités liées à l'adaptation. Le sommeil est une fonction transespèces et pas seulement une fonction humaine. 2/11

3 B. Définition éléctrophysiologique : C'est l'enregistrement conjoint de : Électroencéphalogramme Electromyogramme Électro-oculogramme Ceci a permis de décomposer le sommeil en différents stades et époques (classification de Rectschaffen et Kales, 1968). Chaque époque dure 30 secondes, à chaque époque est associée un stade, leur sommation permet de faire un hypnogramme qui donne l'architecture du sommeil. III. Bases Neurochimiques et Régulation des trois états de Conscience : L'humain présente trois états de conscience : Veille Sommeil lent composé du sommeil lent léger = stade I et II ; et du sommeil lent profond = stade III Sommeil Paradoxal Ceux si sont très bien définis électrophysiologiquement. LA MICROARCHITECTURE DU SOMMEIL : décrit les stades de sommeil avec une échelle temporelle de 30 secondes et des sous parties A,B,C,D : A/ État de Veille : il est désynchronisé et correspond à : l'activité alpha sur EEG (8 à 12 cycles/sec) + rythmes Béta (16 à 30 cycles/sec) le tonus musculaire élevé (EMG) les mouvements oculaires (EOG) Les trois voies : EEG + EMG+EOG sont indispensables pour le scoring. C'est l'évolution de ces 3 voies en parallèle qui permet de déterminer quel est l'état de conscience à un moment donné. Les activités alpha et bêta sont rapides et sont des rythmes désynchronisées, les millions de cellules du cortex déchargent des Potentiels d'action en grands nombres et de façon complètement autonome, (décharges très nombreuses) mais si l'on fait une sommation l'amplification est faible(car les décharges sont désynchronisées. Ce qui donne sur l'eeg un tracé très rapide micro-volté. Si on traduit ce tracé de l'eeg en sons, on entend pshpshpshpshpsh, comme un brouhaha, ce qui traduit la désynchronisation. (le prof nous a demandé de faire les bruitages en amphi pour le retenir... ) 3/11

4 A l'eeg : B/ Sommeil Lent Léger (SLL): il est synchronisé avec : Un voltage lent de basse fréquences (rythme tétha de 3,5 cycles/sec à 7,5 cycles/sec) : il y a donc un ralentissement de l'eeg (= stade I) c'est le rythme qu'on garde tout au long de la nuit. Au stade II s'ajoutent des figures spécifiques, le tracé est associé à des fuseaux de 12 à 14 cycles/sec supérieur ou égal à 5 secondes, et à des complexes K qui sont des ondes biphasiques de grande amplitude (de plus ou égal à 5secondes), ceci indique l'approfondissement du sommeil. Un tonus musculaire diminué mais qui reste présent Des mouvements oculaires lents, roulants au stade I, qui diminuent de plus en plus au stade II. Lors du SLL il y a donc un ralentissement sur les trois voies! Sur l'eeg : on observe une séparation des pointes, une augmentation des amplitudes avec les fuseaux et complexes K du stade II (Plusieurs centaines de neurones déchargent en même temps = ils se synchronisent) On entend fiiouuhfiiouuhfiiouuh. (...) A l'eeg : (les fuseaux sont soulignès ) C/ Sommeil Lent Profond (SLP): il est synchronisé. entre 20 et 100% d'ondes lentes delta (qui sont le résultat de la synchronisation) elles sont monophasiques. 75 microvolt : très amples et dure 0,5 à 4 cycles/sec. Tonus musculaire encore plus diminué, très faible mais toujours présent Absence de mouvements oculaires Les ondes lentes delta témoignent d'un processus de synchronisation des territoires neuronaux qui permet 4/11

5 l'apprentissage. Elles constituent le centre de l'apprentissage. On entend wwoouuushhwoouuushhwwoouuushh. Avec la vieillesse les ondes delta sont de moins en moins nombreuses ce qui explique en partie la diminution de la capacité d'apprentissage avec l'âge. A l'eeg : D/ Sommeil Paradoxal (SP)ou REM Sleep (Rapid Eye Mouvement) Il est désynchronisé. A bas Voltage et à Fréquences mixtes (ondes en dents de scie, théta et alpha lent) Absence de Tonus Musculaire mais quelques twitches (burst d'activité) Mouvements oculaires rapides en opposition de phases Ainsi bien que l'on soit profondément endormi, l'eeg et l'eog ressemblent à ceux de l'état de veille! On entend pshpshpshpsh, comme à l'éveil. n.b : LA MACROARCHITECTURE DU SOMMEIL score l'ensemble d'une nuit, il décrit les cycles! A l'eeg : (les mouvements des yeux sont sonlignès ) E/ L'Hypnogramme : Il reflète l'ensemble d'une nuit, c'est la succession de cycles de sommeil chacun composé de stades. Une nuit de sommeil se divise en cycles de 90 minutes chacun, et une nuit normale se compose de 5 à 6 cycles. Lors du premier cycle il y a une séquence assez conservée : le sujet s'endort en stade I puis passe en stade II puis en stade III, puis en sommeil paradoxal. Les cycles sont chacun composé rituellement de SLL, SLP, SP ; avec parfois un épisode transitionnel de veille. 5/11

6 Mais plus on est en début de la nuit plus le cerveau est froid plus on fait du SLP et plus on avance dans la nuit plus le cerveau est froid plus on fait du SP et pas de SLP (en effet la régulation du SP est très thermodépendante). Si on se couche vers 22h, le minimum thermique est vers 3h30 du matin moment où on produit le pic de mélatonine en phase de SLP, alors le cerveau se met a se réchauffer, le SLP disparaît et on fait d'avantage de SP. Si on se couche à 3h du matin, on a déjà brulé la période descendante de température on ne fait donc qu'une petite période de SLP et on fait ensuite beaucoup de SP! (il faut s'endormir avant le minimum thermique!) Remarque : Au cours de la nuit, on observe quelques courts épisodes de veille. Lors de privation chronique de sommeil, le SLL est le premier à disparaître et le stade préférentiel conservé en durée est le SLP. (alors que dans les années 60 on pensait que le SP était le plus important) ATTENTION : si question sur microarchitecture : il s'agit des différents stades de veille et de sommeil. si question sur macroarchitecture : il s'agit de l'organisation des cycles de sommeil c'est à dire l'hypnogramme. En ce qui concerne les pourcentages : une nuit se compose environ de : 5% de Veille 50% de SLL 25% SLP 20% SP Ainsi on a : SLP+SP = SLL! En durées cumulées. Les pourcentages varient selon la durée du sommeil, la durée de SLL va diminuer afin de garder une durée de SLP a peu près stable. ATTENTION : Si question sur la différence entre l'eeg de la veille et celui du SP : l'eeg du SP est subtilement ralenti mais ressemble a celui de la veille, car l'eeg du SP montre aussi des ondes Theta et Alpha mais ces Alpha sont alors lentes! Tout au long de la nuit il y a une alternance SL/SP due aux processus de rétroinhibition. NB : Les diapos du prof ne sont pas sur apprentoile du coup, un schéma important a savoir est celui de l'hypnogramme (j'en ai mis deux que j'ai trouver sur le net). 6/11

7 F/ Les Systèmes d'éveil : 7/11

8 La Formation Réticulée Ascendante Activatrice (FRA) est une structure clé! Elle est en gros au niveau du tronc cérébrale. Chez l'animal, lors de la stimulation de la FRA au cours de son sommeil, l'animal se réveille (Moruzzi et Magoun) Si la FRA est lésée, on détruit l'alternance veille/sommeil, l'animal est dans le coma. Comme dit plus tôt, on est programmé pour fonctionner sur une alternance Veille/Sommeil. L'acétylcholine (issue de la FRA, Noyau de Meynert) joue un rôle majeur en inhibant les générateurs thalamiques (qui sont les donneurs de rythme) L'histamine (Hypothalamus) active l'éveil cortical, qui inhibe aussi les générateurs thalamique, elle ne génère pas de sommeil comme les gabaergiques, elle bloque l'éveil. La veille est caractérisée par la désynchronisation observée sur l'eeg En effet, à la veille, les neurones des systèmes d'éveil et les neurones de la FRA envoient des projections sur soit directement sur les générateurs thalamiques soit via le noyau de meynert et ont une action négative de blocage le générateur est éteint, donc au niveau cortical il n'y a pas de synchronisation les neurones déchargent à leur propre rythme. Ce sont des mécanismes d'inhibition qui permettent la désynchronisation. Cette activité désynchronisée est une activité «active», il faut produire un blocage, ce n'est pas une activité de repos. G/ Systèmes Facilitateurs du Sommeil : La sérotonine (Le prof a parlé brievement du noyau raphé sérotoninergique au niveau du tronc cérébral) est active durant la veille. Sommeil Lent : L'hypothalamus a un rôle majeur : *Les neurones Gabaergiques (Noyau de Meynert) inhibent les Neurones Cholinergiques de ce même noyau ainsi que les Neurones Histaminergiques de l'hypothalamus Postérieur (donc inhibent les deux centres d'éveil) Cette inhibition des neurones inhibiteurs permet la libération des Générateurs Thalamique et permet de créer une synchronisation car il y a une hyperpolarisation des neurones corticaux donc une baisse de leur influence qui se traduit sur l'eeg en ondes lentes. Donc, c'est le blocage du centre Hypothalamique postérieur ajouté au blocage du noyau de Meynert qui permet la libération du Générateur et la production du sommeil lent qui correspond à une synchronisation. En résumé : Activation cholinergique => désynchronisation corticale Ralentissement cholinergique + Activation Gaba => Synchronisation Corticale Sommeil Paradoxal (SP): (Sommeil désynchronisé et atonie musculaire) L'expression du SP passe par une onde Ponto Géniculo Occipitale générée par le tronc cérébral elle a un parcours ascendant (il y a une succession d'événements éléctriques) et est responsable des différents pattern enregistrés : 8/11

9 *Atonie musculaire qui est liée aux neurones du locus coerulleus alpha(qui repose sur des Neurones cholinergiques pas ceux de l'éveil!) qui va une fois stimulé, bloquer la motricité à partir de la moelle épinière. *Mouvements Oculaires rapides (l'orage éléctrique après le LCalpha traverse le 3, le 4 et le 6) *Modification de la fréquence cardiorespiratoire (irrégularité cardiorespiratoire car stimulation des noyaux cardiorespiratoires) *Impressions visuelles (rêve en images) qui résultent de la stimulation corticale (cortex occipital est stimulé or il est impliqué dans la vision) Si il y a une lésion du LCalpha, on rêve de façon motrice! (expérience du comportement onirique du chat, Sastre et Jouvet 1979). Dans certaines maladies neurodégénératives, comme parkinson et la démence, il y a des parasomnies appelées troubles du SP, ces sujets ont des cauchemars moteurs, des activités très agressives au cours du sommeil dus à la mort des neurones du LCalpha. Vidéo de l'enfant souffrant de Narcolepsie- Cataplexie : il subit une chute du tonus spécifiquement à l'état de veille,il y a des décharges nombreuses sur les Neurones Cholinergiques, ça se traite par des neurones antichlonergique et noradrénergiques qui vont restaurer le tonus musculaire. Remarque : La narcolepsie est potentiellement déclenchée par les émotions, ainsi on pense que le SP a un rôle dans la Narcolepsie-Cataplexie. Dans la macroarchitecture il y a alternance SL/SP, qui repose sur un processus de rétroinhibition : Veille : Neurones REM on éteints Neurones REM off déchargent au maximum. SL : REM on sont toujours éteints puis déchargent de plus en plus REM off déchargent petit à petit de moins en moins, SP : REM on déchargent à fond REM off éteints. Au bout de la durée du SP, les REM on s'éteignent et les REM off se réactivent. À l'état de veille, les REM off sont activés et envoient un message serotoninergique négatif sur les REM on donc ils les éteignent. Mais au bout d'un moment ils font en parallèle une boucle négative sur leur propre activité, cette diminution d'activité des REM off va entraîner une levée de l'inhibition sur les REM on qui vont s'activer avec une rétroboucle acétocholinergique mais également activer les REM off via l'acétylcholine. Mais une fois que les REM off produisent suffisamment ils vont a nouveau envoyer une boucle négative pour bloquer les REM on, puis se bloquer etc. 9/11

10 D'où l'alternance SL/SP. Tableaux de synthèses : Différents systèmes éprimiés dans les différents états : Activités Veille SL SP Catécholamines + +/- - (DA, NA) Histamine Sérotonine => permissive du sommeil + +/- - Acétylcholine (pas celle des systèmes d'éveil, mais celle du LCalpha) Inhibition des différents stades de Sommeil par destruction des groupes de cellules : Destruction Veille SL SP Catécholamines Histamine Blocage Sérotonine Acétylcholine Blocage(on reste calé en veille) Blocage IV. Alternance Veille/Sommeil : Deux grands mécanismes régissent l'alternance Veille/Sommeil : Composante Homéostatique (veille dépendante) Composante Chronobiologique (sous l'influence de l'horloge) A/ La Composante Homéostatique : La CH régule la pression de sommeil, grossièrement plus je suis éveillé plus j'ai sommeil, à partir d'un certains moment donné le sommeil devient incohersible, et je tombe de sommeil, à partir du moment ou je dors je fais du SLP, celui ci réduit la pression homéostatique. Donc l'activité éléctrique du SLP est le marqueur éléctrique de la pression de sommeil. Au cours de la veille, on augmente notre PH, quand on dort il y a réduction de la PH et ainsi de suite. Donc lorsque l'on fait une sieste on réduit notre pression homéostatique (on «rempilt» notre capital d'éveil) 10/11

11 et donc on va pouvoir potentiellement différer notre pression de sommeil, autrement dit on aura moins sommeil que si on avait pas fait de sieste. Si l'on fait une nuit blanche on va augmenter notre pression homéostatique qui sera alors beaucoup plus haute que si on avait respecter nos horaires usuelles. La pression homéostatique est cumulative! Si on fait 4h par nuit sur 6 jours, la pression homéostatique sera alors comparable a si on a fait une nuit blanche. Lors d'une privation de sommeil il y a donc une modification de l'architecture du sommeil qui se traduit par une perte de SLL pour conserver du SLP. De plus il y a aussi une diminution de la latence d'endormissement quand il y a privation qui est à lier à une augmentation des omissions (erreurs dans tes tests cognitifs) B/ Régulation circadienne («proche» «du jour»)=noyau Suprachiasmatique (l'horloge biologique). Il y a une horloge centrale qui est dans le noyau suprachiasmatique et est connectée à la glande pinéale qui produit la mélatonine au cours du SLP et donne un caractère rythmique en particulier pour le pic de minimum thermique, sur la libération d'une hormone vers 6h du matin qui permet la décharge de catécholamines pour se réveiller. Le noyau suprachiasmatique donc l'horloge est sous l'influence directe d'une part, de la lumière et de l'obscurité, il y a des voies qui passent par les globes oculaires qui envoient un message à l'horloge pour caler le timing sur 24h et d'autre part sous l'influence des rythmes sociaux. C'est la combinaison d'une rythmicité interne et de la PH qui fait qu'on aie un sommeil calé de façon circadienne et régulière Si le LCalpha est détruit, dès l'augmentation de la PH on observe un endormissement de quelques minutes. On récupère son sommeil puis on se réveille, après quelques minutes de veille, on retombe endormi et ainsi de suite. Il y a une perte de la consolidation des périodes de sommeil L'horloge biologique permet d'avoir de longs épisodes de SLP et SP, soit un sommeil consolidé. Si l'horloge biologique était lésée le sommeil serait polyphasique, décousu. Synthèse : L'alternance Veille/Sommeil : systèmes complexes interpénétrés qui s'autorégulent (chacun ayant son réseau neuronal propre) 3 états de conscience : ( Veille, SL, SP) : qui possèdent chacun des mécanismes neuronaux propres. Il y a trois grandes boucles de régulation : homéostasie, chronobiologie et un mécanisme compensatoire avec les systèmes d'éveil. Les systèmes biologiques des différents états de conscience agissent en s'autorégulant pour produire l'alternance Veille/Sommeil. 11/11

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