La Physiologie du Sommeil

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1 La Physiologie du Sommeil I- Les problèmes de définition Comment définir le sommeil? Le sommeil correspond à un état physiologique connu par tous à travers son vécu personnel mais dont la définition précise se heurte à bien des difficultés. Vincent dans son article «La physiologie du sommeil (1979)» définit le sommeil comme «une perte naturelle réversible et plus ou moins complète des rapports sensitivo-moteurs avec l extérieur», mais il considère cette définition comme incomplète. Tobler recense au moins 6 critères pour dire qu un animal dort: - l animal dort dans un endroit particulier - il adopte une posture typique, - il est dans un état de repos physique, - son seuil de réveil est élevé, - il passe rapidement de la veille au sommeil -la privation de sommeil pendant suffisamment longtemps entraîne une récupération de sommeil. Le sommeil ainsi caractérisé est à la fois un état et un comportement. Comment définir la physiologie du sommeil? Cette physiologie peut s'envisager selon 3 points de vue: - Comment dort-on? La physiologie du sommeil correspond à la physiologie de la vigilance, et consiste à étudier les structures nerveuses impliquées dans les différents états de vigilance. - Comment est-on quand on dort? La physiologie du sommeil correspond à la physiologie dans un état de sommeil donné. - Comment s effectuent les transitions entre les différents états de vigilance? La physiologie du sommeil s insère dans un processus dynamique (le rythme veille sommeil) et fait donc partie de la physiologie des rythmes biologiques.

2 II- Description des différents états de vigilance chez les mammifères Grâce à l observation comportementale et aux enregistrements électrophysiologiques de l activité électrique cérébrale (EEG: électroencéphalogramme), des muscles posturaux (EMG: électromyogramme) et des mouvements des yeux (EOG: électro-oculogramme), trois états de vigilance ont pu être définis: - la veille avec une activité électrique cérébrale rapide et une interaction avec l environnement - le sommeil lent (SL) avec une activité électrique cérébrale lente et une absence d interaction avec l environnement, - le sommeil paradoxal (SP) avec une activité électrique cérébrale rapide et une absence d interaction avec l environnement. Cet état présente 2 autres caractéristiques: une atonie posturale et des mouvements oculaires rapides, organisés en bouffées. III- Physiologie des différents états de vigilance Cette physiologie s est d abord attachée à comprendre les mécanismes de la veille, considérant le sommeil comme un phénomène purement passif. Puis, du fait de la découverte du sommeil paradoxal, le sommeil a été considéré comme un phénomène actif. Le sommeil a un effet sur la consolidation mnésique Les structures impliquées: elles sont localisées au niveau du tronc cérébral et de l hypothalamus

3 Figure 1: Les systèmes de contrôle de la veille et du sommeil par le tronc cérébral. La section 1 constitue la préparation cerveau isolé. La section 2 constitue la préparation encéphale isolé. Très tôt, il a été démontré que les structures impliquées dans la physiologie des différents états de vigilance siégeaient au niveau du tronc cérébral et de l hypothalamus : - Von Economo (1917) en étudiant les lésions de sujets décédés d une encéphalite virale caractérisée par une somnolence excessive ou une insomnie montre que les lésions responsables de cette altération de la vigilance siégent au niveau de l hypothalamus postérieur (somnolence) ou antérieur (insomnie). - Bremer (1937) réalise des sections étagées du tronc cérébral, et montre que la section haute du tronc cérébral au niveau de la jonction mésencephalo-diencéphalique (préparation dite cerveau isolé), détermine un état de sommeil irréversible avec une activité électrique cérébrale lente évoquant le sommeil lent. Par contre, la section basse du tronc cérébral à la jonction bulbo-spinale (préparation dite encéphale isolé) n entraîne que peu de modification dans le cycle veille sommeil de l'animal. - Entre 1946 et 1949, l'école de Magoun va préciser ces données en réalisant des expériences de destruction et de stimulation stéréotaxique de la formation réticulée et découvrir le système activateur ascendant (SAA). - Louis Jouvet (1972) montre que la destruction sub-totale des noyaux du raphé provoque une insomnie totale et de longue durée Les mécanismes des différents états de vigilance: ils sont complexes et font intervenir de nombreux neurotransmetteurs avec des boucles de régulation négatives et positives

4 La veille est un état complexe sous la dépendance de nombreux systèmes: - des systèmes situés dans le tronc cérébral: * le système activateur ascendant situé au niveau de la substance réticulée bulbo-pontique et surtout mésencephalique. Ce système active le cortex par trois voies: l une passant par le thalamus (noyaux non spécifiques), la 2 ème passe par le noyau de Meynert, la 3 ème par l hypothalamus postéro-latéral. Ce système utilise une neurotransmission essentiellement cholinergique. * le locus coeruleus qui utilise une neurotransmission noradrénergique et intervient de façon plus spécifique sur les mécanismes d attention sélective. * les systèmes dopaminergiques. - des systèmes situés au niveau de l hypothalamus postérieur: * les neurones histaminergiques en position ventro-latérale * les neurones à hypocrétine, famille de neuropeptides récemment identifiée, neurones situés en position latérale. Ces neurones à hypocrétine projettant largement sur le cortex et sur certains noyaux du tronc cérébral comme le locus coeruleus seraient des stimulateurs de l éveil, pouvant ainsi bloquer le sommeil paradoxal. La destruction de ces systèmes ou les blocages pharmacologiques de ces neurotransmissions provoquent une hypersomnie. Leur stimulation au contraire provoque une insomnie. Les neurones de ces systèmes sont actifs pendant la veille et peuvent être activés par des stimulations sensorielles. Le sommeil lent (SL) est sous la dépendance de l activation de la partie antérieure de l hypothalamus (la région pré-optique), et de l inhibition concomitante des structures impliquées dans l éveil comportemental. Cette inhibition est liée : - d une part à l activation des neurones de la région pré-optique qui utilisent comme neurotransmetteur de la galanine et du GABA (neurotransmetteur inhibiteur), - d autre part à l accumulation de certains facteurs comme l adénosine. L adénosine provient de la dégradation de l ATP, le principal substrat énergétique des neurones. Il n existe pas de neurones à adénosine, mais il existe sur certains neurones comme les neurones cholinergiques des récepteurs à adénosine. La stimulation de ces récepteurs provoque une diminution d activité des neurones, et l inhibition de ces récepteurs par exemple par la caféine provoque une augmentation de l activité neuronale. L adénosine s accumule pendant la veille et diminue pendant le sommeil. Ces variations de concentration ont été observées en particulier au niveau de certains noyaux riches en neurones cholinergiques. L inhibition des structures d éveil va permettre au thalamus de modifier son fonctionnement qui devient alors oscillant, bloquant les influx sensoriels spécifiques. Ce mode de fonctionnement thalamo-cortical va se traduire sur l activité électrique cérébrale par des ondes lentes et des fuseaux.

5 Le sommeil paradoxal (SP) est sous la dépendance d'une double commande (Fig. 2): - d une part des neurones SP-on qui sont actifs pendant le SP. Ces neurones sont cholinergiques ou cholinoceptifs et sont situés au niveau bulbo-pontique. - d autre part des neurones SP-off qui doivent nécessairement cesser leurs activités au cours du SP. Il s agit des structures aminergiques distribuées au niveau du tronc cérébral. Cette double commande serait influencée par des facteurs hypnogènes synthétisés au niveau des structures hypothalamo-hypophysaires, transportés au niveau de la partie inférieure du tronc cérébral (noyau giganto-cellulaire). Ces facteurs inhiberaient le raphé rostral et permettraient la mise en jeu d un noyau adjacent au locus coeruleus et des noyaux de la réticulé bulbopontique médiale et latérale qui sont responsables des signes du SP. Ce déclenchement ne peut donc survenir qu après une phase de sommeil lent où l activité des neurones aminergiques a été considérablement réduite. Cette activité est essentiellement sous la dépendance de l'acétylcholine, alors que la transmission adrénergique bloquerait le SP (rôle des amphétamines dans la stimulation de l éveil). Ainsi il apparaît que le SP est une phase très spéciale qui ne peut apparaître qu après inactivation des systèmes d éveil et de sommeil lent. Figure 2 : Schéma des différents ensembles hiérarchisés responsables des régulations du SP IV- La physiologie pendant le sommeil: Les noyaux réticulaires régulant les différents états de vigilance jouent également un rôle considérable dans le contrôle de la respiration, de la vasomotricité, du rythme cardiaque et de la pression artérielle. La modification de leur activité au cours du rythme veille sommeil explique les modifications des paramètres respiratoires et cardiovasculaires en fonction des stades de sommeil.

6 Pendant la veille, les paramètres cardiorespiratoires sont caractérisés par leur grande variabilité. Ils sont constamment ajustés au niveau d'activité. Les réflexes liés aux barorécepteurs et aux chémorécepteurs sont partiellement inhibés par les influx de provenance corticale. Au cours du sommeil lent la respiration devient lente et régulière, la PA diminue par bradycardie sans modification des résistances périphériques, la PCO2 augmente discrètement, les variations de la fréquence cardiaque liées à la respiration sont plus amples et plus lentes. Au cours du sommeil paradoxal, on observe à nouveau une très grande variabilité des paramètres cardio-respiratoires, avec une dépression de l'efficience de tous les systèmes régulateurs: - le contrôle cortical est inexistant (la stimulation du noyau amygdalien ne provoque plus de modification tensionnelle) - le contrôle hypothalamique est également déprimé (absence de thermorégulation) - le tonus sympathique est déprimé entraînant une vasodilatation périphérique, mais il existe pendant les phénomènes phasiques du SP une vasoconstriction au niveau des muscles striés. Cette balance rend compte de l'hypotension durant le SP, associée à de brutaux à coups hypertensifs, - les réflexes issus des chémorécepteurs sont également déprimés comme le montre la moindre réponse ventilatoire à l'hypoxie et à l'hypercapnie en SP chez le sujet normal, - les réflexes issus des barorécepteurs sino-carotidiens semblent les seuls réflexes permettant la régulation homéostatique de la TA pendant le SP, et les messages issus de ces récepteurs peuvent inhiber le SP. V- Physiologie des rythmes : Le rythme veille sommeil La facilité avec laquelle on s endort dépend de 2 paramètres: la quantité de veille précédant le sommeil et l heure du nycthémère au moment du coucher. Ce rythme est en interaction avec d autres rythmes : - le rythme de la température: on s endort à la défervescence thermique, on se réveille à la remontée de la température. - les rythmes hormonaux: - sécrétion nocturne de la mélatonine - sécrétion au cours du sommeil lent profond de la GH (hormone de croissance). Ces différents rythmes sont normalement synchronisés, mais du fait de contraintes sociales (travail posté, voyage transméridien ), ces rythmes peuvent se désynchroniser. Les études de ces rythmes ont permis de mettre en évidence l importance des noyaux suprachiasmatiques comme horloge biologique. En isolement temporel, la période des rythmes est chez l homme de 24,2 heures. Ces rythmes sont synchronisés sur 24 heures grâce aux synchroniseurs externes en particulier l alternance lumière obscurité.

7 Le sommeil humain: de sa physiologie à la physiopathologie I- Description du sommeil humain 11- Historique: les étapes de la connaissance du sommeil humain La connaissance du sommeil humain passe par la mise au point d une technique de mesure pour analyser ce qui se passe quand l homme dort. Cette technique de mesure repose sur l enregistrement de l activité électrique cérébrale (EEG: électroencéphalogramme), de l électromyogramme (EMG) et l électro-oculogramme (EOG). Les principales dates dans la mise en place de cette technique de mesure sont: 1929: découverte de l EEG par Berger 1935: 1 er enregistrement de sommeil: découverte de l hétérogénéité temporelle du sommeil. 1937: 1 ère classification du sommeil (Loomis): elle ne repose que sur l EEG 1953: Découverte de la phase des Mouvements Oculaires Rapides (Aserinsky et Kleitman) 1957: 2 ème classification du sommeil (Dement et Kleitman): elle repose sur l EEG et l EOG 1959: Découverte de l hypotonie au cours du SP (Louis Jouvet, Lyon) 1968: Classification de Rechtschaffen et Kales: standardisation des techniques d enregistrement (EEG, EOG, EMG) et d analyse. 12 La technique de mesure: la polygraphie Outil de mesure de l activité cérébrale, l EEG permet l enregistrement des rythmes électriques cérébraux. Ces rythmes sont divisés selon leur fréquence en différentes bandes: - delta (0,5-3 Hz) - thêta (4-7,5 Hz) - alpha (8-12 Hz) - bêta (12,5-20 Hz). L'association de l EEG, l EMG et l EOG, permet de définir les stades de vigilance.

8 10µV 50µV Fig1: Positions des électrodes pour réaliser un enregistrement de sommeil. La position des électrodes sur le scalp est déterminée par le système international Les électrodes d EOG sont placées au cantus externe. Les électrodes d EMG sont positionnées au niveau de la houppe du menton (muscle mylo-hyoïdien) (Fig. 1). 13- La technique d analyse: les différents stades de vigilance Les données des enregistrements polygraphiques ont permis d'individualiser 3 états de vigilance: la veille qui se caractérise par une activité EEG de faible voltage, de fréquence 8 à 12 Hz constituant le rythme alpha, et une activité EMG abondante sur les muscles axiaux assurant le tonus postural, le sommeil lent qui se caractérise par un ralentissement progressif de la fréquence dominante de l'eeg, une augmentation progressive de son amplitude, et une réduction de l'amplitude de l'emg sur les muscles axiaux. Ce sommeil lent a été divisé en 4 stades selon l'aspect EEG: -stade 1: fragmentation de l'alpha, apparition de thêta et de pointes vertex -stade 2: activité de fond thêta delta, entrecoupée d éléments transitoires du sommeil (fuseaux, complexes K, pointes vertex). Les stades 1 et 2 sont regroupés sous le terme de SLL (Sommeil Lent Léger). -stade 3: composé de 20 à 50% d activité delta -stade 4: composé de plus de 50% d activité delta. Les stades 3 et 4 sont regroupés sous le terme de SLP (sommeil lent profond). le sommeil paradoxal (SP) caractérisé par un EEG peu ample ressemblant à celui de la veille, une abolition du tonus postural (EMG nul), et des mouvements oculaires rapides organisés en salve. Au sein du SP on distingue 2 types de phénomène: des phénomènes toniques qui sont constants durant cette phase de sommeil (hypotonie), et des phénomènes phasiques qui surviennent de façon paroxystique (mouvements oculaires, secousses musculaires).

9 Définition des différents stades Stade EEG EMG EOG Veille ++ ± Som. Lent St1 + MOL St2 + 0 St3 + 0 St4 ± 0 Som. Par. 0 MOR 4- L organisation de la nuit: l'hypnogramme Ces différents états de vigilance se succèdent dans le temps selon une organisation précise qui se met progressivement en place entre la naissance et l âge adulte. L hypnogramme représente la succession des différents états de vigilance en fonction du temps. Le stade de vigilance est donné pour chaque époque. Une époque représente une unité temporelle servant de référence. Elle correspond à une page ou un écran d enregistrement et sa durée varie entre 10 et 30 secondes. Les règles de cette classification par époques ont été décrites par Rechtschaffen et Kales.

10 Fig. 2: Hypnogramme: la veille est suivie par 4 stades de sommeil lent puis une phase de sommeil paradoxal. Quatre cycles vont se succéder au cours de la nuit. Chez l'adulte jeune normal, après une journée de veille, le sommeil nocturne présente une organisation cyclique constituée de la succession de phase de sommeil lent (SL) puis de sommeil paradoxal (SP). Les éveils nocturnes surviennent de préférence en fin de cycle. Normalement, le SP ne peut pas survenir sans une phase préalable de sommeil lent. Chaque cycle dure 90 à 100 mn. La composition d'un cycle varie au cours de la nuit, le sommeil lent profond étant plus abondant au début de la nuit, et le SP en fin de nuit (Fig. 2). Du point de vue quantitatif, le SL représente 75% du temps de sommeil total (dont 25% de SL profond) et le SP 25%. Cependant les variations interindividuelle et intra-individuelle sont considérables (court dormeur: sommeil de moins de 6 heures et long dormeur: sommeil de plus de 8 heures) ne permettant pas de définir des valeurs normatives, mais le SLP et le SP sont nécessaires. 5- L organisation du sommeil au cours de la vie. L organisation du rythme veille sommeil se met progressivement en place entre la naissance et l âge adulte. Chez le nouveau-né, un certain nombre d activités EEG n existe pas, et le sommeil est divisé en 2 stades : le sommeil calme qui deviendra le sommeil lent, et le sommeil agité qui deviendra selon certains le sommeil paradoxal.

11 Avec le vieillissement, on observe une diminution du SLP, une augmentation de la durée d éveil intra-sommeil, et des modifications de l'organisation des phases paradoxales, altérations reflétant probablement les altérations des centres nerveux régulant le sommeil. Une tendance au coucher plus précoce et au lever matinal sont également observées. Ces modifications physiologiques expliquent la fréquence de la plainte sommeil chez le sujet âgé.

12 II- Physiopathologie de certains troubles du sommeil (le SAS et la narcolepsie) La pathologie du sommeil est une pathologie fréquente qui est beaucoup mieux comprise depuis le développement des centres de sommeil. Ces troubles ont été classés et la physiopathologie de certains d entre eux a pu être mieux comprise. 21- La narcolepsie: une maladie «paradoxale» Clinique: cette maladie, décrite en 1880 par Gélineau, se caractérise par: - des accès irrépressibles de sommeil (attaques de narcolepsie) conduisant si le patient peut dormir à des siestes "rafraîchissantes", - des chutes brutales favorisées par les émotions (attaques de cataplexie) liées à une résolution du tonus musculaire intéressant une partie (chute de la tête, de la mâchoire) ou la totalité des muscles - des hallucinations hypnagogiques (à l endormissement) le plus souvent angoissantes, - des paralysies du sommeil: le patient au cours d un éveil nocturne ne peut pas bouger, - sur le plan polygraphique, ces patients ont un sommeil nocturne fragmenté par de nombreux éveils et durant la journée, ils peuvent s endormir directement en sommeil paradoxal. Physiopathologie: Elle est encore imparfaitement comprise et probablement multifactorielle. - La première hypothèse physiopathologique repose sur une atteinte des mécanismes régulateurs du sommeil paradoxal. L hypotonie peut survenir indépendamment des autres signes du sommeil paradoxal expliquant les attaques de cataplexie et les paralysies du sommeil. L endormissement peut survenir en sommeil paradoxal. Le trouble est cependant plus complexe puisque la vigilance diurne et le sommeil lent nocturne sont également atteints. - L existence d un modèle canin de narcolepsie a permis de préciser certaines perturbations neurochimiques dans cette maladie. Il existe chez les chiens narcoleptiques: *un déficit de la neurotransmission de l hypocrétine. * un trouble des transmissions cholinergique, adrénergique et dopaminergique qui peut être la conséquence de l altération de la neurotransmission de l hypocrétine. - Une origine génétique de la maladie est probable. Chez le chien, le rôle d un gène autosomique récessif dénommé Carnac1 a été démontré. Ce gène code pour le récepteur de l hypocrétine. Chez l homme, il existe une association entre la narcolepsie et le type HLA DR2 DQ1. Mais ce type HLA se retrouve chez des sujets qui ne développeront pas la maladie.

13 22- Le syndrome d apnées obstructives du sommeil Clinique: ce syndrome appelé tout d abord maladie de Pickwick se caractérise par l existence de plus de 10 apnées par heure de sommeil. Ces apnées vont fragmenter le sommeil et provoquer une hypersomnie diurne. Ce syndrome est très fréquent en particulier chez l homme de plus de 50 ans, et s associe toujours à des ronflements sonores. Physiopathologie: Lors de l inspiration, la dépression thoracique créée par la contraction du diaphragme va avoir tendance à collaber les voies aériennes supérieures si les muscles dilatateurs du pharynx ne se contractent pas assez, ou si la filière aéro-digestive est trop étroite. Pendant le sommeil, 2 facteurs vont intervenir pour favoriser les apnées: la position et les variations de tonus liées au sommeil. La position allongée sur le dos favorise le recul postérieur de la base de langue qui réduit le diamètre antéro-postérieur des voies aériennes supérieures. Le tonus des muscles posturaux tend à diminuer au cours du sommeil lent et diminue encore davantage au cours du sommeil paradoxal. Par ailleurs, les mécanismes régulateurs de la commande respiratoire ne sont pas les mêmes selon les différents états de vigilance. Durant la veille, l activité des muscles respiratoires est essentiellement sous la dépendance du comportement du sujet. Par contre, au cours du sommeil lent profond, cette activité est essentiellement sous la dépendance de réflexes issus soit des chémorécepteurs sensibles aux taux de CO2 et d O2 dans le sang, soit des mécanorécepteurs de la paroi thoracique et des parois bronchiques. La survenue d apnées lors du passage d un type de régulation à l autre va empêcher l approfondissement du sommeil qui sera responsable de la sémiologie de ces patients. Les apnées outre la fragmentation du sommeil s associent : - à une baisse du contenu en oxygène du sang artériel ce qui va provoquer à la longue une souffrance cérébrale avec une altération des fonctions supérieures en particulier la mémoire. - à des modifications de la fréquence cardiaque (séquence bradycardie tachycardie) et de la pression artérielle conduisant à une sur-morbidité cardio-vasculaire chez ces patients. Traitement : Parmi les traitements proposés, le traitement le plus efficace est le traitement par pression positive continue. Cette véritable attelle pneumatique consiste à mettre toutes les nuits un masque sur le nez. Ce masque est relié à un compresseur qui souffle une pression réglable qui va maintenir les voies aériennes supérieures ouvertes pendant le sommeil. Pour en savoir plus : «Le monde du sommeil» par Peretz Lavie, Edition Odile Jacob (1998) «Le sommeil normal et pathologique» par M. Billiard, Edition Masson (1994) «La Recherche» : le sommeil et le rêve hors série n 3 Avril «Science et Vie» :le Sommeil N 220 Septembre 2002.