Bases neurophysiologiques des états de veille et de sommeil ...
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DFGSM3 – UE Système Neurosensoriel -<br />
<strong>Bases</strong> <strong>neurophysiologiques</strong><br />
<strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong> <strong>veille</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong><br />
Yves DAUVILLIERS<br />
Département <strong>de</strong> Physiologie<br />
Neurologie – CHU Montpellier<br />
Objectifs du cours<br />
• Décrire l’organisation normale du <strong>sommeil</strong> sur les 24 h<br />
• Expliquer le fonctionnement du réseau exécutif <strong>de</strong> l’éveil<br />
<strong>et</strong> ses bases neurobiologiques<br />
• Préciser le rôle du noyau ventro-latéral-préoptique (VLPO)<br />
dans l’induction du <strong>sommeil</strong> lent<br />
• Expliquer les interactions entre les neurones<br />
monoaminergiques <strong>et</strong> cholinergiques en <strong>sommeil</strong> paradoxal<br />
PLAN<br />
• Structure du <strong>sommeil</strong> normal<br />
Différents sta<strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>de</strong> <strong>veille</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong><br />
Organisation normale du <strong>sommeil</strong><br />
• Mécanismes <strong>neurophysiologiques</strong> <strong>de</strong> l’Eveil<br />
• Mécanismes <strong>neurophysiologiques</strong> du Sommeil Lent<br />
• Modèle Flip-Flop: Interaction Eveil - Sommeil Lent<br />
Structure du <strong>sommeil</strong> normal<br />
- Différents sta<strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>de</strong> <strong>veille</strong> <strong>et</strong> <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong><br />
- Organisation normale du <strong>sommeil</strong><br />
• Mécanismes <strong>neurophysiologiques</strong> du Sommeil Paradoxal<br />
• Conclusion<br />
1
Le Sommeil:<br />
Définition comportementale<br />
Caractéristiques comportementales :<br />
• Immobilité corporelle<br />
• Perte <strong>de</strong> conscience<br />
• Indifférence aux stimuli habituels<br />
mais conservation <strong>de</strong> sensibilité à <strong><strong>de</strong>s</strong> stimuli intenses<br />
• Réversibilité immédiate<br />
• Processus actif<br />
• Trait commun aux différentes espèces animales<br />
Imprécision<br />
Définition neurophysiologique<br />
Définition neurophysiologique du <strong>sommeil</strong>:<br />
Polysomnographie<br />
Amplificateur<br />
Classification<br />
Rythme bêta<br />
Rythme alpha<br />
Rythme thêta<br />
Rythme <strong>de</strong>lta<br />
Fréquence en<br />
hertz<br />
13 – 30 hz<br />
8 – 12 hz<br />
4 –7 hz<br />
0,5s, 12-14 Hz)<br />
Tracé <strong>de</strong> transition <strong>veille</strong>-<strong>sommeil</strong>: Rythme désynchronisé<br />
Tracé <strong>de</strong> sta<strong>de</strong> 2: Complexe K (Durée> 0,5s, On<strong>de</strong> lente)<br />
2
Trace <strong>de</strong> sta<strong>de</strong> 3: >20 % <strong>de</strong> l’époque avec <strong><strong>de</strong>s</strong> on<strong><strong>de</strong>s</strong> lentes<br />
<strong>de</strong> gran<strong>de</strong> amplitu<strong><strong>de</strong>s</strong> entre 0,5 à 2 c/s<br />
Tracé <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong> paradoxal<br />
avec mouvements oculaires rapi<strong><strong>de</strong>s</strong>,<br />
<strong>et</strong> atonie musculaire<br />
Rythme synchronisé<br />
Trace <strong>de</strong> sta<strong>de</strong> 4: >50 % <strong>de</strong> l’époque avec <strong><strong>de</strong>s</strong> on<strong><strong>de</strong>s</strong> lentes<br />
<strong>de</strong> gran<strong>de</strong> amplitu<strong><strong>de</strong>s</strong> (> 75 µV) <strong>et</strong> <strong>de</strong> 0,5 à 2 c/s<br />
Rythme désynchronisé<br />
Organisation du <strong>sommeil</strong> normal:<br />
Analyse <strong>de</strong> l’hypnogramme<br />
MECANISMES NEUROPHYSIOLOGIQUES<br />
DE L’ EVEIL<br />
Cycle: Sommeil lent + paradoxal : 90 minutes<br />
Nuit <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong> normal d’un adulte jeune: Durée ≈ 7,2h<br />
B<br />
S1 = 5 % S3+S4 = 25 %<br />
S2 = 50 % SP = 20 %<br />
3
Historique<br />
*1925: Encéphalite léthargique - Von Economo -<br />
Lésion hypothalamique postérieure: Somnolence<br />
Lésion hypothalamique antérieure: Insomnie<br />
Historique:<br />
1949-53: Morruzzi <strong>et</strong> Magoun<br />
• Transection complète du TC: Partie mésencéphalique (B): Cerveau isolé<br />
- Tracé <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong> ininterrompu: Rythme lent <strong>de</strong>lta<br />
- Stimulation sensorielle impossible<br />
Chat<br />
Importance <strong>de</strong> l’hypothalamus dans<br />
la régulation <strong>de</strong> la <strong>veille</strong> <strong>et</strong> du <strong>sommeil</strong><br />
• Transection complète <strong>de</strong> Moelle cervicale en A- Encéphale isolé<br />
- Alternance on<strong><strong>de</strong>s</strong> lentes (<strong>sommeil</strong>) <strong>et</strong> rapi<strong><strong>de</strong>s</strong> (éveil)<br />
- Si stimulation sensorielle (via nerfs crâniens): Eveil cortical<br />
Expériences <strong>de</strong> stimulation/ lésion<br />
Entre cerveau <strong>et</strong> encéphale isolé: SRAA<br />
Substance réticulée activatrice ascendante<br />
Région cholinergique<br />
Lésion: Apparition du <strong>sommeil</strong> lent<br />
Stimulation <strong>de</strong> SRAA:<br />
- Eveil réticulaire = Activation autonomique<br />
Augmentation <strong>de</strong> fréquence cardiaque,<br />
respiratoire <strong>et</strong> pression artérielle<br />
-Puis Eveil cortical<br />
via les voies excitatrices ascendantes sur cortex diffus<br />
- Puis Eveil comportemental<br />
via les voies motrices <strong><strong>de</strong>s</strong>cendantes: Stimulation <strong><strong>de</strong>s</strong> motoneurones <strong>de</strong> ME<br />
B<br />
A<br />
Bilan <strong>de</strong> ces expériences… 1950<br />
Sommeil = passif<br />
Eveil = actif<br />
Sommeil = 1 seul état<br />
EEG lent sta<strong>de</strong> 1 à 4<br />
avec diminution du pouls <strong>et</strong> respiration<br />
<strong>et</strong> MOL à l’endormissement<br />
1957: Découverte du Sommeil Paradoxal<br />
Sommeil = Actif<br />
4
Régulation <strong>de</strong> VEILLE – SOMMEIL LENT<br />
Eveil <strong>et</strong> <strong>sommeil</strong> = Processus actifs intimement liés<br />
*Pour déclencher l’éveil: il faut activer l’éveil <strong>et</strong> inhiber le <strong>sommeil</strong><br />
*Pour déclencher le <strong>sommeil</strong>: il faut activer <strong>sommeil</strong> <strong>et</strong> inhiber <strong>veille</strong><br />
- Si l’éveil ne s’inactive pas pendant le <strong>sommeil</strong>:<br />
Insomnie psychophysiologique = Activation <strong><strong>de</strong>s</strong> 2 systèmes<br />
- Si le <strong>sommeil</strong> <strong>et</strong> l’éveil sont inactivés:<br />
Anesthésie<br />
= Inactivation <strong><strong>de</strong>s</strong> 2 systèmes<br />
EVEIL: Régulation complexe via plusieurs composantes différentes:<br />
Composante corticale <strong>et</strong> comportementale<br />
Si dissociation: Somnambulisme<br />
Réseau exécutif <strong>de</strong> l’éveil<br />
• Formation réticulée <strong>et</strong> Nx pédunculopontin: Cholinergique<br />
• Autres noyaux impliqués<br />
– Télencéphale basal:<br />
• Pour Eveil cortical/ Voie cholinergique<br />
– Locus coeruleus:<br />
• Pour Eveil cortical/ Voie noradrénergique<br />
– Hypothalamus postérieur:<br />
• Nx tubéromammillaire<br />
• Pour Eveil cortical/ Voie histaminergique<br />
– Système nigro-strié:<br />
• Pour Eveil comportemental/ Voie dopaminergique<br />
LN<br />
Dopa<br />
– Système du raphé<br />
• Pour alternance Veille-Sommeil/ Voie sérotoninergique<br />
• Quand éveil: Raphé est actif <strong>et</strong> prépare le <strong>sommeil</strong> car si lésion<br />
Réticulée<br />
Insomnie<br />
Système hypocrétinergique/ orexinergique<br />
Hypothalamus latéral:<br />
• Neurones à hypocrétine/orexine: Pour Eveil cortical<br />
innervent tous les systèmes d’éveil<br />
MECANISMES NEUROPHYSIOLOGIQUES<br />
DU SOMMEIL LENT<br />
5
Genèse du <strong>sommeil</strong> lent:<br />
Mécanisme <strong>de</strong> l’endormissement en SL:<br />
• Décharge du Nx Raphé en Veille<br />
• Projection <strong>de</strong> sérotonine sur<br />
Nx ventro-latéral-préoptique (VLPO)<br />
+<br />
• Stimulation du VLPO:<br />
- Inhibition <strong><strong>de</strong>s</strong>cendante du réseau <strong>de</strong> <strong>veille</strong><br />
SRAA<br />
• Système cholinergique (SRAA)<br />
• Autres systèmes <strong>de</strong> <strong>veille</strong> (Hypothalamus post…)<br />
- Activation ascendante <strong><strong>de</strong>s</strong> neurones réticulothalamique: GABA<br />
GABA = base <strong>de</strong> la gran<strong>de</strong> majorité <strong><strong>de</strong>s</strong> hypnotiques (BZD <strong>et</strong> barbiturique)<br />
Destruction du Nx Raphé ou VLPO ou inhibiteur <strong>de</strong> synthèse <strong>de</strong> sérotonine = Insomnie<br />
Origine <strong>de</strong> l’activité corticale en <strong>sommeil</strong> lent<br />
Maintien du <strong>sommeil</strong> lent<br />
• Désinhibition <strong><strong>de</strong>s</strong> neurones<br />
réticulothalamiques gabaergiques: Noyaux<br />
auto-rythmiques<br />
• Transmission <strong><strong>de</strong>s</strong> hyperpolarisations<br />
rythmiques au cortex<br />
– via les neurones thalamo-corticaux<br />
= Synchronisation thalamo-corticale<br />
Hyperpolarisation courte:Fuseaux <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong><br />
Hyperpolarisation prolongée: On<strong><strong>de</strong>s</strong> Lentes<br />
Cortex<br />
Thalamus: PM <strong>de</strong> l’activité corticale<br />
Si lésion du thalamus: Perte <strong><strong>de</strong>s</strong> on<strong><strong>de</strong>s</strong> corticales<br />
Si lésion du cortex: Persistance <strong>de</strong> l’oscillation thalamique<br />
Neurones<br />
pyramidaux<br />
a<br />
Afférence<br />
thalamo-corticale<br />
Thalamus<br />
A<br />
Neurones<br />
thalamo-corticaux<br />
Neurones réticulo-thalamiques<br />
(GABA) = Pacemaker<br />
Oscillation thalamo-corticale:<br />
En présence d’une excitation<br />
– Neurones réticulo-thalamique excités<br />
– Perte du caractère auto-rythmique<br />
– Blocage <strong><strong>de</strong>s</strong> on<strong><strong>de</strong>s</strong> corticales en surface<br />
= Arrêt <strong>de</strong> l’oscillation thalamo-corticale<br />
= Rythme EEG désynchronisé<br />
MODELE FLIP-FLOP<br />
6
Interaction Sommeil Lent/ Veille: Modèle Flip/ Flop<br />
VLPO<br />
TMN<br />
LC/ RD<br />
VLPO<br />
«ON»<br />
TMN<br />
LC/ RD<br />
Sommeil<br />
Sommeil<br />
Veille<br />
Veille<br />
Saper <strong>et</strong> al 2003<br />
Hypocrétine<br />
Hypocrétine<br />
VLPO<br />
TMN<br />
LC/ RD<br />
VLPO<br />
TMN<br />
LC/ RD<br />
«ON»<br />
Sommeil<br />
Veille<br />
Veille<br />
Sommeil<br />
7
Narcolepsie : Modèle <strong>de</strong> dysrégulation du <strong>sommeil</strong><br />
Pathologies génétiques<br />
Hypothalamus latéral<br />
Narcoleptiques<br />
Témoins<br />
VLPO<br />
Sommeil<br />
Hypocrétine<br />
TMN<br />
LC/ RD<br />
Veille<br />
Augmentation <strong>de</strong><br />
pression du<br />
<strong>sommeil</strong> paradoxal<br />
MECANISMES NEUROPHYSIOLOGIQUES<br />
DU SOMMEIL PARADOXAL<br />
Sommeil Paradoxal: Historique<br />
*Kleitman- Dement 1957<br />
Observation <strong>de</strong> MOR pendant la nuit<br />
Correspondance avec phase d’EEG activé: Désynchronisé<br />
≠ Sommeil passif<br />
Sommeil Paradoxal: Historique<br />
*M. Jouv<strong>et</strong> 1959: Travaux chez le chat<br />
- Découverte d’un nouveau sta<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>sommeil</strong> (Activation):<br />
= Sommeil Paradoxal: MOR + activation EEG (Désynchronisation)<br />
+ Atonie musculaire + Activité Pointes Ponto-Géniculé-Occipitales PGO<br />
- Préparation pontique<br />
Découverte <strong>de</strong> l’atonie musculaire chez chats «décérébrés»<br />
puis confirmation <strong>de</strong> la genèse du SP dans le pont<br />
SP: origine<br />
pontique<br />
8
Sommeil paradoxal:<br />
Interaction <strong>de</strong> 2 réseaux <strong>de</strong> neurones<br />
Genèse du SP: Interaction <strong><strong>de</strong>s</strong> neurones monoaminergiques<br />
<strong>et</strong> cholinergiques<br />
Nx Raphé<br />
Locus coeruleus<br />
-<br />
Sommeil<br />
Paradoxal<br />
Nx pédunculo-pontin<br />
Locus coeruleus alpha<br />
Décharge neuronale<br />
-<br />
-<br />
Activité monoaminergique inhibitrice<br />
Activité cholinergique excitatrice<br />
Neurones aminergiques<br />
SP « off »<br />
Neurones cholinergiques<br />
SP « on »<br />
Monoamines<br />
EVEIL<br />
-<br />
Cholinergique<br />
Activité neuronale<br />
Monoaminergique<br />
Système permissif<br />
Neurones SP off<br />
Système exécutif<br />
Neurones SP on<br />
Cycles Veille-SP<br />
Cholinergique SP SP SP SP<br />
Sommeil paradoxal: Composante tonique<br />
• Activation ascendante thalamo-corticale via Nx pédunculo-pontin<br />
Désynchronisation <strong>de</strong> l’EEG<br />
• Inhibition <strong><strong>de</strong>s</strong>cendante via Locus coeruleus alpha<br />
Sommeil paradoxal: Composante phasique<br />
Générateur <strong><strong>de</strong>s</strong> PGO:<br />
= Nx pédunculo-pontin<br />
- Activation <strong><strong>de</strong>s</strong> systèmes oculo-moteurs<br />
Mouvements oculaires rapi<strong><strong>de</strong>s</strong><br />
Quand lésion LC alpha:<br />
TCSP<br />
Atonie musculaire<br />
- Activation <strong><strong>de</strong>s</strong> Corps Genouillés Latéraux<br />
puis <strong><strong>de</strong>s</strong> systèmes visuels<br />
IMAGERIE visuelle<br />
9
SYNTHESE<br />
Neuromédiateurs/ structures impliquées<br />
Origine EVEIL SOMMEIL<br />
ACH SRAA, TB, PPT + + (SP)<br />
Histamine Hy Post +<br />
Dopamine LN +<br />
Noradrénaline LC +<br />
Hypocrétine Hy lat +<br />
Sérotonine Raphé dorsal ± ± (SL)<br />
GABA VLPO + (SL)<br />
CONCLUSION<br />
• Mécanismes <strong>neurophysiologiques</strong> <strong>de</strong> la <strong>veille</strong>, du <strong>sommeil</strong><br />
lent <strong>et</strong> du <strong>sommeil</strong> paradoxal sont complexes<br />
• Structures cérébrales impliquées dans la genèse <strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>états</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>veille</strong> sont multiples <strong>et</strong> parfois redondantes avec <strong><strong>de</strong>s</strong><br />
neuromédiateurs différents<br />
Rôle du système hypocrétinergique dans la <strong>veille</strong><br />
• Rôle du VLPO dans la genèse du <strong>sommeil</strong> lent<br />
• Le <strong>sommeil</strong> paradoxal est issu <strong>de</strong> l’interaction <strong>de</strong> neurones<br />
cholinergiques <strong>et</strong> monoaminergiques (localisés dans TC)<br />
Mots clés: Monoamines, cholinergique, désynchronisation, thalamus, hypocrétine,<br />
histamine, VLPO, flip-flop, activité phasique <strong>et</strong> tonique du SP<br />
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