Le sommeil : microarchitecture, oscillations cérébrales et consolidation mnésique. Etude électrophysiologique in vivo chez la souris

Sleep : microarchitecture, brain oscillations and memory consolidation

• Auteur / Autrice : Marie Lacroix
• Direction : André Klarsfeld, Karim Benchenane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 08/06/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasticité du cerveau (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Destexhe, David Dupret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadine Ravel, Damien Léger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoire

Sommeil

Homéostasie

Mots clés libres

Sommeil

Homéostasie

Électrophysiologie

Rythmes

Mémoire

Cellules de lieu

Sleep

Homeostasie

Electrphysiology

Résumé

Le sommeil est essentiel pour la consolidation de notre mémoire. Chez l'homme comme chez le rongeur, il est composé de sommeil paradoxal (REM), et de non-REM caractérisé par des oscillations delta (1-4Hz), spindles (8-14Hz) et ripples (150-200Hz), impliquées dans cette consolidation. Les mécanismes fins sous-tendant l'effet bénéfique du sommeil sur la mémoire ont été le plus clairement établis pour la mémoire spatiale chez le rongeur, qui dépend de l'hippocampe. Cette structure contient des cellules de lieu: des neurones dont l'activité est directement corrélée à la position de l'animal. Durant le sommeil, l'activité des cellules de lieu est rejouée au moment des ripples, comme si la trace mnésique se répétait pour consolider l'apprentissage. Par une interface cerveau-machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu à une stimulation de récompense. Au réveil, la souris se rendait directement dans le lieu associé, prouvant que les cellules de lieu détiennent la même information spatiale durant la navigation et le sommeil. De plus, ce résultat montre le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation, et valide la possibilité de créer une mémoire complexe durant le sommeil.Enfin, pour favoriser la transposition à l'homme des résultats sur la consolidation mnésique chez le rongeur, nous avons développé une méthode de différenciation des sous-stades de non-REM chez la souris dont les propriétés sont semblables à l'homme. Cette méthode a permis la description fine des processus de régulation du sommeil et des oscillations cérébrales associées ; le rôle du rythme respiratoire et du bulbe olfactif dans cette régulation étant également discuté.

Sleep is crucial for memory consolidation. In humans as in rodents, sleep is composed of a paradoxical phase (REM), and a non-REM phase, which is characterized by delta oscillations (1-4Hz), spindles (8-14Hz) and ripples (150-200Hz), all implicated in the consolidation process. The fine mechanisms underlying the beneficial effect of sleep in memory consolidation have been further detailed thanks to the model of rodent spatial memory, which depends on the hippocampus. This cerebral structure contains place cells, neurons whose activity is tightly correlated to the animal position. During sleep, place cells activity is replayed during ripples, as if the memory trace was repeated to consolidate spatial learning. Using a brain-machine interface, we triggered rewarding brain stimulation on the spontaneous reactivation of a given place cell during sleep. Upon awakening, the mouse went directly to the associated place field, showing that place cells still convey the same spatial information during sleep than during navigation. Moreover, this result shows the causal role of place cells in navigation, and confirms the feasibility of creating a complex new memory during sleep. At last, in order to facilitate translational research on sleep, we developed a scoring method which distinguishes different non-REM sleep phases as those observed in human sleep. Those substages revealed very similar characteristics to humans’ and this new method allowed the fine description of sleep regulation and associated brain rhythms; the role of respiratory rhythm and olfactory bulb in this regulation is also discussed.