Rôle des fuseaux du sommeil et des interactions cérébrales associées sur la consolidation des apprentissages moteurs

The role of sleep spindles and associated brain interactions on the consolidation of motor memory

• Auteur / Autrice : Adrien Conessa
• Direction : Isabelle Siegler, Arnaud Boutin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sport et du mouvement humain
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du sport, de la motricité et du mouvement humain
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences du sport
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sport, Mouvement, Facteurs Humains (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexité, innovation, activités motrices et sportives (Orsay, Essonne ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Giovanni de Marco
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Géraldine Rauchs, Lucette Toussaint, Arnaud Badets
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Rauchs, Lucette Toussaint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité neuronale

Apprentissage moteur

Sommeil

Mots clés libres

Fuseaux du sommeil

Mémoire

Consolidation

Immobilisation

Imagerie motrice

Observation de l'action

Sleep spindles

Memory

Consolidation

Immobilisation

Motor imagery

Action observation

Résumé

L'apprentissage de nouvelles habiletés motrices repose sur leur pratique mais également sur des mécanismes de consolidation des apprentissages. Cette consolidation est notamment dépendante du sommeil, par l'intermédiaire d'une activité thalamo-corticale du sommeil lent léger, appelée « fuseaux du sommeil » (11 - 16 Hz). Ces derniers favoriseraient la potentialisation synaptique à long-terme au niveau cérébral par la réactivation brève et répétée des régions cérébrales impliquées dans l'apprentissage, favorisée par leur couplage avec les oscillations lentes (0.5 - 1 Hz). L'objectif de ce travail de thèse a été de préciser le rôle des fuseaux du sommeil et des mécanismes associés à leur activité en utilisant différents paradigmes d'apprentissage. Une première étude s'intéresse à l'activité des fuseaux du sommeil après un apprentissage moteur selon différentes modalités d'apprentissage : la pratique physique, l'imagerie motrice et l'observation de l'action. Une seconde étude évalue la relation causale entre l'efficacité synaptique et l'activité des fuseaux du sommeil au moyen de la restriction sensorimotrice induite par l'immobilisation transitoire du membre supérieur. Les résultats présentés dans ce travail de thèse indiquent que les fuseaux ont tendance à apparaître en groupes, au sein desquels ils itèrent toutes les 3-4 secondes. L'invariabilité de cette organisation temporelle, malgré des résultats comportementaux différents, souligne son caractère indépendant de l'apprentissage. Au contraire, les réseaux corticaux activés pendant les fuseaux semblent présenter une organisation topographique dépendante de la plasticité synaptique induite en journée. Enfin, la restriction sensorimotrice a provoqué un déphasage des fuseaux groupés avec les oscillations lentes au niveau du cortex sensorimoteur lié au membre immobilisé. Cette spécificité d'action souligne leur différence fonctionnelle avec les fuseaux isolés, ces derniers étant supposés davantage orientés vers un processus de généralisation. Pour conclure, nous démontrons que la consolidation des apprentissages moteurs est permise par l'activité répétée de réseaux neuronaux lors des fuseaux groupés, potentialisée par leur couplage avec les oscillations lentes. A l'inverse, la réactivation sporadique de la trace mnésique lors des fuseaux isolés la rendrait fragile et instable, facilitant sa généralisation.

Learning new motor skills is based on their practice but also on memory consolidation mechanisms. The sleep-dependent consolidation is thought to be mediated by transient thalamocortical sleep spindle activity (11 - 16 Hz), an electrophysiological hallmark of non-rapid eye movement stage 2 (NREM2) sleep. These spindles are thought to promote long-term synaptic potentiation at the brain level through the brief and repeated reactivation of brain regions involved in prior learning, favoured by the coupling with slow oscillations (0.5 - 1 Hz). The aim of this thesis was to investigate the role of sleep spindles and the mechanisms associated using different learning paradigms A first study evaluated sleep spindle activity after motor learning using different practice modalities: physical practice, motor imagery and action observation. A second study assesses the causal relationship between synaptic efficacy and sleep spindle activity using sensorimotor restriction induced by short-term arm immobilisation.The results presented in this thesis indicate that spindles tend to appear in groups, within which they iterate every 3-4 seconds. The invariability of this temporal organisation, despite different behavioural outcomes, underlines its independence from learning. On the contrary, the cortical networks activated during sleep spindles seem to present a different topographical organisation, depending on the synaptic plasticity induced during the day. Finally, sensorimotor restriction produced a phase shift of the coupling between the grouped spindles and slow oscillations in the sensorimotor cortex of the immobilised limb. This specific effect underlines their functional difference from isolated spindles, which are thought to be more oriented towards a generalisation process. In conclusion, we show that motor memory consolidation is supported by the repeated reactivation of neural networks during grouped spindles, potentiated by their coupling with slow oscillations. Conversely, sporadic reactivations of the memory trace during isolated spindles would make it fragile and unstable, facilitating its generalisation.