Régulation du sommeil paradoxal en condition de stress : implication des projections corticales au noyau préoptique ventrolatéral

REM sleep regulation under stressful conditions : role for cortical projections to the ventrolateral preoptic nucleus

• Auteur / Autrice : Mathilde Chouvaeff
• Direction : Thierry Gallopin, Karim Benchenane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasticité du cerveau (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Popa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Gallopin, Karim Benchenane, Christelle Peyron, Jacques Barik, Anita Lüthi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Peyron, Jacques Barik

Mots clés

Mots clés libres

Sommeil paradoxal

Stress par défaite sociale

Noyau préoptique ventrolatéral (VLPO)

Cortex préfrontal

Optogénétique

Chémogénétique

REM sleep

Social defeat stress

Ventrolateral preoptic nucleus (VLPO)

Prefrontal cortex

Opteogenetic

Chemogenetic

Résumé

Bien que beaucoup d'attention ait été consacrée à la dissection des circuits neuronaux qui sous-tendent l’architecture du sommeil de base, les mécanismes par lesquels les centres du sommeil s’adaptent de manière dynamique aux défis environnementaux demeurent mal connus. L'objectif de cette thèse était de déterminer comment et par quels mécanismes le sommeil est influencé par le stress chez la souris.La première partie de ma thèse a mis en évidence que le stress de défaite sociale (SDS) induit un état initial et transitoire d'insomnie, suivi d’un retour à des quantités de sommeil normales. Malgré cette récupération apparente, les souris ont montré une fragmentation du sommeil paradoxal qui a persisté plusieurs heures après le SDS. Grâce à l'inhibition chémogénétique, nous avons démontré que les projections du cortex préfrontal (PFC) vers le noyau préoptique ventrolatéral (VLPO) sont recrutées sélectivement dans des situations stressantes et sont nécessaires à la fragmentation du sommeil paradoxal induite par le SDS. De plus, nous avons montré que l’activation de la voie PFC-VLPO est suffisante pour imiter la fragmentation du sommeil paradoxal en l'absence d’un stress. Grâce à une approche optogénétique ex vivo, nous avons précisé le mécanisme cellulaire sous-jacent à cette voie en montrant que le PFC module directement les neurones promoteurs de sommeil du VLPO. En outre, l'activation in vivo de la voie PFC-VLPO interrompt le sommeil paradoxal au profit du sommeil lent, ce qui est en accord avec le rôle bien établi du VLPO. L'ensemble de ces résultats suggère un mécanisme limitant le temps passé en sommeil paradoxal, un état de forte vulnérabilité, qui permettrait à l'individu d'être plus réactif et prêt à affronter un danger ; sans toutefois supprimer la quantité totale de sommeil, indispensable à la survie.Dans la deuxième partie de mon travail, nous avons montré que les neurones du VLPO exprimant le CRH (VLPOCRH) étaient une cible privilégiée des projections excitatrices du PFC. Nos résultats mettent en évidence que l'activation chémogénétique des neurones VLPOCRH diminue fortement le sommeil paradoxal au profit d’un sommeil lent plus consolidé. Cependant, leur inhibition chémogénétique n'a eu aucun effet sur l'architecture du sommeil, suggérant que ces neurones ne seraient pas actifs de manière tonique en condition normale/ non stressante.La troisième et dernière partie de mon travail a consisté à développer une nouvelle méthode de classification précise et automatique du sommeil paradoxal. En effet, les parties précédentes de ma thèse ont mis en évidence que le stress peut entraîner des périodes de sommeil paradoxal particulièrement brèves qui peuvent être négligées par les méthodes de classification classiques. J’ai donc mis au point une approche permettant de capturer les fines modifications du sommeil et de quantifier les paramètres qui peuvent être subjectifs avec une classification manuelle. Ces résultats s’inscrivent donc dans une démarche de reproductibilité maximale.

Although much attention has been dedicated to dissect the complex circuits underlying basic sleep architecture, how sleep centers dynamically adapt to environmental challenges remains to be fully understood. The objective of this thesis was to determine, in mice, how and by which mechanisms sleep is influenced by stress.The first part of my thesis demonstrates that the social defeat stress (SDS) induces an initial state of insomnia before sleep quantities return to normal. Beside this apparent recovery, mice showed a REM sleep fragmentation that persisted many hours after SDS. Using chemogenetic inhibition, we demonstrated that prefrontal cortex (PFC) projections to the VLPO are selectively recruited under stressful situations and necessary for the SDS-induced REM sleep fragmentation. We further demonstrate that the optogenetic activation of the PFC- VLPO pathway is sufficient to mimic the REM sleep fragmentation in the absence of an actual stressor. Finally, using ex vivo optogenetics, we precise the cellular mechanism underlying this pathway by showing that the PFC directly modulates VLPO sleep-promoting neurons. Consistent with that, we show that in vivo activation of the PFC-VLPO pathway interrupts REM sleep in favor of NREM sleep, which is in line with the well established role of the VLPO. Altogether these results provide a mechanism to shorten the time spent in REM sleep, a state of great vulnerability, allowing the individual to be more responsive and ready to face a danger, without suppressing the total amount of sleep, essential for survival.In the second part of my work, we showed that the CRH-expressing neurons (VLPOCRH) were a predilection target from the PFC excitatory projections. We then investigated the role of the VLPOCRH neurons in basal sleep regulation. Our results highlight that activation of the VLPOCRH neurons strongly suppress REM sleep, favoring a more consolidated NREM sleep. However, chemogenetic inhibition of the VLPOCRH neurons had no effect on the sleep architecture.The third, and last part, of my work sought to establish a novel method to accurately and automatically classify REM sleep. Indeed, previous parts of my thesis highlighted that stress can cause REM sleep bouts to be particularly short. These brief periods can be overlooked by classical scoring methods. We developed an approach capable of capturing these fine sleep modifications and tracking parameters that can be usually subjective with manual scoring, thus ensuring maximal reproducibility.