Filmer le cerveau pour mieux comprendre le sommeil
Publié par Isabelle le 06/01/2019 à 14:00
Que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous dormons ? Pour répondre à cette question, des chercheurs français ont réalisé les premiers films de l'ensemble du cerveau du rat pendant son sommeil grâce à une technique innovante d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit...) par ultrasons. Ils ont ainsi pu observer de façon précise le fonctionnement du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses...) des rongeurs, notamment pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de sommeil paradoxal (Le sommeil paradoxal fait suite au sommeil lent ("sommeil à ondes lentes" désignant les stades 3 et 4), et constitue le cinquième et dernier stade d'un cycle du sommeil lequel comprend de 4...). Ces résultats ont été obtenus dans des laboratoires communs à l'Inserm, l'ESPCI Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...), au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), et à Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...). Publiés dans Nature Communications, ils permettent de redéfinir cette période comme une phase d'hyper-synchronisation cérébrale, caractérisée par des pics massifs de débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) sanguin, en particulier dans l'hippocampe. Ces nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) qui questionnent le rôle attribué jusqu'à présent au sommeil (Le sommeil est un état naturel récurrent de perte de conscience (mais sans perte de la réception sensitive) du monde extérieur, accompagnée d'une diminution progressive du tonus musculaire, survenant à intervalles...) paradoxal, doivent encore être confirmées chez l'être humain.


Images obtenues par la technique fUS et signaux EEG issus d'un cerveau de rat pendant l'éveil, le sommeil profond et le sommeil paradoxal. A l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...) des signaux électriques fortement similaires entre éveil et sommeil paradoxal, l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) vasculaire du cerveau est beaucoup plus intense et plus "synchronisée" que pendant l'éveil. Les structures cérébrales sont identifiées en superposant un atlas de cerveau aux images du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) vasculaire.

Le sommeil paradoxal est un état de sommeil particulier pendant lequel l'activité cérébrale est proche de celle de l'éveil tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en étant associée à une inhibition de l'activité musculaire. Il se caractérise notamment par des mouvements oculaires rapides et a longtemps été considéré comme uniquement impliqué dans les rêves et les processus émotionnels. Cependant, de récentes études ont montré qu'il jouait également un rôle majeur dans la plasticité neuronale (La plasticité neuronale décrit la capacité d'un neurone à changer le type de réponse qu'il rend à une même stimulation. Les changements peuvents concerner les propriétés intrinsèques du neurone ou les propriétés...) de l'hippocampe, c'est-à-dire la capacité des neurones à reconfigurer leurs connexions.

Afin de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau pendant le sommeil paradoxal, des chercheurs de l'unité Inserm 979 "Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) pour la Médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant...)" dirigée par Mickaël Tanter au sein de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) Langevin (ESPCI Paris/CNRS) et récemment labellisée Accélérateur de recherche technologique (La recherche technologique constitue la suite de la recherche scientifique, afin de valoriser dans l'industrie les découvertes scientifiques.) "Ultrasons biomédicaux" en collaboration avec le laboratoire Neuroscience (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que pathologiques, des neurones et du système nerveux.) Paris-Seine (Sorbonne Université/CNRS/Inserm), ont étudié l'activité cérébrale chez le rat pendant son sommeil. Pour cela, ils ont couplé la technique d'électroencéphalographie (EEG), qui enregistre l'activité électrique des neurones, avec une technique d'imagerie par ultrasons ultrarapides appelée fUS (pour functional ultrasound). Cette technique innovante, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par l'équipe de Mickaël Tanter, permet de visualiser avec une grande précision les variations des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) sanguins liés à l'activité neuronale dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du cerveau de rats éveillés et en mouvement.

L'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) a observé que le sommeil paradoxal chez le rat est associé à une forte augmentation du débit sanguin dans le cerveau, se présentant sous forme de vagues qui atteignent d'abord les régions sous-corticales et se déplacent ensuite le long de l'hippocampe puis du cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.). En comparaison, les phases de sommeil non-paradoxal et de réveil chez le rat inactif présentent des volumes sanguins cérébraux relativement bas.

Cette hyperactivité vasculaire lors du sommeil paradoxal est caractérisée par deux phases: l'une proche de ce qui est observé lors d'un enregistrement chez un rat en activité, et l'autre inconnue jusqu'alors, composée d'augmentations soudaines du débit sanguin que les chercheurs ont appelées "poussées vasculaires". Ces dernières qui durent en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) 5 à 30 secondes, peuvent perdurer pendant 1 minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de...) dans les régions corticales et sont particulièrement puissantes dans l'hippocampe.

Les chercheurs ont réussi à identifier un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) électrique dans l'hippocampe (zone cruciale pour la mémoire) caractéristique de ces pics d'augmentation du débit sanguin. Ce signal – des oscillations gamma à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...) – est ordinairement observé chez un rat éveillé. Leur intensité lors du sommeil paradoxal est directement corrélée à celle de la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) vasculaire, ce qui suggère que ces oscillations locales pourraient contrôler le débit vasculaire de l'ensemble du cerveau "Cette information est cruciale, précise Antoine Bergel, co-auteur de l'étude, car elle permet de cibler des régions du cerveau très précises potentiellement impliquées dans la genèse de ces événements vasculaires intenses."

Les scientifiques ont également constaté qu'il existait, durant le sommeil paradoxal, un phénomène de synchronisation vasculaire entre des aires (Aires (en espagnol, les airs) est une compagnie aérienne intérieure de Colombie.) cérébrales éloignées les unes des autres (cortex, hippocampe, et thalamus) bien plus important que dans tout autre état de sommeil ou d'éveil.

Ces travaux présentent les tous premiers films du cerveau entier durant le sommeil paradoxal et confirment l'intérêt des ultrasons neuro-fonctionnels pour la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale à la recherche appliquée. Cette distinction...) en neurosciences. A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il...) actuelle, la technique fUS reste difficile à appliquer chez l'être humain adulte. Cependant, il est d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en région wallonne...) et déjà possible de confirmer ces résultats chez le nouveau-né (Un nouveau-né est un enfant à partir de sa première heure de vie et jusqu'à 28 jours. De 28 jours à 2 ans, c'est un nourrisson.), tout en considérant que l'extrapolation à la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et...) humaine doit se faire avec prudence. Ces résultats représentent néanmoins une avancée majeure pour la compréhension du couplage entre activité électrique et vasculaire (un phénomène impliqué dans nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de pathologies humaines comme les accidents vasculaires cérébraux ou l'épilepsie) et questionnent notre compréhension du sommeil paradoxal, dont la fonction reste inconnue.


Références publication:

Local hippocampal fast gamma rhythms precede brain-wide hyperemic patterns during spontaneous rodent REM sleep

Antoine Bergel (1,2,3), Thomas Deffieux(2) , Charlie Demené(2) , Mickaël Tanter(2) & Ivan Cohen(1)

(1) Sorbonne Université, CNRS, INSERM, Institut de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres...) Paris Seine-Neuroscience, 9 quai SaintBernard, 75005 Paris, France.
(2) Institut Langevin, ESPCI, ParisTech, PSL Research University, CNRS UMR7587, INSERM U979, 17 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents quartiers,...) Moreau, 75012 Paris, France.
(3) Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes sédentarisés libres (pouvant avoir des esclaves),...), 7 rue Thomas Mann, 75013 Paris, France. These authors contributed equally: Mickaël Tanter, Ivan Cohen. Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07752-3

Contacts chercheurs:

- Mickaël Tanter
Directeur de recherche Inserm
Directeur de l'unité 979 Physique des ondes pour la Médecine et de l'Accélérateur de Recherche Technologique "Ultrasons biomédicaux"

- Antoine Bergel
Unité 979 Physique des ondes pour la Médecine

Source : CNRS
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