V. Mécanismes neurophysiologiques des stades sommeils et
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BASES NEUROPHYSIOLOGIQUES DE L’ÉVEIL ET DU SOMMEIL I. Anatomie - - Le cortex est constitué de 6 couches : o Les cellules pyramidales : cellules qui constituent les voies de sorties du cortex. Il y a différents groupes de cellules pyramidales qui sont situés à différents o Zone II et III : vont vers d’autres régions du cortex. o Zone V (essentiellement dans le cortex moteur) : vont vers la moelle. o Zone VI : vers le thalamus. o Le cortex reçoit des afférences : o Informations venant du thalamus se terminent sur la couche IV (cellules granulaires). o Informations diffuses se terminant à des niveaux différents dans le cortex : ces informations viennent de groupe cellulaires aminergiques du tronc cérébral (neuromédiateur : sérotonine et noradrénaline). Le cortex d’après la cartographie cyto-architecturale de Broadman : cartographie faite en fonction des différentes couches. On a ainsi environ 40 catégorie dont notamment : o Un cortex moteur : cortex pyramidale (constitué essentiellement de . o Un cortex sensitif : cortex granulaire (constitué essentiellement de cellules granulaires). II. Electroencéphalogramme - - Enregistrement de l’activité électrique corticale de très faible amplitude (quelques mV). Dispositif : o Bonnet sur la tête du sujet avec des électrodes. o Ces électrodes ont une disposition bien particulière. Chaque électrode à un nom (chiffre paire gauche, chiffre impair droite ; F : frontal, T : temporal, O : occipitale, C : Rolando). o On enregistre ce qui se passe : o Au niveau d’électrode par rapport à une électrode à 0mV. o Entre deux électrodes. o Deux types de montages : o Montages longitudinaux (monopolaire) : enregistrement d’une électrode (exemple F1) par rapport à d’autre électrodes différentes (exemple F1-F2, F1-T1, etc.). o Montages transversaux (bipolaire). Les cellules pyramidales vont être excités par un neurone afférents qui dépolarise l’axone par des synapses axo-dendritique. Quand on dépolarise les neurones pyramidale : constitution d’un dipode, une partie est négative et une partie est positive responsable de courant locaux. Enregistrement en surface est la somme des potentiels post-synaptiques qui créent ces dipodes. Phénomène négatif de surface est représenté par une déflexion vers le haut. A l’inverse un phénomène positif de surface est représenté par une déflexion vers le bas. - - - - - C’est la somme d’activité pyramidale qu’on enregistre sous la forme d’électroencéphalogramme. Enregistre d’ondes qu’on caractérise par : o Leur fréquence. o La localisation. o L’amplitude. Les ondes α : o 8 à 12 cycles par secondes. o Enregistré yeux fermés pendant l’éveil. o Sur les régions occipitales et pariétales. o Si on ouvre les yeux ses activités elles disparaissent (appelées réaction d’arrêt à l’ouverture des yeux des ondes α on a lors les ondes β). Les ondes β : o 15 à 40 cycles par secondes. o Enregistré yeux ouverts pendant l’éveil. Les ondes delta : o 0,5 à 4 cycles par secondes. o Absentes chez un sujet adulte éveillé physiologiquement. Leur présence est pathologique et témoigne d’une souffrance cérébrale. o Elles sont présentes dans les sommeils lents profonds. Les ondes teta : o 3 à 7 cycles par secondes. o Peuvent être présentes pendant la veille dans les régions temporales ou aussi pendant les périodes d’endormissement. Elles ne sont pas spécifiques d’état de vigilance. III. La polygraphie de sommeil - - Permet de détecter les pathologies pouvant survenir dans le sommeil. On enregistre : o L’électroencéphalogramme (ECG). o L’electro-oculogramme (EOG) : on colle les électrodes médianes et latérales pour enregistrer la présence des mouvements oculaires. L’œil est un dipole (rétine négative par rapport à la cornée qui est positive) qui a une certaine orientation dans l’espace, si on bouge l’œil le dipole se déplace. Enregistrement des globes oculaires. o L’électromyogramme des muscles axiales. Essentiellement les muscles de la nuque et du menton. o Ces enregistrements permettent différents types de sommeils et différents stades de sommeils. On enregistrement aussi : o Des paramètres respiratoires : o Sangles qui permettent de mesurer l’augmentation ou la diminution de volume du thorax. o Sondes qui enregistrement les flux d’airs du nez (ondes expirés chaud, inspiré froid). o Sondes qui enregistrent la saturation en oxygène de l’hémoglobine. o Des paramètres cardiovasculaires. - o Electrocardiogramme. o Pression artériel. o On peut filmer les gens : exemple crise d’epilepsie. Grâce à ces paramètres on classifie différents états de vigilance. 1. Eveil - EEG : L’éveil yeux fermés est caractérisé par le rythme α. EMG : L’éveil correspond à une activité EMG vifs (au niveau des muscles de la nuque). EOG : mouvements oculaires. Respiration : pas très rapide mais à peu près régulière. Cardiovasculaire : fréquence cardiaque stable. 2. Sommeil - - - On distingue deux types de sommeils : o Sommeil lent. o Sommeil paradoxal. Le sommeil lent est séparé en plusieurs stades (1 à 4), ces 4 stades sont regroupés deux par deux : o Stade 1 et 2 : sommeil lent léger. o Stades 3 et 4 : sommeil lent profond. Le sommeil paradoxal aussi appelé sommeil avec mouvements oculaires : o Découvert dans les années 1960 (plus tardivement) en France sur le chat. a. Sommeil lent léger stade 1 - Endormissement. EEG : disparition progression α (8 à 12) par des ondes teta (4 à 8). EOG : peu nombreux. EMG : pareil que l’éveil. Cardiovasculaire : rythme cardiaque se ralenti, il est régulier. Respiration : très irrégulière. Des apnées sont présentent de manière physiologique, il ne faut juste par quelles soient trop longues et trop nombreuses. Physiologiquement les apnées ne doivent pas dépasser 10 secondes b. Sommeil lent léger stade 2 - - EEG : o On retrouve des fuseaux de sommeil correspondant à des bouffés d’activité de rythmes rapides (13 à 14cycles/secondes) et le tout donne une enveloppe de fuseau. o Les complexes K sont des bouffés d’activité de la bande delta (2 à 3 cycles par secondes). o Ces deux types de grapho-éléments sont caractéristiques du stade 2 de sommeil lent léger. Ces éléments correspondent sur le plan neurophysiologique à la mis en jeu de circuit entre le thalamus et le cortex. Cela permet de couper toutes les informations neurosensorielles qui arrivent (« isole le cortex du reste du monde »). o Retrouvé de manière pathologique dans certains types d’épilepsie appelées épilepsie absente : personnes qui ont une rupture de contact avec le monde extérieur (ne tombe pas, n’ont pas de tremblement). EOG : plus de mouvements oculaires. - EMG : le tonus musculaire a diminué nettement. Cardiovasculaire : le rythme cardiaque est régulier. Respiration : il peut y avoir encore quelques apnées. - c. Sommeil lent profond stade 3 EEG : constitué essentiellement d’activité delta, ample. Stade 3 = si ces activités delta constituent au moins 50% du tracé. EMG : toujours un petit tonus musculaire. EOG : aucun mouvement oculaire. Cardiovasculaire : rythme cardiaque lent très régulier. Respiration : fréquence respiratoire très régulière plus lente que dans la veille. - d. Sommeil lent profond stade 4 Stade 3 et stade 4 sont pareil, seul différence est l’EEG. EEG : 100% du tracé est constitué d’activité delta. EMG : pas de tonus musculaire. EOG : aucun mouvement oculaire. Cardiovasculaire : rythme cardiaque lent très régulier. Respiration : fréquence respiratoire très régulière plus lente que dans la veille. - - - - - e. Sommeil paradoxal EEG : le trace va se désynchroniser. Il est beaucoup moins ample et est constitué essentiellement par des ondes téta (ressemble à un sommeil lent léger stade 1). Comportement : on n’arrive pas à réveiller le sujet, sommeil très profond. Terme de paradoxal car : o EEG : aspect qui ressemble à endormissement. o Comportement : impossible à réveiller, sommeil très profond. EMG : abolition complète du tonus musculaire atonie musculaire. EOG : bouffées de mouvements oculaires rapides. Cardiovasculaire : irrégularité importante de la fréquence cardiaque. Episode de ralentissement et d’accélération de la fréquence cardiaque, hors aucun effort donc pas de facteurs physiologiques qui les expliquent. Respiration : irrégularité importante de la fréquence respiratoire. Le sujet se met à respirer plus rapidement ou plus lentement, avec une PaO2 normale qui ne permet pas d’expliquer physiologiquement ces variations de fréquence respiratoire. Phase de fragilité pour les sujets atteints de la maladies cardiovasculaire ou respiratoire, ce qui explique pourquoi : o Des patients ayant des problèmes respiratoires décompensent pendant le sommeil paradoxal. o Des AVC ou des crises cardiaques se passent pendant le sommeil paradoxal. IV. Hypnogramme - L’hypnogramme est un histogramme qui représente les différents stades de sommeils pendant la nuit. On ne s’endort jamais en sommeil paradoxal, mais en sommeil lent léger. Pathologie : patients atteint de narcolespie s’endorment en sommeil paradoxal. Exemple : stade 1 stade 2 stade 1 stade 2 sommeil paradoxal. - - - - - - Les phases de sommeil paradoxal surviennent toutes les 90 minutes, une fois qu’on atteint le sommeil paradoxal on dit qu’on fait un cycle de sommeil. Un sujet normal fait en moyenne 5 à 6 cycles de sommeil paradoxal pendant la nuit. Cette périodicité est génétiquement déterminée (rapport entre taille de l’animal et la durée du cycle) : o Eléphant 3heures. o Homme 90minutes. o Souris 20minutes. Expérience : o Le réveil pendant le sommeil paradoxal permet à 90% des sujets de raconter leurs rêves. o Le réveil pendant le sommeil léger ne permet qu’à peu de sujets de raconter leurs rêves. o Nous ne sommes pas pour autant sur qu’on ne rêve que pendant cette phase, juste on s’en rappelle plus facilement. Les sommeils lents profonds (3 et 4) sont surtout présents pendant la première partie de la nuit. Dans la deuxième partie de la nuit : sommeil lent léger et sommeil paradoxal. Les phases de sommeil paradoxal sont plus longues dans la deuxièmes parties de la nuit que dans la première. Chez le sujet adulte (pas vrai chez les nourrissons) : o Sommeil lent léger : 80% o Sommeil lent profond : 15%. o Sommeil paradoxal : 20%. Quand on vieillit : o La durée de sommeil diminue. o Le sommeil s’allège (moins de sommeil lent profond). o La durée de sommeil paradoxal diminue un peu. o Il est physiologique d’avoir de petites insomnies chez le sujet âgé, pas d’utilité à prescrire de somnifères ou d’anxiolytiques. V. Mécanismes neurophysiologiques des stades sommeils et d’éveil 1. Expériences passées - - Expérience dans les années 1930 par Bremmer, deux types de préparations faits chez des animaux ventilés : o Préparation encéphale isolée : séparation entre la moelle épinière et le tronc cérébral + hémisphères cérébraux présente des alternances de veille et de sommeil. o Préparation cerveau isolée : séparation entre tronc cérébral et hémisphère cérébraux ne présente plus d’alternances de veille et de sommeil, dort tout le temps (sommeil de type lent). Travaux de neurophysiologistes américains dans les années 1950 qui ont fait des préparation encéphale isolée sur lesquelles ils ont fait des stimulation o Stimulation de la réticulée bulbaire sur l’animal éveillé : endormissement de l’animal. - - - - o Stimulation de la région mésencéphalique sur l’animal endormi : réveil de l’animal. Plus tard un neurophysiologiste italien a réalisé une section pré-trijuminale (au milieu de la protubérance) : l’animal était en permanence éveillé. Perception de l’époque : o Réticulée activatrice du mésencéphale qui permettait l’éveil. o Réticulée bulbaire inhibitrice qui provoque l’endormissement. Dans les années 1960 les techniques de neurohistochimie et de neuropharmacologie a permis de mettre ne évidence des groupes de neurones en fonction du neuromédiateur sécrété : on a mis en évidence les neurones aminergiques du tronc cérébral. o Groupe de neurone avec des axones très longs qui sécrètent de la sérotonine. o Projette sur le cortex cérébral, l’hypothalamus et sur le thalamus. Parallèlement on a pu isoler sur le plan expérimental les différents neuromédiateur : dont la sérotonine. o Injection d’un inhibiteur de synthèse de la sérotonine chez l’animal : insomnie qui durait plus ou moins longtemps selon le temps d’action de l’inhibiteur. o Destruction des neurones sérotoninergiques des noyaux du raphé (par drogue) : insomnie qui durait très longtemps, voire irréversible. o Dans les deux cas si on apporte de manière artificiel de la sérotonine dans le LCR : induit un endormissement. Les microélectrodes permettent de mesurer l’activité électrique des cellules et de mesurer quel neuromédiateur relargué par ces cellules : technique appelées microélectrophorèse ou micro-dialyse. o Les noyaux sérotoninergiques étaient actifs pendant l’éveil. o Dès que l’animal commençait à dormir les neurones étaient inactif. o Paradoxe ? Remise en question des connaissances de l’époque. 2. Connaissances actuelles - - - L’alternance du sommeil dépend : o D’un processus circadien (rythme qui se développe sur les 24h). o D’un processus homéostasique : o Pendant la veille on a un besoin de sommeil (plus on maintient une veille prolongée plus le besoin de sommeil s’accentue). o Lorsqu’on commence à dormir ce besoin de sommeil diminue. Hypothèse : le sommeil lent sert à restaurer les réserves énergétiques des cellules astrocytaires cérébrales. o Cette réserve énergétique cérébrale est constituée essentiellement du glucose qui s’accumule au niveau des cellules astrocytaires (80% des cellules du cerveau). o Les neurones (20% des cellules du cerveau) ne sont pas capables d’accumuler le glucose. a. Eveil Activité intellectuelle plus ou moins importante. Pendant l’éveil : augmentation du métabolisme cérébral avec consommation importante de glucose et d’oxygène. Fonctionnement étage par étage : il n’y a pas un seul système qui soutient l’éveil mais il y a plusieurs systèmes, on dit qu’il y a des mécanismes qui sont redondant. - - - - - - Trois structures qui assurent le réseau exécutif de l’éveil : structures en fin de chaine (rouge sur le schéma). o Noyau de Meynert (situé au dessus de la région hypothalamique) : envois des projections corticales acetylcholinergique. o Noyau histaminergique (situé à la partie haute du tronc cérébral) : envois des projections sur le cortex. L’histamine est neuromédiateur éveillant. Dans les phénomènes allergiques, il y a libération de l’histamine par les mastocytes : les premiers médicaments antiallergiques étaient aussi à l’origine d’endormissement (effet secondaire antihistaminique baisse de la vigilance). o Noyaux médians du thalamus : projettent sur le cortex avec comme neuromédiateur le glutamate et l’aspartate. Ces trois structures sont contrôlées par d’autres systèmes : o Le système réticulo-thalamique (en bleu) constitué de deux structures : o La formation réticulaire mésencéphalique : projette sur les noyaux médians et les activent. o Les noyaux pontins cholinergiques qui ont une double projection : o Sur les noyaux thalamiques médians où ils activent le système d’éveil. o Sur une autre partie du thalamus de manière inhibitrice (inhibe les neurones pacemakers du thalamus responsables des fuseaux du sommeil). o Le système réticulo-hypothalamique constitué essentillement par le noyau réticulé bulbaire magno-cellulaire qui envoi des projections sur o Les cellules de Meynert. o Les noyaux hypothalamiques. o Les structures iso-pontin. Le locus coreolus : structure complexes qui intervient pendant l’éveil en projetant sur le cortex et sur le thalamus. Utilise comme neuromédiateur la noradrénaline. Plusieurs neuromédiateurs sont éveillant : o Histamine. o Acétylcholine. o Noradrénaline. o Glutamate. Notion d’étage : o Système exécutif contrôlés par deux types de structures. o On retrouve aussi une autre structure un peu isolée : locus coruelus. Noyaux sérotoninergique du raphé : o Actifs pendant l’éveil. o Leur activité est nécessaire pendant l’éveil pour provoquer l’endormissement. L’hypothalamus antérieur : on retrouve le noyau supra-chiasmatique où est situé le contrôle de l’horloge circadienne. b. Le sommeil lent - - Sommeil lent : o Consommation de glucose par rapport à l’éveil diminue de 20 à 40%. o Fonction du sommeil : permet de reconstituer les réserves énergétiques stockées dans les cellules gliales. Dans l’étude du sommeil lent on se pose deux questions : qu’est ce qui provoque endormissent ? Qu’est ce qui maintient le sommeil ? - - - - - - Premières étapes qui provoquent l’endormissement. o La sérotonine au niveau de l’hypothalamus antérieur provoque la synthèse de neuropeptide. o Pendant l’éveil la synthèse de neuropeptide va en augmentant. Par ce mécanisme on explique que plus on est éveillé longtemps plus on a besoin de dormir. o Ces neuropeptides actives des cellules GABA (neuropeptides inhibiteurs) qui vont aller inhiber le noyau de Meyner, les noyaux histaminergiques de l’hypothalamus postérieur. o Par un mécanisme complexe les autres structures de l’éveil sont inhibées (formation réticulé-mésencéphalique, les noyaux potins, les noyaux du raphé Magnus, etc.). Maintient de l’état de sommeil lent : o Activité au niveau du cortex (fuseaux de sommeil stade 2, et grandes activités lentes delta dans stades 3 et 4). o Certains noyau du thalamus et le cortex fonctionnent en boucle. o Dans les noyaux réticulaires du thalamus on retrouve des neurones pacemaker : o Potentiels de membrane instable. o Quand les neurones sont contrôlés par les projections acetylcholinergiques dans l’éveil, ils sont inhibés. o Lorsqu’ils ne sont plus sous se contrôle acetylcholinergique ils vont déclencher un fonctionnement rythmique et projettent sur tout le cortex cérébral. o Tant que ce système en boucle fonctionne le sommeil lent se maintient. o Il permet d’isoler le cortex de toutes les afférences sensorielles. c. Le sommeil paradoxal On ne s’endort jamais directement en sommeil paradoxal. Pathologie : narcolepsie. o Les gens sont soumis à des accès soudain de sommeil (hypersomnolence), où ils s’endorment en sommeil paradoxal. o Ces patients présentent aussi des excès de cataplexie : atonie musculaire, chute brutale du tonus musculaire ils s’effondrent. Le sommeil paradoxal : o Hyperactivité corticale et élévation de la consommation de glucose et de l’oxygène (aussi importante voire plus importante que pendant la veille). o On ne connait pas encore la fonction du sommeil paradoxal. Contrairement au sommeil lent où on sait qu’il permet de reconstituer les réserves énergétiques. o La périodicité du sommeil paradoxal est définie génétiquement : plus l’animal est petit, plus les cycles sont courts. Expérience : o Réveil chez des patients dès qu’ils passent dans une phase de sommeil paradoxal. o Problème : moins on dort plus la phase de sommeil paradoxal arrive rapidement. o On n’arrive donc pas à supprimer le sommeil paradoxal sans supprimer le sommeil lent. Le sommeil paradoxal est contrôlé par les systèmes offs. Il existe deux systèmes off qui empêchent le début du sommeil paradoxal : o Noyaux sérotoninergiques du raphé. o Le locus coreolus. - o Ces deux systèmes sont actifs pendant l’éveil : explique pourquoi on ne peut pas trouver de sommeil paradoxal tout de suite après l’éveil. o Par contre ces deux systèmes sont inhibés progressivement pendant le sommeil lent : activation du sommeil paradoxal possible. Trois mécanismes permettent de créer le sommeil paradoxal : o Activation des noyaux méso-pontins cholinergiques (actifs normalement pendant la veille). Permettent l’absence de fuseaux de sommeils ... o Les mouvements oculaires sont générés par une structure situé dans la réticulée mésencéphalique (GPGO : générateur de pointe géniculo-oculaire) projette sur le thalamus projette sur les corps genouillés latéraux (relais des voies optiques) projettent sur le cortex visuels projette sur les noyaux oculomoteur. o L’atonie musculaire est généré à partir de noyaux appelés le locus peri- coreolus peri-α (situé à côté du locus coreolus) projette sur les noyaux bulbaires projette sur les interneurones ayant comme neuromédiateur la glycine inhibe les motoneurones. Inhibition sur tous les motoneurones SAUF les motoneurones phréniques. c. Système à orexine - - - - - - Orexine : o Neuropeptides isolés au niveau de l’hypothalamus, secretes par un groupe de neurones. o Découvert en 2000. A un effet éveillant : actif pendant l’éveil. Projette sur : o L’hypothalamus postérieur. o Sur les neuroens sérotoninergiques. o Sur les noyaux thalamiques impliqués dans l’éveil. o Sur le locus coreolus. Stimule les circuits SP-off (empêche le sommeil paradoxal) et SP-on (responsable de l’éveil). Dans la narcolepsie : o Les neurones à orexine sont complètement détruit (absence d’orexine dans le LCR). o Seul hypothèse qui permet d’expliquer cette maladie. o Processus de destruction des neurones à orexine dans la narcolepsie par des mécanismes qu’on ne connait pas. d. Horloge circadienne L’horloge circardienne : o Située au niveau du noyau supra-chiamastique. o Cellules qui pulsent de manière autonome sur un rythme sur 24h. o Explication de la forme cyclique : certaines protéines sont sécrétées de manières transitoires (qui ont une durée de vie moyenne) et qui sont nécessaire à activé d’autres gènes. L’horloge circadienne intervient aussi sur la température : o La plus haute vers 18-19h. o La plus basse vers 2-3h du matin. Les rythmes circadiens peuvent être modifiés par la lumière : - o Le noyau supra-chiasmatique projette sur le noyau para-ventriculaire qui projette à son tour sur l’épiphyse (petite glande unique à l’arrière du 3ème ventricule qui sécrète une hormone appelée mélatonine). o La mélatonine est sécrétée essentiellement la nuit et agit en retour sur le noya usupra-chiasmatique : permet l’harmonisation de ce noyau supra-chiasmatique avec la lumière extérieure. o Noyau de l’hypothalamus Cellules de la colonne intermedio-latéral de la moelle épinière (appartient au sympathique) suit l’innervation sympathique des vaisseaux remonte jusqu’à l’épiphyse. o Noradrénaline des noyaux hypothalamique sur les récepteur β de l’épiphyse. o ... Expérience dans les années 1960 avec isolement dans une grotte pendant plusieurs mois (sans lumière extérieure) : o On a analysé son rythme veille sommeil. o Pendant son séjour dans la grotte : petit à petit le fonctionnement cyclique d’alternance veille-sommeil se fait sur 36h voir parfois 48h. o La lumière extérieure permet donc de régler l’horloge circadienne.
