Rôle du sommeil dans la consolidation des souvenirs Sleep and

Journal Identification = NRP Article Identification = 0283 Date: February 10, 2014 Time: 12:26pm
doi: 10.1684/nrp.2013.0283
REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE
NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES
273
Article de synthèse
Rev Neuropsychol
2013 ; 5 (4) : 273-80 Rôle du sommeil dans la consolidation
des souvenirs
Sleep and memory consolidation
Franc¸oise Bertran1,2,3,4,5,
Caroline Harand1,2,3,4,
Franck Doidy1,2,3,4,
Géraldine Rauchs1,2,3,4
1Inserm, U1077, Caen,
France
2Université de Caen Basse-Normandie,
UMR-S1077, Caen,
France
3École pratique des hautes études,
UMR-S1077, Caen,
France
4CHU de Caen, U1077, Caen,
France
<geraldine.rauch[email protected]>
5CHU de Caen,
service des explorations fonctionnelles
neurologiques, Caen,
France
Pour citer cet article : Bertran F, Harand
C, Doidy F, Rauchs G. Rôle du som-
meil dans la consolidation des souvenirs.
Rev Neuropsychol 2013 ; 5 (4) : 273-80
doi:10.1684/nrp.2013.0283
Résumé De nombreuses études indiquent que le sommeil favorise
la consolidation en mémoire à long terme des informations
récemment acquises. Dans cet article, nous proposons une synthèse des travaux menés sur
les liens entre sommeil et mémoire, au moyen de différentes approches expérimentales (pri-
vation de sommeil, imagerie cérébrale...). Ces études ont contribué à préciser les substrats
neurobiologiques sous-tendant l’effet bénéfique du sommeil sur la mémoire et ont abouti à la
proposition de deux modèles : l’hypothèse du dialogue hippocampo-néocortical et la théorie
de l’homéostasie synaptique (ou recalibrage synaptique). Ces deux modèles sont décrits et
nous exposons quelques arguments expérimentaux en faveur de chacun d’eux.
Mots clés : sommeil ·mémoire épisodique ·mémoire procédurale ·consolidation ·hippocampe
Abstract A large body of evidence indicates that sleep favors the
consolidation of recently-acquired information into long-
term memory. In this paper, we review studies investigating the relationships between
sleep and memory, using various experimental approaches (sleep deprivation, functional
neuroimaging...). These studies revelaed the neurobiological substrates subserving the
beneficial effect of sleep on memory and contributed to the proposal of two models: the
hippocampo-neocortical dialogue and the synaptic homeostasis hypothesis (or synaptic
downscaling). These two models are described and we report some experimental evidence
underpinning each hypothesis.
Key words: sleep ·episodic memory ·procedural memory ·memory consolidation ·hippocampus
Introduction
Dès 1881, dans son ouvrage intitulé «Les maladies de
la mémoire », Ribot met en relation les troubles mnésiques
consécutifs à une lésion cérébrale et l’ancienneté des souve-
nirs [1]. Ainsi, le rappel d’informations acquises récemment
est plus perturbé que celui des souvenirs anciens. Cette
dissociation a conduit Ribot à proposer l’existence d’un
processus de réorganisation des traces mnésiques au fil du
temps, connu aujourd’hui sous le terme de loi ou gradient
de Ribot. Le terme de «consolidation mnésique », utilisé
pour la première fois en 1900 par Müller et Pilzecker [2],
fait référence à un processus lent permettant de transfor-
mer une trace mnésique encore fragile en une forme plus
durable. Dès 1885, Hermann Ebbinghaus associe ce pro-
Correspondance :
G. Rauchs
cessus au sommeil [3]. En effet, il observe que les traces
mnésiques s’évanouissent progressivement avec le temps,
mais l’effet est moins prononcé si l’apprentissage est suivi
d’une période de sommeil plutôt que d’une période de
veille. En ce début de XXesiècle, on n’attribuait encore au
sommeil qu’un rôle passif de protection du souvenir vis-à-
vis des interférences externes. Quand William Dément en
1957 [4] puis Michel Jouvet en 1959 [5] décrivent le som-
meil paradoxal et l’activation corticale qui y est associée,
ce rôle purement passif du sommeil est remis en cause.
Dans cet article, après un bref rappel sur la neurobiolo-
gie du sommeil, nous aborderons les relations établies entre
les processus de mémoire et les différents types de sommeil,
lent ou paradoxal, telles qu’elles ont pu être étudiées par des
méthodes expérimentales de privation ou de manipulation
chimique du sommeil. Nous nous intéresserons ensuite aux
données portant sur les mécanismes neurophysiologiques
qui sous-tendent ces relations, telles que les réactivations
neuronales, les marqueurs électrophysiologiques ou les
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conditions neurochimiques associées au sommeil. Dans
une dernière partie, nous développerons les modèles qui
ont été proposés pour expliquer le processus de consolida-
tion mnésique au cours du sommeil.
Neurobiologie du sommeil
Le sommeil n’est pas un processus unitaire (figure 1a).
On distingue, d’une part, le sommeil lent qui est sub-
divisé en sommeil lent léger (le stade 1, correspondant
à la phase d’endormissement, et le stade 2), et en som-
meil lent profond (stades 3 et 4 ou SLP) et, d’autre part,
le sommeil paradoxal (SP), ce dernier représentant envi-
ron 25 % de notre temps de sommeil. Contrairement à ce
que l’on a cru pendant longtemps, le sommeil n’est pas
un état de quiescence. L’étude des variations du méta-
bolisme cérébral du glucose au cours des différents états
de vigilance montre en effet en SLP une diminution glo-
bale du métabolisme de l’ordre de 40 %, avec toutefois
des activations transitoires lors de la génération des ondes
lentes et des fuseaux de sommeil. En revanche, l’activité
métabolique du cerveau en SP est comparable, voire supé-
rieure dans certaines régions (notamment l’amygdale, le
thalamus, le gyrus parahippocampique et le cortex cin-
gulaire antérieur), à celle mesurée à l’éveil. De la même
fac¸on, lors du SP, l’activité électrique corticale rapide obser-
vée en électroencéphalographie évoque celle de la veille
alors que le sujet dort profondément (d’où le nom de para-
doxal). L’activité électrique en sommeil lent est caractérisée
par des ondes lentes de fréquence delta (0.5 à 4 Hz), des
fuseaux de sommeil («spindles ») et des ondes à front
raide («sharp-wave ripples »;figure 1b). En SP, l’activité
est dominée par une activité plus rapide de type thêta
(entre 4,5 et 8 Hz) et des ondes ponto-géniculo-occipitales
(PGO ; figure 1b). Enfin, l’environnement neurochimique
varie beaucoup en fonction des stades de sommeil. Ainsi,
les niveaux d’acétylcholine, très élevés à l’éveil, diminuent
fortement en SLP, puis remontent et dépassent même les
niveaux de l’éveil en SP. Le taux de noradrénaline diminue
progressivement de la veille au SLP et devient nul en SP, tan-
dis que celui de la sérotonine diminue de la veille au SLP
et encore plus sans être nul en SP. Enfin, le taux de cortisol,
abaissé en SLP, est élevé en SP (figure 1c).
Il existe différentes méthodes d’approche du rôle du
sommeil dans la consolidation mnésique chez l’homme.
Celles qui consistent à tenter d’établir des corrélations entre
les quantités des différents stades de sommeil et les perfor-
mances mnésiques recueillies après une nuit de sommeil
donnent généralement peu de résultats significatifs. Les plus
utilisées sont les méthodes de privation de sommeil, totales,
sélectives (d’un stade donné de sommeil), ou partielles.
Ces dernières, les plus utilisées, reposent sur la répartition
différente du SLP et du SP au cours de la nuit : en sup-
primant la première moitié de nuit (dominée par du SLP),
on exerce surtout une privation de SLP, alors qu’en suppri-
mant la deuxième moitié (dominée par du SP), on supprime
surtout du SP (figure 1a). Enfin, depuis quelques années
sont réalisées des études en imagerie cérébrale (tomogra-
phie par émission de positons et imagerie par résonance
magnétique fonctionnelle [IRMf]), en veille mais aussi en
sommeil, chez des sujets privés ou non de sommeil après
un apprentissage.
Liens entre mémoire(s) et sommeil(s)
L’étude des relations entre sommeil et mémoire a jusqu’à
présent porté principalement sur deux systèmes mnésiques :
la mémoire procédurale et la mémoire épisodique (voir [6]
pour une revue détaillée).
Concernant la mémoire procédurale, Plihal et Born [7]
ont montré, grâce à un protocole de privation partielle de
sommeil, que le sommeil de fin de nuit, dominé par du
SP, avait un rôle bénéfique sur la consolidation des habile-
tés perceptivo-motrices, évaluées par la tâche de dessin en
miroir. De la même fac¸on, dans une tâche de discrimination
de textures permettant d’évaluer les habiletés perceptives,
une nuit complète de sommeil ou une privation sélective de
SLP, conduisent toutes deux à une amélioration significa-
tive des performances, amélioration qui n’est pas observée
en cas de privation sélective de SP [8]. Enfin, concernant
les habiletés cognitives évaluées par l’épreuve de la tour
de Hanoi, la privation sélective de SP détériore les per-
formances, confirmant là encore le rôle du SP dans la
consolidation en mémoire procédurale [9]. D’autres études,
utilisant notamment la tâche de discrimination de textures,
apportent des résultats à première vue contradictoires. Les
performances peuvent ainsi s’améliorer après une période
ne comportant que du SLP, mais surtout après une nuit
complète de sommeil [10]. Elles peuvent aussi être cor-
rélées à la quantité de SLP du premier quart de la nuit et
à la quantité de SP du dernier quart [11]. Enfin, le déclin
des performances au cours de la journée peut être empê-
ché par une sieste de 60-90 minutes, comportant donc à
la fois du SLP et du SP, avec des résultats comparables à
ceux observés après une nuit complète [12,13]. Utilisant
une approche différente, Rasch et al. [14] ont observé l’effet
d’une suppression pharmacologique du SP sur la consoli-
dation d’une habileté motrice (dessin en miroir) à l’aide
de deux molécules, l’une inhibitrice de la recapture de
la sérotonine (fluvoxamine), l’autre de la recapture de la
noradrénaline (reboxetine), cette dernière ayant l’effet inhi-
biteur le plus marqué sur le SP. Les performances obtenues
étaient inversement proportionnelles à la quantité de SP réa-
lisée pendant la nuit (mais proportionnelles à la quantité de
fuseaux de stade 2), suggérant que le SP en tant que tel n’est
pas absolument nécessaire à la consolidation en mémoire
procédurale. Ainsi, certains phénomènes associés normale-
ment au SP (activité cholinergique élevée ou expression de
certains gènes précoces impliqués dans la plasticité synap-
tique) et potentiellement non modifiés par la manipulation
pharmacologique pourraient jouer un rôle crucial dans la
consolidation mnésique.
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Éveil Eveil
Stades de sommeil
Stades de sommeil
SP
Stade 1
Stade 2
Stade 3
Stade 4
1re partie de nuit 2e partie de nuit
Heures
Onde lente Fuseau de
sommeil
Onde à
front raide
Onde PGO Activité thêta
Acétylcholine
SLP par rapport à la veille SP par rapport à la veille
Noradrénaline/sérotonine
Cortisol
Acétylcholine
Noradrénaline/sérotonine
Cortisol
Sommeil lent profond (SLP) Sommeil paradoxal (SP)
SP
Stade 1
A
C
B
Stade 2
Stade 3
Stade 4
23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00
Figure 1. Architecture d’une nuit de sommeil, activité électrophysiologique et neurochimique du sommeil lent et du sommeil paradoxal. a) Architecture
(hypnogramme) d’une nuit de sommeil. À noter la proportion plus importante du sommeil lent profond (stades 3 et 4) en première partie de nuit et du sommeil
paradoxal en seconde moitié de nuit. b) Activité électrophysiologique caractéristique du sommeil lent (à gauche) et du sommeil paradoxal (à droite). c) Profils
de libération d’acétylcholine, de noradrénaline, de sérotonine et du cortisol au cours du sommeil lent profond et du sommeil paradoxal.
D’après Diekelmann et Born [30].
Grâce à une tâche d’apprentissage de paires de mots
et un protocole de privation partielle de sommeil, Plihal et
Born [7] ont montré que le SLP favorisait la consolidation en
mémoire épisodique. Ces résultats, combinés aux premières
études concernant la mémoire procédurale ont d’abord
conduit à envisager le rôle du sommeil dans la consolida-
tion mnésique de manière dichotomique. Ainsi, selon cette
conception (appelée «dual-process hypothesis »), le SLP
facilite la mémoire déclarative (épisodique), hippocampo-
dépendante tandis que le SP favorise la mémoire procédu-
rale, non déclarative, et non hippocampo-dépendante [15].
Mais, de la même fac¸on que le SLP peut finalement être
aussi impliqué dans la consolidation en mémoire procédu-
rale, le SP peut avoir un effet bénéfique sur la consolidation
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des souvenirs à valence émotionnelle [16]. Les mêmes
auteurs ont montré quelques années plus tard, qu’une phase
de sommeil, plutôt qu’une période de veille, renforc¸ait la
mémorisation d’un texte à contenu émotionnel (et non d’un
texte neutre), jusque quatre ans après l’apprentissage, sans
effet spécifique d’un stade de sommeil [17].
Tous ces résultats soulignent donc les rôles complémen-
taires du SLP et du SP dans la consolidation mnésique,
conformément à «l’hypothèse séquentielle »proposée par
Giuditta et al. [18], selon laquelle la succession organisée
des différents stades de sommeil au cours des cycles, et
non un stade spécifique de sommeil, favorise la consoli-
dation mnésique. Cette complémentarité du sommeil lent
et du sommeil paradoxal est illustrée dans une étude réa-
lisée dans notre laboratoire et évaluant de manière fine les
différentes facettes de la mémoire épisodique [19]. Ainsi,
le SLP favoriserait la consolidation des aspects temporels
du souvenir (liste à laquelle appartenaient les items), tan-
dis que le SP renforcerait la mémorisation des informations
spatiales (position des items sur une feuille) et des détails
phénoménologiques des souvenirs.
Bases neurophysiologiques
Quels sont les mécanismes susceptibles d’être à l’origine
de ces phénomènes de consolidation opérant en sommeil ?
Un premier mécanisme mis en évidence est celui des
«réactivations neuronales »observées lors du sommeil.
Ces réactivations ont tout d’abord été observées chez le
rongeur après un apprentissage spatial. En effet, les enre-
gistrements de cellules de lieux (cellules hippocampiques
spécialisées dans le traitement d’informations spatiales)
ont montré que les cellules qui déchargeaient ensemble à
l’éveil lorsqu’un animal occupait une position particulière
de l’espace, déchargeaient à nouveau ensemble au cours
du sommeil suivant l’apprentissage [20]. Ces réactivations
ont ensuite été observées chez l’homme grâce aux tech-
niques d’imagerie cérébrale. Ainsi, Peigneux et al. [21] ont
montré que l’hippocampe, activé lors de l’exploration d’une
ville virtuelle était à nouveau activé au cours des épisodes
de SLP suivant l’apprentissage. De manière intéressante,
plus l’hippocampe était réactivé au cours du sommeil, plus
les performances mesurées le lendemain matin étaient éle-
vées. Plus récemment, Rasch et al. [22] ont associé une
épreuve de localisation en 2D à la présentation d’une odeur
spécifique (en l’occurrence une odeur de rose). La présen-
tation de cette même odeur aux sujets au cours du SLP
permettait non seulement d’améliorer leurs performances
le lendemain, mais induisait une importante activation de
l’hippocampe en sommeil. Aucune amélioration n’était
observée si une odeur différente était vaporisée ou si l’odeur
de rose était proposée en SP. Dans une étude plus récente
utilisant la même méthodologie, Diekelmann et al. [23]
ont mis en évidence des effets différents de la réactiva-
tion du souvenir (cette fois encore par une odeur présentée
au sujet pendant une épreuve de localisation de paires de
cartes) selon qu’elle était présentée pendant une période
d’éveil ou pendant le sommeil. Ils ont montré que le fait
d’utiliser ce procédé de réactivation en veille rendait le
processus de mémorisation plus sensible aux interférences,
alors que l’exposition à l’odeur en sommeil favorisait au
contraire la stabilisation des traces mnésiques et les rendait
plus résistantes à l’influence de nouvelles informations. Les
activations observées en IRMf étaient également différentes,
l’hippocampe et les régions corticales postérieures étant
activés en sommeil, alors que les régions frontales étaient
activées à l’éveil. À l’aide d’un paradigme combinant l’IRM
fonctionnelle et une épreuve comportant une consigne de
mémorisation ou au contraire d’oubli volontaire de mots,
Rauchs et al. [24] ont montré que l’activation hippocam-
pique lors de l’encodage est un signal important pouvant
prédire le devenir des traces mnésiques. Cette activation
permettait «d’étiqueter »les populations neuronales qui
seront réactivées au cours du sommeil post-apprentissage,
favorisant la sélection des items à retenir ou à oublier. Plus
récemment, Oudiette et Paller [25] ont observé que la pré-
sentation, au cours d’une sieste, de sons qui avaient été
associés au préalable à l’apprentissage d’images renforc¸ait
la mémorisation de ces images, même si elles avaient été
présentées au sujet comme «peu importantes à retenir ».
Ainsi, si les conditions d’encodage d’une information (atten-
tion, intention, émotion...) influent sur le devenir de cette
information dans notre mémoire (à retenir ou à oublier), la
réactivation en sommeil jouerait un rôle également déter-
minant sur la destinée finale de ces traces mnésiques.
Outre les mécanismes de réactivations neuronales,
d’autres marqueurs électrophysiologiques du sommeil, en
particulier les ondes lentes et les fuseaux (ou spindles,
bouffées de rythmes rapides caractéristiques du stade 2)
observées au cours du sommeil lent ont été identifiés. Ainsi,
Marshall et al. [26] ont réalisé chez des sujets jeunes des
stimulations électriques transcrâniennes (à la fréquence de
0,75 Hz) visant à reproduire et renforcer, sans réveiller le
sujet, les ondes lentes du SLP du début de nuit. Les per-
formances obtenues à une tâche de mémoire épisodique
(apprentissage de paires de mots) étaient significativement
améliorées par ces stimulations, mais pas celles obtenues
à une tâche de mémoire procédurale. Il est à noter que
les effets de ce type de stimulations mimant les ondes
lentes n’ont pas été répliqués dans une population plus
âgée, pouvant témoigner d’une évolution avec l’âge de la
consolidation pendant le sommeil [27]. À l’aide d’un pro-
tocole de stimulations auditives synchronisées aux ondes
lentes endogènes du SL, Ngo et al. [28] ont obtenu un
renforcement de l’activité lente, mais aussi des fuseaux de
sommeil, ces effets étant tous deux corrélés aux perfor-
mances de mémoire épisodique des sujets. Les rôles des
fuseaux de sommeil thalamiques (par l’intermédiaire de
leur effet protecteur vis-à-vis des interférences externes),
et des bouffées d’activités hippocampiques («sharp wave-
ripples ») ont aussi été démontrés dans plusieurs études
[29-31]. En sommeil paradoxal, les figures électrophysio-
logiques caractéristiques ont été un peu moins étudiées,
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mais les ondes ponto-géniculo-occipitales semblent impli-
quées dans certaines formes de consolidation en mémoire
procédurale [32].
L’environnement neurochimique lié au sommeil joue
également un rôle déterminant dans le processus de conso-
lidation. Toute augmentation pharmacologique des niveaux
d’acétylcholine [33] ou de cortisol [34] en SLP altère
la consolidation en mémoire épisodique. De la même
manière, réduire la transmission cholinergique en SP inhibe
la consolidation en mémoire procédurale [35].
Les modèles
Les travaux exposés ci-dessus ont permis de propo-
ser deux principaux modèles de consolidation mnésique
au cours du sommeil. Le premier, appelé «dialogue
hippocampo-néocortical »[36] ou modèle de conso-
lidation systémique, concerne plus spécifiquement la
mémoire épisodique (hippocampo-dépendante). Selon ce
modèle, les profils d’activité cérébrale associés à un nou-
vel apprentissage sont «rejoués »au cours du sommeil
post-apprentissage au sein de réseaux neuronaux hippo-
campiques, la récapitulation de l’information favorisant son
inscription durable dans les sites néocorticaux de stoc-
kage à long terme. Le dialogue hippocampo-néocortical
implique une réorganisation des régions cérébrales sous-
tendant la récupération des souvenirs (figure 2). Il repose sur
l’intervention coordonnée de plusieurs acteurs que sont les
réactivations neuronales, l’environnement neurochimique,
les ondes lentes et les fuseaux de sommeil (figure 3).
En 2006, une première étude de reconnaissance
d’images en IRM fonctionnelle a renforcé cette hypothèse
d’une réorganisation des traces mnésiques, montrant une
activité hippocampique diminuant au cours du temps alors
que l’activité du néocortex et plus particulièrement du
cortex préfrontal ventro-médian augmente [37]. Le rôle
du sommeil apparaît clairement dans une autre étude qui
montre que cette réorganisation des traces mnésiques opère
de manière plus importante chez des sujets qui ont dormi
après l’apprentissage comparés à des sujets privés de som-
meil [38]. Si on ignore encore sur quels mécanismes exacts
repose ce transfert des souvenirs pendant le sommeil lent,
de nombreux résultats expérimentaux font converger les
hypothèses vers un système complexe faisant intervenir
les ondes lentes du SLP, les fuseaux thalamo-corticaux
et les ondes hippocampiques à front raide («sharp-wave
ripples »). À titre d’exemple, une étude sur le rongeur a
identifié dans le cortex préfrontal au cours du sommeil
lent des activations cellulaires très précisément couplées
temporellement avec les décharges hippocampiques [39].
L’autre modèle s’intéresse à la consolidation au plan
cellulaire : c’est la théorie de l’homéostasie synaptique pro-
posée par Tononi et Cirelli [40]. Pendant l’éveil, l’encodage
des informations nouvelles renforce l’activité de certaines
synapses : c’est ce qu’on appelle la potentiation synaptique.
Ondes lentes Fuseaux de
sommeil
Ripples
Acétylcholine
Cortisol
Stockage à long terme
néocortex
Stockage temporaire
hippocampe
+
-
Figure 2. Modèle de consolidation systémique au cours du sommeil. À l’éveil, les informations à mémoriser sont encodées au sein de réseaux néocorticaux
et de réseaux hippocampiques (flèche verte). Au cours du sommeil lent profond, les informations récemment acquises sont réactivées au sein des réseaux
neuronaux hippocampiques. Ces réactivations stimulent le transfert des traces mnésiques vers le néocortex (flèche violette), site de stockage à long-terme
des souvenirs. Le transfert opère notamment grâce aux ondes lentes et aux fuseaux de sommeil. Des niveaux élevés de cortisol ou d’acétylcholine au niveau
hippocampique empêchent les réactivations des souvenirs et bloquent le flux d’information vers le néocortex.
Adapté de Born et al. [44].
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