Rôle du sommeil dans la consolidation des souvenirs Sleep and

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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

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)

Stade 1

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].