Impacts des rythmes du sommeil sur la connectivité fonctionnelle et

IMPACTS DES RYTHMES DU SOMMEIL SUR LA CONNECTIVITÉ
FONCTIONNELLE ET EFFETS DES CHANGEMENTS IONIQUES SUR
LA SYNCHRONISATION NEURONALE ET LA CONNECTIVITÉ
FONCTIONNELLE.
Thèse
JOSÉE SEIGNEUR
DOCTORAT EN NEUROBIOLOGIE
Philosophiæ Doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Josée Seigneur, 2013

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Résumé
La synchronisation neuronale est inhérente au cerveau, ce qui permet aux neurones de se
regrouper en réseau et de communiquer. Les oscillations indissociables aux états de
vigilance tels le sommeil à ondes lentes, le sommeil paradoxal et l‘éveil, mais aussi à l‘état
pathologique tel l‘épilepsie émergent de la synchronisation d‘un groupe de neurones.
Plusieurs interactions neuronales influencent la synchronisation, soit la transmission
chimique ou électrique, les variations ioniques et les interactions éphaptiques. Du point de
vue cellulaire, la plasticité synaptique influence également la connectivité fonctionnelle des
neurones. Dans cette thèse, le but est d‘expliquer les impacts des rythmes du sommeil sur la
connectivité fonctionnelle et les effets des changements ioniques sur la synchronisation
neuronale et la connectivité fonctionnelle.
Les états de vigilance sont impliqués dans la consolidation de la mémoire. Nous avons
démontré que la présence des oscillations lentes et du patron de décharge des neurones
pendant l‘oscillation lente peuvent favoriser la facilitation synaptique à long terme, ce qui
peut être un élément clé pour l‘intégration de nouvelles connections synaptiques sous-
adjacent à la consolidation de la mémoire pendant le sommeil. Au contraire, les activités
synaptiques générées pendant l‘éveil en présence d‘acétylcholine favorise la facilitation à
court-terme. Les mécanismes de passage de l‘information sensorielle dans le thalamus
pendant le sommeil sont inconnus. Nous avons démontré que le taux d‘échec à une
stimulation lemniscale est augmenté pendant les potentiels calciques et leur génération
cause une diminution du calcium extracellulaire qui est suffisante pour influencer la
transmission synaptique.
Les potentiels calciques se produisent préférentiellement pendant le sommeil à ondes
lentes, mais également sous forme de bouffées paroxystiques de potentiels d‘action lors de
l‘épilepsie. Durant les crises épileptiques, l‘activité paroxystique des neurones cause une
diminution du calcium et une augmentation du potassium extracellulaire. Nous avons
démontré que ces changements ioniques affectent la transmission synaptique en
augmentant le taux d‘échec à des réponses unitaires et en bloquant la transmission axonale
d‘un potentiel d‘action, ce qui a pour effet de rompre la communication entre les neurones,

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de perturber leur synchronisation pendant les crises paroxystiques et de faciliter leur
terminaison.

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Abstract
The neuronal synchronisation is an intrinsic phenomenon in the brain that allows neurons to
be connected to the network to communicate. Oscillations inherent of the states of vigilance
such as the slow-wave sleep, the REM sleep, and waking state or pathological conditions
such as epilepsy emerge from the network synchronisation of a group of neurons. Several
interactions influence the synchronization: the chemical or electrical transmission, the ionic
variations, and the ephaptic interactions. At cellular level, the synaptic plasticity also
influences the functional connectivity of neurons. In this thesis, I aim to explain the impact
of sleep rhythms on the functional connectivity and the effects of ionic variations on the
neuronal synchrony and the functional connectivity.
States of vigilance implicated in the memory consolidation. We demonstrated that the
presence of slow oscillations and the spiking pattern during slow-wave sleep favours the
long-term synaptic facilitation, which could be a key element for the sleep-dependent
reinforcement of synaptic efficacy contributing to memory consolidation. By contrast
synaptic activities generated during waking state in a conditions of increased level
acetylcholine favour short-term facilitation. Sleep allows also the brain to disrupt partially
the communication with the environment. The accepted model is that the thalamus provides
gating of sensory information during sleep, but the exact mechanisms of that gating are
unknown. We demonstrated that the failure rate to a lemniscal stimulation is increased
during the thalamic Ca2+ spike bursts and the generation of those Ca2+ spikes cause a
depletion of the extracellular calcium which is sufficient to reduce the synaptic efficacy.
Bursts of action potential occur preferentially during slow-wave sleep, but also in the
pathological form of paroxysmal depolarization shift during the generation of cortical
epileptic seizures. During seizures, the paroxysmal neuronal activity causes a decrease of
extracellular Ca2+ and an increase of extracellular potassium. We demonstrated that those
ionic variations affect the synaptic transmission by increasing the failure rate of unitary
responses at a synapse and by blocking the axonal transmission of action potentials, which
disrupts the neuronal communication between neurons, facilitating seizure termination.