Approche fonctionnelle du sommeil, explorations et classification des pathologies du sommeil D.Cugy - 2003

Le sommeil est un état de vigilance La vigilance peut être définie comme : un état physiologique de l ’organisme qui reçoit des stimulations et y répond (Petit Larousse) la capacité d ’un sujet à répondre de façon adaptée à une situation inopinée. VIGILANCE : habitude de veiller Surveillance soutenue, attentive, sans défaillance La vigilance désigne également la pierre que la grue tient dans sa patte et dont la chute réveillera l’oiseau s’il s’endort ? oiseau vigilant par excellence, la grue symbolise le soin et l’attention aux devoirs d’une charge. Souvent utilisée en héraldique, la grue est représentée debout, la patte légèrement relevée, tenant sa “vigilance” et prête à défendre son nid. C’est à ce titre qu’elle figure sur de nombreux blasons.

De la cellule aux organismes supérieurs Evolution Fonction Etat de vigilance Métabolique Stimulus environnemental Unicellulaires Cycles Repos/Activité Multicellulaires Une approche originale, présentée par .M. Krueger (1) Fig 1, met en perspective l'évolution des organismes vivants, l'organisation de la réponse de ces organismes aux stimuli environnementaux et la fonction hypnique. Dans le cas des organismes unicellulaires il est mis en évidence des modifications fonctionnelles essentiellement métaboliques (cycles repos/activité) en réponse aux variations de l'environnement . Chez les organismes multi-cellulaires on retrouve l'existence de signal humoral puis électrique en réponse aux fluctuations environnementales et du cycle Repos/Activité. Stimulus environnemental Cycles Repos/Activité Signal humoral Activité électrique

De la cellule aux organismes supérieurs Evolution Fonction Etat de vigilance Métabolique Systèmes Ganglionnaires Stimulus environnemental Organisation Synaptique Cycles Repos/Activité Sommeil Systèmes Organisés Signal humoral . Le sommeil, en tant que tel se différencie de l'état de repos chez les organismes disposant d'une organisation neurale ganglionnaire. Le sommeil est alors associé à une fonction d'organisation synaptique. Durant l'éveil (Repos/Activité) la mise en œuvre des mécanismes d'adaptation et de régulation au niveau des réseaux de neurones se traduit par une perte de la capacité fonctionnelle de réponse à l'environnement. Le sommeil est alors un moment durant lequel ces mécanismes d'adaptation peuvent se dérouler de façon optimale. L'apparition de l'homéothermie (associée au sommeil paradoxal ) correspond alors à des mécanismes d'adaptation plus complexes dans lesquels est mis en jeu la thermorégulation. L'intérêt de cette approche "du bas vers le haut" est tout d'abord d'envisager le sommeil comme étant une propriété fondamentale de populations neuronales. Au niveau du cortex cérébral il est possible de mettre en évidence l'existence de molécules mises en jeu dans les mécanismes de régulation du sommeil et augmentées lors des privations de sommeil (NGF, BDNF, Interleukine-1). A un second niveau, l'hypothèse d'une fonction cellulaire du sommeil, fait envisager que les fonctions supérieures du système nerveux central correspondent à un état évolutif postérieur. Le sommeil ayant alors un rôle essentiel lié à la régulation de l'homéostasie par le système nerveux central dans des conditions particulières (p.ex : réponse aux infections, digestion, etc…). Activité électrique Thermorégulation Stimulus environnemental Cycles Repos/Activité Sommeil Activité électrique Signal humoral Température

Aspects électrophysiologiques

Il s’agit d ’un phénomène organisé

Le sommeil évolue avec l ’age

Le sommeil évolue avec l’age Aspect quantitatif

Le sommeil évolue avec l’age Aspect qualitatif

Il existe une reproductibilité de l ’alternance repos/activité

L’isolement temporel induit une modification de l’organisation

Apnées et sommeil une privation expérimentale

Le rebond de sommeil sous traitement par PPC

Observations physiologiques La chronologie et la durée du sommeil sont strictement régulées. Il existe des rebonds spécifiques de Sommeil Lent et de Sommeil Paradoxal après privation sélective Le sommeil orthodoxe et le sommeil paradoxal présentent des différences majeures concernant notamment l’électrogénèse, la thermorégulation et la physiologie cardio-respiratoire.

ASPECTS FONCTIONNELS

Hypothèse fonctionnelle (Feinberg 1974, Borbely 1982, Daan 1984) Le sommeil a pour objet de permettre la récupération de la période d ’éveil précédente et de préparer à la période à venir. Les données relatives au sommeil orthodoxe sont conformes à cette hypothèse alors que cela n ’est pas le cas pour celles relatives au sommeil paradoxal (Borbely 1981, Steriade 1993)

L’apprentissage modifie le sommeil L ’animal est mis à l ’eau dans une piscine d ’eau opaque. Pour reprendre pied, il doit mémorise l ’emplacement d ’une plate-forme visible ou non. Dans le premier cas, il n ’y a pas d ’augmentation du SP dans les 24h après l ’entraînement (a droite). Dans le second, la durée du SP augmente de 40% à gauche.

La privation de sommeil perturbe les apprentissages Placez la souris dans un labyrinthe en Y. Ajoutez de la nourriture dans l ’une des branches qui lui fait face. L ’animal arrivera t il a trouver sa nourriture du premier coup si on le prive de sommeil paradoxal ? Oui si la branche alimentée est toujours la même ( à gauche, bleu foncé : groupe témoin, bleu clair groupe privé de sommeil paradoxal). En revanche, lorsque l ’emplacement de la nourriture est signalé par une lumière et change en essai, le taux de réponse avoisine les 50%. Ce qui revient à dire que l ’animal joue à pile ou face.

Modélisations Aspects homéostasiques Aspect chronobiologiques Aspects neuromimétiques

Le modèle de régulation à deux processus (Borbély, Daan & al 1981) L ’organisation temporelle des états de veille et de sommeil résulterait de l ’interaction de deux processus Un processus homéostasique régulant le besoin immédiat de sommeil (Processus S) Un processus circadien assurant la prise en compte du « temps » environnant (Processus C)

Le modèle de Borbely

Le modèle à deux oscillateurs (Kronauer, Czeisler & al 1982) L ’alternance veille sommeil est sous dépendance de l ’interaction de deux oscillateurs. Ce modèle explique l ’état de désynchronisation interne observé chez les sujets placés en isolement temporel

Approche à partir des modèles neuromimétiques Modèle initial de Mac Culloch et Pitts (1943): le neurone est modélisé comme un système dont la sortie est fonction de la somme pondérée de ses entrées

Modèles : Réseaux de neurones La mémoire du réseau est constituée par l’organisation des différents neurones composant le réseau et les poids synaptiques associés.

Réseaux de Hopfield et mémoires associatives La capacité maximale du modèle de Hopfield (P) si l’on exige qu’il n’y ait aucune erreur est de l’ordre de : P ≤ N / 4 Ln(N) Komlos & Paturi 1988 Dans tous les cas il existe une limite au nombre de prototypes pouvant être mémorisés et reconnus par le réseau : la mémoire est SATURABLE

Apprentissage : Loi de Hebb La loi de Hebb (Stent - 1973), relative à l'évolution du poids synaptique peut être exprimée de la façon suivante : Si deux neurones partageant une synapse (pré et post) sont activés simultanément (de façon synchrone), alors le poids de cette synapse est augmenté. Si deux neurones partageant une synapse sont activés de façon asynchrone, alors le poids de cette synapse est diminué.

Application à la modélisation en physiologie : Les lois de Hebb sont elles applicables chez l’homme ? Le cablage «orthogonal » des différentes couches corticales est accessible de façon spécifique par des stimulations magnétiques et électriques. Il est alors possible « d’adresser » des aires corticales au moyen de stimulations synchronisées

Application à la modélisation en physiologie : légitimité du modèle Mise en évidence chez l’homme d’une potentialisation Hebbienne corticale par stimulations Magnétiques et Electriques Synchronisées. Katja Stefan, Joseph Claßen &l al ; Brain(2000), 123, 572-584 (Rostock) Synaptic modification by correlated activity : Hebb’s postulate revisited Bi G; Poo M. Annu Rev Neurosci 2001;24;139-66

Le Sommeil Processus actif de traitement de l’information Durant le sommeil à ondes lentes, la cohérence de l’activité Delta s’accroit avec la profondeur du sommeil (1). On observe un rapport de phase entre les aires frontales et occipitales (2). L’application du 2ème principe de la loi de Hebb suggère qu’une fonction de filtrage informationnel pourrait être associée au sommeil à ondes lentes et peut être de façon plus généralisée aux activités EEG synchrones. Sommeil à ondes lentes et filtrage informationnel Sommeil paradoxal et généralisation L’approche thermodynamique des réseaux de neurones et notamment le rôle de sources de bruit dans la généralisation des capacités de traitement de l’information suggère que les phénomènes observés durant le sommeil paradoxal (PGO, variations de température) pourraient jouer le rôle de sources de bruits.

Aspects Fonctionnels Janet (1889) - Le sommeil est nécessaire à la prise en compte de l’expérience vécue et à l’adaptation de la réponse Freud (1904) le travail du rêve (condensation, déplacement, figuration, élaboration secondaire) le processus Psy (de la perception à la conscience) LA première question à se poser est à quoi sert le sommeil. Nous n’avons actuellement que peut d’éléments scientifiquements éprouvés. Toutefois, il ne faut pas oublier les travaux anciens et néanmoins toujours pertinents de Janet, Freud et bien d’autres encore. Janet intègre le sommeil comme une étape biologique nécessaire à la prise en compte de l’expérience notamment en terme d’adaptation de la réponse à l’environnement. L’analyse de Freud, est très similaire, et peut aujourd’hui s’interpréter en terme de processus de traitement de l’information. La construction des références comportementales de l’individu s’effectuant par intégration d’expériences, notamment traumatisantes, au fur et à mesure de sa vie. Le support biologique étant implicite.

Le processus   Décrit dans l’interprétation des rêves (1904) le processus Psy nécessite d’être approfondi. En effet il est conceptualisé par Freud de la façon suivante : “On sait que des perceptions qui agissent sur le système Perceptif, nous conservons autre chose encore que le contenu. Nos perceptions sont unies les unes aux autres dans notre mémoire et cela tout d‘abord d’après leur première rencontre dans la simultanéité. Nous appelons cela le fait de l’association. Or il est clair que si le système Perceptif ne possède aucune sorte de mémoire, il ne peut non plus conserver les traces en vue de l’association; les divers éléments du système Perceptif pourraient difficilement remplir leur fonction, si un reste d’association antérieure devait entraver la nouvelle perception. Il nous faut donc chercher le fondement de l’association plutôt dans les systèmes de souvenirs. Le fait de l’association consisterait alors en ceci : par suite des diminutions de résistance et de l’ouverture (du frayage) de l’un des éléments Souvenir, l’excitation se transmet plutôt à un second des éléments S qu’à un troisième. Une étude plus attentive nécessite d’admettre, non pas un mais plusieurs de ces systèmes S dans lesquels la même excitation, transmise par les éléments P, se trouve fixée de façons différentes. Le premier de ces systèmes S fixera l’association par la simultanéité; dans les systèmes plus éloignés, ce même matériel d’excitation sera rangé selon des modes différents de rencontre, de façon, par exemple, que ces systèmes ultérieurs présentent des rapports de ressemblance, ou autres. Si maintenant nous trouvions confirmation de ce fait que la mémoire et la qualité qui caractérise la conscience s’excluent l’une de l’autre dans les systèmes (Psy), nous aurions des aperçus gros de promesses sur les conditions de l’excitation des neurones.”

Classification des troubles du sommeil

Classification des Troubles du Sommeil Jean Pierre JEUNET & al: Le Fabuleux destin d’Amélie Poulain 2001 UGC

Classification I.C.S.D. Dyssomnies Parasomnies 1.A Troubles du sommeil intrinsèque 1.B. Troubles du sommeil Extrinsèques 1.C.Troubles des rythmes circadiens Parasomnies 2.A Troubles de l’éveil 2.B Troubles liés aux transitions veille/sommeil 2.C Parasomnies associées au sommeil paradoxal 2.D Autres parasomnies Troubles du sommeil associés à des pathologies médicales ou psychiatriques 3.A Associés à des troubles mentaux 3.B Associés à des troubles neurologiques 3.C Associés à d’autres pathologies médicales Troubles du sommeil spécifiques Courts dormeurs, longs dormeurs,myoclonies nocturnes, hperhydrose du sommeil, troubles du sommeil menstruels, troubles du sommeil liés à la grossesse, ….

Dyssomnies Intrinsèque Extrinsèque Insomnie psychophysiologique, Mauvaise perception du sommeil, Insomnie idiopathique, Narcolepsie, Hypersomnie récurrente, Hypersomnie idiopathique, Hypersomnie post traumatique, Syndrome d’apnées obstructif du sommeil, Syndrome d’apnées centrales, Syndrome d’hypoventilation alvéolaire, Syndrome des mouvements périodiques, Syndrome des jambes sans repos Extrinsèque Mauvaise hygiène de sommeil, Troubles du sommeil liés à l’environnement, Insomnie d’altitude, Troubles du sommeil liés à l’adaptation, Syndrome d’insuffisance de sommeil, Temps de sommeil réduit,,Troubles de l’endormissement, Insomnie par allergie alimentaire, Syndrome alimentaires nocturnes, Troubles du sommeil secondaires à une dépendance aux hypnotiques, Troubles secondaires à un usage de stimulants, à une consommation d’alcool, toxiques

Dyssomnies (suite) Troubles du rythme circadien (désynchronoses) Syndrome de changement de méridien (Jet Lag), Troubles du sommeil liés au travail posté, Irrégularité des cycles veille/sommeil, Syndrome de retard de phase, syndrome d’avance de phase, Syndrome hypernycthéméral

Parasomnies Trouble de l’éveil Troubles des transition veille/sommeil Eveils confus, Somnambulisme, Terreurs nocturnes Troubles des transition veille/sommeil Rythmies du sommeil, Secousses hypnagogiques, Somniloquie, Crampes nocturnes, Habituellement associées au sommeil paradoxal Cauchemars, Paralysies du sommeil, Impuissance, Erection douloureuse du sommeil, Troubles de la conduction atriale liés au sommeil Autres Bruxisme, Enurésie, Déglutition nocturnes, Dystonie paroxystique nocturne, Mort subite nocturne, Ronflement primaire, Apnées du sommeil de l’enfant, Syndrome d’hypoventilation alvéolaire congénital (Ondine), Mort subite de l’enfant, Myoclonies néonatales bénignes

CONCLUSION Le sommeil est un état fonctionnel actif de l’organisme associé à des processus complexes ayant trait aux apprentissages. Les dysfonctions du sommeil sont associées à des troubles identifiés faisant l’objet d’une classification et de modalités de prise en charge thérapeutique. Ces dysfonctions peuvent être la conséquence de perturbations environnementales (nuisances, alimentation, horaires de travail, etc….).