Influence de la respiration sur les rythmes du cerveau chez le Rat : une étude électrophysiologique au cours des cycles veille / sommeil

par Baptiste Girin

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Nathalie Buonviso.

Soutenue le 06-02-2020

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Francesca Sargolini.

Le jury était composé de Nathalie Buonviso, Fabien Perrin, Thomas Similowski.

Les rapporteurs étaient Francesca Sargolini, Hirac Gurden.


  • Résumé

    La communication entre les différentes aires cérébrales nécessite une bonne coordination entre les structures. Cette coordination peut notamment passer par une synchronisation des rythmes électrophysiologiques. Nous avons émis l’hypothèse que le rythme respiratoire pourrait agir comme une horloge centrale pour la coordination des rythmes cérébraux. Si cela est vrai nous pouvons nous attendre à ce que l’activité neuronale soit influencée par la respiration dans un large réseau cérébral. Nous avons testé cette hypothèse en enregistrant la respiration et l’activité neuronale dans différentes zones du cerveau chez le rat pendant les différents états de vigilance. En accord avec les publications récentes, nous avons observé que toutes les structures pouvaient être modulées par la respiration. Cependant, nous montrons pour la première fois que cette modulation varie selon l’état de vigilance, chaque état étant associé à un régime respiratoire spécifique. En particulier, une synchronisation à grande échelle, de toutes les structures enregistrées, sur le rythme respiratoire n’est observable que dans l’état d’éveil calme, où la respiration présente une fréquence basse (2Hz), avec un débit d’air relativement élevé. En même temps, nous observons aussi une modulation du rythme rapide gamma (35-80 Hz) dans toutes les aires, seulement dans l’état d’éveil calme. Pour savoir si cette synchronisation respiratoire générale était une conséquence de l’état lui-même ou du régime respiratoire, nous avons cherché à décorréler l’état cérébral du régime respiratoire. Les animaux ont été enregistrés alors qu’ils respiraient un air enrichi en CO2, où les caractéristiques respiratoires (fréquence et amplitude) sont augmentées par rapport à la condition air seul. Nous avons alors observé que la synchronisation respiratoire, observée en état d’éveil calme, peut s’étendre aux autres stades de vigilance, notamment les états de sommeil (REM et NREM). Nous montrons que l’entrainement du cerveau par la respiration est lié à l’effet combiné de l’amplitude et de la durée d’inspiration. Pour finir nous avons voulu évaluer la part respective des flux d’air liés à la respiration et du contrôle central de la respiration sur l’entrainement du cerveau par la respiration. Nous avons décorrélé la respiration de l’animal des flux d’air dans la cavité nasale grâce à une expérience de double trachéotomie chez l’animal anesthésié. Les premiers résultats semblent montrer que les flux d’air circulant dans la cavité nasale lors des inspirations successives ont une part prépondérante dans l’entrainement du cerveau. En conclusion, la respiration peut entrainer un large réseau cortical via l’activation du système olfactif par les flux d’air circulant dans la cavité nasale. Le régime respiratoire optimal pour cet entrainement est une respiration lente et profonde. Cette étude est importante pour comprendre le mode d’action des méthodes de relaxation et de méditation sur le cerveau

  • Titre traduit

    Brain rhythms entrainment by respiration in the Rat : an electrophysiological study during sleep-wake cycles


  • Résumé

    Inter-area communication requires the different brain rhythms to be coordinated across areas. This coordination can be achieved by synchronizing electrophysiological rhythms. As others, we hypothesized respiratory rhythm could act as a central clock for cerebral rhythms coordination. If true, one can expect neuronal activity to be influenced by respiration in a large brain network. We tested that by recording respiration and neuronal activity in different brain areas in the freely-moving rat during different vigilance states. In agreement with recent publications, we observed that all structures could be modulated by breathing. We provided the additional observation that such a modulation varies according to the vigilance state, each state being associated with a specific respiratory regime. Particularly, we observed a large-scale synchronization of all recorded structures on the respiratory rhythm is only observable in the calm awake state, where the breathing has a low frequency (2Hz), with a relatively high air flow. At the same time, we also observe a modulation of the fast gamma rhythm (35-80 Hz) in all areas, only in the calm awake state. To determine whether this general respiratory synchronization was a consequence of the state itself or of the respiratory regime, we sought to uncorrelated the brain state of the respiratory regime. Animals were thus recorded while breathing a CO2-enriched air, where the respiratory characteristics (frequency and amplitude) are increased compared to the normal air condition. We observed the across-areas respiratory synchronization observed in quiet state can be extended, under CO2 condition, to other vigilance states including sleep states (REM and non-REM).We show that the coordination of the brain by breathing is related to the combined effect of the amplitude and duration of inspiration. Finally, we wanted to evaluate the respective share of air flows related to breathing and central breathing control on the brain's training by breathing. We uncorrelated the animal's breathing from the air flows in the nasal cavity through a double tracheotomy experiment in the anesthetized animal. The first results seem to show that the air flows circulating in the nasal cavity during successive breaths have a preponderant part in the entrainment of the brain. In conclusion, breathing can lead to a large cortical network via the activation of the olfactory system by the air flows circulating in the nasal cavity. The optimal breathing regime for this training is slow and deep breathing. This study is important to understand how relaxation and meditation methods work on the brain


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