Exploration du sommeil paradoxal par neuroimagerie ultrasonore fonctionnelle

Exploration of rapid-eye-movement sleep through neurofunctional ultrasound imaging

• Auteur / Autrice : Marta Matei
• Direction : Mickael Tanter, Sophie Pezet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Frontières du vivant
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/06/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique pour la Médecine
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Canini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Tanter, Sophie Pezet, Antoine Bergel, Karim Benchenane, Pierre Pouget, Christelle Peyron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Pouget, Christelle Peyron

Mots clés

Mots clés libres

Sommeil paradoxal

Imagerie ultrasonore

Eeg

Rem

Ultrasound imaging

Eeg

Résumé

Le sommeil est un état complexe dont les troubles sont associés au développement de maladies cardiovasculaires, neurodégénératives ou chroniques comme le diabète de type 2. Le sommeil paradoxal (SP), ainsi qualifié car il réunit des aspects d’éveil (activité cérébrale similaire à celle d’éveil) et des aspects du sommeil (paralysie musculaire totale), a été associé à plusieurs fonctions essentielles comme le développement du cerveau, l’encodage de la mémoire, la gestion des émotions ou encore l’adaptation sociale. De plus, l’éveil, le sommeil et le SP disposent de circuits neuronaux distincts qui s’activent et s’inhibent mutuellement pour passer d’un état à l’autre lors des cycles de sommeil. Les méthodes d’imagerie classiques utilisées pour l’étude de l’activité cérébrale obligent la plupart du temps à faire un choix entre une vision très précise mais sur une petite échelle, ou une vision plus globale mais avec une perte de résolution spatiale ou temporelle qui limite la qualité de l’information obtenue. L’imagerie ultrasonore fonctionnelle (fUS) permet d’obtenir des mesures précises dans le temps et dans l’espace de l’afflux sanguin dans les régions cérébrales, qui permet de renseigner indirectement sur l’activité neuronale par couplage neurovasculaire. Une étude récente chez le rat, combinant des mesures de l’activité électrique du cerveau par enregistrements électrophysiologiques et de l’activité vasculaire par la fUS, a montré, dans un petit nombre de régions cérébrales, la présence d’un afflux sanguin massif spécifique au SP caractérisé par des vagues d’activation vasculaire fortement corrélées à l’activité neuronale. Cette hyperémie massive soulève de nombreuses questions, notamment parce qu’un tel phénomène physiologique doit nécessairement être énergivore alors qu’a depuis longtemps été adoptée l’idée que le sommeil sert aussi de période de conservation, voire de restauration d’énergie. Il nous est apparu crucial de pousser l’observation de ce phénomène à l’ensemble du cerveau, afin de le caractériser dans chacune des régions. On peut alors chercher des patrons d’activation remarquables dans les régions jouant un rôle dans le SP telles que l’hippocampe (encodage de la mémoire), le cortex sensorimoteur (développement cérébral) ou encore les amygdales (gestion des émotions). C’est pourquoi, après avoir remis en place le setup expérimental combinant enregistrements électrophysiologiques et fUS, le premier objectif de ces travaux a été de mesurer l’activité vasculaire dans la quasi-totalité du cerveau du rat lors du SP. Nous avons ainsi pu caractériser et mesurer l’amplitude de l’hyperémie dans plus de 250 régions cérébrales, confirmant sa présence dans l’ensemble du cerveau du rat. De plus, nous avons montré une dichotomie dans les patrons d’activité vasculaire entre les régions corticales et sous-corticales, et nous nous sommes également intéressés à l’afflux sanguin dans les gros vaisseaux. Enfin, l’analyse détaillée de l’activité cérébrale dans les régions a mis en avant une dissociation entre l’activité des amygdales et l’ensemble du cerveau, dépendante de la durée des épisodes de SP. Dans un second temps, l’analyse des résultats de ce premier projet nous a amené à étudier les interactions possibles entre la fUS et le fonctionnement du cerveau pendant le SP. C’est ainsi que le deuxième projet de ces travaux s’est articulé autour de l’impact de l’absorption des ondes ultrasonores à travers différents paramètres de la fUS sur l’architecture du SP. Nous avons pu noter que la tension d’émission des ondes ultrasonores et la position de la sonde pouvaient significativement allonger le temps passé en SP, en augmentant la fréquence des épisodes sans impacter leur durée moyenne. Ces travaux de thèse ont permis une caractérisation bien plus fine des phénomènes vasculaires dans la quasi-totalité du cerveau du rat pendant le SP, en montrant également un impact de l’absorption des ultrasons sur cet état particulier du cerveau.

Sleep is a complex brain state whose disturbances have been linked to the development of cardiovascular diseases, neurodegenerative diseases, or even chronic ones, such as type 2 diabetes. Paradoxical sleep (PS), so called because it combines a wake-like cerebral activity and complete muscle paralysis, has been given several essential functions such as the brain development, memory encoding, emotions processing or even social adaptation. Also, wake, sleep and PS all have distinct neuronal circuits which are mutually activated or inhibited during the wake-sleep cycling through the night. Classical imaging modalities are either very precise but at a very small scale or offer a global overview of brain activity but with a poor spatiotemporal resolution, thus limiting the quality of the acquired data. Functional ultrasound imaging (fUS) allows to combine both a good spatiotemporal resolution and a global view of the brain, which gives an indirect measure of neuronal activity through neurovascular coupling. A recent study in the rat, combining both electrophysiological recordings and fUS showed that there is a massive hyperemia in the few brain regions observed, and that this vascular activity is closely correlated to the neuronal activity. This hyperemia raised a number of questions regarding its function, as it must be of great importance for something so energy consuming to have been kept along evolution, when sleep is considered a state of conservation and even restoration of energy. It appeared crucial to further the observation of the phenomenon to the whole-brain, to characterize it in each brain regions. We can then look for remarkable activation patterns in the brain regions playing a role in PS such as the hippocampus (memory encoding), the sensorimotor cortex (brain development) or even the amygdala (emotions processing). Thus, after re-implementing the experimental setup combining electrophysiological recordings and fUS, the first objective of this work was to measure the vascular activity in almost all of the rat’s brain during PS. We were able to characterize and measure the amplitude of this hyperemia in more than 250 brain regions, confirming its presence in the rat’s whole brain. Moreover, we showed that there is a dichotomy in the vascular activation patterns between the cortical and sub-cortical regions, et we also studied the blood flow in the big vessels. Finally, the detailed analysis of the vascular activity in the different brain regions showed a dissociation between the activity in the amygdala and in the rest of the brain, which depended upon the duration of the PS episodes. The analysis of the data acquired during this first project led to the study of the possible interactions between fUS and brain functioning during PS. Thus, the second project of this work revolved around the impact of the ultrasonic waves’ absorption through the testing of different parameters of fUS imaging on the architecture of PS. We showed that the emitting tension of the ultrasonic waves and the positioning of the probe could significantly increase the time spent in PS, by increasing the frequency of the PS episodes without impacting their mean duration. This thesis work allowed us to precisely characterize the vascular phenomena occurring during PS at the whole-brain scale, showing in the meantime the impact of the ultrasonic waves’ absorption on this peculiar brain state.