Le rythme respiratoire peut-il constituer un signal global favorisant la communication cérébrale ?

Can the respiratory rhythm be a global signal promoting long-range communication in the brain?

• Auteur / Autrice : Maxime Juventin
• Direction : Nathalie Buonviso, Amat-Pion Corine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Bron ; Saint-Priest-en-Jarez ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : A. Karyn Julliard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Buonviso, Amat-Pion Corine, Michaël Zugaro, Lionel G. Nowak, Frédéric Chavane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Zugaro, Lionel G. Nowak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Connectivité fonctionnelle

Rythmes cérébraux

Respiration

Neurosciences

Mots clés libres

Rythme respiratoire

Rythme cérébraux

LFP

Intracellulaire

Communication longue distance

Respiratory rhythm

Brain rhythm

LFP

Intracellular

Long-range communication

Résumé

Le cerveau est le siège d’une activité rythmique intense, chaque aire cérébrale exprimant un ou plusieurs rythmes. Une question centrale en neurosciences est de comprendre comment ces activités rythmiques peuvent se coordonner à travers des zones très distantes du cerveau pour résoudre des fonctions aussi complexes que la perception de l’environnement, des réponses motrices adaptées ou la formation de mémoires. Une possibilité est que le système utilise une référence temporelle commune, sorte d’horloge centrale, à partir de laquelle les différents réseaux neuronaux impliqués dans une fonction pourraient se coordonner. Nous faisons l’hypothèse que le rythme respiratoire pourrait être l’une de ces horloges centrales, constituant un signal de référence pour la coordination des différentes aires cérébrales. Comme horloge centrale, la respiration présente des avantages majeurs : fiabilité flexibilité, faible. Dans le système olfactif, le lien entre rythme respiratoire et l'activité neuronale est indéniable. La respiration entraîne des oscillations lentes à la fréquence respiratoire, des bursts de d'oscillations rapides et la décharge des neurones. La littérature récente, à laquelle mon équipe participe, a montré que cette influence respiratoire de l'activité neuronale n'est pas restreinte au système olfactif, mais bien au contraire s'étend au cerveau entier (néocortex, amygdale, hippocampe, thalamus). Dans la plupart des aires non-olfactives enregistrées le rythme respiratoire module également la décharge des neurones et les oscillations rapides. Les oscillations lentes liées à la respiration semblent donc bien affecter la dynamique globale du cerveau. Mon projet de thèse est composé de deux parties. Dans un premier temps, de manière à confirmer une influence du rythme respiratoire sur les neurones, j’ai réalisé des enregistrements intracellulaires dans quatre aires non-olfactives chez des rats anesthésiés. Les structures ciblées étaient le cortex préfrontal médian, le cortex somesthésique primaire, le cortex visuel primaire et enfin l’hippocampe. J’ai effectivement pu observer une modulation respiration dans la plupart de ces neurones. La quantification de ces données montre que les évènements de modulation respiratoire sont courts mais observés dans un nombre conséquent de neurones. Ces données apportent aussi la preuve que la modulation respiratoire des diverses aires cérébrales n’est pas uniquement due à de la conduction volumique. Dans un second temps, de manière à étudier la coordination d’aires cérébrales par le rythme respiratoire, j’ai analysé des enregistrements de potentiels de champ locaux (LFP) multisites chez le rat vigile. Les enregistrements contiennent sept aires cérébrales (bulbe olfactif, cortex piriforme antérieur, cortex visuel primaire, cortex préfrontal médian, cortex somesthésique primaire, CA1, gyrus denté) et la respiration. J’ai pu observer des oscillations lentes liées à respiration dans tous les états cérébraux. Mais c’est pendant l’éveil calme que la modulation respiratoire est la plus importante et apparaît dans toutes les aires enregistrées. En parallèle, ces oscillations lentes sont couplées avec plusieurs types d’oscillations rapides. Enfin, j’ai voulu savoir si, lors de l’état d’éveil calme, où les LFP d’un large réseau cérébral sont synchronisés à la respiration, les activités unitaires pouvaient aussi se synchroniser par rapport au signal respiratoire. Pour cela, j’ai mis en place un poste d’enregistrement électrophysiologique chez le rat vigile contraint permettant d’enregistrer de nombreux neurones dans des paires de structures cérébrales avec des « silicon probes ». Le poste est aujourd’hui fonctionnel et j’ai pu enregistrer 6 animaux. Ces dernières données ne seront pas entièrement traitées au moment où je soutiendrai ma thèse. Je présenterai des résultats préliminaires qui nous permettent d’ores et déjà de montrer que la respiration peut synchroniser.

The brain is the site of intense rhythmic activity, each area of the brain expressing one or more rhythms. A central question in neuroscience is to understand how these rhythmic activities can coordinate across very distant areas of the brain to solve functions as complex as environmental perception, adapted motor responses or memory formation. One possibility is that the system uses a common time reference, a sort of central clock, from which the different neural networks involved in a function could coordinate. Today, the existence and nature of this clock are still debated. We hypothesize that the respiratory rate could be one of these central clocks, constituting a reference signal for the coordination of different areas of the brain. As a central clock, breathing has major advantages: reliability (because it is a vital function), flexibility (because it adapts to the needs of the organism), low cost (because it is a rhythm which is not not created specifically for this function). In the olfactory system, the link between respiratory rate and neuronal activity is undeniable. Respiration causes slow oscillations in the respiratory rate, bursts of rapid oscillations (gamma and beta) and the discharge of neurons. Recent literature, in which my team participates, has shown that this respiratory influence of neuronal activity is not restricted to the olfactory system, but on the contrary extends to the entire brain (neocortex, amygdala, hippocampus, thalamus). In most of the non-olfactory areas recorded the respiratory rate also modulates the discharge of neurons and rapid oscillations. The slow oscillations associated with breathing therefore seem to affect the overall dynamics of the brain. My thesis project is made up of two parts. First, in order to confirm an influence of the respiratory rate on neurons, I made intracellular recordings in four non-odor areas in anesthetized rats. The targeted structures were the median prefrontal cortex, the primary somatic cortex, the primary visual cortex and finally the hippocampus. I was able to observe respiration modulation in most of these neurons. The quantification of these data shows that the respiratory modulation events are short but observed in a significant number of neurons. These data also provide evidence that the respiratory modulation of various brain areas is not solely due to volume conduction. In a second step, in order to study the coordination of cerebral areas by the respiratory rhythm, I analyzed recordings of multisite local field potentials (LFP) in the vigilant rat. The recordings contain seven areas of the brain (olfactory bulb, anterior piriformis cortex, primary visual cortex, median prefrontal cortex, primary somatic cortex, CA1, dentate gyrus) and respiration. I was able to observe slow oscillations related to respiration in all brain states. But it is during calm awakening that respiratory modulation is greatest and appears in all recorded areas. In parallel, these slow oscillations are coupled with several types of fast oscillations. Finally, I wanted to know if, during the calm state of wakefulness, where LFPs of a large brain network are synchronized with respiration, unit activities can also synchronize with the respiratory signal. To do this, I set up an electrophysiological recording station in constrained vigilant rats allowing the recording of numerous neurons in pairs of cerebral structures with "silicon probes". The station is now functional and I was able to register 6 animals. These last data will not be fully processed when I am defending my thesis. I will present preliminary results which already allow us to show that respiration can synchronize the unit activities of many cells in even spatially distant regions of the brain.