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L’équipe MOBs a été créée par Karim Benchenane (CR1 CNRS) dans le laboratoire Plasticité du Cerveau de l’ESPCI depuis 2012.

Karim Benchenane a une expertise dans le rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire basée sur l’électrophysiologie dans les rongeurs librement mobiles.
Thierry Gallopin (MCF ESPCI) est un expert de l’étude de patch clamp et possède une solide expertise dans l’activité des structures cérébrales responsables de la régulation du sommeil et du sillage et dans la physiologie des interneurones corticaux.

Le but de l’équipe MOB est d’étudier les états du cerveau liés aux différents modes oscillateurs du cerveau et leur rôle dans le traitement de la mémoire, basé sur des approches in vivo et ex vivo.

Le cerveau n’est pas une structure passive qui reçoit, traite, encode et stocke des informations. Au contraire, il montre des oscillations autogénérées à différentes fréquences pendant des périodes qui ont été définies comme des états du cerveau. Les différents états du cerveau sont liés à différents états de vigilance (veille, sommeil REM, SWS) et chaque état est considéré comme lié à différentes étapes du traitement de la mémoire (encodage, consolidation). Nous avons l’intention d’étudier les états du cerveau, leurs modes oscillatoires cérébrales et leur rôle dans le traitement de la mémoire. Cela se fera dans un projet principal qui est financé par une subvention ERC Consolidator et dans trois projets supplémentaires supplémentaires et sera réalisé en utilisant l’électrophysiologie chez des souris librement en mouvement in vivo et en tranche ex vivo, les deux approches étant couplées à des outils opto-génétiques.

Réalisations passées

Création de mémoire artificielle pendant le sommeil

Il est généralement admis que le sommeil joue un rôle crucial dans le processus de consolidation de la mémoire. De nombreuses études ont montré qu’un certain effet positif du sommeil sur la consolidation repose sur les réactions de l’activité cérébrale à partir d’expériences antérieures, survenant lors du sommeil des ondes lentes (SWS).

Au cours du comportement, les cellules de place de l’hippocampe se déchargent lorsque l’animal se trouve dans des endroits particuliers de l’environnement (champs appelés). Les séquences d’activation des cellules de place de l’hippocampe correspondant aux trajectoires précédemment suivies sont « rejouées » au cours de SWS. Pourtant, aucune étude n’a jamais abordé un rôle causal de la lecture sur le comportement ou la mémoire.

Pour résoudre ce problème, nous avons développé une interface cerveau-ordinateur pour détecter en temps réel les potentiels d’action d’une cellule de place et déclencher automatiquement (après chaque détection) des stimulations du faisceau de cerveau antérieur moyen, connu pour simuler une récompense chez les rongeurs et créer une mémoire que le champ de l’endroit était associé à une expérience agréable. Cette stimulation pendant le sommeil a conduit les souris à se diriger directement vers le champ local du neurone lorsque les animaux se sont réveillés, démontrant ainsi que l’association entre place et récompense a été créée pendant le sommeil (de Lavilléon et al., Nat Neurosci 2015).

Cette expérience fournit une preuve directe que l’activité de la cellule de place transmet effectivement l’information spatiale, même pendant le sommeil, en soutenant encore le concept de réactivation. Ce travail a fait un grand pas au-delà des études corrélatives et a montré un rôle causal des cellules place dans la navigation et a été très cité dans la presse populaire et scientifique.

Caractérisation fine de la physiologie du sommeil


Étant donné que plusieurs lignes de preuve montrent que les astrocytes peuvent réguler les oscillations lentes corticales pendant le sommeil, nous avons étudié le rôle des connexines (Cx), constituant principal des jonctions gap et des hémicannels) dans la physiologie du sommeil.

Nous avons d’abord analysé l’oscillation du potentiel de membrane des cellules mitrales dans l’ampoule olfactive ex vivo dans des tranches de souris de type sauvage et double knock-out (dKO) pour CX43 astrocytaire et Cx30. Fait intéressant, l’amplitude de ces oscillations a été diminuée dans les tranches de souris dKO (Roux et al., J Neurosci 2015).

Nous avons également analysé la physiologie du sommeil in vivo par des enregistrements multi-sites (dans plusieurs structures cérébrales, y compris l’ampoule olfactive) chez les souris dKO, soutenant un rôle d’astrocytes dans le sommeil.

Grâce aux enregistrements effectués dans l’ampoule olfactive, nous avons montré que l’oscillation gamma (40-80 Hz) dans l’ampoule olfactive est fortement diminuée pendant le sommeil (à la fois pendant le sommeil non REM et REM) par rapport à l’état éveillé. Cette diminution était assez forte pour pouvoir l’utiliser pour effectuer un score de sommeil avec une précision de 92%. Cela montre que nous pouvons définir le sommeil en utilisant uniquement des signaux cérébraux, tandis que les méthodes précédentes reposent sur des mesures indirectes et difficiles de l’éveil telles que l’activité motrice (suivi vidéo ou EMG).

Enfin, nous avons décidé de caractériser plus en détail la structure du sommeil non-REM. Alors que le sommeil non-REM est traditionnellement subdivisé en humain en 3 étapes appelées N1, N2 et N3, chez les souris, le sommeil non-REM est souvent considéré comme un état homogène. Nous avons montré que ce n’était pas le cas et nous avons pu différencier 3 états qui partagent les mêmes caractéristiques avec les sous-couches de sommeil non-REM humain. Il est important de noter que l’évolution des états de sommeil nouvellement définis sur les cycles de sommeil est similaire chez les rongeurs et les humains, ainsi que la probabilité de transition entre ces étapes. Ces résultats amélioreront la transférabilité des résultats obtenus chez la souris à l’homme en utilisant des méthodologies comparables de score de sommeil.

Étude de la régulation du sommeil basée sur des études de patch-clamp ex vivo

Les activités de recherche menées par Thierry Gallopin ont porté sur la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’initiation et de la maintenance du sommeil non-REM chez la souris.

L’une des principales constatations de l’équipe de Gallopin était l’identification que le glucose peut participer aux mécanismes de promotion et / ou de consolidation du sommeil. En effet, en combinant des expériences in vitro et in vivo, ils ont démontré que le glucose contribue probablement à la facilitation du début du sommeil en augmentant sélectivement l’excitabilité des neurones favorisant le sommeil dans le VLPO par des voies directes et indirectes.

Le premier nécessite la métabolisation intra-neuronale du glucose à l’ATP, ce qui inhibe les canaux de potassium sensible à l’ATP (KATP) conduisant à une dépolarisation de la cellule (Varin et al., 2015).

Le deuxième mécanisme implique l’absorption du glucose par les astrocytes qui conduisent à une libération d’adénosine extracellulaire qui dépolarisent les neurones par l’activation de l’A2AR (Scharbarg et al., 2016). Cette excitation induite par le glucose des neurones favorables au sommeil devrait donc être impliquée dans la somnolence que l’on ressente après un repas à fort sucre. Ce nouveau mécanisme régulant l’activité des neurones VLPO renforce le lien fondamental et intime entre le sommeil et le métabolisme.

Compte tenu du rôle critique de la VLPO dans l’induction et la maintenance du sommeil, la caractérisation de ses populations neuronales est essentielle pour une meilleure compréhension de leur rôle dans la régulation du sommeil.

Sur la base de leur solide expérience dans la caractérisation multiparamétrique de la diversité neuronale GABAergique dans le néocortex (Perrenoud et al., 2012a ; 2012b ; 2013), ils ont défini l’existence de plusieurs sous-populations cellulaires distinctes dans le VLPO (Dubourget et al., 2016 ; Sangare Et al., 2016). Ces différents types de cellules suggèrent une organisation complexe du réseau neuronal dans le VLPO avec des fonctions spécifiques sur la régulation du sommeil.

Enfin, afin de mieux comprendre les mécanismes de la pression du sommeil et les conséquences du manque de sommeil, nous avons développé différentes techniques de privation de sommeil. Ces approches leur ont permis de définir l’impact de la privation et / ou la restriction du sommeil aux niveaux cellulaire, comportemental et cognitif (Chennaoui et al., 2015).

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Publications

Examen par les pairs (2016) 4-Hz oscillations synchronize prefrontal-amygdala circuits during fear behavior. Karalis N, Dejean C, Chaudun F, (...) 

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Equipe

Karim BENCHENANE, Chercheur au CNRS, est à la tête de l’équipe Mémoire, Oscillations et état de vigilance. Chercheurs et Enseignant-Chercheurs Karim (...) 

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