Physiologie du sommeil et de la vigilance, troubles de conscience

Définition du sommeil

• C’est un état physiologique périodique et réversible, caractérisé par une diminution de l’état de conscience et une limitation des processus perceptuelles. Il évolue selon un rythme circadien de 24 heures

• Il dure un tiers de notre vie

• le scaphandre et le papillon est syndrome d’enfermement dans lequel des gens sont paralysés dans leur corps mais qui sont tout à fait conscient d’eux et de l’environnement en ayant un état d’éveil normal

La composition de l’état de conscience

• deux éléments importants

  • arousal: qui signifie éveil/être en éveil au niveau du tronc cérébral et donc la respiration

  • Awareness: qui signifie vigilance qui est la conscience de soi et de l’environnement

Le sommeil comme fonction vitale

• le sommeil est une fonction vitale car il permet d’ajuster le niveau de régulation énergique permettant de conserver l’énergie

  • Diminution du métabolisme basale de 5–25 %

• Il permet par exemple de maintenir la température corporelle des mammifères qui sont des êtres homéotherme (maintien de la température constante), ce qui coûte beaucoup d’énergie qui sera récupérée dans le sommeil. Ceci explique donc que la température humaine est la plus basse entre 2h et 4h du matin car c’est svt associé au pic de mélatonine

  • Ce qui est différent chez les serpents qui sont ectothermes, ce qui signifie qu’ils sont influencé par la température extérieure donc on des cycles de sommeil beaucoup plus court et beaucoup plus simple

• Ainsi plus on se complexifie dans l’évolution des espèces plus on a des sommeils avec des états différents complexes

le sommeil comme fonction restauratrice

• Le sommeil fixerait une limite à la dépense métabolique

  • principales réserves énergétiques du cerveau : le glycogène

  • Glycogène surtout dans les astrocyte : cellule de soutien

• au niveau des astrocyte, ce qui se passe c’est que l’ATP va progressivement se dégrader en AMP

• Cette AMP est convertie en adénosine qui s’accumule car les êtres humains ne savent pas le transformer de nouveaux en ATP

• L’adénosine augmente la pression de sommeil, donc permet le sommeil

  • Donc quand vous prenez un café, l’adénosine diminue

• Ainsi c’est surtout l’astrocyte qui permet la restauration de l’énergie et des stocks en glycogene

Les trois fonctions clés du sommeil

• Les processus de restauration

• Le processus de développement, on dit souvent quand l’enfant dort, il grandit, c’est parce qu’il y a une production de cortisol la nuit qui est régulée par le sommeil

• Le processus cognitif, par exemple durant la carence de sommeil, la mémoire est moins bonne

Le sommeil a un rôle sur l’immunité

• pendant le sommeil il y a la formation de tout ce qui est mémoire immunologique et aussi production des cytokines Pro inflammatoire

• La mémoire immunologique se traduit par l’expression de médiateurs de la réponse immunitaire adaptative

  • C’est pendant le sommeil lent, qu’il y a au augmentation de la production de cytokines pro inflammatoire et activation des lymphocytes T qui permet une meilleure réponse immunitaire en journée

• L’immunité a aussi un rôle dans le sommeil :

  • L’inflammation perturbe la structure du sommeil: diminution du sommeil paradoxale et augmentation du sommeil lent mais si trop d’inflammation diminution du sommeil paradoxal et du sommeil lent (comme pour les personnes qui ont une maladie chronique inflammatoire)

  • Privation de sommeil: baisse de l’efficacité vaccinal, augmentation susceptibilité aux infections et aux maladies inflammatoires

le sommeil a un rôle dans l’apprentissage

• le sommeil paradoxal est impliqué dans la consolidation de la mémoire procédurale (implicite)

• Le sommeil lent, profond et impliqué dans la consolidation de la mémoire épisodique (explicite)

• Pendant l’éveil: apprentissage et expérience renforcent les synapses augmentant globalement leur poids et la consommation d’énergie, cela signifie que lorsqu’on apprend quelque chose la journée, la nuit il va y avoir un nettoyage de nos synapses, certaines vont disparaître et d’autres vont rester

• Pendant le sommeil on a également une activité oscillatoire rapide dans l’hippocampe et un renforcement des connexions avec le néocortex car la mémoire court terme passe dans l’hippocampe mais la mémoire à long terme doit passer dans le neo cortex pour pouvoir rester dans le cerveau, il y a donc un transfert de l’information de l’hippocampe au neocortex

• Par ailleurs un faible niveau de stress est donc d’ACTH, de cortisol consolide la mémoire épisodique au cours du sommeil, mais quand il y a trop d’ACTH ou trop de cortisol ça génère des troubles au niveau de la mémoire

Le sommeil a un rôle d’élimination des déchets

• le but du sommeil est de faire du nettoyage pendant la nuit : il permet l’élimination des déchets du système nerveux et système glymphatique

  • Système principalement actif en sommeil lent, équivalent du système lymphatique des tissus périphériques

• Le but de ce système glymphatique est d’éliminer les peptide Tau et Beta-amyloïde présent dans

  • Maladie d’Alzheimer

  • Après privation de sommeil chez l’humain

Les autres effets du sommeil

• effet métabolique

• Effet vasculaire

• Prise de poids

• Diabète de type deux

• Hypertension artérielle

• Conséquence thymique

Organisation du sommeil

• le sommeil nocturne a une organisation cyclique avec une répétition de période comportant chacun quatre stades de sommeil avec alternance de deux stades:

  • Sommeil paradoxal : le cerveau est halluciné, et le patient reste paralysé

    • Dans la maladie de Parkinson par exemple les patients ont une perte d’atonie, une perte de paralyse du corps et donc ils miment le rêve dans le sommeil paradoxal

  • Sommeil lent : c’est le sommeil ou longueur d’un tonus mais le cerveau inactif

Représentation d’une nuit de sommeil

• se fait avec un hypnogramme qui passe par différents cycles: 3 à 5 cycle par nuit et un cycle dure entre 90-120 min.

• Les cycles diffèrent quand on est enfant, on dort plus, les cycles sont plus courts et les micro réveil plus fréquents qui peuvent aller jusqu’à 10 par heure

• Les micros réveils chez l’adulte sont variables en fonction de l’âge

• Ici sur le graphique qui enregistre une nuit de sommeil :

  • N1 : sommeil lent/léger : activité du cerveau se ralentit

  • N2 : sommeil Lens/léger : se ralentit encore plus

  • N3 : sommeil lent/profond

  • Puis sommeil paradoxal

  • Enfin le patient doit s’endormir

• normalement on doit s’endormir en sommeil lent et progressivement on a moins de sommeil lent en deuxième partie de nuit pour avoir plus de sommeil paradoxal

Hypnogramme

• est le résultat graphique obtenu à partir de la polysomnographie

• c’est fait grâce a des capteurs sur le patient

  • Électrodes sur la tête pour enregistrer l’activité cérébrale pour savoir si il y a eu des troubles respiratoires

  • Capteur sur les yeux pour voir si ils les bougent

  • EMG : enregistrement du tonus musculaire du menton

  • Respiratoire pour mesurer la diminution débit respiratoire ou l’apnée du sommeil

La polysomnographie

• La polysomnographie est le gold standard de l’exploration du sommeil. Réalisée grâce à un polysomnographe, elle enregistre simultanément

  • l’activité cérébrale (EEG),

  • les mouvements oculaires (EOG),

  • l’activité musculaire (EMG),

  • ainsi que la respiration, le rythme cardiaque et parfois l’oxygénation sanguine.

• La nuit est divisée en époques de 30 secondes durant lesquelles les rythmes EEG sont analysés afin de déterminer les différents stades du sommeil.

  • Rythme alpha : 8–13 Hz (≈ 12 cycles/s) → rythme de veille calme, yeux fermés

  • Rythme thêta : ralentissement de l’activité cérébrale → endormissement et sommeil lent léger (N1)

  • Fuseaux de sommeil : activité rapide 11–16 Hz au stade N2 → produits par le thalamus, rôle dans la mémoire et l’apprentissage

  • Complexes K : grandes ondes caractéristiques du stade N2

  • Ondes delta : ≈ 3 cycles/s (< 4 Hz) → sommeil lent profond (N3)

  • Rythme bêta : rythme rapide → augmenté notamment sous benzodiazépines

  • Rythme gamma : très rapide → surtout visible sur EEG intracérébraux, rare en polysomnographie classique

Le sommeil évolue avec l’âge

• À la naissance

  • Pas de distinction entre sommeil paradoxal et sommeil lent

  • Cerveau en pleine maturation

  • Sommeil très désorganisé : dort, se réveille, redort de façon non cyclique

  • Acquisition des fuseaux de sommeil vers 4 mois → signe de maturation normale

• Évolution du sommeil chez l’enfant

  • Le sommeil devient progressivement plus organisé et complexe

  • Le sommeil agité devient le sommeil paradoxal

  • Le sommeil calme devient le sommeil lent

  • Diminution progressive du sommeil paradoxal durant la journée

  • Les siestes persistent jusqu’à environ 4–6 ans

  • Les enfants ont besoin de beaucoup dormir car ils grandissent pendant le sommeil

Sommeil lent profond

• Très important chez l’enfant

• Présence de grosses ondes lentes (delta)

• Maximum vers 4–6 ans

• Diminue progressivement à l’adolescence

• Modification de l’architecture du sommeil avec l’âge

Cycles du sommeil

• Chez l’enfant : cycles plus rapides que chez l’adulte

• Progressivement acquisition d’un sommeil plus continu et stable

Synchronisation du sommeil

• Avec l’âge, le sommeil se synchronise grâce :

  • à la lumière

  • aux horaires réguliers

  • aux repas

  • au cycle veille/sommeil

→ Les siestes diminuent progressivement car la veille augmente.

Variabilité interindividuelle

• Temps de sommeil

  • Dormeur moyen : ≈ 7 h 30

  • Court dormeur : < 6 h

  • Long dormeur : > 9 h

→ Déterminé en partie génétiquement
→ Physiologique, pas pathologique

• Chronotype

  • Couche-tôt = chronotype matinal

  • Couche-tard = chronotype vespéral

• Adolescents

  • Tendance physiologique au retard de phase

  • Difficultés à s’endormir tôt et à se lever tôt

• Sujet âgé

  • Tendance à l’avance de phase

  • Réveil très matinal

Les structures impliquées dans le sommeil

• hypothalamus

• Le formation réticulée

• Les neurotransmetteurs

Hypothalamus

• L’hypothalamus est une structure importante dans la régulation du sommeil et de l’éveil.

• Les travaux de Constantin von Economo pendant la grippe espagnole de 1918 ont montré que certaines lésions de l’hypothalamus modifiaient fortement le sommeil.

  • Les personnes qui présentaient des lésions de l’hypothalamus postérieur souffraient d’une hypersomnolence, ce qui a permis de comprendre que cette région correspond au centre de l’éveil.

  • À l’inverse, les personnes ayant des lésions de l’hypothalamus antérieur présentaient des insomnies, ce qui montre que cette partie joue un rôle essentiel dans le sommeil.

• L’hypothalamus participe donc à l’équilibre entre les périodes de veille et les périodes de sommeil.

La formation réticulée

• La formation réiculée est une structure située dans le mésencéphale, dans la partie supérieure du tronc cérébral.

• Elle correspond au système réticulaire activateur ascendant, qui joue un rôle fondamental dans la vigilance et l’éveil.

• Cette structure envoie des informations vers le thalamus, qui active ensuite le cortex cérébral afin de maintenir le cerveau éveillé et attentif.

• Les expériences ont montré qu’une lésion de la formation réticulée peut provoquer un coma, tandis que sa stimulation entraîne un éveil intense.

• La formation réiculée est donc indispensable au maintien de l’état de conscience et de vigilance.

Les neurotransmetteurs de l’éveil

• Plusieurs neurotransmetteurs participent au maintien de l’éveil et de la vigilance.

  • La noradrénaline, produite notamment dans le locus coeruleus, joue un rôle important dans l’activation du cerveau.

  • L’acetylcholine, située dans la région mésopontine, participe également à l’état d’éveil.

  • La sérotonine, produite dans le raphé dorsal, intervient aussi dans la régulation de l’humeur et du sommeil ; certains antidépresseurs agissent d’ailleurs sur ce neurotransmetteur.

Le sommeil lent

• Le sommeil lent dépend principalement d’une structure située dans l’hypothalamus appelée noyau ventro-latéro pré-optique (VLPO).

• Cette structure favorise l’endormissement et le maintien du sommeil lent grâce au GABA, un neurotransmetteur inhibiteur du cerveau.

• Des expériences réalisées chez le chat ont montré que

  • lorsqu’on détruit le VLPO, le sommeil disparaît.

  • En revanche, lorsqu’on injecte un agoniste du GABA, le sommeil réapparaît.

• Cela montre que le VLPO et le GABA sont essentiels au sommeil lent.

Le sommeil paradoxal

• Le sommeil paradoxal ne survient jamais directement après l’éveil.

  • Il est toujours précédé par une phase de sommeil lent.

• Le sommeil lent inhibe d’abord les structures responsables du sommeil paradoxal, puis un mécanisme de bascule appelé “switch” permet ensuite l’activation des noyaux responsables du sommeil paradoxal.

• Un endormissement direct en sommeil paradoxal est considéré comme pathologique et peut orienter vers une maladie du sommeil, comme la narcolepsie, sauf en cas de privation importante de sommeil.

• Pendant le sommeil paradoxal, les neurones appelés “SP-on” activent des neurones glycinergiques.

  • Ces neurones inhibent ensuite les motoneurones, ce qui provoque une atonie musculaire, c’est-à-dire une paralysie musculaire temporaire caractéristique du sommeil paradoxal.

  • Cette atonie empêche normalement le corps de reproduire les mouvements des rêves.

• Lorsque cette inhibition disparaît, la personne peut “mimer” ses rêves avec des mouvements anormaux pendant le sommeil. Ce phénomène peut être observé dans certaines maladies neurologiques comme la Maladie de Parkinson.

La régulation du sommeil

• le rythme circadien

• Les synchronisateurs externes

• Le processus homéostasique

Le rythme circadien

• Le rythme circadien correspond à notre horloge biologique interne.

• Il règle les périodes d’éveil et de sommeil sur environ 24 heures.

• Ce rythme fonctionne principalement grâce à la mélatonine, hormone impliquée dans la régulation du sommeil et de la température corporelle.

• Le rythme circadien est synchronisé avec la lumière, les informations lumineuses sont captées par l’œil ainsi que par des neurones à mélanopsine, qui sont des cellules spécialisées non visuelles sensibles à la lumière.

• Ces informations sont ensuite transmises au noyau suprachiasmatique, situé dans l’hypothalamus, cette structure agit comme le chef d’orchestre des rythmes biologiques.

• Le noyau suprachiasmatique envoie ensuite des informations à l’épiphyse, qui produit la mélatonine.

  • Lorsque la lumière diminue, la production de mélatonine augmente, ce qui favorise l’endormissement.

  • À l’inverse, la lumière inhibe la sécrétion de mélatonine et favorise l’éveil.

Rôle global du rythme circadien

• Le rythme circadien ne régule pas uniquement le sommeil. Il influence également :

  • la température corporelle ;

  • les sécrétions hormonales ;

  • l’activité motrice ;

  • les performances cognitives ;

  • la mémoire ;

  • certaines fonctions autonomes.

• Le pic de sécrétion de mélatonine coïncide avec le moment où la température corporelle est la plus basse, généralement vers 5 heures du matin, à ce moment, la pression circadienne favorisant le sommeil est maximale.

Les synchronisateurs externes

• Également appelé donneurs de temps

• Le principal synchronisateurs est l’alternance lumière/obscurité mais il existe des synchronisateurs sociaux et comportementaux : les horaires de repas, le rythme professionnel et les diverses obligations quotidiennes

• Une désynchronisation une mauvaise hygiène de ce bonheur de temps et l’une des codes principal d’insomnie chez l’enfant

• Cependant ce cycle a tendance à se décaler progressivement chaque jour c’est ce que l’on appelle le rythme libre cours

  • Ce phénomène s’observe également en clinique certaines personnes aveugles, chez qui les cellules rétinienne à melanopsine responsable de la transmission du signal lumineux à l’horloge biologique absente ou non fonctionnelle

Le processus homéostatique

• Le sommeil est régulé par un mécanisme homéostatique dépendant de l’adénosine, une molécule qui s’accumule progressivement dans le cerveau au cours de l’éveil et qui est éliminée pendant le sommeil.

• Ainsi, plus la durée d’éveil est longue, plus la pression de sommeil augmente, ce qui explique la somnolence après une privation de sommeil prolongée, comme lors d’une garde de 24 heures.

• Après une privation de sommeil, l’organisme met en place un mécanisme de compensation la nuit suivante : on observe une augmentation du sommeil lent profond, objectivée par une hausse de l’activité à ondes lentes (SWA).

  • Ce phénomène correspond à une “récupération” de la dette de sommeil, permettant d’optimiser la restauration des fonctions cérébrales.

• Par ailleurs, le sommeil et l’éveil ne sont pas des états progressifs mais des états stables organisés en zones : certaines zones du sommeil rendent le réveil difficile, tandis que certaines zones d’éveil rendent l’endormissement quasi impossible.

• Enfin, les siestes tardives, notamment après 18h, peuvent perturber cette organisation en modifiant la pression de sommeil et la qualité de l’endormissement nocturne.