Sommeil, synapses et mémoire : un important ménage à trois

Valérie Mongrain

Dre Valérie Mongrain a effectué une maîtrise et un doctorat en sciences neurologiques à l’Université de Montréal, suivi d’un premier postdoctorat à l’Université McGill et d’un second à l’Université de Lausanne en Suisse. Elle est maintenant professeure sous octroi adjointe au département de neurosciences de l’Université de Montréal, directrice du laboratoire de physiologie moléculaire du sommeil du Centre d’études avancées en médecine du sommeil (www.ceams-carsm.ca) et co-directrice de l’axe de recherche neurophysiologie du centre de recherche de l’Hôpital du Sacré-Cœur de Montréal.

Cet article est écrit en collaboration avec Dre Adeline Rachalski. Elle a réalisé un doctorat en neuropsychopharmacologie à l’Université Pierre et Marie Curie à Paris au sein de l’équipe de Joëlle Adrien. Elle a ensuite poursuivi sa carrière en recherche à Montréal où elle a effectué deux formations postdoctorales à l’Université McGill. À l’automne 2012, elle a rejoint le laboratoire de Dre Valérie Mongrain afin d’étudier le rôle des protéines d’adhésion de la synapse dans la régulation de l’éveil et du sommeil.

 

Rien n’équivaut à une bonne nuit de sommeil pour mieux apprendre! Un vieil adage de grand-mère fort utile avant les examens! La communauté scientifique est unanime sur les effets bénéfiques du sommeil pour la mémoire et l’apprentissage, mais quels sont les mécanismes sous-jacents? Dans cet article, nous vous présenterons les principaux éléments qui sont vraisemblablement à l’origine de cette relation fondamentale, puis nous décrirons nos intérêts de recherche spécifiques. Commençons donc par l’exploration du sommeil!

Le sommeil, comment l’identifie-t-on?

Avant de pouvoir évaluer les mécanismes qui sont à la base des effets bénéfiques du sommeil sur le fonctionnement du cerveau, il faut comprendre ce qu’est le sommeil et comment il est organisé. Le sommeil occupe environ un tiers de la journée humaine chez un adulte en bonne santé. Il y a plus d’un siècle, les chercheurs pensaient que le sommeil représentait un phénomène passif, c’est-à-dire un état qui est plutôt caractérisé par l’absence d’activité, et qui permettait de mettre le corps et le cerveau au repos. Cependant, depuis, la découverte de nombreuses modifications physiologiques et surtout l’enregistrement des ondes cérébrales par électroencéphalogramme (EEG) ont permis de comprendre qu’il n’en est rien!

Ainsi, l’enregistrement de l’activité cérébrale par EEG a permis d’identifier différents stades de sommeil (Figure 1). L’activité EEG est émise par les cellules nerveuses ou neurones de la couche supérieure du cerveau, le cortex cérébral. L’EEG enregistre l’activité électrique d’un très grand nombre de neurones se trouvant sous l’électrode d’enregistrement. Pendant l’éveil, l’activité EEG est plutôt rapide et on retrouve en majorité de l’activité dite bêta et gamma constituée de fréquences de plus de 16 Hz (ou 16 pics par seconde). Quand le sommeil apparaît, l’activité EEG ralentit et est dominée par l’activité thêta (4-8 Hz). Il s’agit du sommeil lent, qui inclut les stades de sommeil 1 et 2. Lorsque le sommeil est bien installé, il devient plus intense et l’apparition d’ondes delta (1-4 Hz) de grande amplitude caractérise le sommeil profond. La quantité d’ondes delta et leur amplitude dépendent de la durée de la période d’éveil précédente. Ces ondes ont donc été associées à l’aspect récupérateur du sommeil.

Ces phases de sommeil sont généralement suivies par le sommeil paradoxal, qui représente le support physiologique des rêves vivides que l’on connaît. Pendant le sommeil paradoxal, il y a un relâchement musculaire et l’activité cérébrale EEG est rapide et proche de celle de l’éveil (Figure 1). La succession des stades de sommeil lent, profond et paradoxal constitue un cycle de sommeil et une nuit de sommeil typique contient entre 3 et 7 cycles. Mais attention! Les cycles en début de nuit contiennent plus de sommeil profond tandis que ceux en fin de nuit contiennent plus de sommeil paradoxal. De plus, le sommeil qu’on dit « normal » varie au cours de l’existence et diffère entre les individus. Voilà pourquoi il est impossible d’identifier un horaire de sommeil parfait ou une durée de sommeil idéale qui conviendraient à tous.

Synapses : pour que les cellules du cerveau se parlent

Les neurones communiquent par des structures spécialisées appelées synapses. Celles-ci peuvent être vues comme des boutons pression : les deux neurones s’attachent très fortement sur une zone délimitée. Le neurone qui émet l’information est appelé présynaptique. Il va produire des molécules chimiques appelées neurotransmetteurs qu’il va entreposer dans des petits compartiments appelés vésicules, comme un médicament dans une gélule. En fonction de l’activité électrique de ce neurone, les vésicules vont s’ouvrir et libérer les neurotransmetteurs dans la fente synaptique (mince espace entre les deux neurones). Les neurotransmetteurs vont par la suite se coller sur des protéines spécialisées appelées récepteurs présentes sur le neurone postsynaptique (celui qui reçoit l’information). Ce système de neurotransmetteurs/récepteurs est très précis car chaque neurotransmetteur va s’attacher sur un ou plusieurs récepteurs de façon très spécifique, un peu comme une clef dans une serrure!

Nos synapses ne sont pas statiques! Elles s’adaptent tout au long de notre vie pour répondre aux besoins du cerveau : certaines vont disparaître, car elles sont inutiles, alors que d’autres vont apparaître ou être renforcées. Ainsi, au niveau d’une seule synapse, la force de transmission du signal peut être modifiée. Par exemple, pour augmenter ou diminuer la transmission de l’information, le nombre de vésicules relâchées peut être augmenté ou diminué, respectivement. De plus, le nombre et le type de récepteurs au niveau postsynaptique peuvent aussi être modifiés. Ce phénomène est crucial pour l’apprentissage et la mémoire, et s’appelle la plasticité synaptique.

La mémoire

Et pour la mémoire? Elle se décompose généralement en trois phases : l’encodage (enregistrement de l’information), la consolidation (entreposage de l’information de manière stable) et la récupération (réactivation des souvenirs). Dans le cerveau, la mémoire implique plusieurs structures cérébrales qui dépendent du type d’apprentissage. Certaines structures sont plus systématiquement impliquées comme l’hippocampe (dont la forme est similaire à celle du « cheval de mer ») et le cortex qui établissent des réseaux de connexions entre les neurones en fonction de chacune des phases de la mémoire.

Or, l’établissement des réseaux de connexions qui sous-tendent la mémoire suppose une modification de circuits cérébraux et ainsi des changements de la communication entre les cellules nerveuses, donc dans les propriétés des synapses. Ces changements de communication entre les neurones mettent en place le phénomène de plasticité synaptique que nous venons de décrire (voir section précédente). Par exemple, un enfant qui apprend à faire du vélo va mettre en place des circuits particuliers pour la coordination des mouvements avec la vue, le renforcement de l’équilibre, etc. L’enfant va pratiquer quelques heures ou jours sur son vélo jusqu’à ce qu’il soit autonome, mais cet apprentissage, et même les souvenirs associés, lui restera tout au long de sa vie! Cela signifie que les circuits neuronaux et les synapses sous-jacentes ont été renforcés par la répétition de l’activité ainsi que par le rappel de ces souvenirs à chaque utilisation du vélo.

La plasticité est donc essentielle pour toutes les étapes de la mémoire afin d’assurer une communication optimale dans les réseaux de neurones et ce, sur une longue période de temps.

Sommeil pour se souvenir

Mais pourquoi relier sommeil et mémoire? L’intérêt des chercheurs pour la relation entre sommeil et mémoire ne date pas d’hier! En effet, Jenkins et Dallenbach en 1924 montraient que des étudiants ayant appris des syllabes dénuées de sens les avaient mieux retenues lorsque la consolidation de leur mémoire se faisait en incluant une période de sommeil plutôt que simplement d’éveil. Cependant, les moyens de l’époque ne permettaient pas de comprendre les mécanismes responsables d’une telle relation. La caractérisation des ondes du sommeil et des structures cérébrales mises en jeu dans ces deux fonctions ont permis de mieux comprendre comment le sommeil peut influencer la mémoire. La compréhension de cette relation devient essentielle de nos jours où trop de personnes ne dorment pas assez et accumulent une dette de sommeil.

 

Alors, comment le sommeil nous permet-il d’apprendre et de retenir l’information de notre environnement? Tout d’abord, durant l’éveil, le cerveau est exposé à une variété d’informations qu’il va encoder avec différentes forces. Pour ce faire,  les circuits neuronaux vont être activés et vont mettre en place de la plasticité synaptique afin d’engendrer l’augmentation de la force des synapses activées ainsi que la formation de nouvelles synapses entre les neurones qui communiquent abondamment (Figure 2). Cependant, les réseaux neuronaux ne peuvent pas augmenter en force indéfiniment, car il y a tout de même une limite d’espace et d’énergie dans le cerveau. De plus, les informations codées ne sont pas toutes nécessaires et beaucoup de synapses sont répétitives ou inutiles. C’est là que le sommeil intervient!

D’une part, durant le sommeil lent et le sommeil paradoxal, le cerveau est isolé de son environnement. Il n’est donc pas soumis à de nouvelles informations et peut se consacrer à la gestion des informations acquises durant la journée. Ceci permet aux structures du cerveau impliquées dans la mémoire, tels l’hippocampe et le cortex, de reproduire les schémas d’activités neuronales qui ont été mis en place lors d’un apprentissage. Cette étape, qui dépend des réarrangements au niveau des synapses, semble essentielle pour sélectionner et fortifier les circuits importants et consolider les informations acquises dans les réseaux de neurones. En quelque sorte, notre cerveau répète l’apprentissage afin de fortifier nos synapses, et ce, sans que nous n’ayons aucun effort à faire!

D’autre part, le sommeil, et probablement plus le sommeil lent, permet de faire le ménage dans le cerveau. Effectivement, pendant ce stade de sommeil où l’on retrouve les ondes delta de grande amplitude, l’activité des neurones est synchronisée, ce qui veut dire que les neurones émettent non seulement de l’activité électrique en même temps, mais également qu’ils font la pause tous au même moment! Cette synchronie servirait non seulement à fortifier les connexions importantes, mais également à éliminer ou à réduire le nombre ou la taille des synapses moins utiles (Figure 2). Elle favorise donc l’instauration de la mémoire, mais nous permet aussi d’oublier. Oublier, heureusement, ce qui ne nous est pas utile! C’est ce qui permet probablement au cerveau de récupérer et de revenir à un état qui demande moins d’énergie et surtout, qui permet d’apprendre à nouveau!

Le bémol dans tout cela : les mécanismes, soit les gènes et les molécules impliquées, par lesquels le sommeil va influencer la force des synapses et donc des réseaux neuronaux sont encore largement méconnus.

Un mécanisme pour que les synapses récupèrent 

Il y a plusieurs mécanismes qui ont été identifiés par lesquels la force synaptique peut être changée. Ainsi, la force des synapses peut être modifiée non seulement en changeant leur nombre, mais aussi en changeant la quantité de vésicules synaptiques relâchées ou celle des récepteurs présents au niveau postsynaptique (voir aussi section Synapses : pour que les cellules du cerveau se parlent). Parmi les molécules impliquées dans ces changements, on retrouve les molécules d’adhésion de la synapse. Ces protéines spécifiques, dites d’ancrage, ont un rôle primordial de plusieurs manières. Premièrement, ces molécules joignent les deux extrémités de la synapse et donc, relient les deux cellules nerveuses physiquement. Un peu comme les attaches entre les wagons d’un train! Deuxièmement, les études récentes ont montré que ces protéines participent à la formation des synapses et à l’établissement de l’efficacité de la communication à la synapse. Et le plus important, ces molécules d’adhésion de la synapse sont requises pour permettre des changements dans la force des synapses. Ces molécules peuvent, en effet, modifier la relâche de messagers ou le fonctionnement des récepteurs et ce, en fonction de l’activité neuronale.  

Les molécules d’adhésion de la synapse les mieux décrites sont celles du système neurexines/neuroligines. Les neurexines lient les neuroligines afin de favoriser la formation de synapses. De plus, ces molécules participent au recrutement de récepteurs à la synapse (Figure 3). Parmi ces dernières, la neuroligine 1 semble avoir une implication primordiale dans la plasticité synaptique. À titre d’exemple, l’absence de la neuroligine 1 chez les rongeurs engendre des déficits de plasticité de la synapse et aussi des troubles de mémoire et d’apprentissage. Ce qui est le plus intéressant est que les déficits observés chez ces animaux sont très similaires à ceux observés après un manque de sommeil aigu chez l’humain (par exemple une nuit blanche). Et bingo! Nous voilà ainsi devant un mécanisme qui pourrait expliquer les effets néfastes du manque de sommeil sur le fonctionnement de notre cerveau.

Depuis 2010, l’équipe de notre laboratoire étudie donc l’implication de la neuroligine 1 dans l’aspect récupérateur du sommeil. Dans un premier temps, nous avons observé que l’éveil prolongé diminue l’expression du gène de la neuroligine 1 et la quantité de protéine neuroligine 1 spécifiquement à la synapse. Comme la neuroligine 1 est impliquée dans la plasticité, ceci explique pourquoi l’éveil prolongé a un impact négatif sur la capacité de moduler la force des connexions synaptiques, et ainsi sur la mémoire et l’apprentissage. En parallèle, nous avons découvert que les animaux n’ayant plus de neuroligine 1 présentent des troubles à maintenir l’éveil et une augmentation de leur sommeil à ondes lentes. De plus, ces animaux sont très difficiles à maintenir éveillés et ont une réponse EEG altérée suite à l’éveil prolongé. Ainsi, nous continuons à explorer le rôle de la neuroligine 1 dans les phénomènes de plasticité au cours de l’éveil et du sommeil. En ciblant cette molécule, qui fait le pont entre l’activité neuronale et le fonctionnement de composantes cruciales comme les récepteurs à la synapse, nous comprenons mieux comment le manque de sommeil affecte la mémoire.

En somme, l’importance du sommeil dans la mémoire passe par la capacité de cet état à moduler la force des circuits neuronaux dans le cerveau. Comme si le sommeil agissait à titre de contrôleur fin des lignes à haute tension! Ainsi, durant l’éveil, la forte activité neuronale, en grande partie due aux stimulations de l’environnement, va augmenter la connectivité générale du cerveau, mais engendrer une situation de saturation. Cette situation provient d’une régulation négative de certaines molécules de la synapse, telle que la neuroligine 1. Le sommeil est par la suite essentiel pour sélectionner et consolider les apprentissages importants et restaurer le fonctionnement des éléments de la synapse qui donnent au cerveau cette capacité d’adaptation unique et indispensable.

Sources de financement

Dre Mongrain bénéficie d’une bourse salariale Chercheur-boursier Junior 1 des Fonds de la recherche du Québec – Santé (FRQS). Le financement de ce projet spécifique est assuré par une subvention de fonctionnement des Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC).

 

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