Projet ANR-12-JSV4-0001 – Metabosleep : Les neurones promoteurs du sommeil du VLPO intègrent et modulent l’apport énergétique local
Programme : JCJC - SVSE 4 - Neurosciences (JCJC SVSE 4)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Thierry GALLOPIN (CNRS PARIS B)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 113995.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Identification des neurones du sommeil comme senseurs glucidiqueInfluence du métabolisme sur la régulation du sommeil /La privation de sommeil est associée à des risques accrus d'hypertension artérielle, de diabète, d'obésité, de dépression et de crise cardiaque. Cependant, l'influence directe de l'état métabolique sur l'excitabilité des neurones responsables de l'induction et du maintien du sommeil reste à établir.
Le glucose comme régulateur du sommeilL'objectif de ce projet est de démontrer que les neurones promoteurs du sommeil de l'hypothalamus sont en mesure de détecter et de réguler le statut énergétique localement en répondant aux variations de glucose extracellulaire. Ce mécanisme cellulaire pourrait avoir un impact significatif sur les états de vigilance. Tout d'abord, nous allons caractériser en détail comment les neurones favorisant le sommeil sont capables de sentir le glucose ambiant. Deuxièmement, nous déterminerons ex vivo si l'état énergétique des neurones est  en corrélation avec leur niveau d'excitabilité et si cet état d'énergie est lié aux états de vigilance des animaux. Enfin, nous déterminerons si les neurones favorisant le sommeil pourraient jouer un rôle dans le couplage neuro-vasculaire localement et ainsi réguler l'état métabolique en augmentant l'approvisionnement en énergie.La démonstration d'un effet excitateur direct du glucose sur les neurones responsables du déclenchement du sommeil est important et pourrait sensibiliser le grand public sur les liens entre le sommeil, le métabolisme et la santé. Cette sensibilisation pourrait contribuer à faciliter la prévention de certaines maladies liées à ces troubles du sommeil. Par ailleurs, nos résultats pourraient favoriser le partenariat avec l'industrie pharmaceutique. En effet, mieux comprendre la nature biochimique des neurones du sommeil est crucial et peut conduire à des traitements pour certains troubles du sommeil. Actuellement, il n'existe pas de médicament approprié pour le traitement de l'insomnie chronique. Un partenariat avec des industries pharmaceutiques pourrait être bénéfique en vue de développer un somnifère efficace qui pourrait notamment augmenter sélectivement l'activité des neurones favorisant le sommeil. Ce médicament aurait moins d'effets secondaires et moins de risques de dépendance que les médicaments actuellement sur le marché.
Etudes des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans les effets excitateurs du glucose sur les neurones promoteur du sommeil lentAfin de disséquer les mécanismes neurobiologiques impliqués dans les effets du glucose sur les neurones du sommeil, nous utilisons diverses approches allant de l'électrophysiologie ex vivo sur tissu de cerveau de rongeurs, à l'étude comportementale des états de vigilance chez l'animal libre de ses mouvements. Les méthodes ex vivo utilisées consistent en des enregistrements en patch-clamp de l'activité électrique des neurones promoteurs du sommeil de l'hypothalamus. Afin d'identifier les mécanismes moléculaires mis en jeu, nous utilisons des approches pharmacologiques ex vivo et de biologie moléculaire. L'objectif à terme est d'associer des changements d'états de vigilance identifiées in vivo (quantité éveil/sommeil) à des modifications des voies cellulaires évaluées ex vivo.
Résumé de la soumission : Un nombre important de personnes souffre chroniquement de trouble du sommeil perturbant grandement leur santé et leur qualité de vie quotidienne. De nombreuses études suggèrent que l’une des fonctions physiologiques du sommeil serait de restaurer les réserves énergétiques centrales consommées pendant l'éveil. Or les mécanismes permettant de coupler les états métaboliques à l’activité des structures cérébrales responsables du déclenchement et du maintien du sommeil restent à définir. L'objectif de ce projet est de démontrer que les neurones inducteur du sommeil lent (SL) (premier état de sommeil), localisés dans l’aire préoptique ventrolatérale (VLPO) sont capables de détecter et de réguler le statut énergétique locale. Cette régulation aurait une influence significative sur l’activité de ces cellules et par conséquent sur la régulation des états de vigilance. Nos résultats préliminaires obtenus sur des préparations de tranches de cerveau de souris, montrent que ces neurones promoteurs du SL sont sélectivement excités par une augmentation de la concentration en glucose extracellulaire. Le premier objectif de ce projet sera d’identifier les mécanismes moléculaires mis en jeu dans ce processus (tâche 1). Nous nous attacherons à mettre en évidence le rôle des canaux potassique sensibles à l’ATP (KATP) connus pour coupler le métabolisme cellulaire à l’activité électrique. La détection du glucose ambiant par ces neurones constituerait une voie physiologique inhabituelle à travers laquelle l'approvisionnement en énergie pourrait affecter la régulation des états de vigilance. Nous déterminerons également si les réserves d'énergie intracellulaires, représentées par l'ATP pourraient moduler l'activité des neurones du VLPO et si le statut énergétique de ces cellules est corrélé aux états de sommeil ou d’éveil des animaux (tâches 2). Cette découverte permettrait de démontrer que l’état métabolique des neurones promoteurs du SL est étroitement corrélé à leur excitabilité et par conséquent à l'état comportemental de l'animal. Enfin, nous démontrerons que les neurones promoteurs du SL du VLPO peuvent être capable de réguler l’apport énergétique local (tâche 3). En effet, selon nos données préliminaires, l'activation de ces neurones conduirait à une dilatation des vaisseaux sanguins irriguant le VLPO. Notre hypothèse est que ces neurones seraient capables de libérer du monoxyde d’azote (NO) induisant une dilatation des artérioles irrigant le VLPO. Ce mécanisme pourrait constituer au sein du VLPO une boucle d’auto-excitation permettant de fournir un apport énergétique nécessaire au maintien de l’activité des neurones promoteurs du SL et par conséquent au maintien du sommeil (tâche 3). Au cours de ce projet, nous allons nous concentrer principalement sur la caractérisation des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans l’ensemble de ces phénomènes. Nous utiliserons différentes techniques d’enregistrements électrophysiologiques sur tranches de cerveau de souris maintenues en survie, associés à des techniques de RT-PCR, d’immunohistochimie, d’imagerie et d’ampérométrie. Afin de déterminer l’impact de ces mécanismes sur le cycle éveil/sommeil, nous validerons certaines de ces hypothèses chez des animaux dont les états de vigilances auront été quantifiés grâce à des enregistrements polygraphiques. L’ensemble de ces résultats nous permettra d’établir pour la première fois un lien direct entre le métabolisme cérébral et l’excitabilité des neurones responsables du déclenchement du sommeil. Ces neurones promoteurs du SL du VLPO pourraient alors être considérés comme des senseurs et des régulateurs métaboliques.
Résultats : Les premiers résultats montrent que les neurones responsables du déclenchement et du maintien du sommeil lent de l'hypothalamus sont spécifiquement excités par une élévation de la concentration en glucose extracellulaire. Nous avons d'ores et déjà pu mettre en évidence que ces effets excitateurs du glucose se produisent dans des gammes de concentrations de glucose physiologiques. Nous avons également commencé à disséquer les mécanismes mis en jeu dans ces effets du glucose. Nous avons trouvé que ces effets n'impliquaient pas de modulation de la transmission synaptique afférente aux neurones du sommeil. De plus, les neurones semblent métaboliser directement le glucose extracellulaire sachant que les inhibiteurs des transporteurs au lactate ne bloquent pas les effets excitateurs du glucose. Ces premiers résultats sont donc encourageants quant à la validation de nos hypothèses.
Perspectives : Les conséquences de la fatigue et de la somnolence en termes d’incidents/accidents sont de plus en plus reconnues et les répercussions en terme de santé publique et de qualité de vie ne peuvent plus être niées. Cependant, la connaissance des mécanismes fondamentaux de l’induction du sommeil et de la somnolence dans des situations de sommeil normal et de privation de sommeil reste peu connue. Nos résultats montrent d’ores et déjà que les neurones responsables du déclenchement et du maintien du sommeil lent, sont également des senseurs et des régulateurs métaboliques. Or la perturbation des états de vigilance pourrait affecter ces fonctions neuronales. La démonstration d'un effet direct du glucose sur l’activité des neurones promoteurs du sommeil lent en conditions de sommeil normal et de privation de sommeil permettrait d’approfondir les connaissances fondamentales sur les liens entre le sommeil, le métabolisme et la santé. Dans un cadre plus large, il pourrait également être pertinent à titre préventif pour les personnes à risque d'obésité et de diabète, en plus de la surveillance de l’alimentation et de la réalisation d'exercice physique, de les conseiller en matière de comportement de sommeil. D’autre part, la connaissance des mécanismes responsables de l’apparition et du maintien du sommeil pourrait permettre d’élaborer un somnifère et/ou des molécules éveillantes pouvant agir spécifiquement sur l’activité des neurones du sommeil. En effet, ces types de substances pourraient avoir une action beaucoup plus sélective avec moins d'effets secondaires en comparaison avec les somnifères et/ou les molécules éveillantes actuellement disponibles.
Publications et brevets : Nous allons présenter nos premiers résultats au congrès des neurosciences Américaine en novembre 2013: Identification of sleep-promoting neurons in the ventrolateral preoptic nucleus as glucose-sensing neurones. T. GALLOPIN, C. VARIN, H. GEOFFROY, P. FORT, A. RANCILLAC, 2013, Neuroscience Meeting 2013 SFN, San Diego, USA.