Implication de la connectivité anatomique dans les caractéristiques des fuseaux de sommeil

Le sommeil est un état de conscience distinct de l’éveil et nécessaire à diverses fonctions du cerveau allant de la métabolisation des déchets dans le système nerveux central jusqu’à la plasticité cérébrale, la mémoire et la performance cognitive. Les fuseaux de sommeil (FS), ces oscillations fusiformes ayant une fréquence qui varie entre 12 et 16 Hz, constituent un marqueur de synchronie neuronale principalement observé dans le sommeil lent. Ils font partie de ces oscillations qui ont été associées à la préservation du sommeil, la consolidation en mémoire et à l’intelligence. Les FS montrent une très grande variabilité intra- et interindividuelle quant à leurs caractéristiques, celles-ci étant d’ailleurs influencées par des facteurs tels que l’âge et le sexe. Les mécanismes neurophysiologiques impliqués dans ces variations demeurent toutefois méconnus à ce jour. Il a été démontré que la génération et la propagation des FS dépendent de la communication entre le thalamus et le cortex et reposeraient sur les fibres de matière blanche (MB) du cerveau. Le but de cette thèse est donc d’investiguer l’implication de la connectivité anatomique par l’analyse de la MB du cerveau, dans la variabilité interindividuelle des caractéristiques des FS. Nous évaluerons également si les différences d’âge et de sexe dans les caractéristiques des FS peuvent être expliquées par la MB. La première étude a évalué si l’intégrité de la MB du cerveau pouvait expliquer les changements d’amplitude et de densité des FS au cours du vieillissement. Une meilleure intégrité de la MB dans les principaux faisceaux connectant le thalamus au cortex frontal a été associée à une plus grande amplitude des FS et de l’activité électroencéphalographique dans la bande de fréquences sigma. Ces résultats ont été observés exclusivement chez les sujets jeunes, suggérant que d’autres facteurs pourraient expliquer les changements de FS au cours du vieillissement. La deuxième étude avait, quant à elle, pour but d’évaluer si la longueur des faisceaux de fibres thalamo-corticales (TC) prédisait la variation interindividuelle de la fréquence et de l’amplitude des FS. Il a été démontré que de plus courts faisceaux de fibres entre le thalamus et les régions frontales prédisaient une fréquence des FS plus rapide. De plus, une analyse de médiation a permis de démontrer que la différence sexuelle observée pour la fréquence des FS était complètement expliquée par l’effet indirect du sexe sur la longueur des faisceaux de fibres de MB. Nos résultats suggèrent donc que l’amplitude et la fréquence des FS reflèteraient des aspects spécifiques des projections de MB sous-jacentes à la boucle TC. De fait, l’amplitude des FS a été associée à l’intégrité des connexions neuronales et à la synchronie des décharges électriques alors que la fréquence des FS a été associée au temps requis à l’influx nerveux pour parcourir la boucle TC et à des mesures quantitatives des projections entre le thalamus et le cortex cérébral. Cette thèse propose donc une première hypothèse neuroanatomique tentant d’expliquer les variations interindividuelles et sexuelles des caractéristiques des FS. Sleep is a state of consciousness distinct from waking and necessary in multiple brain functions ranging from the metabolism of waste products in the central nervous system to brain plasticity, memory, and cognition. Sleep spindles (SS), these fusiform oscillations with a frequency which varies between 12 and 16 Hz, constitute a marker of neuronal synchrony prominently observed during non-rapid eye movement sleep. SS are one of these brain oscillations associated with sleep maintenance, memory consolidation, and intelligence. SS characteristics show an important intra- and inter-individual variability, and are known to be affected by factors such as age and sex. However, the neurophysiological mechanisms implicated in this variability are yet to be discovered. The generation and the propagation of SS depend on the communication between the thalamus and the cerebral cortex which rely on white matter (WM) fibre bundles. The goal of this thesis is to investigate the implication of the anatomical connectivity as assessed through WM, in the inter-individual variability of SS characteristics. We will also evaluate whether the age and sex differences in SS characteristics could be explained by the WM. The first study evaluated whether WM integrity could explain age-related changes in SS amplitude and density. Increased WM integrity in the main WM tracts connecting the thalamus to the frontal cortex was associated with an increased SS amplitude and electroencephalographic signal power in the sigma frequency band. These results were observed exclusively in young subjects suggesting that other factors could explain age-related changes in SS. The second study aimed at evaluating whether the length of the thalamo-cortical (TC) fiber bundles would predict the inter-individual variability of SS frequency and amplitude. We found that shorter fiber bundles between the thalamus and the frontal regions of the brain predicted a faster SS frequency. Moreover, a mediation analysis showed that the sex-related differences in SS frequency was completely explained by the indirect effect of sex on the length of the WM fiber bundles. Our results suggest that SS amplitude and frequency reflect specific aspect of the WM projections underlying the TC loop. Indeed, SS amplitude was associated with the integrity of neuronal connections and the synchrony of nerve impulses, whereas SS frequency was associated with the timing of the nerve impulses in the TC loop and to quantitative measures of WM projections between the thalamus and the cerebral cortex. This thesis therefore brings a first neuroanatomical hypothesis in explaining the inter-individual and sex-related variability of SS characteristics.

Keyphrases: Fuseaux de Sommeil, Polysomnographie, Électroencéphalographie, IRM de diffusion, Matière blanche du cerveau, Imagerie par tenseur de diffusion, Tractographie, Analyse de médiation/modération, Vieillissement normal, Différences sexuelles, Diffusion MRI, Sleep spindles, Polysomnography, Electroencephalography, Brain white matter, Diffusion tensor imaging, Tractography, Mediation/moderation analysis, Normal aging, Sex effects