Les neurones promoteurs du sommeil du VLPO intègrent et modulent l’apport énergétique local – Metabosleep

Afin 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. Enfin, la démonstration fonctionnelle des effets excitateurs du glucose sur le sommeil a été réalisée grâce à des enregistrements polysomnographiques couplant l’électroencéphalogramme (EEG) et l'électromyogramme (EMG). Cette méthode permet de caractériser les états de vigilance des souris au cours du temps ainsi que les effets sur le cycle veille-sommeil de l’injection de glucose dans le VLPO.

Nos résultats montrent que chez la souris, les neurones responsables de l'apparition du sommeil situé dans le VLPO sont sélectivement excités par une augmentation de la concentration de glucose extracellulaire. En effet, seules les neurones possédant les propriétés des neurones promoteurs du sommeil lent du VLPO sont sensibles aux variations de la concentration en glucose. Cette découverte importante est renforcée par notre analyse des mécanismes moléculaires sous-jacents, révélant que ces neurones du sommeil peuvent être considérés comme des «senseurs« glucidiques. Afin de démontrer la pertinence physiologique de notre découverte, nous avons montré qu’in vivo chez la souris, la perfusion de glucose dans le VLPO induit une augmentation de la quantité de sommeil et une diminution de la latence d'apparition du sommeil. L'ensemble de ces résultats suggère que l'excitation induite par le glucose des neurones favorisant le sommeil devrait être impliqué dans la somnolence que l'on ressent après un repas sucré.

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.

- Varin C. et coll. Glucose Induces Slow Wave Sleep by Exciting the Sleep-Promoting Neurons in the Ventrolateral Preoptic Nucleus: A New Link between Sleep and Metabolism. J Neurosci. 2015 Jul 8 ;35(27):9900-11.
Ce mécanisme permettrait au cerveau de réguler les états d'éveil et de sommeil en fonction de l'apport métabolique cérébral disponible. Ainsi, l'excitation induite par le glucose des neurones inducteurs du sommeil du VLPO pourrait être impliquée dans la somnolence que l'on peut ressentir après la prise d'un repas riche en sucre.

- Scharbarg E. et coll. Astrocyte-derived adenosine is central to the hypogenic effect of glucose. Scientific Report . 2016 Jan 12 ;6:19107.
l’augmentation de la concentration extracellulaire en glucose renforcerait un mécanisme déjà bien établi, au cours duquel l’accumulation progressive d’adénosine pendant l’éveil induit progressivement une pression de sommeil.

- Dubourget R et coll. Multiparametric characterization of neuronal subpopulations in the ventrolateral preoptic nucleus. Brain Struct Funct. 2016 Jul 8. [Epub ahead of print]
Cette caractérisation exhaustive des sous-types neuronaux du VLPO permettra de mieux cibler ces différentes classes de cellules en vue de mieux comprendre leur implication respective dans la physiologie du sommeil.

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.