Le Connectome du sommeil

Source: Par Andreashorn (Travail personnel) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Les progrès en neurosciences apparaissent souvent lorsque de nouvelles méthodes d'analyse et de visualisation de l'anatomie et de la fonction du système nerveux sont développées. Par exemple, le domaine émergent de la neuroscience a été grandement favorisé par le développement et l'utilisation de colorants qui ont permis de visualiser des neurones individuels dans le système nerveux. Ceci à son tour a permis de commencer à comprendre ces composantes fondamentales des réseaux de neurones. L'étude des effets cognitifs, moteurs et émotionnels de diverses agressions du cerveau et du système nerveux telles que les traumatismes crâniens, les maladies telles que la sclérose en plaques et les dommages causés par les AVC a été favorisée par des tests neuropsychologiques qui ont permis d'identifier et de quantifier les effets de ces blessures. Le développement de l'électroencéphalogramme (EEG) dans les années 1920 a aidé les scientifiques et les médecins à mieux comprendre l'activité électrique du cortex cérébral. Cela a conduit à des avancées dans le diagnostic des troubles cérébraux tels que l'épilepsie. Depuis les années 1970, des efforts ont été faits pour utiliser les modèles EEG pour comprendre les interconnexions des centres neuronaux dans le cortex en utilisant une méthode appelée électroencéphalographie quantitative (QEEG). Le développement de la tomodensitométrie, de l'IRM, de l'IRM fonctionnelle et d'autres techniques d'imagerie au cours des dernières décennies a grandement contribué à la compréhension croissante de la fonction du système nerveux en permettant la visualisation des structures cérébrales chez les organismes vivants. ces centres. En utilisant ces méthodes, il est possible de créer des cartes du cerveau qui relient l'anatomie et la fonction.

Ce qui ressort de cette recherche est que la puissance du cerveau ne réside pas dans les centres nerveux individuels, mais dans l'activité synchronisée de ces centres. Les systèmes de neurones effectuent les tâches sous-jacentes qui sont ensuite coordonnées et donnent naissance à la cognition, à l'émotion et au comportement.

Au début du siècle dernier, on croyait que le sommeil se produisait lorsque la stimulation des sens cessait de couler dans le cortex cérébral. Cette vision du sommeil en tant que processus passif semblait logique, car les gens et les animaux ont généralement besoin d'être en sécurité et détendus dans un environnement de stimulation faible pour se glisser facilement dans le sommeil. Les recherches menées dans les années 1940 ont progressivement remis en question ce modèle. Il est maintenant reconnu que le sommeil est en fait un processus complexe et nécessite de nombreux systèmes neuronaux pour le réaliser. Ce n'est pas passif, mais c'est un processus très actif et complexe. Qu'il soit si complexe et qu'il doive être si finement réglementé signifie que beaucoup de choses peuvent mal se passer avec lui, ce qui entraîne divers troubles du sommeil.

Dans la vie de tous les jours, il y a trois états de traitement mental qui se produisent régulièrement. Ce sont le réveil, le sommeil profond et le sommeil paradoxal. L'apparition du sommeil repose sur l'accumulation de la somnolence au cours de la journée et sur les effets régulateurs du rythme circadien. L'altération entre le sommeil profond et le sommeil paradoxal est régulée par des systèmes cérébraux complexes qui agissent pour équilibrer correctement le système nerveux et le corps afin que le corps et l'esprit puissent fonctionner à des niveaux optimaux pendant la journée.

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Dans le cerveau, il existe des voies qui permettent l'interaction et la coordination des systèmes neuronaux dans les parties avant et arrière du cerveau, les hémisphères gauche et droit et les centres supérieur et inférieur. Avec la reconnaissance de l'importance de cette interaction, des efforts croissants ont été faits pour tracer les composants fonctionnels et structurels du cerveau. La puissance du système nerveux réside dans la coordination complexe des activités d'un grand nombre de neurones individuels. Cette idée a fait l'objet d'un examen approfondi dans la section spéciale du numéro de novembre 2013 de la revue Science, intitulée «The Heavily Connected Brain» (voir Markov et al 2013, Park & ​​Friston 2013, Stern 2013 et Turk-browne 2013). . Il est maintenant possible de tracer la connectivité entre les neurones et d'utiliser de nouvelles techniques analytiques telles que la théorie des réseaux pour comprendre les mécanismes sous-jacents de la structure et de la fonction dans les grands réseaux neuronaux. Ces méthodes aident à comprendre comment il est possible qu'une structure fixe telle que le cerveau puisse engendrer autant de diversité fonctionnelle. Alors que le cerveau est une structure fixe, il peut être dans divers états tels que l'éveil et le rêve. C'est en raison des manières variées et complexes dans lesquelles les voies neuronales sous-jacentes interagissent.

Connectomics est basé sur les progrès récents dans la cartographie et l'analyse des réseaux de neurones. Il est souvent comparé aux développements en génomique. Un connectogramme est une visualisation graphique des connexions entre les zones du cerveau révélées par l'IRM de diffusion et analysées avec la théorie des graphes. Il est généralement représenté par un cercle avec des interconnexions dessinées entre les zones représentatives du cercle qui indiquent les structures cérébrales. Vous avez peut-être vu ces diagrammes circulaires dans des articles qui montrent la force des relations entre les différentes zones du cerveau. Un exemple récent a été la découverte largement rapportée d'une étude sur les effets de la psilocybine psychédélique sur le fonctionnement du cerveau (Petri et al, 2014). En bref, l'étude a révélé que la psilocybine entraîne une intégration accrue et différente de certaines zones du cerveau par rapport à l'état non-drogué. Cela aide à expliquer les états mentaux profonds que ce médicament est censé causer.

Un connectome est une carte des connexions neuronales dans le cerveau et montre les connexions cartographiées sur une représentation du cerveau. Un exemple est l'image en haut de ce post. Une visualisation de ce type est produite avec une image de tenseur de diffusion qui utilise l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour identifier les axones en regardant la diffusion des molécules d'eau dans ces tracts (Purves et al, 2012). L'un des défis de l'utilisation de ces cartes est qu'elles sont en constante évolution, en fonction de l'état et des expériences de l'organisme. Le connectome d'une personne endormie dans un sommeil profond sera différent de celui d'un individu alerte, concentré et éveillé, car les systèmes neuronaux sous-jacents interagissent de différentes manières en fonction de ces différents états. Connectomes ont été utilisés pour étudier les différences entre les cerveaux masculins et féminins, les traits humains positifs et négatifs, et sont actuellement étudiés dans un effort de recherche à grande échelle connu comme le projet Human Connectome qui est soutenu par les National Institutes of Health.

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Des travaux récents ont commencé à cartographier le connectome du sommeil (Vyazovskly, 2015), en regardant d'abord le sommeil chez les animaux. Cela aide à mieux comprendre les mécanismes complexes qui permettent la transition en douceur du sommeil éveillé au sommeil profond vers le sommeil paradoxal. Il aide également à mieux comprendre comment le sommeil se développe tôt dans la vie des animaux, en commençant avant la naissance. Par exemple, on a trouvé une population spécifique de neurones dans le cerveau postérieur qui se développe dans les sous-populations de cellules qui contribuent finalement aux circuits de veille / sommeil (Hayashi, et al, 2015). Cela se produit très tôt dans le développement avant même que les états de sillage et de sommeil ne soient apparus.

Le projet Human Connectome, comme le projet sur le génome humain avant lui, promet d'augmenter considérablement notre compréhension de la structure et de la fonction du cerveau. Je suis particulièrement excité par la possibilité que cela nous aidera à mieux comprendre les façons dont le cerveau provoque et régule les états de conscience tels que l'éveil et le sommeil. Une telle compréhension pourrait aider au développement de traitements plus efficaces des troubles du sommeil – ce que beaucoup de nos amis du sommeil apprécieront!

Hayashi, Y., Kashiwagi, M., Yasuda, K., Ando, ​​R., Kanuka, M., Sakai, K., et Itohara, S. (2015). Des cellules d'origine développementale commune régulent le sommeil REM et non-REM et l'éveil chez la souris. Science , 20 novembre 2015, 350 (6263), 957 – 961.

Markov, NT, Ercsey-Ravasz, M., Van Essen, DC, Knoblauch, K. Toroczkal, Z., et Kennedy, H. (2013). Architectures à contre-courant cortical à haute densité. Science , 1er novembre 2013, 342 (6158), p. 578.

Park, HJ, & Friston, K. (2013). Réseaux cérébraux structurels et fonctionnels: des connexions à la cognition. Science , 1er novembre 2013, 342 (6158), p. 579.

Petri G, Expert P, Turkheimer F, R Carhart-Harris, Nutt D, Hellyer PJ, Vaccarino F. (2014). Échafaudages homologiques des réseaux fonctionnels du cerveau. JR Soc. Interface 11 : 20140873. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0873

Purves, D., Augustine, GJ, Fitzpatrick, D., Salle, WC, LaMantia, AS, Blanc, LE (Eds.). (2012). Neuroscience 5ème édition , Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Stern, P. (2013). Connexion, connexion, connexion … Science , 1er novembre 2013, 342 (6158), p. 577.

Turk-Browne, N.-B. (2013). Interactions fonctionnelles comme Big Data dans le cerveau humain. Science , 1er novembre 2013, 342 (6158), p. 580-584.

Vyazovskiy, VV (2015). Cartographie de la naissance du connectome du sommeil. Science , 20 novembre 2015, 350 (6263), p. 909 – 910.