Abstract :
[fr] Le sommeil participe à la consolidation de la mémoire. Pour de nombreuses tâches de mémoire, déclaratives comme procédurales, une période de sommeil après un apprentissage améliore la performance (Maquet, Schwartz et al. 2003; Gais, Lucas et al. 2006; Lahl, Wispel et al. 2008; Talamini, Nieuwenhuis et al. 2008; Doyon, Korman et al. 2009). Les mécanismes qui expliquent ces phénomènes ne sont cependant pas encore complètement compris. Deux théories sont actuellement proposées : l’hypothèse de l’homéostasie synaptique (Tononi and Cirelli 2003; Tononi and Cirelli 2006) et celle de la consolidation mnésique systémique (Marr 1970; Marr 1971; Frankland and Bontempi 2005). La première hypothèse, qui insiste sur le caractère local de l’effet du sommeil, postule que des potentialisations synaptiques ont lieu lors de l’éveil, en réponse à l’activité neuronale. Cela mène à un besoin accru de sommeil et se traduit en une régulation homéostatique des oscillations lentes, qui exerceraient un recalibrage de la puissance synaptique, pour atteindre des niveaux soutenables en termes d’énergie et d’espace. La seconde théorie est en faveur d’un rôle étendu du sommeil et d’une réorganisation de la trace mnésique au cours du temps.Afin d'établir la participation de l'un et/ou l'autre de ces mécanismes, nous avons utilisé un polymorphisme connu du gène du “brain-derived neurotrophic factor” (BDNF) (Egan, Kojima et al. 2003), lequel établit un lien étroit avec la potentialisation à long terme (LTP) (Patterson, Grover et al. 1992; Korte, Carroll et al. 1995; Patterson, Abel et al. 1996), un modèle moléculaire accepté de la mémoire, et est lié à l’homéostasie des ondes lentes (Huber, Tononi et al. 2007; Faraguna, Vyazovskiy et al. 2008). La substitution d'une valine (val) par une méthionine (met) au codon 66 (val66met) semble modifier uniquement la sécrétion du BDNF induite par l’activité neuronale (Chen, Jing et al. 2006) et influence la mémoire épisodique (Egan, Kojima et al. 2003). Nous avons visé à déterminer l'impact de cette substitution sur la consolidation mnésique au niveau des systèmes macroscopiques cérébraux estimée après une phase de sommeil. A cette fin, 29 volontaires (14 « val/val », 15 « val/met ») ont participé à l’étude et ont réalisé une tâche de reconnaissance de visages (mémoire déclarative épisodique). L’après-midi suivant une nuit de ligne de base (nuit de “baseline”) sous contrôle polysomnographique (PSG), ils ont eu pour consigne de retenir 135 visages neutres (encodage). Ensuite, trois retests ont eu lieu : immédiatement après l’encodage des visages (retest immédiat), le lendemain matin (retest à un jour, après une nuit de test sous contrôle PSG), et un mois plus tard (retest à long terme, non décrit dans cette thèse). Durant ces retests, d’anciens visages mélangés à de nouveaux visages étaient présentés aux volontaires qui devaient dire s’ils s’en rappelaient ou non à l’aide du paradigme « reconnu-familier-hasard ». La réponse « reconnu », associée à un rappel du contexte dans lequel le visage a été appris, est liée à la recollection et à la mémoire épisodique, tandis que la réponse « familier » est associée à la mémoire sémantique. Les corrélats cérébraux de l’encodage et de la consolidation mnésique ont été estimés par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).La “slow-wave activity” (0,75 - 4 Hz) et la puissance spectrale dans la bande des oscillations lentes (0,75 - 1 Hz) ont été extraits du premier cycle de sommeil “non-rapid eye movement” (NREM) et de son premier quartile (Q1), car l’augmentation des ondes lentes durant le sommeil post-apprentissage semble transitoire (Huber, Ghilardi et al. 2004). Les analyses statistiques ont déterminé les modifications de ces paramètres entre la nuit de “baseline” et la nuit de test. Les changements de réponses cérébrales entre les retests et les corrélations entre les réponses cérébrales et les paramètres de sommeil ont formé la base des analyses IRMf. Celles-ci ont visé en définitive à comparer les réponses cérébrales entre les deux groupes de sujets. L’index de discrimination (d’) (Green and Swets 1966), qui a permis de quantifier la performance globale lors de cette tâche épisodique, n’était pas différent entre les groupes alléliques lors du retest immédiat. Les deux groupes ont significativement augmenté leur d’ avec cependant un biais vers le groupe « val/val », dont le d’ devenait significativement plus grand que celui du groupe « val/met » lors du retest à un jour.Une analyse de la variance (ANOVA) à mesures répétées avec la nuit et les électrodes comme facteurs intra-sujets et le génotype comme facteur inter-sujets a mis en évidence une interaction nuit*génotype significative dans le Q1 pour la puissance spectrale absolue dans la bande des oscillations lentes (entre 0,75 et 1 Hz), lesquelles jouent un rôle sur les performances mnésiques déclaratives (Marshall, Helgadottir et al. 2006). Cette puissance spectrale augmentait chez les individus « val/val » entre le Q1 de la nuit de “baseline” et celui de la nuit de test au niveau de plusieurs électrodes tandis qu’elle diminuait chez les individus « val/met » au niveau d’autres électrodes. Les changements de réponses cérébrales à la recollection après la nuit ont été corrélés aux changements significatifs de puissance spectrale dans la bande des oscillations lentes et comparés entre les deux groupes de sujets. L’activité du cortex préfrontal médian droit et du gyrus parahippocampique postérieur gauche, déjà activés lors du retest immédiat, augmentait en proportion du gain de puissance spectrale dans la bande des oscillations lentes à la nuit de test, uniquement chez les individus « val/val ». Ces résultats sont en accord avec l’hypothèse de l’homéostasie synaptique puisqu’ils suggèrent que chez les individus « val/val », un processus local prend place durant le sommeil, en relation avec le travail neuronal accompli durant l’éveil (Tononi and Cirelli 2003; Tononi and Cirelli 2006), et en proportion avec le gain de puissance spectrale des oscillations lentes à la nuit de test.Par ailleurs, en accord avec la théorie de la consolidation mnésique systémique, la recollection a induit une activité cérébrale plus importante chez les individus « val/val » que chez les individus « val/met » lors du retest à un jour dans des régions qui n’étaient pas activées lors du retest immédiat. Ces régions incluaient le gyrus occipital inférieur gauche et le gyrus angulaire gauche. En conclusion, cette étude met en avant la possibilité de la coexistence de deux phénomènes distincts prenant part à la consolidation mnésique. Par ailleurs, elle met en évidence le lien entre la consolidation systémique et la LTP./Sleep contributes to memory consolidation. For a number of declarative or procedural memory tasks, a period of sleep after training improves performance (Maquet, Schwartz et al. 2003; Gais, Lucas et al. 2006; Lahl, Wispel et al. 2008; Talamini, Nieuwenhuis et al. 2008; Doyon, Korman et al. 2009). However, the mechanisms explaining these phenomena are not fully understood. Two theories are currently proposed: ‘synaptic downscaling’ hypothesis (Tononi and Cirelli 2003; Tononi and Cirelli 2006) and ‘systems-level memory consolidation’ (Marr 1970; Marr 1971; Frankland and Bontempi 2005). The first one, focusing on the local effect of sleep, postulates that synaptic potentiation occurs during wakefulness in response to neuronal activity. This leads to a rising need to sleep and results in a slow oscillation homeostatic regulation, which would exert a synaptic downscaling, to reach sustainable levels of energy and space. The second one is in favour of an extensive role of sleep and a reorganization of the memory trace with time.To establish the participation of one and/or the other of these mechanisms, we used a common polymorphism of the “brain-derived neurotrophic factor” (BDNF) gene (Egan, Kojima et al. 2003), which is closely linked to long-term potentiation (LTP) (Patterson, Grover et al. 1992; Korte, Carroll et al. 1995; Patterson, Abel et al. 1996), an accepted molecular mechanism underlying memory, and is related to slow waves homeostasis (Huber, Tononi et al. 2007; Faraguna, Vyazovskiy et al. 2008). The substitution of a valine (val) by a methionine (met) at codon 66 (val66met) seems to modify only activity-induced secretion of BDNF (Chen, Jing et al. 2006) and influences episodic memory (Egan, Kojima et al. 2003). We aimed at determining the impact of that substitution on memory consolidation in macroscopic cerebral systems estimated after a night of sleep. To that purpose, 29 volunteers (14 “val/val” homozygotes, 15 “val/met”) took part in the study and performed a face recognition task (episodic declarative memory). In the afternoon following a baseline night monitored by polysomnographic (PSG) recording, they had to remember 135 neutral faces (encoding session). Then three test sessions took place: immediately after the face encoding session (initial testing), the following morning (delayed testing, after a test night under PSG recording) and one month later (long-term testing, not described here). During these test sessions, old faces mixed up with new faces were presented to the volunteers who had to specify if they remembered the faces or not according to the “remember-know-guess” paradigm. “Remember” responses, in which the face learning context is recalled, is related to recollection and probe episodic memory, while “know” responses are associated with semantic memory. Cerebral correlates of encoding and memory consolidation have been estimated by functional magnetic resonance imaging (fMRI). Slow-wave activity (0.75 - 4 Hz) and slow oscillation power spectrum (0.75 - 1 Hz) were extracted from the first “non-rapid eye movement” (NREM) sleep cycle and from its first quartile (Q1), since the increase in slow waves in the post-training sleep was shown to be transient (Huber, Ghilardi et al. 2004). Statistical analyses determined modifications of these parameters between baseline and test nights. Changes in brain responses between test sessions and correlations between brain responses and sleep parameters formed the basis of fMRI analyses. These analyses eventually aimed at comparing brain responses between the two groups of subjects.Discrimination index (d’) (Green and Swets 1966), which was used to quantify the overall performance to the task, was not different between allelic groups at initial test session. Both groups significantly raised their d’, but the overnight memory improvement was larger in “val/val” group than in “val/met” group.Repeated measures analysis of variance (ANOVA) with night and electrodes as within-subjects factors and genotype as between-subjects factor showed a significant night*genotype interaction in Q1 in absolute power spectrum in the slow oscillation band (between 0.75 and 1 Hz). These slow oscillations appeared to play a role on declarative memory performance (Marshall, Helgadottir et al. 2006). Slow oscillation power increased in “val/val” group between Q1 of baseline night and Q1 of test night on several electrodes whereas it decreased in “val/met” group on other electrodes. Overnight changes in brain responses to recollection were correlated to significant changes in power spectrum in the slow oscillation band and compared between the two groups of subjects. Activity in the right medial prefrontal cortex and in the left posterior parahippocampal gyrus, already activated during initial testing, increased in proportion to the gain in power spectrum in the slow oscillation band during test night, only in “val/val” group. Consistent with ‘synaptic downscaling’, these findings suggest that in “val/val” individuals, a local process takes place overnight in relation to the neuronal workload achieved during daytime (Tononi and Cirelli 2003; Tononi and Cirelli 2006), and in proportion to the gain in slow oscillation power during test night.In addition, in keeping with systems-level memory consolidation theory, recollection induced larger brain responses in “val/val” group than in “val/met” group during delayed testing in regions that not were activated during initial testing. These regions included the left inferior occipital gyrus and the left angular gyrus.In conclusion, this study points up the possibility of the coexistence of two distinct phenomena taking part to memory consolidation. In addition, it brings to light the link between systemic memory consolidation and LTP.
