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Sommeil : la respiration est l'horloge maîtresse du cerveau | Hypnose Saint-Nazaire 44600


Hypnose Sommeil | Cabinet de TOMBEUR

Les neuroscientifiques du Ludwig-Maximilians-Universität ont montré que la respiration coordonne l'activité neuronale dans tout le cerveau pendant le sommeil et le repos.


Pendant que nous dormons, durant le sommeil, le cerveau n'est pas éteint, mais est occupé à " sauver " les souvenirs importants de la journée. Pour y parvenir, les régions du cerveau sont synchronisées afin de coordonner la transmission d'informations entre elles. Pourtant, les mécanismes qui permettent cette synchronisation dans plusieurs régions cérébrales distantes ne sont pas bien compris. Traditionnellement, ces mécanismes étaient recherchés dans des schémas d'activité corrélés au sein du cerveau. Cependant, les neuroscientifiques du LMU, le professeur Anton Sirota et le Dr Nikolas Karalis, ont maintenant pu montrer que la respiration agit comme un stimulateur cardiaque qui entraîne les différentes régions du cerveau et les synchronise les unes avec les autres.


La respiration est le rythme corporel le plus persistant et le plus essentiel et exerce un fort effet physiologique sur le système nerveux autonome. Il est également connu pour moduler un large éventail de fonctions cognitives telles que la perception, l'attention et la structure de la pensée. Cependant, les mécanismes de son impact sur les fonctions cognitives et le cerveau sont largement inconnus.


Les scientifiques ont réalisé des enregistrements électrophysiologiques in vivo à grande échelle chez la souris, à partir de milliers de neurones à travers le système limbique. Ils ont montré que la respiration entraîne et coordonne l'activité neuronale dans toutes les régions cérébrales étudiées y compris l'hippocampe, le cortex préfrontal et visuel médian, le thalamus, l'amygdale et le noyau accumbens (nucleus accumbens septi) en modulant l'excitabilité de ces circuits de manière indépendante de l'olfaction.


" Ainsi, nous avons pu prouver l'existence d'un nouveau mécanisme non olfactif, intracérébral, qui rend compte de l'entraînement des circuits distribués par la respiration, que nous avons appelé" décharge corollaire respiratoire ",

explique Karalis, qui est actuellement chercheur au Friedrich Institut Miescher pour la recherche biomédicale à Bâle.


Ce mécanisme médiatise la coordination de l'activité liée au sommeil dans ces régions du cerveau, ce qui est essentiel pour la consolidation de la mémoire et fournit les moyens de la co-modulation de la dynamique synchrone des circuits cortico-hippocampiques. Selon les auteurs, ces résultats représentent une avancée majeure et jettent les bases de nouvelles théories mécanistes, qui intègrent le rythme respiratoire comme mécanisme fondamental sous-tendant la communication des systèmes distribués lors de la consolidation de la mémoire.




 

Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states

 

Abstract


Network dynamics have been proposed as a mechanistic substrate for the information transfer across cortical and hippocampal circuits. However, little is known about the mechanisms that synchronize and coordinate these processes across widespread brain regions during offline states. Here we address the hypothesis that breathing acts as an oscillatory pacemaker, persistently coupling distributed brain circuit dynamics. Using large-scale recordings from a number of cortical and subcortical brain regions in behaving mice, we uncover the presence of an intracerebral respiratory corollary discharge, that modulates neural activity across these circuits. During offline states, the respiratory modulation underlies the coupling of hippocampal sharp-wave ripples and cortical DOWN/UP state transitions, which mediates systems memory consolidation. These results highlight breathing, a perennial brain rhythm, as an oscillatory scaffold for the functional coordination of the limbic circuit that supports the segregation and integration of information flow across neuronal networks during offline states.


La dynamique des réseaux a été proposée comme substrat mécaniste pour le transfert d'informations dans les circuits corticaux et hippocampiques. Cependant, on sait peu de choses sur les mécanismes qui synchronisent et coordonnent ces processus dans des régions cérébrales étendues pendant les états hors ligne. Nous abordons ici l'hypothèse selon laquelle la respiration agit comme un stimulateur oscillatoire, couplant de manière persistante la dynamique des circuits cérébraux distribués. En utilisant des enregistrements à grande échelle d'un certain nombre de régions corticales et sous-corticales du cerveau chez des souris qui se comportent bien, nous découvrons la présence d'une décharge corollaire respiratoire intracérébrale, qui module l'activité neuronale dans ces circuits. Pendant les états hors ligne, la modulation respiratoire sous-tend le couplage des ondulations d'ondes aiguës de l'hippocampe et des transitions d'état DOWN/UP corticales, qui médient la consolidation des systèmes de mémoire. Ces résultats mettent en évidence la respiration, un rythme cérébral pérenne, comme un échafaudage oscillatoire pour la coordination fonctionnelle du circuit limbique qui soutient la ségrégation et l'intégration du flux d'informations à travers les réseaux neuronaux pendant les états hors ligne.

 

Introduction


Global, slow neuronal oscillations have been proposed as a mechanism that enables the coordinated interaction between remote brain regions, serving as a source of synchronization in the local circuits and promoting synaptic plasticity6,7. During active behavioral states, sensory-motor integration loops engage widespread circuits and give rise to theta oscillations that entrain local dynamics and provide the substrate for the coordination of the information flow and population coding5,6,8,9. In contrast, during slow-wave sleep, the cortex is in a bistable state, characterized by alternations between generalized silent DOWN, and synchronous UP states across thalamocortical circuits5,7, while the hippocampal circuits transiently synchronize during sharp-wave bursts associated with high-frequency ripple oscillations10. These bistable dynamics are pair-wise coordinated11,12,13,14,15, giving rise to emergent spatiotemporal neural population dynamics that reactivate awake memory patterns16,17,18,19,20, while their interaction has been postulated to support memory consolidation11,13,21,22,23 and the transfer of memories to their permanent cortical storage24,25.


During offline brain states (such as sleep), the cortex is sensory disconnected from the environment. Systems consolidation across distributed circuits has to rely on the global coupling of internal network dynamics, to enable the coordinated reactivation of previous experiences across remote brain regions. However, the mechanisms that support the coherence of such coordinated dynamics across distributed cortical and subcortical circuits during sleep and quiescence remain unknown. From a theoretical perspective, a global pacemaker has been postulated as an effective solution to the coupling of distinct network dynamics26,27,28, but the neural implementation of such a mechanism remains elusive.


Here we address the hypothesis that breathing serves as a pacemaker that couples neuronal dynamics across the limbic system during offline states and supports coordinated information flow across cortico-hippocampal circuits. Using multiregional recordings of local field potentials (LFP) and large-scale neural population activity we performed an anatomically-resolved, in vivo, functional dissection of the offline state dynamics in the medial prefrontal cortex (mPFC), hippocampus, basolateral amygdala (BLA), nucleus accumbens (NAc), visual cortex, and thalamic nuclei. Using this approach, combined with pharmacological manipulation, we describe the widespread respiratory entrainment of the limbic circuit and we suggest the existence of an intracerebral centrifugal respiratory corollary discharge that mediates the inter-regional synchronization of the limbic circuit.


 

Au cours du siècle dernier, les structures corticales et sous-corticales du circuit limbique et du lobe temporal médian ont été identifiées comme des éléments critiques du circuit de la mémoire, impliqués dans la formation et la récupération des souvenirs épisodiques pendant les états en ligne1,2 et leur consolidation pendant le sommeil3,4,5. Malgré une compréhension croissante des règles de plasticité locale et des corrélats de l'activité neuronale, les mécanismes au niveau du système qui permettent le traitement et le transfert d'informations dans les circuits distribués ne sont pas bien compris.


Les oscillations neuronales lentes et globales ont été proposées comme un mécanisme permettant l'interaction coordonnée entre des régions cérébrales éloignées, servant de source de synchronisation dans les circuits locaux et favorisant la plasticité synaptique6,7. Pendant les états comportementaux actifs, les boucles d'intégration sensori-motrice engagent des circuits étendus et donnent lieu à des oscillations thêta qui entraînent la dynamique locale et fournissent le substrat pour la coordination du flux d'informations et le codage de la population5,6,8,9. En revanche, pendant le sommeil lent, le cortex est dans un état bistable, caractérisé par des alternances entre des états de DOWN silencieux généralisés et des états de UP synchrones dans les circuits thalamocorticaux5,7, tandis que les circuits hippocampiques se synchronisent transitoirement pendant des salves d'ondes vives associées à des oscillations ondulatoires à haute fréquence10. Ces dynamiques bistables sont coordonnées par paires11,12,13,14,15, donnant lieu à des dynamiques de population neuronale spatio-temporelles émergentes qui réactivent les schémas de mémoire éveillée16,17,18,19,20, tandis que leur interaction a été postulée pour soutenir la consolidation de la mémoire11,13,21,22,23 et le transfert des souvenirs vers leur stockage cortical permanent.


Pendant les états cérébraux hors ligne (comme le sommeil), le cortex est sensoriellement déconnecté de l'environnement. La consolidation des systèmes à travers des circuits distribués doit s'appuyer sur le couplage global de la dynamique des réseaux internes, pour permettre la réactivation coordonnée d'expériences antérieures dans des régions cérébrales éloignées. Cependant, les mécanismes qui soutiennent la cohérence d'une telle dynamique coordonnée à travers des circuits corticaux et sous-corticaux distribués pendant le sommeil et la quiescence restent inconnus. D'un point de vue théorique, un pacemaker global a été postulé comme une solution efficace au couplage de dynamiques de réseau distinctes 26,27,28, mais la mise en œuvre neuronale d'un tel mécanisme reste insaisissable.


Nous abordons ici l'hypothèse selon laquelle la respiration sert de stimulateur qui couple la dynamique neuronale dans le système limbique pendant les états hors ligne et soutient le flux d'informations coordonné dans les circuits cortico-hippocampiques. À l'aide d'enregistrements multirégionaux des potentiels de champ local (LFP) et de l'activité de la population neuronale à grande échelle, nous avons réalisé une dissection fonctionnelle in vivo à résolution anatomique de la dynamique des états hors ligne dans le cortex préfrontal médian (mPFC), l'hippocampe, l'amygdale basolatérale (BLA), le noyau accumbens (NAc), le cortex visuel et les noyaux thalamiques. En utilisant cette approche, combinée à des manipulations pharmacologiques, nous décrivons l'entraînement respiratoire généralisé du circuit limbique et nous suggérons l'existence d'une décharge respiratoire corollaire centrifuge intracérébrale qui médiatise la synchronisation interrégionale du circuit limbique.

 

Karalis, N., Sirota, A. Breathing coordinates cortico-hippocampal dynamics in mice during offline states. Nat Commun 13, 467 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28090-5