Modern urban lifestyle encourages the prolongation of wakefulness, leaving less and less time for sleep. Although the exact functions of sleep remain one of the biggest mysteries in neuroscience, the society is well aware of the negative consequences of sleep loss on human physical and mental health and performance. Enhancing sleep's recuperative functions might allow shortening sleep duration while preserving the beneficial effects of sleep.
During sleep, brain activity oscillates across a continuum of frequencies. Individual oscillations have been suggested to underlie distinct functions for sleep and cognition. Gaining control about individual oscillations might allow boosting their specific functions. Sleep spindles are 11 - 15 Hz oscillations characteristic for light non-rapid-eye-movement sleep (NREMS) and have been proposed to play a role in memory consolidation and sleep protection against environmental stimuli. The reticular thalamic nucleus (nRt) has been identified as the major pacemaker of spindles. Intrinsic oscillatory burst discharge in nRt neurons, arising from the interplay of low-threshold (T-type) Ca2+ channels (T channels) and small conductance type 2 (SK2) K+ channels (SK2 channels), underlies this pacemaking function. In the present work we investigated the impact of altered nRt bursting on spindle generation during sleep by studying mutant mice for SK2 channels and for CaV3.3 channels, a subtype of T channels.
Using in vitro electrophysiology I showed that nRt bursting was abolished in CaV3.3 knock out (CaV3.3 KO) mice. In contrast, in SK2 channel over-expressing (SK2-OE) nRt cells, intrinsic repetitive bursting was prolonged. Compared to wildtype (WT) littermates, altered nRt burst discharge lead to weakened thalamic network oscillations in vitro in CaV3.3 KO mice, while oscillatory activity was prolonged in SK2-OE mice. Sleep electroencephalographic recordings in CaV3.3 KO and SK2-OE mice revealed that reduced or potentiated nRt bursting respectively weakened or prolonged sleep spindle activity at the NREMS - REMS transition. Furthermore, SK2-OE mice showed more consolidated NREMS and increased arousal thresholds, two correlates of good sleep quality.
This thesis work suggests that CaV3.3 and SK2 channels may be targeted in order to modulate sleep spindle activity. Furthermore, it proposes a novel function for spindles in NREMS consolidation. Finally, it provides evidence that sleep quality may be improved by promoting spindle activity, thereby supporting the hypothesis that sleep quality can be enhanced by modulating oscillatory activity in the brain.
Le style de vie moderne favorise la prolongation de l'éveil, laissant de moins en moins de temps pour le sommeil. Même si le rôle exact du sommeil reste un des plus grands mystères des neurosciences, la société est bien consciente des conséquences négatives que provoque un manque de sommeil, à la fois sur le plan de la santé physique et mentale ainsi qu'au niveau des performances cognitives. Augmenter les fonctions récupératrices du sommeil pourrait permettre de raccourcir la durée du sommeil tout en en conservant les effets bénéfiques.
Durant le sommeil, on observe des oscillations à travers un continuum de fréquences. Il a été proposé que chaque oscillation pourrait être à l'origine de fonctions spécifiques pour le sommeil et la cognition. Pouvoir de contrôler les oscillations individuelles permettrait d'augmenter leurs fonctions respectives. Les fuseaux sont des oscillations de 11 à 15 Hz caractéristiques du sommeil à ondes lentes léger et il a été suggéré qu'elles jouent un rôle majeur pour la consolidation de la mémoire ainsi que dans la protection du sommeil contre les stimuli environnementaux. Le nucleus réticulaire du thalamus (nRt) a été identifié en tant que générateur de rythme des fuseaux. Les bouffées oscillatoires intrinsèques des neurones du nRt, provenant de l'interaction de canaux calciques à bas seuil de type T (canaux T) et de canaux potassiques à faible conductance de type 2 (canaux SK2), sont à l'origine de la fonction de générateur de rythme. Dans ce travail, j'ai étudié l'impact de la modulation de bouffées de nRT sur la génération des fuseaux pendant le sommeil en investiguant des souris génétiquement modifiées pour les canaux SK2 et les canaux CaV3.3, un sous-type de canaux T. En utilisant l'électrophysiologie in vitro j'ai démontré que les bouffées du nRT étaient abolies dans les souris knock-out du type CaV3.3 (CaV3.3 KO). D'autre part, dans les cellules nRT sur-exprimant les canaux SK2 (SK2-OE), les bouffées oscillatoires intrinsèques étaient prolongées. Par rapport aux souris wild type, les souris CaV3.3 KO ont montré un affaiblissement des oscillations thalamiques en réponse à un changement des bouffées de nRT, alors que l'activité oscillatoire était prolongée dans les souris SK2-OE. Des enregistrements EEG du sommeil dans des souris de type CaV3.3 KO et SK2-OE ont révélé qu'une réduction ou augmentation des bouffées nRT ont respectivement affaibli ou prolongé l'activité des fuseaux durant les transitions du sommeil à ondes lentes au sommeil paradoxal. De plus, les souris SK2-OE ont montré des signes de consolidation du sommeil à ondes lentes et un seuil augmenté pour le réveil, deux mesures qui corrèlent avec une bonne qualité du sommeil.
Le travail de cette thèse propose que les canaux CaV3.3 et SK2 pourrait être ciblés pour moduler l'activité des fuseaux. De plus, je propose une fonction nouvelle pour les fuseaux dans la consolidation du sommeil à ondes lentes. Finalement je suggère que la qualité du sommeil peut être améliorée en promouvant l'activité des fuseaux, soutenant ainsi l'idée que la qualité du sommeil peut être améliorée en modulant l'activité oscillatoire dans le cerveau.