Présentation Scientifique
CRNL WAKING TEAM :  

Le cerveau humain, ainsi que celui de tous les vertébrés supérieurs, est soumis à l'alternance cyclique de l'éveil et du sommeil. L'objectif majeur des recherches menées dans notre laboratoire (INSERM-U52/CNRS-URA1195, Département de Médecine Expérimentale à l’Université Claude Bernard, 1957-1998, fondés et dirigés par le Pr. Michel Jouvet et INSERM-U480, 1998-2002, sous la responsabilité du Dr. Raymond Cespuglio) a été d'élucider les mécanismes neurobiologiques responsables du sommeil, en particulier du sommeil paradoxal et de comprendre les fonctions du sommeil et du rêve. Depuis le 1er janvier 2004, notre nouvelle unité (INSERM-U628) intitulée « Physiologie intégrée du système d’éveil » est créée au sein du Département de Médecine Expérimentale et notre projet consiste à démontrer les mécanismes centraux responsables du maintien de l’éveil et de la vigilance et nos études sont focalisées sur les neurones à histamine et à orexine.


Eveil et ses pathologies

La fonction de l’éveil est primordiale à la survie de l’individu et à son interaction avec l’environnement. Au cours de l'éveil, le cerveau reçoit des informations du milieu extérieur et intérieur, les intègre et les compare aux informations reçues antérieurement pour y répondre de manière adaptée selon des processus innés ou acquis. Le sommeil, en revanche, est avant tout un état comportemental de repos, au cours duquel l'absence d'activité motrice et de toute activité nerveuse supérieure permet à l'organisme d'assurer les régulations végétatives dans des conditions de dépense énergétique minimale. Chez les mammifères, nous distinguons : 1) l'éveil, caractérisé par une activité corticale (EEG) rapide et de bas voltage (activation/désynchronisation corticale) ; 2) le sommeil lent, défini par des ondes lentes cérébrales (désactivation/synchronisation corticale) et 3) le sommeil paradoxal, équivalent du rêve humain, présente une activité corticale rapide similaire à celle de l'éveil associée à une atonie musculaire complète (voir pour revue, Jouvet 1972).


Comme d’autres grandes fonctions de l’organisme, le cycle veille/sommeil a ses pathologies et ses troubles, dont la narcolepsie, l’hypersomnie et l’insomnie sont sans doute les plus connues. Si la narcolepsie et l’hypersomnie affectent une population relativement restreinte (~ 0.2%), d’autres troubles de l’éveil (par ex. l’insomnie ou la somnolence) liés à diverses causes pathologiques (par ex., les maladies neuro-psychiatriques: la démence, l’Alzheimer, la maladie de Parkinson, la dépression ou encore l’apnée de sommeil) ou physiopsychologiques (stress, décalage horaire, fatigue, privation de sommeil) concernent un grand nombre d'individus. Selon une enquête récente réalisée aux USA sur 10.000 adultes, 60 % rapportent des antécédents de problèmes de sommeil en affirmant que ceux-ci affectent leur qualité de vie. 10,2 % se jugent actuellement insomniaques nocturnes (entraînant donc une somnolence diurne) et consomment des sédatifs ou somnifères au moins une fois par semaine, alors que 3,2 % se qualifient d’hypersomniaques. 26 % des Français se plaignent de mal dormir (Sofres). Les troubles de l’éveil comme la somnolence constituent la cause directe de nombreux accidents de la route ou du travail et de plusieurs catastrophes dans l’histoire de l’humanité (National Commission on Sleep Disorders Research, 1993). Selon l'estimation du Pr. W.C. Dement (Stanford Sleep Medicine Center) le coût des troubles de la vigilance à la société Américaine serait significativement plus important que celui de la défense fédérale. Compte tenu de cet impact aux niveaux épidémiologique et socio-économique, l’étude des mécanismes physiopathologiques de l’éveil et le développement d’approches thérapeutiques nouvelles pour le traitement de ces maladies nous paraissent une nécessité évidente de la santé publique et en parfait accord avec la mission de l’INSERM.


Contexte historique et international de nos activités

L’éveil a été expliqué, depuis fort longtemps, par la théorie réticulaire de Moruzzi et Magoun (1949, voir aussi Moruzzi, 1972). Selon cette théorie classique, toujours en vigueur (Steriade 1991, McCormick, 1992; Jones 2000), l'éveil et l’activation corticale associée seraient la conséquence d'une activation ascendante émanant du système réticulo-thalamique. Cependant, le rôle de ce système est aujourd’hui remis en question car la destruction cellulaire de la formation réticulée mésencéphalique ou de son relais thalamique n'entraîne jamais de disparition durable de l'éveil. Il doit donc exister un ou plusieurs systèmes extra-thalamiques, capables d'assurer l'activation corticale. La recherche menée au cours des dernières décennies indique que l’hypothalamus postérieur constitue une structure clé dans le maintien de l’éveil. Cette conviction est fondée sur les faits expérimentaux suivants : la destruction de cette structure ou son inactivation par le muscimol (agoniste du GABA) entraîne une hypersomnie chez plusieurs espèces, et rétablit le sommeil dans les différents modèles expérimentaux de l’insomnie chez le chat (Lin et al., 1989, pour revues, Sakai et al., 1990, Lin 2000).


Travaux effectués

L’hypothalamus postérieur est une région très hétérogène. L’une de nos tâches principales a été et sera encore centrée sur l’identification des populations neuronales permettant à cette région d’assurer une fonction aussi importante que l’éveil. Ainsi, par une approche expérimentale pluridisciplinaire, nous avons montré que les neurones à histamine (HA) détiennent une position stratégique dans les mécanismes de l'éveil, car :

1) chez le chat et la souris, les neurones à histamine se situent exclusivement dans l'hypothalamus postérieur en particulier le noyau tubéromammillaire (TMn) et les régions adjacentes, régions dont l’importance dans les mécanismes de l'éveil est soulignée ci-dessus. Ils donnent naissance à des projections ascendantes et descendantes diffuses sur de nombreuses régions cérébrales connues pour leur importance dans le cycle veille-sommeil, telles que le cortex, le thalamus, l'hypothalamus antérieur-préoptique et les structures cholinergiques et aminergiques mésopontiques; au niveau de ces structures, les ARNm des récepteurs à histamine ont été également mis en évidence. Ces études ont fait appel à des approches neuroanatomiques (immunohistochimie avec fixation particulière, double marquage, traçeur rétrograde, hybridation in situ, voir Lin et al. 1986a, 1993, 1996b; Sakai et al. 1990; 1991; Parmentier et al. 2002)

2) les neurones présumés histaminergiques présentent une décharge tonique et spécifique pendant l'éveil. Ceci, associé à la projection diffuse du système à histamine et à l'action post-synaptique excitatrice et facilitatrice de l'histamine, suggère qu'ils puissent activer durant l'éveil la majorité des structures cérébrales, conduisant ainsi à une activation corticale généralisée. (Vanni-Mercier et al., 1984, 2003; Sakai et al., 1990; Lin et al., 2001). Il est à noter que l’enregistrement extracellulaire des neurones histaminergiques chez le chat libre de se mouvoir reste une étude unique et spécifique à notre groupe car, malgré de nombreux efforts déployés, aucun autre groupe au monde n’a encore réussi de tels enregistrements;

3) les souris knockout (KO) pour le gène de l’histidine décarboxylase (HDC, enzyme de synthèse de l’ histamine) présentent une augmentation du sommeil paradoxal, un déficit de l’éveil à l’extinction de la lumière, une altération du rythme q de l’EEG cortical durant l’éveil, un comportement de sédation et un déficit de l'éveil dans un nouvel environnement. Ceci indique, pour la première fois, l’importance de ces neurones dans l'aspect qualitatif de l'éveil et dans le maintien de la vigilance nécessaire face aux défis comportementaux (approches neuro-anatomique -physiologique et –pharmacologique et cognitifs) (Parmentier et al., 2002, Dere et al., 2004);

4) l’administration de toutes les substances conduisant à une diminution de la transmission histaminergique augmente le sommeil lent, alors que le renforcement de cette transmission entraîne l'éveil. L'activation des récepteurs post-synaptiques H1 et H2 serait responsable de l'effet éveillant de l’ histamine, alors que les récepteurs H3 interviendraient via un mécanisme présynaptique. Ces résultats démontrent, pour la première fois au niveau expérimental, la nature des effets sédatifs des antihistaminiques observés en clinique (Schwartz et al., 1991) (approches impliquées: pharmacologie systémique utilisant de nouveaux ligands des récepteurs, analyse spectrale de l’EEG, Lin et al. 1986b, 1988, 1990; Lin 2000; Parmentier et al. 2002);

5) les réseaux neuronaux mis en jeu dans "l'éveil histaminergique" impliquent non seulement leurs voies corticopètes mais aussi leurs projections ascendantes vers la région préoptique (H2) et descendantes vers les neurones cholinergiques mésopontiques (H1) (approches mises en œuvre : pharmacologie in situ, microdialyse chronique chez le chat libre de se mouvoir, hybridation in situ, préparation cerveau isolé, utilisation des gènes précoces, Voir Lin et al., 1994, 1996b, Crochet & Sakai, 1999, Lin 2000) ;

6) enfin, au niveau d’une valorisation clinique, le modafinil, une nouvelle molecule éveillante, induit de l'éveil calme par des mécanismes distincts de ceux des psychostimulants (Lin et al., 1992, 1996). Le modafinil est actuellement utilisé dans la médecine de sommeil en Europe et aux USA. Plus récemment, nous avons montré que le ciproxifan, un puissant antagoniste sélectif des récepteurs H3 qui contrôlent l’activité des neurones à histamine par autoinhibition, augmente non seulement la durée de l’éveil mais également les fréquences rapides (25-60 Hz) de l’EEG cortical (reflet d’une vigilance élevée) du chat et de la souris. Les antagonistes des récepteurs H3 pourrait donc être des molécules prometteuses dans la thérapeutique des troubles de la vigilance et du déficit de l’éveil (Lin et al., 1990 ; Ligneau et al.,1998 ; Parmentier et al., 2002 ; Gbahou et al., 2003 ; Passani et al., 2004).


En conclusion, l’ensemble de ces résultats indique que les neurones à histamine constituent un système essentiel dont le rôle dans la genèse de l'activation corticale et de l'éveil était jusqu'à présent inconnu. Ces neurones jouent un rôle déterminant dans le maintien de l’éveil, non seulement dans les conditions basales, mais aussi dans des circonstances cruciales, telles que la présence de défis comportementaux. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau système activateur de l’éveil, distinct de ceux définis classiquement.

Il est à signaler que notre concept du rôle des systèmes à histamine est maintenant adopté par d’autres groupes de renom travaillant sur le sommeil (voir, par ex., Sherin et al., Science 1996 et J. Neurosci., 1997; Steininger et al., Brain Res., 1999; Huang et al., PNAS, 2001 ; Saper et al., TINS 2001; Nelson et al., Nature Neurosci., 2002; Strecker et al., Neurosci., 2002 ; Haas & Panula, Nat Rev Neurosci., 2003). Nos travaux, ainsi que des données récentes sur l’orexine, suscitent actuellement un fort courant de recherche sur l’hypothalamus postérieur. La réalisation de cette partie de notre travail a également permis la formation de deux chercheur post-doctoral, 4 doctorants, 6 DEA et plusieurs stagiaires et chercheurs étrangers.

Publications de l’Unité sélectionnées

1) Lin JS, Hou Y and Jouvet M (1996) Potential brain targets for amphetamine-, methylphenidate- and modafinil-induced wakefulness, evidenced by c-fos immunocytochemistry in cats. P.N.A.S. 93,14128-14133.

2) Lin JS, Hou Y, Sakai K and Jouvet M (1996) Histaminergic descending inputs to the mesopontine tegmentum and their role in the control of cortical activation and wakefulness in the cat, J. Neurosci., 16, 1523-1537.

3) Crochet S and Sakai K (1999) Effects of microdialysis application of monoamines on the EEG and behavioural states in the cat mesopontine tegmentum. EJN 11, 3738-3752.

4) Lin JS (2000) Brain structures and mechanisms involved in the control of cortical activation and wakefulness, with emphasis on the posterior hypothalamus and histaminergic neurons. Sleep Med. Rev. 4(5)471-503.

5) Sastre JP, Buda C, Lin JS and Jouvet M (2000) Differential c-fos expression in the rhinencephalon & striatum after enhanced sleep-wake states in the cat, EJN, 12, 1397-1410.

6) Schmidt MH, Valatx JL, Sakai K, Fort P and Jouvet M (2000) Role of the lateral preoptic area in sleep-related erectile mechanisms and sleep generation in the rat, J. Neurosci., 20,6640-6647.

7) Sakai K and Crochet S (2001) Role of dorsal raphe neurons in paradoxical sleep generation in the cat: no evidence for a serotonergic mechanism. EJN 13, 103-112.

8) Sakai K and Crochet S (2001) Differentiation of presumed serotonergic dorsal raphe neurons in relation to behavior and wake-sleep states. Neuroscience, 104,1141-1155.

9) Parmentier R, Ohtsu H, Djebbara Z, Valatx JL, Watanabe T and Lin JS (2002) Anatomical, physiological and pharmacological characteristics of histidine-decarboxylase knockout mice: evidence for the role of brain histamine in behavioral and sleep-wake control, J. Neurosci., 22,7695-7711.

10) Gbahou F, Rouleau A, Morisset S, Parmentier R, Crochet S, Lin JS, Ligneau X, Tardivel-Lacombe J, Stark H, Schunack W, Ganellin CR, Schwartz JC and Arrang JM (2003) Protean agonism at histamine H3 receptors in vitro and in vivo P.N.A.S. 100,11086-11091.

11) Passani MB, Lin JS, Hancock A, Crochet S and Blandina P (2004) The H3-receptor as a novel therapeutic target for cognitive and sleep disorders, Trends Pharmacol Sci. 25(12)618-625.


Programme de recherche

Mécanismes centraux responsables du maintien de l’éveil, études focalisées sur les neurones à histamine et à orexine

Il est actuellement admis que le maintien de l'activation corticale nécessite une action convergente et divergente de l'ensemble des réseaux ascendants échelonnés depuis les structures réticulées du bulbe rachidien jusqu'au télencéphale, impliquant les systèmes histaminergique et non-histaminergique. Cette organisation redondante permet au cerveau d'assurer une fonction aussi vitale que l'éveil dans des situations externes et internes très diverses (cognitions et comportements par ex., voir Sakai et al., 1990, Steriade, 1991, McCormick 1992, Jones, 2000, Lin, 2000). Outre les systèmes utilisant les neurotransmetteurs dits “classiques” (noradrénaline, dopamine, 5-HT, acétylcholine & Glutamate), un groupe de neurones contenant un neuropeptide : l’orexine/hypocrétine (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998), a été récemment mis en évidence dans la partie dorsolatérale de l’hypothalamus postérieur, situé juste rostrodorsalement aux neurones à histamine (Peyron et al., 1998). Les données récentes ont montré qu’un système orexinergique déficitaire serait la cause pathogène directe de la narcolepsie (passage direct de l’éveil au sommeil paradoxal, une maladie de l’éveil dont la prévalence est de ~ 0.18%) (Lin et al., 1999, Chemelli et al., 1999, Hara et al., 2001) et que, par l’intermédiaire de ses projections ascendantes et descendantes diffuses, ce système, comme celui à histamine, pourrait également jouer un rôle important dans les mécanismes de l’éveil. Enfin, certaines interactions anatomiques et fonctionnelles existant entre le système à histamine et celui à orexine ont été récemment démontrées (Eriksson et al., 2001; Huang et al., 2001; Lin et al., 2003). L’ensemble de ces données a conduit à formuler notre hypothèse de travail selon laquelle les neurones à histamine et ceux à orexine pourraient agir en synergie et de manière complémentaire dans le contrôle de l’éveil.

Au cours des prochaines années notre programme de recherche se focalisera donc sur les mécanismes de l’éveil et, en particulier, sur le rôle spécifique du système histaminergique et ses interactions avec d’autres systèmes, notamment avec le système à orexine. Nous espérons apporter des connaissances nouvelles concernant la neurobiologie des états de vigilance, approfondir notre compréhension de la narcolepsie et d’autres troubles de la vigilance et enfin contribuer à la mise au point de nouvelles approches thérapeutiques dans le traitement de ces pathologies. Il fera appel à une approche expérimentale pluridisciplinaire : cellulaire (localisation anatomique et caractérisation électrophysiologique des neurones), moléculaire (identification des neurones respectifs de l’ histamine et de l’orexine, identification des récepteurs mis en jeu, modèles souris knockout) et fonctionnelle (enregistrements polygraphiques).

Positionnement du programme

L’une des originalités de ce projet réside dans une approche intégrée de la physiologie de l’éveil combinant des aspects cellulaire et moléculaire et dans son objectif thérapeutique pour une meilleure prise en charge des troubles de sommeil comme la narcolepsie et la somnolence liée à des diverses causes. Dans le contexte local, notre projet s’inscrit dans la continuité des efforts réalisés par l’INSERM à Lyon depuis de nombreuses années dans une approche intégrée des états de vigilance. Il s’inscrit également dans le cadre des axes thématiques prioritaires de l’IFR des Neurosciences de Lyon autour de la physiologie intégrée des grandes fonctions cérébrales comme sommeil. Dans le contexte européen et international, notre stratégie expérimentale pluridisciplinaire permet une approche moderne et compétitive fondée sur des hypothèses reconnues à l’échelle internationale (voir réfs. citées ci-dessus) attribuant un rôle clé à l’histamine dans le contrôle de l’éveil. Le positionnement et la compétitivité de nos recherches sont reconnus à l’échelle européenne par l’obtention d’un contrat avec la Commission Européenne inscrit au 5ème PCRDT (2003-2005, No QLRT-2001-00826) intitulé “ Orexin/hypocretine – new targets for therapeutic control of sleeping disorders ”. Dans le contexte clinique, le rôle clé de l’histamine et de l’orexine dans le contrôle de l’éveil fait de ces molécules et des neurones correspondants des nouvelles cibles thérapeutiques. Nos modèles expérimentaux uniques (chat livre de se mouvoir, souris knockout, modèles d’hypersomnie ou d’insomnie) et nos approches pluridisciplinaires nous permettent d’établir un lien direct avec la clinique visant à identifier les nouvelles approches à der fins thérapeutiques dans le traitements des troubles du sommeil et de l’éveil.

Conséquences prévisibles

Notre programme de recherche à terme permettra de définir le rôle respectif des neurones à histamine ou à orexine dans le maintien de l’éveil et contribuera à un apport très significatif dans la compréhension des mécanismes de l’éveil (les récepteurs, les circuits neuronaux mis en jeu, et le mode d’action au niveau des cibles cérébrales). Le continuum entre recherche fondamentale et physiopathologie sera mis à profit pour tester de nouvelles molécules dans le traitement de la narcolepsie et d’autres troubles des états de vigilance, contribuant ainsi à la médecine du sommeil et à la santé publique. Des substances en cours de développement comme les antagonistes des récepteurs H3 et les agonistes de l’orexine présentent en effet des potentialités thérapeutiques indéniables.

Dernière modification le Mercredi 28 Mars 2012 à 10:57:41.