Ventromedial medulla inhibitory neuron inactivation induces REM sleep without atonia and REM sleep behavior disorder

Despite decades of research, there is a persistent debate regarding the localization of GABA/glycine neurons responsible for hyperpolarizing somatic motoneurons during paradoxical (or REM) sleep (PS), resulting in the loss of muscle tone during this sleep state. Combining complementary neuroanatomical approaches in rats, we first show that these inhibitory neurons are localized within the ventromedial medulla (vmM) rather than within the spinal cord. We then demonstrate their functional role in PS expression through local injections of adeno-associated virus carrying specific short-hairpin RNA in order to chronically impair inhibitory neurotransmission from vmM. After such selective genetic inactivation, rats display PS without atonia associated with abnormal and violent motor activity, concomitant with a small reduction of daily PS quantity. These symptoms closely mimic human REM sleep behavior disorder (RBD), a prodromal parasomnia of synucleinopathies. Our findings demonstrate the crucial role of GABA/glycine inhibitory vmM neurons in muscle atonia during PS and highlight a candidate brain region that can be susceptible to α-synuclein-dependent degeneration in RBD patients

Phylogeny of sleep in tetrapods : analysis of evolutionary patterns, electrophysiological and behavioral studies in two squamates species and new methodological perspectives

Le sommeil constitue un comportement vital complexe, identifié chez la quasi-totalité des animaux étudiés. Sur la base d’études princeps dans les années 50 chez le chat et l’homme, le sommeil a pu être séparé clairement en deux états distincts : le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Ces deux états ont ainsi été caractérisés sur la base de critères électroencéphalographiques, physiologiques et comportementaux. Basé sur une définition mammalienne, il a ainsi été montré que les mammifères terrestres et les oiseaux, tous deux homéothermes, possédaient ces deux états de sommeil. Cependant, l'origine évolutive de ces deux états reste inconnue et nous ne savons toujours pas s’ils ont évolué de façon indépendante ou s’ils ont été hérités d'un ancêtre commun. Les amphibiens et les reptiles, positionnés à la base des tétrapodes et des amniotes constituent par conséquent, des taxons clés dans la compréhension de l'évolution de ces deux états de sommeil. Afin de mieux comprendre la phylogénie de ces deux états, nous avons réalisé dans un premier temps une revue et méta-analyse de la littérature du sommeil chez ces espèces. Dans un second temps, et dans le but de pouvoir conduire des approches comparatives et ainsi mieux décrire la plasticité du sommeil, nous avons développé un dispositif miniature sans fil permettant d’enregistrer simultanément l’électrophysiologie, la physiologie, la température et le comportement en laboratoire et en milieu naturel. Enfin, nous avons conduit une étude électrophysiologique, physiologique, pharmacologique et comportementale chez deux espèces de squamates (Salvator merianae et Pogona vitticeps). Cette étude nous a permis de montrer que deux états électroencéphalographiques de sommeil existaient chez ces espèces. Cependant, elles ont aussi révélé des divergences phénotypiques importantes au sein même des lézards, ainsi qu’avec le sommeil des mammifères et des oiseaux, démontrant ainsi une origine commune mais complexe des deux états de sommeilSleep is a vital and complex behavior, identified in nearly all animals. Based on studies on cats and humans conducted in the 50’s, sleep was separated into two distinct sleep states: slow wave sleep and paradoxical sleep (or REM sleep). Those two states were identified based on electroencephalographic, physiological and behavioral parameters. Based on this mammalian definition, it has been demonstrated that those two states exist in terrestrial mammals and birds, both homeotherms. However, the evolutive origin of these sleeps states remains unknown and we do not know whether they evolved independently or if they were inherited from a common ancestor. Amphibians and reptiles are respectively positioned at the base of the tetrapod and the amniote tree. Therefore, they constitute key taxa in the understanding of the origin of these states. In order to understand the phylogeny of these states, we first performed an exhaustive review and meta-analysis of the sleep literature in these groups. Next, in order to be able to conduct comparative approaches and better understand the sleep plasticity, we developed a standalone miniature device to record electrophysiology, physiology, temperature, and behavior simultaneously and this under both lab and field conditions. Finally, we conducted an electrophysiological, physiological, pharmacological and behavioral study of two squamates species (Salvator merianae and Pogona vitticeps). This study revealed that two electro-encephalographical sleep states exist in these species. However, they also showed that the phenotype of these states diverged between the two lizards and between the lizards on the one hand and mammals and birds on the other hand. This would suggest a common, but complex, origin of these two sleep state

Phylogénie du sommeil chez les tétrapodes : analyse de patterns évolutifs, études électrophysiologiques et comportementales chez deux espèces de squamates et nouvelles perspectives méthodologiques

Sleep is a vital and complex behavior, identified in nearly all animals. Based on studies on cats and humans conducted in the 50’s, sleep was separated into two distinct sleep states: slow wave sleep and paradoxical sleep (or REM sleep). Those two states were identified based on electroencephalographic, physiological and behavioral parameters. Based on this mammalian definition, it has been demonstrated that those two states exist in terrestrial mammals and birds, both homeotherms. However, the evolutive origin of these sleeps states remains unknown and we do not know whether they evolved independently or if they were inherited from a common ancestor. Amphibians and reptiles are respectively positioned at the base of the tetrapod and the amniote tree. Therefore, they constitute key taxa in the understanding of the origin of these states. In order to understand the phylogeny of these states, we first performed an exhaustive review and meta-analysis of the sleep literature in these groups. Next, in order to be able to conduct comparative approaches and better understand the sleep plasticity, we developed a standalone miniature device to record electrophysiology, physiology, temperature, and behavior simultaneously and this under both lab and field conditions. Finally, we conducted an electrophysiological, physiological, pharmacological and behavioral study of two squamates species (Salvator merianae and Pogona vitticeps). This study revealed that two electro-encephalographical sleep states exist in these species. However, they also showed that the phenotype of these states diverged between the two lizards and between the lizards on the one hand and mammals and birds on the other hand. This would suggest a common, but complex, origin of these two sleep statesLe sommeil constitue un comportement vital complexe, identifié chez la quasi-totalité des animaux étudiés. Sur la base d’études princeps dans les années 50 chez le chat et l’homme, le sommeil a pu être séparé clairement en deux états distincts : le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Ces deux états ont ainsi été caractérisés sur la base de critères électroencéphalographiques, physiologiques et comportementaux. Basé sur une définition mammalienne, il a ainsi été montré que les mammifères terrestres et les oiseaux, tous deux homéothermes, possédaient ces deux états de sommeil. Cependant, l'origine évolutive de ces deux états reste inconnue et nous ne savons toujours pas s’ils ont évolué de façon indépendante ou s’ils ont été hérités d'un ancêtre commun. Les amphibiens et les reptiles, positionnés à la base des tétrapodes et des amniotes constituent par conséquent, des taxons clés dans la compréhension de l'évolution de ces deux états de sommeil. Afin de mieux comprendre la phylogénie de ces deux états, nous avons réalisé dans un premier temps une revue et méta-analyse de la littérature du sommeil chez ces espèces. Dans un second temps, et dans le but de pouvoir conduire des approches comparatives et ainsi mieux décrire la plasticité du sommeil, nous avons développé un dispositif miniature sans fil permettant d’enregistrer simultanément l’électrophysiologie, la physiologie, la température et le comportement en laboratoire et en milieu naturel. Enfin, nous avons conduit une étude électrophysiologique, physiologique, pharmacologique et comportementale chez deux espèces de squamates (Salvator merianae et Pogona vitticeps). Cette étude nous a permis de montrer que deux états électroencéphalographiques de sommeil existaient chez ces espèces. Cependant, elles ont aussi révélé des divergences phénotypiques importantes au sein même des lézards, ainsi qu’avec le sommeil des mammifères et des oiseaux, démontrant ainsi une origine commune mais complexe des deux états de sommei

Ecophysiologie et évolution des états de sommeil

Malgré son apparente simplicité, le sommeil est un état complexe, tant du point de vue physiologique que comportemental. C’est un état risqué pendant lequel l’animal est déconnecté de son environnement et pourtant il existe chez tous les animaux. Chez les mammifières et les oiseaux il peut même être clairement séparé en deux états physiologiquement et cérébralement distincts: le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Il est ainsi vital, et central pour l’animal, qui doit trouver un équilibre entre le temps alloué à des phases actives, bénéficiant directement à sa survie (recherche de partenaire, de nourriture, ...) et à ses besoins liés au sommeil, auxquels il peut difficilement se soustraire. Il existe donc un compromis entre les bénéfices apportés par le sommeil et le coût physiologique ou comportemental, de réduire, fragmenter, ou supprimer ce dernier face à une perturbation ou une opportunité environnementale (prédation, disponibilité de ressources, de partenaires, chaleur, ...). Mais quels sont les bénéfices liés au sommeil et quels sont les coûts en terme de fitness associés à une altération du sommeil ?D’un point de vue mécanistique, le sommeil et ses sous états font l’objet de nombreuses recherches au niveau génétique, moléculaire, cellulaire, cognitif et comportemental. Les travaux sur les modèles murins et sur l’homme, ont notamment permis de mieux comprendre les réseaux de neurones impliqués dans les différentes phases de sommeil, les voies métaboliques, les liens existant entre les maladies neurodégénératives, les troubles psychiques et le sommeil. Ils ont ainsi permis d’impliquer le sommeil dans la régulation du système immunitaire, du métabolisme, de la mémoire, dans la gestion émotionnelle, la maturation cérébrale, la croissance, ou encore le nettoyage cellulaire. Mais aussi importantes soient elles, toutes ces fonctions associées au sommeil n’expliquent pas à elles seules l’existence et l’universalité du sommeil. En effet, principalement conduites en laboratoire, sur des modèles humains ou des modèles génétiquement sélectionnés, ces études ne reflètent pas la diversité des phénotypes existants et ne remettent pas le sommeil dans un contexte évolutif et écologique, qui lèverait le voile sur les mécanismes de sélection, de plasticité et de flexibilité du sommeil et plus largement des états de vigilance. Pour mieux comprendre l’origine du sommeil et les facteurs de pression physiologiques et environnementaux, il convient ainsi d’utiliser les 3,8 milliards d’années d’évolution et de sélection naturelle afin de comprendre cette universalité et cette variabilité existante dans son expression.J’ai initié ce projet il y a 10 ans, au sein de l’equipe sommeil du centre de recherche de neurosciences de Lyon. C’est dans ce contexte, j’ai pu intégrer les bases physiologiques et les méthodes de caractérisation du sommeil, notamment dans un projet de biologie comparative, visant à déterminer l’origine du sommeil paradoxal en étudiant les reptiles. Afin de porter ce projet au delà de l’axe purement physiologique, je compte développer et déployer mes approches scientifiques et méthodologiques dans un cadre plus large afin de comprendre les origines évolutives et les facteurs de pression sélectives sur les états de sommeil, grâce à des approches comparatives, écophysiologiques et au développement de méthodes associées. Cette HDR présente le contexte et les enjeux de tels developpements, mes travaux passés, actuels, et les futurs axes de recherche envisagés

Wireless vigilance state monitoring

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Is there REM sleep in reptiles? A key question, but still unanswered

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Sleep: Hemispheres fight for dominance

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Instrumentation pour la caractérisation du sommeil chez l'animal, du laboratoire au milieu naturel

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