Un carrefour du mésencéphale, deux fonctions : les neurones qui pilotent le sommeil paradoxal et l’éveil
Le sommeil paradoxal a toujours fait bande à part. Le cerveau qui rêve bourdonne presque aussi fort que le cerveau éveillé, les yeux balaient sous les paupières closes et le corps coupe si complètement ses propres muscles que les chercheurs l’ont autrefois qualifié de paradoxal. C’est l’état le plus proche de l’éveil qu’un cerveau endormi puisse atteindre, et pourtant les deux sont généralement étudiés séparément. Une étude publiée dans Cell Reports suggère aujourd’hui qu’ils partagent un même maître : une petite population de neurones excitateurs nichée dans la substance grise périaqueducale latérale (LPAG), une structure du mésencéphale surtout connue pour la fuite, l’attaque et le figement.
Un carrefour pour deux états d’éveil
La substance grise périaqueducale est une colonne ancestrale de substance grise enroulée autour du canal rempli de liquide au cœur du mésencéphale. Sa division latérale participe aux réponses de fuite ou de combat, à la suppression de la douleur, au contrôle cardiovasculaire, à la respiration, au comportement maternel et à la récompense. Le sommeil ne figurait pas sur cette liste. Le premier indice est venu de la cartographie c-Fos du cerveau entier, un marqueur des neurones récemment actifs : après une privation de sommeil paradoxal, un rebond de sommeil paradoxal et une privation totale de sommeil, des amas de neurones de la LPAG se sont illuminés.
L’identité des cellules était un indice. Dans la substance grise périaqueducale ventrolatérale voisine, les cellules liées au sommeil sont GABAergiques et libèrent le neurotransmetteur inhibiteur GABA. Les cellules actives de la LPAG ne l’étaient pas, ce qui désigne les neurones glutamatergiques, qui libèrent le neurotransmetteur excitateur glutamate.
Actifs à l’éveil, actifs en sommeil paradoxal
L’équipe, issue de l’université Fudan de Shanghai, avec des partenaires à Lyon et à Tsukuba, a observé les cellules en temps réel. La photométrie par fibre optique suit les signaux calciques dans des neurones génétiquement ciblés ; chez des souris en mouvement libre, les cellules glutamatergiques de la LPAG se classaient de façon constante : les plus actives pendant l’éveil, modérément actives pendant le sommeil paradoxal, les plus silencieuses pendant le sommeil lent, et promptes à décharger au réveil des animaux. Les enregistrements de neurones uniques par tétrodes optiques l’ont confirmé : les neurones glutamatergiques de la LPAG marqués par la lumière déchargeaient plus que leurs voisins pendant l’éveil et le sommeil paradoxal, mais pas pendant le sommeil lent, avec une montée en puissance dans les dix secondes précédant le réveil d’une souris. Le marquage a donné un chiffre : environ la moitié des neurones de la LPAG activés par la privation de sommeil paradoxal et le rebond chez le rat étaient glutamatergiques, et près de 59 % lors d’une privation totale de sommeil chez la souris.
L’expérience du frein
Pour savoir ce que font ces neurones, les chercheurs les ont rendus silencieux. La chimiogénétique cible pharmacologiquement un type cellulaire précis : les neurones portent un récepteur, hM4Di, qui ne répond qu’à un composé par ailleurs inerte, le CNO, ce qui atténue leur décharge. Chez les souris dont les neurones glutamatergiques de la LPAG portaient le récepteur, le CNO a réduit le sommeil paradoxal de 31 à 47 % dans les heures suivant l’injection, augmenté le sommeil lent d’environ 14 à 26 % et diminué l’éveil d’environ 11 % en fin d’après-midi. La locomotion et le tonus musculaire n’étaient pas modifiés : l’effet était donc spécifique de l’architecture du sommeil. Un second détail allait au-delà du sommeil : dans un test de choc électrique aux pattes, les souris rendues silencieuses se figeaient environ 48 % moins que les témoins, signe que ces neurones aident un animal à rester immobile face à une menace.
L’expérience de l’accélérateur
Puis les chercheurs ont actionné l’interrupteur dans l’autre sens. L’activation des cellules via un second récepteur chimiogénétique, hM3Dq, a maintenu les souris éveillées pendant environ huit heures : l’éveil a augmenté de 195 %, le sommeil lent a chuté de 87 % et le sommeil paradoxal a presque disparu, en baisse de 97 %. Cet éveil présentait un aspect inhabituel : l’EEG était dominé par une puissance thêta élevée, la signature d’une attention alerte, tandis que les souris restaient immobiles, avec un tonus musculaire réduit. Elles n’étaient pas paralysées et continuaient de répondre aux sons et aux chocs aux pattes ; dans leur cage, seul le temps de repos augmentait.
L’optogénétique, qui pilote les neurones grâce à des protéines sensibles à la lumière avec une précision de l’ordre de la milliseconde, a transmis le même message avec un meilleur calibrage temporel. Un train de lumière bleue à 30 hertz délivré 20 secondes après l’entrée en sommeil lent a réveillé les souris presque instantanément ; 20 à 50 hertz agissaient plus vite que 10 hertz, et une heure de stimulation intermittente a maintenu les souris éveillées tout au long, le sommeil paradoxal tombant à zéro.
La voie du sommeil paradoxal : vers le SLD
Où vont ces commandes ? Le traçage antérograde a montré que les axones glutamatergiques de la LPAG atteignent trois cibles du tronc cérébral : le noyau tegmental sous-latérodorsal (SLD), le locus cœruleus (LC) et le noyau réticulaire gigantocellulaire ventral (GiV). Le traçage rétrograde avec trois traceurs différents a montré que chaque neurone de la LPAG se projette presque exclusivement vers l’une des trois cibles, à la manière de voyageurs qui empruntent chacun une seule ligne ; chacune a ainsi pu être testée séparément.
Le SLD est le moteur du sommeil paradoxal dans le cerveau, et la ligne LPAG-SLD s’est avérée être la ligne du sommeil paradoxal. Réduire au silence uniquement les cellules de la LPAG qui se projettent vers le SLD a réduit le sommeil paradoxal d’environ 125 % par rapport aux témoins sous véhicule dans la fenêtre de 9 h 00 à 11 h 00, sans modifier l’éveil ni le sommeil lent. L’activation de ces terminaisons à 30 hertz a fait passer les souris endormies du sommeil lent au sommeil paradoxal. Et après le rebond de sommeil paradoxal, les neurones de la LPAG tracés depuis le SLD étaient chargés de c-Fos, alors que le même traceur placé dans le GiV n’en marquait presque aucun. Les cellules actives pendant le sommeil paradoxal communiquent avec le SLD, et non avec le GiV.
Les voies de l’éveil : vers le LC et le GiV
Le versant éveil de ce bilan emprunte deux routes. Le locus cœruleus est la cloche d’alarme noradrénergique du cerveau, et il a répondu : 65 % des neurones du LC enregistrés ont réagi à la stimulation de la LPAG, et environ la moitié des afférences issues de la LPAG ciblaient des cellules noradrénergiques. Le GiV, un noyau bulbaire impliqué dans le contrôle moteur et la défense passive, a lui aussi répondu : 77 % de ses neurones déchargeaient en réponse aux signaux de la LPAG. L’activation de l’un ou l’autre ensemble de terminaisons a réveillé les souris endormies, en renforçant le thêta, en atténuant le delta, en abaissant le tonus musculaire et en favorisant la même immobilité figée mais alerte. Les deux routes diffèrent en endurance : une heure d’excitation continue de la ligne LC a soutenu l’éveil, tandis que la ligne GiV produisait une activation qui ne persistait pas.
Pourquoi c’est important
À première vue, un interrupteur du sommeil semble une drôle de seconde fonction pour le centre de la menace du cerveau. Les auteurs soutiennent que ces rôles ne sont pas en conflit : l’activation et la vigilance relèvent de la même monnaie d’échange, et une structure conçue pour garder un animal en alerte face au danger est un lieu naturel pour piloter des états qui partagent les rythmes rapides du cerveau éveillé. L’immobilité riche en thêta qu’ils ont observée évoque l’orientation, un animal qui balaie une scène du regard tout en restant parfaitement immobile.
Il pourrait aussi y avoir un bénéfice clinique : la frontière entre sommeil paradoxal et éveil se dérègle dans le trouble du comportement en sommeil paradoxal et dans la narcolepsie, et l’article propose les circuits glutamatergiques de la LPAG comme cibles thérapeutiques candidates.
Limites
Les auteurs signalent les réserves habituelles. Le marquage c-Fos après une privation de sommeil paradoxal peut refléter en partie le stress de la procédure de privation elle-même, et pas seulement la pression de sommeil. Les cellules actives à l’éveil et celles actives en sommeil paradoxal semblent former deux sous-populations entremêlées, sans marqueur moléculaire encore disponible pour les séparer ; les deux groupes ne peuvent donc pas encore être étudiés isolément. Dans les expériences d’activation, l’effet dominant de promotion de l’éveil a pu masquer l’influence promotrice de sommeil paradoxal du sous-ensemble qui se projette vers le SLD. Enfin, l’état d’immobilité, bien qu’il ressemble à un figement, n’a pas été entièrement caractérisé comme tel : la fréquence cardiaque et d’autres signes autonomes n’ont pas été mesurés.
L’essentiel
Un ensemble de cellules glutamatergiques de la substance grise périaqueducale latérale s’active à la fois pendant l’éveil et le sommeil paradoxal, favorise le sommeil paradoxal par sa projection vers le SLD et favorise l’éveil par ses projections vers le locus cœruleus et le noyau réticulaire gigantocellulaire ventral. Cette découverte fait de la LPAG l’une des rares régions connues pour coordonner les deux volets du bilan du cerveau éveillé, et une cible plausible pour les troubles qui brouillent la frontière entre sommeil et éveil.
Traduit par Lydie
Source
Wang Y-Q, Li L, Ma W-X, Chen L, Jiang J-B, Liu W-Y, Shi K, Arthaud S, Kong L-X, Hayashi Y, Qu W-M, Luppi P-H, Huang Z-L. Control of REM sleep and wakefulness by lateral periaqueductal gray glutamatergic neurons. Cell Reports. 2026;45(8):117821. DOI: 10.1016/j.celrep.2026.117821. PMID: 42585020.