Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le cycle éveil-sommeil est contrôlé par l'interaction entre deux processus indépendants : le processus circadien, qui correspond aux variations rythmiques de la propension au sommeil au cours des 24 heures et le processus homéostatique qui représente la dette de sommeil accumulée pendant l'éveil. Un marqueur physiologique important du processus homéostatique est la puissance spectrale de l'activité à ondes lentes (AOL) à l'EEG au cours du sommeil NREM. La présente thèse visait à étudier la puissance et la dynamique de l' AOL au cours du sommeil, chez des sujets normaux de divers groupes d'âge et des sujets atteints de différentes pathologies du sommeil. La première partie de cette thèse est composée de deux volets. Le premier s'est intéressé aux modifications de l'architecture du sommeil et de l'EEG au cours du vieillissement. Le deuxième visait à mesurer les effets de l'âge sur la force de récupération du processus homéostatique, suite à une privation de sommeil de 25 heures. Dans la deuxième partie, nous avons étudié deux populations de patients qui présentent une hypersomnolence diurne, des sujets atteints du syndrome d'apnées du sommeil et des sujets souffrant d'hypersomnie idiopathique. Enfin, nous avons mesuré l 'AOL dans une pathologie qui touche spécifiquement le sommeil à ondes lentes, le somnambulisme. La baisse dramatique des stades profonds de sommeil au cours du vieillissement est associée à une diminution de la puissance de l' AOL. L'analyse spectrale de l'EEG nous a permis de démontrer qu'une baisse importante de l'AOL se produit entre l'enfance et le milieu de l'âge adulte. Il semble que la dynamique du déclin de l'AOL s'atténue et atteigne un plateau avec l'âge. Dans le deuxième volet, nous avons noté que la consolidation du sommeil est gravement perturbée chez les sujets d'âge moyen pendant un épisode de sommeil de jour en dépit d'une privation de sommeil de 25 heures. Le rebond d' AOL lors du sommeil de récupération est significativement réduit chez les sujets d'âge moyen comparés aux sujets jeunes. Ces études suggèrent que le vieillissement soit associé à une atténuation de la force du processus de récupération homéostatique et à une augmentation de la sensibilité à un angle de phase anormal entre le signal circadien et l'épisode de sommeil. Il existe des évidences croissantes à l'effet que des altérations de la régulation de l' AOL soient présentes dans plusieurs pathologies du sommeil. Les hypersomniaques présentent aussi une diminution de l 'AOL au cours du sommeil. Cette observation pourrait refléter une baisse du processus de régulation homéostatique dans cette population. Chez les apnéiques, les éveils fréquents provoqués par les apnées, semblent affecter le niveau de l' AOL. Il semble que ces patients vivent en fragmentation chronique de sommeil. Chez les somnambules, la présence d'éveils répétés en SOL semble empêcher l'accumulation normale de l 'AOL en début de nuit. L'utilisation du modèle à deux processus a soulevé un grand intérêt en permettant d'étudier la régulation du sommeil à l'aide d'un cadre théorique. L'étude de l' AOL au cours du sommeil pourra améliorer notre compréhension des mécanismes responsables des modifications du cycle éveil-sommeil avec l'âge et dans différentes pathologies du sommeil.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'analyse spectrale est une technique d'analyse fréquentielle qui permet de décomposer un signal cyclique complexe en plusieurs sous-fonctions. Cette technique d'analyse est utilisée notamment pour décortiquer finement le signal électroencéphalographique (EEG). Elle permet d'obtenir des informations sur les fluctuations dans la quantité et la puissance des activités corticales qui ne sont pas perçues de visu lors de l'inspection du tracé. Cette technique est particulièrement adaptée à l'analyse du tracé EEG à l'éveil qui apparaît relativement homogène à l'inspection visuelle. Les variations obtenues dans les activités corticales peuvent alors servir à évaluer les changements dans les niveaux d'éveil. Bien que la technique de l'analyse spectrale des signaux EEGs ait commencé à être développée depuis environ un demi-siècle, l'utilisation de cette mesure pour évaluer les fluctuations dans les niveaux d'éveil est beaucoup plus récente. Conséquemment, dans la littérature, peu d'informations concernent quels sont les changements dans les activités corticales qui sont en lien avec les variations dans les niveaux d'éveil. Le but principal d'e cette thèse était donc de documenter quelles sont les variations dans les activités EEGs à l'éveil qui représentent des changements dans les niveaux d'éveil. Les changements dans les activités EEGs à l'éveil ont été comparés aux fluctuations observées dans les mesures traditionnelles de la vigilance, soit les latences d'endormissement et les échelles de vigilance subjective. Quatre conditions expérimentales ont servi pour induire des changements dans les niveaux d'éveil. Les mesures de la vigilance ont été recueillies en condition normale d'entraînement, à la suite d'une diminution de la durée du sommeil, pendant une exposition à la lumière vive et, enfin, durant une privation de sommeil longue de près de 40 heures. Au total, 44 sujets jeunes et normaux ont été testés. Les résultats ont démontré que les activités EEGs à l'éveil répondent aux influences qui induisent des changements dans les niveaux d'éveil. Il semble donc que les variations dans les énergies de l'activité corticale puissent nous donner des indices sur la dynamique des états d'éveil. Il est apparu aussi que certains changements dans les activités EEGs à l'éveil correspondaient à ceux de la vigilance subjective. Il est possible que ces deux mesures de l'éveil répondent aux mêmes influences, qu'elles soient modulées par les mêmes processus ou qu'elles agissent l'une sur l'autre. Une telle association entre une mesure physiologique et une mesure subjective pourra servir à étudier de façon plus précise les mécanismes physiologiques qui sont à la base de la sensation d'être "très éveillé" et "très endormi".

Les ondes lentes (OL) et les fuseaux de sommeil (FS) caractérisent le sommeil lent. Ces ondes sont particulièrement vulnérables aux effets du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. La signification fonctionnelle de ces changements demeure toutefois inconnue. Les OL constituent des marqueurs sensibles de la pression homéostatique au sommeil qui augmente avec la durée de l’éveil et qui diminue avec la durée de sommeil. L’hypothèse que les changements des OL puissent refléter une altération de la régulation homéostatique demeure toujours matière à débat dans la littérature. D’autre part, les FS et les OL ont tous deux été associés à la plasticité cérébrale et à la cognition. La correspondance entre les ondes en sommeil lent et le fonctionnement cognitif au cours du vieillissement normal demeure peu étudiée et les résultats sont inconsistants. L’objectif de cette thèse est de déterminer comment l’âge affecte la réponse homéostatique des OL et d’évaluer l’association entre les caractéristiques des ondes en sommeil lent et les performances cognitives chez des personnes d’âge moyen et âgées. La première étude a évalué l’effet de 25 heures d’éveil sur les OL durant un épisode de sommeil de récupération diurne chez de jeunes adultes et des personnes d’âge moyen. Comparativement aux jeunes, les personnes d’âge moyen ont montré une augmentation atténuée de la densité des OL après la privation de sommeil. Elles ont également montré une augmentation plus faible de la synchronisation neuronale durant une OL dans les régions frontales et préfrontales, mesurée par l’amplitude et la pente des OL. La deuxième étude a évalué le lien prédictif des OL, des FS et de l’architecture du sommeil sur les performances à des tests neuropsychologiques mesurant les capacités attentionnelles, les fonctions exécutives et les capacités d’apprentissage verbal chez des participants d’âge moyen et âgés en bonne santé. Seule la fluence verbale était associée à la densité et à la pente des OL. Les OL ne semblent donc pas constituer un marqueur stable du fonctionnement cognitif. Comparativement aux OL, les caractéristiques des FS étaient associées de façon plus systématique aux performances cognitives et plus particulièrement aux capacités d’apprentissage et aux fonctions attentionnelles. Dans l’ensemble, cette thèse suggère que l’augmentation plus faible de la synchronisation neuronale dans les régions antérieures après une privation de sommeil est expliquée par une plasticité synaptique réduite chez les personnes d’âge moyen comparativement aux jeunes. Par ailleurs, la capacité à générer une activité neuronale synchronisée, mesurée par les OL, ne prédit ni la capacité à maintenir le sommeil durant le jour, ni les fonctions cognitives de façon consistante. Les FS, quant à eux, représentent un meilleur marqueur du fonctionnement cognitif au cours du vieillissement normal. Les FS pourraient refléter une meilleure intégrité anatomique/physiologique des réseaux neuronaux impliqués dans les capacités attentionnelles et d’apprentissage. / Slow waves (SW) and spindles are hallmarks of non-rapid eye movement (NREM) sleep. Both types of oscillations are particularly vulnerable to the effects of aging as early as middle-age. However, the functional significance of these changes is still unknown. SW are sensitive markers of homeostatic sleep pressure which increases with the duration of wakefulness and decreases with sleep duration. The hypothesis that changes in SW may reflect impaired homeostatic regulation is still a matter of debate in the literature. Furthermore, spindles and SW are both associated with brain plasticity and cognition. Few studies have evaluated the correspondence between NREM sleep oscillations and cognitive functioning in normal aging and the results are inconsistent. The objective of this thesis is to determine how age affects the homeostatic response of SW and to evaluate the association between characteristics of NREM sleep oscillations and cognitive performance in middle-aged and elderly participants. The first study evaluated the impact of 25-hours of wakefulness on SW during daytime recovery sleep in young adults and middle-aged participants. Compared to young adults, middle-aged participants showed lower SW density rebound after sleep deprivation. They also showed reduced enhancement of neuronal synchronization in frontal and prefrontal areas, measured by the SW slope and amplitude. The second study evaluated whether spindles, SW and sleep architecture during baseline sleep predict performance in neuropsychological tests measuring attentional capacities, executive functions and verbal learning among healthy middle-aged and older participants. Only verbal fluency was associated with SW density and SW slope. Thus, SW characteristics do not appear to be a stable marker of cognitive functioning. Compared to SW, spindle characteristics were associated more systematically with cognitive performances and especially with learning abilities and attentional functions. Taken as a whole, this thesis suggests that the lower enhancement of neuronal synchronization in anterior brain regions after sleep deprivation is explained by a reduced synaptic plasticity in middle-aged participants compared to young participants. However, the ability to generate synchronized neuronal activity, as measured by the SW, does not predict the ability to maintain sleep during the day nor cognitive performances consistently. Spindles, in turn, represent a more robust marker of cognitive functioning during normal aging. Spindles may reflect better anatomical/physiological integrity of the neural networks involved in attentional and learning abilities.

Les ondes lentes (OL) et les fuseaux de sommeil (FS) caractérisent le sommeil lent. Ces ondes sont particulièrement vulnérables aux effets du vieillissement, et ce, dès le milieu de l’âge adulte. La signification fonctionnelle de ces changements demeure toutefois inconnue. Les OL constituent des marqueurs sensibles de la pression homéostatique au sommeil qui augmente avec la durée de l’éveil et qui diminue avec la durée de sommeil. L’hypothèse que les changements des OL puissent refléter une altération de la régulation homéostatique demeure toujours matière à débat dans la littérature. D’autre part, les FS et les OL ont tous deux été associés à la plasticité cérébrale et à la cognition. La correspondance entre les ondes en sommeil lent et le fonctionnement cognitif au cours du vieillissement normal demeure peu étudiée et les résultats sont inconsistants. L’objectif de cette thèse est de déterminer comment l’âge affecte la réponse homéostatique des OL et d’évaluer l’association entre les caractéristiques des ondes en sommeil lent et les performances cognitives chez des personnes d’âge moyen et âgées. La première étude a évalué l’effet de 25 heures d’éveil sur les OL durant un épisode de sommeil de récupération diurne chez de jeunes adultes et des personnes d’âge moyen. Comparativement aux jeunes, les personnes d’âge moyen ont montré une augmentation atténuée de la densité des OL après la privation de sommeil. Elles ont également montré une augmentation plus faible de la synchronisation neuronale durant une OL dans les régions frontales et préfrontales, mesurée par l’amplitude et la pente des OL. La deuxième étude a évalué le lien prédictif des OL, des FS et de l’architecture du sommeil sur les performances à des tests neuropsychologiques mesurant les capacités attentionnelles, les fonctions exécutives et les capacités d’apprentissage verbal chez des participants d’âge moyen et âgés en bonne santé. Seule la fluence verbale était associée à la densité et à la pente des OL. Les OL ne semblent donc pas constituer un marqueur stable du fonctionnement cognitif. Comparativement aux OL, les caractéristiques des FS étaient associées de façon plus systématique aux performances cognitives et plus particulièrement aux capacités d’apprentissage et aux fonctions attentionnelles. Dans l’ensemble, cette thèse suggère que l’augmentation plus faible de la synchronisation neuronale dans les régions antérieures après une privation de sommeil est expliquée par une plasticité synaptique réduite chez les personnes d’âge moyen comparativement aux jeunes. Par ailleurs, la capacité à générer une activité neuronale synchronisée, mesurée par les OL, ne prédit ni la capacité à maintenir le sommeil durant le jour, ni les fonctions cognitives de façon consistante. Les FS, quant à eux, représentent un meilleur marqueur du fonctionnement cognitif au cours du vieillissement normal. Les FS pourraient refléter une meilleure intégrité anatomique/physiologique des réseaux neuronaux impliqués dans les capacités attentionnelles et d’apprentissage. / Slow waves (SW) and spindles are hallmarks of non-rapid eye movement (NREM) sleep. Both types of oscillations are particularly vulnerable to the effects of aging as early as middle-age. However, the functional significance of these changes is still unknown. SW are sensitive markers of homeostatic sleep pressure which increases with the duration of wakefulness and decreases with sleep duration. The hypothesis that changes in SW may reflect impaired homeostatic regulation is still a matter of debate in the literature. Furthermore, spindles and SW are both associated with brain plasticity and cognition. Few studies have evaluated the correspondence between NREM sleep oscillations and cognitive functioning in normal aging and the results are inconsistent. The objective of this thesis is to determine how age affects the homeostatic response of SW and to evaluate the association between characteristics of NREM sleep oscillations and cognitive performance in middle-aged and elderly participants. The first study evaluated the impact of 25-hours of wakefulness on SW during daytime recovery sleep in young adults and middle-aged participants. Compared to young adults, middle-aged participants showed lower SW density rebound after sleep deprivation. They also showed reduced enhancement of neuronal synchronization in frontal and prefrontal areas, measured by the SW slope and amplitude. The second study evaluated whether spindles, SW and sleep architecture during baseline sleep predict performance in neuropsychological tests measuring attentional capacities, executive functions and verbal learning among healthy middle-aged and older participants. Only verbal fluency was associated with SW density and SW slope. Thus, SW characteristics do not appear to be a stable marker of cognitive functioning. Compared to SW, spindle characteristics were associated more systematically with cognitive performances and especially with learning abilities and attentional functions. Taken as a whole, this thesis suggests that the lower enhancement of neuronal synchronization in anterior brain regions after sleep deprivation is explained by a reduced synaptic plasticity in middle-aged participants compared to young participants. However, the ability to generate synchronized neuronal activity, as measured by the SW, does not predict the ability to maintain sleep during the day nor cognitive performances consistently. Spindles, in turn, represent a more robust marker of cognitive functioning during normal aging. Spindles may reflect better anatomical/physiological integrity of the neural networks involved in attentional and learning abilities.