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Le modèle à deux processus      Alexander Borbély      Paris, 11 juin 2010
Giuseppe Antonio Petrini, Le sommeil de saint Pierre, au musée du Louvre.(18e siècle)
La régulation du sommeil  Quelques voix historiques
Aristote… ce   nen est pas moins une loi nécessaireque tout être qui veille puisse aussi dormir;car il est impossible dêtr...
Aristote…pour tous les organes qui ont quelquefonction naturelle à remplir, quand ondépasse le temps durant lequel ils peu...
Flow of animal spirits in the brain determines sleep and waking (Descartes 1662)     Flaccid in sleep     Distended in wak...
Eduard Robert Michelson: Studies of sleep depth 1891                                     In Weber and Burgmair 2008
Modèle à deux processus• Origine du concept• Analyse quantitative de l’EEG
Blake and Gerard 1937
Sleep in the rat: Slow-wave activity  0      6        12      18       24               TIME (h)                          ...
Early conceptualization of two processes based on rat data                          Borbély 1980     RAT    0             ...
Fatigue rating during 72-h sleep deprivation               Very tiredFatigue (%)                        Little tired      ...
Two-process model Borbély Human Neurobiology 1982
Cela semble indiquer l’existence d’un sommeil superflu,cest-à-dire tel qu’il pourrait faire défaut sans inconvénient,prolo...
Duréed’éveilpréalable                          E                         U            C                       IQ          ...
Homéostasie et ondes lentes
Analyse quantitative de l’EEGREM                                                    Schlafstadium  W  1  2  3  4   B3000  ...
Time course of slow wave activity and activity in         the spindle frequency range                            modified ...
Homeostatic sleep regulation            1.0Process S            0.5            0.0                  23     7     1820 23  ...
Slow-waves in the sleep-EEG depend on previous history                                                                    ...
Mensch                                 Ratte                                      LWA (0.75 - 4.0 Hz)LWA IM NREMS (%)     ...
Modèle à deux processus• Quelques prédictions• Evolution du modèle
Two-processmodel of sleepregulationQuantitative versionDaan, Beersma, Borbély 1984
Phase of sleep episode determines sleep duration Borbély, 1982        Daan, Beersma, Borbély, 1984
Rockefeller University Feb. 1985
Concepts and models of sleep regulation, Zurich 1991
Elaborated model: Parameter estimation   Ultradian dynamics of slow-wave activity (SWA)              300                  ...
Modèle à deux processus• S et C indépendents?• S et sommeil paradoxal• S et durée de sommeil
Läsion des Suprachiasmatischen Nukleus (SCN)        Wirkung von Schlafentzug auf den Tiefschlaf                           ...
Forced desynchrony protocolDijk DJ, Czeisler CA, J Neurosci 1995
Pharmacological elimination of REM sleep                        Baseline                       Phenelzine          225    ...
Increased sleep pressure in short sleepers                                  Aeschbach et al. 1996
Processus S pendant l’éveil                            S u b jec t 1 8        200        180        160        140        ...
Theta activity in the waking EEG is associated with sleepiness                              n=8                           ...
EEG dynamics in sleep and                        waking are related          200                 subject 11               ...
Dual EEG markers of human sleep         homeostasis                               200                                     ...
Homéostasie du sommeilDéveloppements récents     “Sommeil local”
Delphin             Mensch                 Anstieg von Theta                 im Wach EEG [% / h]           Zunahme von LWA...
Vibratory stimulus of the dominant hand              interhemispheric shift of Whisker stimulation              delta powe...
Homéostasie et continuité de sommeil
Sleep continuity is correlated with slow-wave activity                                 nBA:                               ...
Study of sleep in invertebrates                  Tobler 1983                                  Tobler, Stalder 1988
Response to 12-h rest deprivation                                  DROSOPHILA MELANOGASTER (n=26)                 60      ...
Mammifères   DrosophilaComportementSeuil d’éveilRythme circadienHoméostasieDuréeHoméostasieIntensitéPerformance  diminuée ...
C’est dans les groupes qui présentent plus ou moinssporadiquement des phénomènes de sommeil, enparticulier chez les insect...
Synaptic homeostasis hypothesis      Wakefulness                             SleepTononi and Cirelli, 2003, Brain Res Bull...
Ou bien le sommeil a apparu lorsque lusure ou lafabrication intra-organique de déchets na plus étécompensée par lassimilat...
Modèle à deux processusBorbély AA. A two process model of sleep. Human Neurobiol. 1 (1982) 195-204                        ...
Ph D                                      PostdocPeter Achermann PD UZH                    Péter Alföldi     Univ. SzegedD...
Borbely: Modèle de régulation du sommeil à deux processus
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Borbely: Modèle de régulation du sommeil à deux processus

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En 1982 Alexander A. Borbély a publié A two process model of sleep regulation » dans Human Neurobiology. Cet article cité plus de 1000 fois dans des papiers prestigieux a été génial dans la vision de la régulation du sommeil. Pour la première fois était pris en compte à la fois le besoin de sommeil sous forme d’une accumulation de substances de sommeil qui était en lien avec un process homéostasique et la régulation cyclique, circadienne, du sommeil. Ce modèle a été travaillé dans tous les sens par des chercheurs de tous les pays à la fois pour comprendre comme l’homme réagissait à la privation de sommeil, mais aussi comment il évoluait avec l’âge ou lors de pathologie comme la dépression.

Près de 30 ans plus tard, la simplicité et l’adaptabilité de ce modèle à la clinique en fait encore un outil d’actualité pour la réflexion des observateurs et des chercheurs.

Publié dans : Santé & Médecine, Business
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Borbely: Modèle de régulation du sommeil à deux processus

  1. 1. Le modèle à deux processus Alexander Borbély Paris, 11 juin 2010
  2. 2. Giuseppe Antonio Petrini, Le sommeil de saint Pierre, au musée du Louvre.(18e siècle)
  3. 3. La régulation du sommeil Quelques voix historiques
  4. 4. Aristote… ce nen est pas moins une loi nécessaireque tout être qui veille puisse aussi dormir;car il est impossible dêtre toujours enactivité.
  5. 5. Aristote…pour tous les organes qui ont quelquefonction naturelle à remplir, quand ondépasse le temps durant lequel ils peuventsatisfaire à cette oeuvre, quelle quelle soit, ilfaut nécessairement quils tombent danslimpuissance
  6. 6. Flow of animal spirits in the brain determines sleep and waking (Descartes 1662) Flaccid in sleep Distended in waking
  7. 7. Eduard Robert Michelson: Studies of sleep depth 1891 In Weber and Burgmair 2008
  8. 8. Modèle à deux processus• Origine du concept• Analyse quantitative de l’EEG
  9. 9. Blake and Gerard 1937
  10. 10. Sleep in the rat: Slow-wave activity 0 6 12 18 24 TIME (h) Franken et al.1991
  11. 11. Early conceptualization of two processes based on rat data Borbély 1980 RAT 0 12 24 Borbély and Neuhaus, 1979
  12. 12. Fatigue rating during 72-h sleep deprivation Very tiredFatigue (%) Little tired Hours Day 1 Day 2 Day 3 kerstedt and Fröberg 1977
  13. 13. Two-process model Borbély Human Neurobiology 1982
  14. 14. Cela semble indiquer l’existence d’un sommeil superflu,cest-à-dire tel qu’il pourrait faire défaut sans inconvénient,prolongeant le sommeil nécessaire, dont le minimumstrictement indispensable est évidemment difficile àdéterminer, à cause de la compensation probable desdiminutions de durée par des augmentations deprofondeur.Henri Piéron: Le Problème physiologique du sommeil, 1913
  15. 15. Duréed’éveilpréalable E U C IQ IR AT C A ST EO D M IE O N H Durée de sommeil
  16. 16. Homéostasie et ondes lentes
  17. 17. Analyse quantitative de l’EEGREM Schlafstadium W 1 2 3 4 B3000 LWA ( V2)20001000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Stunden
  18. 18. Time course of slow wave activity and activity in the spindle frequency range modified from Dijk et al. 1990
  19. 19. Homeostatic sleep regulation 1.0Process S 0.5 0.0 23 7 1820 23 7 23 7 Time of day
  20. 20. Slow-waves in the sleep-EEG depend on previous history Sleep deprivation SWA Night 1 Night 2 W || | | || | |||||||||||| || || | | | | |||| | | | | || | || || ||| | || N ||||||||||||||||||| ||||||||||||||||||||||||| |||| |||||||||||||| | ||||||||||||||||||||||||||||||| |||| |||||||||||||||||||||| | ||||||||||||||||||||| ||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||| | |||||||||||||||||||| ||||||||||||||||||||| | R ||||||| ||| ||||||||||| |||||||||||||||||| |||||||| |||| ||||||| |||||||||||| |||||||||||||| || ||||||| 23 1 3 5 7 23 1 3 5 7 Time of day Time of day Daytime nap Night 1 Night 2 SWA W ||||| | | | | | ||| | ||||||||||||||| |||| N ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| |||||||||||||||||||||||||||| | | ||||||||||||||||||||||| || ||||||||||||||||||| ||||||||||||||||||||||||||| ||||||||||||||||||||||||| ||||| ||||||||||||||||||||||||||||||| ||||||||||||||||| ||||||||||||| ||||||||||||||||||||| || ||||| R ||||| |||||| |||||||||| |||||||||||||||||||| ||||||||||||||||| |||||| |||||| |||||| ||||||| 23 1 3 5 7 18 20 23 1 3 5 7 Time of day Time of day
  21. 21. Mensch Ratte LWA (0.75 - 4.0 Hz)LWA IM NREMS (%) Kontrolle Nach n=18 n=9 n=9 Schlafentzug ZYKLUS STUNDEN Aus Franken, Dijk, Tobler, Borbély, Am J Physiol 1991 Dijk, Brunner, Borbély, Am J Physiol 1990
  22. 22. Modèle à deux processus• Quelques prédictions• Evolution du modèle
  23. 23. Two-processmodel of sleepregulationQuantitative versionDaan, Beersma, Borbély 1984
  24. 24. Phase of sleep episode determines sleep duration Borbély, 1982 Daan, Beersma, Borbély, 1984
  25. 25. Rockefeller University Feb. 1985
  26. 26. Concepts and models of sleep regulation, Zurich 1991
  27. 27. Elaborated model: Parameter estimation Ultradian dynamics of slow-wave activity (SWA) 300 SWA data Simulation Process S SWA [%] 200 100 0 0 100 200 300 400 time [min] • Parameter estimationdSWA SWA dS rc SWA S (1 ) gc SWA • Sensitivity analysis dt S dt • Test with independent fcR ( SWA SWAL ) REMT (t ) ( SU S ) rs data Achermann et al., 1993
  28. 28. Modèle à deux processus• S et C indépendents?• S et sommeil paradoxal• S et durée de sommeil
  29. 29. Läsion des Suprachiasmatischen Nukleus (SCN) Wirkung von Schlafentzug auf den Tiefschlaf Baseline n = 5 Recovery * p< 0.05 Tobler, Borbély, Gross, Neurosci Letters 42, 1983
  30. 30. Forced desynchrony protocolDijk DJ, Czeisler CA, J Neurosci 1995
  31. 31. Pharmacological elimination of REM sleep Baseline Phenelzine 225 Data Simulation 175SWA [%] 125 75 25 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 time [h] Landolt et al., 2001
  32. 32. Increased sleep pressure in short sleepers Aeschbach et al. 1996
  33. 33. Processus S pendant l’éveil S u b jec t 1 8 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50
  34. 34. Theta activity in the waking EEG is associated with sleepiness n=8 -400 200 Self-rated alertness [%] Theta power [%] -200 150 0 100 200 0 9 18 27 36 0 9 18 27 36 Time awake [h] Finelli et al., 2000
  35. 35. EEG dynamics in sleep and waking are related 200 subject 11 subject 18 200 Theta power [%] 150SWA [%] SWA baseline 150 100 SWA recovery 50 100 Theta power in waking 0 23 7 15 23 7 15 23 7 23 7 15 23 7 15 23 7 Time of day [h] Finelli et al., 2000
  36. 36. Dual EEG markers of human sleep homeostasis 200 n=7 baseline to recovery [%] Increase of SWA from r = 0.851 S 11 p = 0.015 S 02 S 07 S 14 S 10 S 16 S 05 S 18 100 2 4 6 8 Rise rate of theta power in waking [% / h] Finelli et al. (2000) Neuroscience 101(3), 523-529
  37. 37. Homéostasie du sommeilDéveloppements récents “Sommeil local”
  38. 38. Delphin Mensch Anstieg von Theta im Wach EEG [% / h] Zunahme von LWA im Schlaf EEG von Kontrolle zu Erholungsnacht [%]
  39. 39. Vibratory stimulus of the dominant hand interhemispheric shift of Whisker stimulation delta power over somato- sensory cortex towards in rats & mice contralateral hemisphere 3 EEG asymmetry (0.75-4.5 Hz) * (deviation from baseline) Effects on sleep EEG (% OF IPSILATERAL 2-h INTERVAL) 0 EEG POWER DENSITY IN NREMS * 110 -3 1 2 3 NREMS episode * * 105 Kattler et al., 1994 100 Vyazovskiy et al., 2000 1 2 3 Vyazovskiy et al., 2004 2-h INTERVALS
  40. 40. Homéostasie et continuité de sommeil
  41. 41. Sleep continuity is correlated with slow-wave activity nBA: number of brief awakeningsRat Franken et al. 1991
  42. 42. Study of sleep in invertebrates Tobler 1983 Tobler, Stalder 1988
  43. 43. Response to 12-h rest deprivation DROSOPHILA MELANOGASTER (n=26) 60 Baseline Gentle HandlingRest (minutes) 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Time (hours) Shaw et al. Science 287, 2000
  44. 44. Mammifères DrosophilaComportementSeuil d’éveilRythme circadienHoméostasieDuréeHoméostasieIntensitéPerformance diminuée après privation de sommeil
  45. 45. C’est dans les groupes qui présentent plus ou moinssporadiquement des phénomènes de sommeil, enparticulier chez les insectes, les céphalopodes et lespoissons, que l’on devra étudier les formesélémentaires de cet état de relâchement des fonctionsmotrices, complété par uns suspension plus ou moinsaccentuée des fonctions sensorielles qui caractérise lesommeil.Henri Piéron: Le Problème physiologique du sommeil, 1913
  46. 46. Synaptic homeostasis hypothesis Wakefulness SleepTononi and Cirelli, 2003, Brain Res Bull; Tononi and Cirelli, 2006, Sleep Med Rev
  47. 47. Ou bien le sommeil a apparu lorsque lusure ou lafabrication intra-organique de déchets na plus étécompensée par lassimilation ou par lélimination.… Pour rétablir léquilibre, il a naturellement fallu que desphases de réparation ou daccumulation dénergiesuccédassent aux phases dactivité.Edouard ClaparèdeEsquisse dune théorie biologique du sommeil. 1905
  48. 48. Modèle à deux processusBorbély AA. A two process model of sleep. Human Neurobiol. 1 (1982) 195-204 Total Citations 1046 (Feb. 2010) 400 300 Nb. of citations 200 100 0 1985-89 1990-94 1995-99 2000-04 2005-09 Years
  49. 49. Ph D PostdocPeter Achermann PD UZH Péter Alföldi Univ. SzegedDaniel Aeschbach Harvard Med.School Kimberly Cote Brock Univ., CanadaDaniel Brunner Schlafmed. Zentrum Derk-Jan Dijk Univ. Surrey Zürich Helen Driver Queens Univ., CanadaChristian Cajochen Univ. Basel Takuro Endo Univ. SapporoTom Deboer Univ. Leiden Julie Gottselig Harvard Med. SchoolLuca Finelli Novartis, Basel Oskar Jenni* Kinderspital ZürichPaul Franken Univ Lausanne Caroline Kopp Univ. BaselReto Huber Univ. Wisconsin Oleg Lyamin VA GLAHS Sepulveda,Hanspeter Landolt PD UZH CACorinne Roth Inselspital Bern Ferenc Obál† Univ. SzegedIrene Tobler Tit. Prof. UZHVlad Vyazovskiy Univ. WisconsinEsther Werth Neurolog. Klinik USZ

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