Corrélats cérébraux de la consolidation de la mémoire émotionnelle. Etude en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle.

La mémoire est la capacité du système nerveux à bénéficier de l’expérience. La trace mnésique est initialement fragile et nécessite une période de consolidation pour la rendre résistante aux interférences. La consolidation s’opère au niveau microscopique et au niveau systémique, probablement par une réorganisation de la trace mnésique dans des aires cérébrales différentes. La mémoire est une entité hétérogène. Elle comprend la mémoire déclarative, qui est la mémoire des faits et des évènements et qui dépend des régions temporales médiales, et la mémoire procédurale, qui est la mémoire des habilités motrices. Plusieurs facteurs peuvent influencer la consolidation de la mémoire déclarative, notamment l’émotion et le sommeil. Les évènements émotionnels sont mieux remémorés que les évènements neutres. Cette augmentation des performances provient de l’activation de l’amygdale, qui module le cortex temporal médial lors de la présentation d’informations émotionnelles. D’autre part, le sommeil est propice à la consolidation de la mémoire. En effet, une privation de sommeil altère les performances, des stimulations durant le sommeil permettent de renforcer les souvenirs et les schémas cérébraux associés à une tâche durant l’éveil sont réactivés durant le sommeil post-apprentissage. Il existe un nombre très limité d’études ayant investigué le rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire émotionnelle. Pourtant, chez l’homme, une période de sommeil est plus favorable à la récupération d’évènements émotionnels par rapport à des événements neutres qu’une période d’éveil équivalente. Les corrélats cérébraux impliqués dans la consolidation de la mémoire émotionnelle, favorisée ou non par le sommeil, n’ont jamais été investigués. Répondre à cette question représente l’objectif principale de cette thèse. Nous avons réalisé quatre études en imagerie par résonance magnétique chez l’homme. Dans la première étude de cette thèse, nous avons étudié les corrélats cérébraux de la récupération de la mémoire émotionnelle à l’éveil. Les volontaires ont encodé des visages neutres présentés dans un contexte émotionnel ou neutre. La récupération des visages a été réalisée cinq minutes après la session d’encodage. Nous avons observé que l’amygdale et le cortex temporal médial sont significativement plus recrutés pour les visages reconnus encodés dans un contexte émotionnel que ceux encodés dans un contexte neutre. Par une mesure du diamètre pupillaire, nous avons ensuite corrélé la réponse cérébrale de la récupération avec l’éveil émotionnel autonome induit lors de l’encodage. Nous avons observé qu’une région du tronc cérébral compatible avec le locus coeruleus est significativement activée lors de la récupération des visages encodés dans un contexte émotionnel, en proportion de l’éveil autonome. Nous avons également démontré que le locus coeruleus était fonctionnellement connecté à l’amygdale. Ce résultat démontre pour la première fois le rôle du locus coeruleus dans la récupération de la mémoire émotionnelle chez l’homme. Celui-ci est un site majeur de la sécrétion de noradrénaline, qui est elle-même impliquée dans la modulation de l’hippocampe par l’amygdale, modulation qui favorise la mémorisation des stimuli émotionnels.Dans la deuxième étude de cette thèse, nous avons étudié le rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire émotionnelle. Après avoir encodé des images négatives, neutres et positives, les volontaires ont été séparés en deux groupes. La moitié des volontaires a été autorisée à dormir, tandis que les autres ont été privés de sommeil la nuit suivant l’encodage. Après deux nuits de récupération, nous avons testé le rappel des stimuli émotionnels et neutres. La privation de sommeil altère les performances pour les images neutres et positives mais par pour les images négatives qui induisent un éveil émotionnel plus large. Au niveau cérébral, les sujets autorisés à dormir recrutent significativement plus l’hippocampe et le cortex préfrontal médial pour le rappel des stimuli émotionnels. Ces régions sont fonctionnellement connectées, ce qui reflète probablement le processus de consolidation. Les sujets privés de sommeil recrutent un réseau alternatif, incluant l’amygdale et le cortex occipital, uniquement pour les stimuli négatifs, ce qui leur permet de pallier l’effet délétère de la privation de sommeil sur la mémoire. Dans la troisième étude de cette thèse, nous avons étudié le rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire émotionnelle à long terme. Nous avons contacté les volontaires de l’étude précédente 6 mois plus tard et nous leur avons demandé de se souvenir des images présentées lors de l’encodage. Nous avons observé que les sujets autorisés à dormir activaient significativement plus le cortex médial préfrontal, l’amygdale et le cortex occipital que les sujets privés de sommeil 6 mois plus tôt. De plus, l’amygdale est fonctionnellement connectée à ces deux régions corticales. Ce résultat indique que le sommeil favorise la réorganisation graduelle de la trace mnésique émotionnelle au cours du temps dans des régions corticales et amygdaliennes.Dans la quatrième étude de cette thèse, nous avons étudié le rôle particulier du sommeil paradoxal ou sommeil REM (Rapid Eye Movement sleep) dans la consolidation des souvenirs émotionnels. Les sujets ont encodé des amorces auditives associées à la présentation de visages négatifs ou neutres. Nous avons présenté ces amorces durant le sommeil REM phasique de fin de nuit et avons observé une augmentation du rappel des visages négatifs et neutres par rapport à un groupe de sujets ayant réalisé le même encodage mais n’ayant pas reçu d’amorces durant le sommeil. Nous avons réalisé plusieurs groupes contrôles afin de vérifier que cette augmentation de performances était due à une plasticité cérébrale spécifique du sommeil REM. Nous avons également montré que la trace mnésique neutre et émotionnelle a été réorganisée au niveau cortical dans un réseau auditif-visuel dans lequel la trace mnésique a été encodée. Ce réseau cérébral est spécifique au groupe de sujets ayant reçu des sons conditionnés durant le sommeil REM et n’est pas présent dans les autres groupes contrôles. Ces résultats démontrent donc que le sommeil REM est favorable à la consolidation des traces mnésiques déclaratives.Dans l’ensemble, ces résultats démontrent que le sommeil est un état favorable à la consolidation de la trace mnésique émotionnelle. Nous avons observé qu’une période de sommeil réorganise les souvenirs dans des aires cérébrales différentes. Ceci plaide en faveur de la théorie classique de la consolidation qui préconise que la trace mnésique fraîchement acquise s’établit dans des aires corticales différentes lorsqu’elle est consolidée. Plusieures aires cérébrales semblent jouer un rôle majeur dans cette consolidation : l’amygdale qui est impliquée dans l’augmentation de la mémorisation des souvenirs émotionnels, l’hippocampe qui est responsable de l’encodage des informations déclaratives et qui se désengage progressivement du réseau cérébral qui sous-tend l’information, le cortex préfrontal médial qui intervient dans la récupération de la mémoire émotionnelle à long terme

Neural correlates of generation and inhibition of verbal association patterns in mood disorders

Objectives: Thought disorders such as rumination or flight of ideas are frequent in patients with mood disorders, and not systematically linked to mood state. These symptoms point to anomalies in cognitive processes mediating the generation and control of thoughts; for example, associative thinking and inhibition. However, their neural substrates are not known. Method: To obtain an ecological measure of neural processes underlying the generation and suppression of spontaneous thoughts, we designed a free word association task during fMRI allowing us to explore verbal associative patterns in patients with mood disorders and matched controls. Participants were presented with emotionally negative, positive or neutral words, and asked to produce two words either related or unrelated to these stimuli. Results: Relative to controls, patients produced a reverse pattern of answer typicality for the related vs unrelated conditions. Controls activated larger semantic and executive control networks, as well as basal ganglia, precuneus and middle frontal gyrus. Unlike controls, patients activated fusiform gyrus, parahippocampal gyrus and medial prefrontal cortex for emotional stimuli. Conclusions: Mood disorder patients are impaired in automated associative processes, but prone to produce more unique/personal associations through activation of memory and self-related area

Sleep sharpens sensory stimulus coding in human visual cortex after fear conditioning

Efficient perceptual identification of emotionally-relevant stimuli requires optimized neural coding. Because sleep contributes to neural plasticity mechanisms, we asked whether the perceptual representation of emotionally-relevant stimuli within sensory cortices is modified after a period of sleep. We show combined effects of sleep and aversive conditioning on subsequent discrimination of face identity information, with parallel plasticity in the amygdala and visual cortex. After one night of sleep (but neither immediately nor after an equal waking interval), a fear-conditioned face was better detected when morphed with another identity. This behavioral change was accompanied by increased selectivity of the amygdala and face-responsive fusiform regions. Overnight neural changes can thus sharpen the representation of threat-related stimuli in cortical sensory areas, in order to improve detection in impoverished or ambiguous situations. These findings reveal an important role of sleep in shaping cortical selectivity to emotionally-relevant cues and thus promoting adaptive responses to new dangers

Sleep sharpens sensory stimulus coding in human visual cortex after fear conditioning

Efficient perceptual identification of emotionally-relevant stimuli requires optimized neural coding. Because sleep contributes to neural plasticity mechanisms, we asked whether the perceptual representation of emotionally-relevant stimuli within sensory cortices is modified after a period of sleep. We show combined effects of sleep and aversive conditioning on subsequent discrimination of face identity information, with parallel plasticity in the amygdala and visual cortex. After one night of sleep (but neither immediately nor after an equal waking interval), a fear-conditioned face was better detected when morphed with another identity. This behavioral change was accompanied by increased selectivity of the amygdala and face-responsive fusiform regions. Overnight neural changes can thus sharpen the representation of threat-related stimuli in cortical sensory areas, in order to improve detection in impoverished or ambiguous situations. These findings reveal an important role of sleep in shaping cortical selectivity to emotionally-relevant cues and thus promoting adaptive responses to new dangers. (C) 2014 Elsevier Inc. All rights reserved

Sleep-Related Hippocampo-Cortical Interplay during Emotional Memory Recollection

Emotional events are usually better remembered than neutral ones. This effect is mediated in part by a modulation of the hippocampus by the amygdala. Sleep plays a role in the consolidation of declarative memory. We examined the impact of sleep and lack of sleep on the consolidation of emotional (negative and positive) memories at the macroscopic systems level. Using functional MRI (fMRI), we compared the neural correlates of successful recollection by humans of emotional and neutral stimuli, 72 h after encoding, with or without total sleep deprivation during the first post-encoding night. In contrast to recollection of neutral and positive stimuli, which was deteriorated by sleep deprivation, similar recollection levels were achieved for negative stimuli in both groups. Successful recollection of emotional stimuli elicited larger responses in the hippocampus and various cortical areas, including the medial prefrontal cortex, in the sleep group than in the sleep deprived group. This effect was consistent across subjects for negative items but depended linearly on individual memory performance for positive items. In addition, the hippocampus and medial prefrontal cortex were functionally more connected during recollection of either negative or positive than neutral items, and more so in sleeping than in sleep-deprived subjects. In the sleep-deprived group, recollection of negative items elicited larger responses in the amygdala and an occipital area than in the sleep group. In contrast, no such difference in brain responses between groups was associated with recollection of positive stimuli. The results suggest that the emotional significance of memories influences their sleep-dependent systems-level consolidation. The recruitment of hippocampo-neocortical networks during recollection is enhanced after sleep and is hindered by sleep deprivation. After sleep deprivation, recollection of negative, potentially dangerous, memories recruits an alternate amygdalo-cortical network, which would keep track of emotional information despite sleep deprivation

Brain Responses to Violet, Blue, and Green Monochromatic Light Exposures in Humans: Prominent Role of Blue Light and the Brainstem

BACKGROUND: Relatively long duration retinal light exposure elicits nonvisual responses in humans, including modulation of alertness and cognition. These responses are thought to be mediated in part by melanopsin-expressing retinal ganglion cells which are more sensitive to blue light than violet or green light. The contribution of the melanopsin system and the brain mechanisms involved in the establishment of such responses to light remain to be established. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: We exposed 15 participants to short duration (50 s) monochromatic violet (430 nm), blue (473 nm), and green (527 nm) light exposures of equal photon flux (10(13)ph/cm(2)/s) while they were performing a working memory task in fMRI. At light onset, blue light, as compared to green light, increased activity in the left hippocampus, left thalamus, and right amygdala. During the task, blue light, as compared to violet light, increased activity in the left middle frontal gyrus, left thalamus and a bilateral area of the brainstem consistent with activation of the locus coeruleus. CONCLUSION/SIGNIFICANCE: These results support a prominent contribution of melanopsin-expressing retinal ganglion cells to brain responses to light within the very first seconds of an exposure. The results also demonstrate the implication of the brainstem in mediating these responses in humans and speak for a broad involvement of light in the regulation of brain function

Circadian Preference Modulates the Neural Substrate of Conflict Processing across the Day

Human morning and evening chronotypes differ in their preferred timing for sleep and wakefulness, as well as in optimal daytime periods to cope with cognitive challenges. Recent evidence suggests that these preferences are not a simple by-product of socio-professional timing constraints, but can be driven by inter-individual differences in the expression of circadian and homeostatic sleep-wake promoting signals. Chronotypes thus constitute a unique tool to access the interplay between those processes under normally entrained day-night conditions, and to investigate how they impinge onto higher cognitive control processes. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we assessed the influence of chronotype and time-of-day on conflict processing-related cerebral activity throughout a normal waking day. Sixteen morning and 15 evening types were recorded at two individually adapted time points (1.5 versus 10.5 hours spent awake) while performing the Stroop paradigm. Results show that interference-related hemodynamic responses are maintained or even increased in evening types from the subjective morning to the subjective evening in a set of brain areas playing a pivotal role in successful inhibitory functioning, whereas they decreased in morning types under the same conditions. Furthermore, during the evening hours, activity in a posterior hypothalamic region putatively involved in sleep-wake regulation correlated in a chronotype-specific manner with slow wave activity at the beginning of the night, an index of accumulated homeostatic sleep pressure. These results shed light into the cerebral mechanisms underlying inter-individual differences of higher-order cognitive state maintenance under normally entrained day-night conditions

Sleep, cognition and emotion in adults and adolescents

Sleep plays a key role in attention, vigilance, memory consolidation but also emotion regulation. Emotion is a collection of behaviors that allows to prioritize important information. Emotion affects a large part of cognition including memory. In the introduction, we will summarize the main experiences demonstrating that the emotional memory traces is spontaneously replayed during sleep to enhance subsequent retention. Next, we will demonstrate that sleep loss alters the regulation of emotion and enhances stress level. Finally, we will demonstrate the link between mood disorders and sleep disturbances. Data on adults but also adolescents will be described, because this population is at a key period of development with major changes in sleep physiology, large modification of emotion reaction, and deep reorganization of brain maturation. The aim of this thesis it to report scientific data showing the strong link between sleep, emotion and memory. The set of studies that I present attempts to understand what functional mechanisms take place during wakefulness and sleep and which brain regions play a role in emotion regulation and emotional memory. We used advanced neuroscience brain imaging techniques, including functional MRI, surface EEG and intracranial EEG in human to unravel the brain correlates at wake and during sleep. In the first study, using fMRI, we reactivated an emotional memory trace during REM sleep with auditory cues and we observed an enhancement of the cortical responses related to these memories during subsequent retrieval. In the second study, we also reactivated emotional memory using auditory cues during a nap. Brain response was measured by intracranial electrodes implanted in epileptic patients. We showed that specific oscillations (slow oscillations and spindles) trigger the reactivation of the emotional memory trace during REM sleep particularly in the orbitofrontal cortex. In the third study, healthy participants were invited to sleep in the MRI after playing two different games that lead to a reward or not. Using a decoding approach, we observed that the rewarded game was preferentially reactivated during NREM sleep. More the game was reactivated, better were the memory performances on the next day. On the fourth study, we demonstrated that the amount of stressful dreams predict the ability to regulate emotion at wake using fMRI. Finally, the main message of this thesis is that we need to take care of our sleep because it is much more important for our emotions and moods than we may think. Public health measures are needed to raise awareness of the importance of sleep, especially among adolescents.</p