Noi perspective asupra somnului REM al păsărilor

Sleep is a ubiquitous behavior found in all animals studied to date, from jellyfish to humans. In mammals, sleep can be divided into two major states, non-rapid eye movement (NREM) sleep and REM sleep based on brain electrophysiological signatures and behavior. Although important advances have been made in the past decades in our understanding of the mechanisms of sleep, a consensus has not been reached regarding its functions. In this respect, comparative studies may not only give insights into the evolution of sleep, but may reveal general principles applicable to many taxonomic groups. Birds are particularly interesting for comparative studies because, despite being evolutionarily more closely related to crocodiles and other non-avian reptiles than mammals, they exhibit two sleep states remarkably similar to mammalian NREM and REM sleep. Thus, research on birds could complement and further our understanding of the evolution and function(s) of sleep. In this manuscript I present data on three projects investigating behavioral, physiological, and neurophysiological correlates of sleep in birds, with a focus on REM sleep. First, we recorded cortical brain temperature in sleeping birds to understand whether and how it varies with sleep states. We found that as in mammals, cortical temperature decreases during NREM sleep and increases during REM sleep. However, the rates of cooling and warming were slower than in mammals. In a second study, we investigated state dependent changes in pupil size in birds. In mammals, the size of the pupil reflects the state of the brain during wakefulness and sleep. Surprisingly, we found that state-dependent changes in pupil size in birds are opposite those described in mammals during both wakefulness, NREM sleep, and REM sleep. Through pharmacological experiments, we also showed that pupil constrictions in birds, unlike mammals, are mediated via nicotinic cholinergic receptors. The opposite pupillary behavior is thus linked (in part) to the fact that, in contrast to the mammalian iris which is controlled by smooth muscles, the avian iris is controlled by striated muscles. Finally, in a third study, we conducted for the first time fMRI recordings in sleeping birds and obtained state-dependent BOLD activity. Although still in progress, this data suggests that REM sleep is associated with broad activation of cortical and subcortical structures, spanning visual and somatomotor pathways and the basal ganglia. Taken together, our data show that different components of REM sleep manifest in various ways across taxonomic groups, ranging from similar to opposite. This variation serves as a rich resource for investigating the evolution and functions of REM sleep. Notably, shared features are likely linked to the core function of REM sleep, whereas those that differ might reflect taxon-specific functions or even epiphenomenon resulting from the specific neurophysiology of an organism. Through embracing this diversity, researchers will likely obtain a more comprehensive understanding of what REM sleep is and does, that could not be obtained through focusing exclusively on mammals.Le sommeil est un comportement ubiquitaire que l'on retrouve chez tous les animaux étudiés à ce jour, de la méduse à l'homme. Chez les mammifères, le sommeil peut être divisé en deux états principaux sur la base de signatures électrophysiologiques cérébrales et du comportement : le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Bien que des progrès importants aient été réalisés au cours des dernières décennies dans notre compréhension des mécanismes du sommeil, aucun consensus n'a été atteint concernant ses fonctions. À cet égard, les études comparatives peuvent non seulement donner un aperçu de l'évolution du sommeil, mais aussi révéler des principes généraux applicables à de nombreux groupes taxonomiques. Les oiseaux sont particulièrement intéressants pour les études comparatives car, bien qu'ils soient, au cours de l'évolution, plus étroitement liés aux crocodiles et autres reptiles non aviens qu'aux mammifères, ils présentent deux états de sommeil remarquablement similaires au sommeil lent et sommeil paradoxal des mammifères. Ainsi, la recherche sur les oiseaux pourrait complémenter et approfondir notre compréhension de l'évolution et de la ou des fonctions du sommeil. Dans ce manuscrit, je présente les données de trois projets qui étudient les corrélats comportementaux, physiologiques et neurophysiologiques du sommeil chez les oiseaux, en mettant l'accent sur le sommeil paradoxal. Premièrement, nous avons enregistré la température corticale du cerveau chez des pigeons endormis afin de comprendre si, et comment elle varie en fonction des états de sommeil. Nous avons constaté que, comme chez les mammifères, la température corticale diminue pendant le sommeil lent et augmente pendant le sommeil paradoxal. Cependant, les vitesses de refroidissement et de réchauffement étaient plus lentes que chez les mammifères. Dans une seconde étude, aussi réalisée chez des oiseaux, nous avons mesuré les changements de taille de la pupille durant les différents états de vigilance. De manière surprenante, nous avons constaté que les changements de taille de la pupille chez les oiseaux sont opposés à ceux décrits chez les mammifères à la fois pendant l'éveil, le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Grâce à des expériences pharmacologiques, nous avons également montré que les constrictions de la pupille chez les oiseaux, contrairement aux mammifères, sont supportés par les récepteurs cholinergiques nicotiniques. Le comportement pupillaire opposé est donc lié (en partie) au fait que, contrairement à l'iris des mammifères qui est contrôlé par des muscles lisses, l'iris aviaire est contrôlé par des muscles striés. Enfin, dans une troisième étude, nous avons réalisé pour la première fois des enregistrements IRMf chez des oiseaux endormis et obtenu une activité BOLD dépendante de l'état. Bien qu'encore en cours, ces données suggèrent que le sommeil paradoxal est associé à une large activation des structures corticales et sous-corticales, couvrant les voies visuelles, somatomotrices et les ganglions de la base. Dans l'ensemble, nos données montrent que les différentes composantes du sommeil paradoxal se manifestent de diverses manières à travers les groupes taxonomiques, avec des similarités fortes mais aussi des différences importantes. Ces variations constituent une riche ressource pour étudier l'évolution et les fonctions du sommeil paradoxal. Notamment, les caractéristiques partagées pourraient être liées à une fonction centrale du sommeil paradoxal, tandis que les divergences pourraient refléter des fonctions spécifiques à un taxon ou même des épiphénomènes résultant de la neurophysiologie spécifique d'un organisme. En embrassant cette diversité, les chercheurs obtiendront probablement une compréhension plus complète de ce qu'est et de ce que fait le sommeil paradoxal, une compréhension qui ne peut être obtenue en se concentrant exclusivement sur les mammifères

Noi perspective asupra somnului REM al păsărilor

Le sommeil est un comportement ubiquitaire que l'on retrouve chez tous les animaux étudiés à ce jour, de la méduse à l'homme. Chez les mammifères, le sommeil peut être divisé en deux états principaux sur la base de signatures électrophysiologiques cérébrales et du comportement : le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Bien que des progrès importants aient été réalisés au cours des dernières décennies dans notre compréhension des mécanismes du sommeil, aucun consensus n'a été atteint concernant ses fonctions. À cet égard, les études comparatives peuvent non seulement donner un aperçu de l'évolution du sommeil, mais aussi révéler des principes généraux applicables à de nombreux groupes taxonomiques. Les oiseaux sont particulièrement intéressants pour les études comparatives car, bien qu'ils soient, au cours de l'évolution, plus étroitement liés aux crocodiles et autres reptiles non aviens qu'aux mammifères, ils présentent deux états de sommeil remarquablement similaires au sommeil lent et sommeil paradoxal des mammifères. Ainsi, la recherche sur les oiseaux pourrait complémenter et approfondir notre compréhension de l'évolution et de la ou des fonctions du sommeil. Dans ce manuscrit, je présente les données de trois projets qui étudient les corrélats comportementaux, physiologiques et neurophysiologiques du sommeil chez les oiseaux, en mettant l'accent sur le sommeil paradoxal. Premièrement, nous avons enregistré la température corticale du cerveau chez des pigeons endormis afin de comprendre si, et comment elle varie en fonction des états de sommeil. Nous avons constaté que, comme chez les mammifères, la température corticale diminue pendant le sommeil lent et augmente pendant le sommeil paradoxal. Cependant, les vitesses de refroidissement et de réchauffement étaient plus lentes que chez les mammifères. Dans une seconde étude, aussi réalisée chez des oiseaux, nous avons mesuré les changements de taille de la pupille durant les différents états de vigilance. De manière surprenante, nous avons constaté que les changements de taille de la pupille chez les oiseaux sont opposés à ceux décrits chez les mammifères à la fois pendant l'éveil, le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Grâce à des expériences pharmacologiques, nous avons également montré que les constrictions de la pupille chez les oiseaux, contrairement aux mammifères, sont supportés par les récepteurs cholinergiques nicotiniques. Le comportement pupillaire opposé est donc lié (en partie) au fait que, contrairement à l'iris des mammifères qui est contrôlé par des muscles lisses, l'iris aviaire est contrôlé par des muscles striés. Enfin, dans une troisième étude, nous avons réalisé pour la première fois des enregistrements IRMf chez des oiseaux endormis et obtenu une activité BOLD dépendante de l'état. Bien qu'encore en cours, ces données suggèrent que le sommeil paradoxal est associé à une large activation des structures corticales et sous-corticales, couvrant les voies visuelles, somatomotrices et les ganglions de la base. Dans l'ensemble, nos données montrent que les différentes composantes du sommeil paradoxal se manifestent de diverses manières à travers les groupes taxonomiques, avec des similarités fortes mais aussi des différences importantes. Ces variations constituent une riche ressource pour étudier l'évolution et les fonctions du sommeil paradoxal. Notamment, les caractéristiques partagées pourraient être liées à une fonction centrale du sommeil paradoxal, tandis que les divergences pourraient refléter des fonctions spécifiques à un taxon ou même des épiphénomènes résultant de la neurophysiologie spécifique d'un organisme. En embrassant cette diversité, les chercheurs obtiendront probablement une compréhension plus complète de ce qu'est et de ce que fait le sommeil paradoxal, une compréhension qui ne peut être obtenue en se concentrant exclusivement sur les mammifères.Sleep is a ubiquitous behavior found in all animals studied to date, from jellyfish to humans. In mammals, sleep can be divided into two major states, non-rapid eye movement (NREM) sleep and REM sleep based on brain electrophysiological signatures and behavior. Although important advances have been made in the past decades in our understanding of the mechanisms of sleep, a consensus has not been reached regarding its functions. In this respect, comparative studies may not only give insights into the evolution of sleep, but may reveal general principles applicable to many taxonomic groups. Birds are particularly interesting for comparative studies because, despite being evolutionarily more closely related to crocodiles and other non-avian reptiles than mammals, they exhibit two sleep states remarkably similar to mammalian NREM and REM sleep. Thus, research on birds could complement and further our understanding of the evolution and function(s) of sleep. In this manuscript I present data on three projects investigating behavioral, physiological, and neurophysiological correlates of sleep in birds, with a focus on REM sleep. First, we recorded cortical brain temperature in sleeping birds to understand whether and how it varies with sleep states. We found that as in mammals, cortical temperature decreases during NREM sleep and increases during REM sleep. However, the rates of cooling and warming were slower than in mammals. In a second study, we investigated state dependent changes in pupil size in birds. In mammals, the size of the pupil reflects the state of the brain during wakefulness and sleep. Surprisingly, we found that state-dependent changes in pupil size in birds are opposite those described in mammals during both wakefulness, NREM sleep, and REM sleep. Through pharmacological experiments, we also showed that pupil constrictions in birds, unlike mammals, are mediated via nicotinic cholinergic receptors. The opposite pupillary behavior is thus linked (in part) to the fact that, in contrast to the mammalian iris which is controlled by smooth muscles, the avian iris is controlled by striated muscles. Finally, in a third study, we conducted for the first time fMRI recordings in sleeping birds and obtained state-dependent BOLD activity. Although still in progress, this data suggests that REM sleep is associated with broad activation of cortical and subcortical structures, spanning visual and somatomotor pathways and the basal ganglia. Taken together, our data show that different components of REM sleep manifest in various ways across taxonomic groups, ranging from similar to opposite. This variation serves as a rich resource for investigating the evolution and functions of REM sleep. Notably, shared features are likely linked to the core function of REM sleep, whereas those that differ might reflect taxon-specific functions or even epiphenomenon resulting from the specific neurophysiology of an organism. Through embracing this diversity, researchers will likely obtain a more comprehensive understanding of what REM sleep is and does, that could not be obtained through focusing exclusively on mammals

Noi perspective asupra somnului REM al păsărilor

Sleep is a ubiquitous behavior found in all animals studied to date, from jellyfish to humans. In mammals, sleep can be divided into two major states, non-rapid eye movement (NREM) sleep and REM sleep based on brain electrophysiological signatures and behavior. Although important advances have been made in the past decades in our understanding of the mechanisms of sleep, a consensus has not been reached regarding its functions. In this respect, comparative studies may not only give insights into the evolution of sleep, but may reveal general principles applicable to many taxonomic groups. Birds are particularly interesting for comparative studies because, despite being evolutionarily more closely related to crocodiles and other non-avian reptiles than mammals, they exhibit two sleep states remarkably similar to mammalian NREM and REM sleep. Thus, research on birds could complement and further our understanding of the evolution and function(s) of sleep. In this manuscript I present data on three projects investigating behavioral, physiological, and neurophysiological correlates of sleep in birds, with a focus on REM sleep. First, we recorded cortical brain temperature in sleeping birds to understand whether and how it varies with sleep states. We found that as in mammals, cortical temperature decreases during NREM sleep and increases during REM sleep. However, the rates of cooling and warming were slower than in mammals. In a second study, we investigated state dependent changes in pupil size in birds. In mammals, the size of the pupil reflects the state of the brain during wakefulness and sleep. Surprisingly, we found that state-dependent changes in pupil size in birds are opposite those described in mammals during both wakefulness, NREM sleep, and REM sleep. Through pharmacological experiments, we also showed that pupil constrictions in birds, unlike mammals, are mediated via nicotinic cholinergic receptors. The opposite pupillary behavior is thus linked (in part) to the fact that, in contrast to the mammalian iris which is controlled by smooth muscles, the avian iris is controlled by striated muscles. Finally, in a third study, we conducted for the first time fMRI recordings in sleeping birds and obtained state-dependent BOLD activity. Although still in progress, this data suggests that REM sleep is associated with broad activation of cortical and subcortical structures, spanning visual and somatomotor pathways and the basal ganglia. Taken together, our data show that different components of REM sleep manifest in various ways across taxonomic groups, ranging from similar to opposite. This variation serves as a rich resource for investigating the evolution and functions of REM sleep. Notably, shared features are likely linked to the core function of REM sleep, whereas those that differ might reflect taxon-specific functions or even epiphenomenon resulting from the specific neurophysiology of an organism. Through embracing this diversity, researchers will likely obtain a more comprehensive understanding of what REM sleep is and does, that could not be obtained through focusing exclusively on mammals.Le sommeil est un comportement ubiquitaire que l'on retrouve chez tous les animaux étudiés à ce jour, de la méduse à l'homme. Chez les mammifères, le sommeil peut être divisé en deux états principaux sur la base de signatures électrophysiologiques cérébrales et du comportement : le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Bien que des progrès importants aient été réalisés au cours des dernières décennies dans notre compréhension des mécanismes du sommeil, aucun consensus n'a été atteint concernant ses fonctions. À cet égard, les études comparatives peuvent non seulement donner un aperçu de l'évolution du sommeil, mais aussi révéler des principes généraux applicables à de nombreux groupes taxonomiques. Les oiseaux sont particulièrement intéressants pour les études comparatives car, bien qu'ils soient, au cours de l'évolution, plus étroitement liés aux crocodiles et autres reptiles non aviens qu'aux mammifères, ils présentent deux états de sommeil remarquablement similaires au sommeil lent et sommeil paradoxal des mammifères. Ainsi, la recherche sur les oiseaux pourrait complémenter et approfondir notre compréhension de l'évolution et de la ou des fonctions du sommeil. Dans ce manuscrit, je présente les données de trois projets qui étudient les corrélats comportementaux, physiologiques et neurophysiologiques du sommeil chez les oiseaux, en mettant l'accent sur le sommeil paradoxal. Premièrement, nous avons enregistré la température corticale du cerveau chez des pigeons endormis afin de comprendre si, et comment elle varie en fonction des états de sommeil. Nous avons constaté que, comme chez les mammifères, la température corticale diminue pendant le sommeil lent et augmente pendant le sommeil paradoxal. Cependant, les vitesses de refroidissement et de réchauffement étaient plus lentes que chez les mammifères. Dans une seconde étude, aussi réalisée chez des oiseaux, nous avons mesuré les changements de taille de la pupille durant les différents états de vigilance. De manière surprenante, nous avons constaté que les changements de taille de la pupille chez les oiseaux sont opposés à ceux décrits chez les mammifères à la fois pendant l'éveil, le sommeil lent et le sommeil paradoxal. Grâce à des expériences pharmacologiques, nous avons également montré que les constrictions de la pupille chez les oiseaux, contrairement aux mammifères, sont supportés par les récepteurs cholinergiques nicotiniques. Le comportement pupillaire opposé est donc lié (en partie) au fait que, contrairement à l'iris des mammifères qui est contrôlé par des muscles lisses, l'iris aviaire est contrôlé par des muscles striés. Enfin, dans une troisième étude, nous avons réalisé pour la première fois des enregistrements IRMf chez des oiseaux endormis et obtenu une activité BOLD dépendante de l'état. Bien qu'encore en cours, ces données suggèrent que le sommeil paradoxal est associé à une large activation des structures corticales et sous-corticales, couvrant les voies visuelles, somatomotrices et les ganglions de la base. Dans l'ensemble, nos données montrent que les différentes composantes du sommeil paradoxal se manifestent de diverses manières à travers les groupes taxonomiques, avec des similarités fortes mais aussi des différences importantes. Ces variations constituent une riche ressource pour étudier l'évolution et les fonctions du sommeil paradoxal. Notamment, les caractéristiques partagées pourraient être liées à une fonction centrale du sommeil paradoxal, tandis que les divergences pourraient refléter des fonctions spécifiques à un taxon ou même des épiphénomènes résultant de la neurophysiologie spécifique d'un organisme. En embrassant cette diversité, les chercheurs obtiendront probablement une compréhension plus complète de ce qu'est et de ce que fait le sommeil paradoxal, une compréhension qui ne peut être obtenue en se concentrant exclusivement sur les mammifères

Evolution of sleep in relation to memory – a birds’ brain view

Sleep’s role in memory consolidation is widely accepted. However, the role of the different sleep states and accompanying neurophysiological activity is still actively debated. Most theories of sleep-related memory consolidation are based on studies in a few mammalian species. Recent evidence from research in birds, which exhibit sleep states that are in most respects similar to those found in mammals (despite being distantly related) suggests that the way some types of memories are consolidated during sleep might be different in taxa other than mammals. This review will discuss how the recent sleep-related neurophysiological findings in birds inform our understanding of memory consolidation during sleep

Evolution of sleep in relation to memory – a birds’ brain view

Sleep’s role in memory consolidation is widely accepted. However, the role of the different sleep states and accompanying neurophysiological activity is still actively debated. Most theories of sleep-related memory consolidation are based on studies in a few mammalian species. Recent evidence from research in birds, which exhibit sleep states that are in most respects similar to those found in mammals (despite being distantly related) suggests that the way some types of memories are consolidated during sleep might be different in taxa other than mammals. This review will discuss how the recent sleep-related neurophysiological findings in birds inform our understanding of memory consolidation during sleep

Pupillary behavior during wakefulness, non-REM sleep, and REM sleep in birds is opposite that of mammals

International audienc

Comparative Perspectives that Challenge Brain Warming as the Primary Function of REM Sleep

International audienceLe sommeil paradoxal est un état paradoxal d’activité cérébrale semblable à l’éveil qui se produit après un sommeil non paradoxal (NREM) chez les mammifères et les oiseaux. Chez les mammifères, le refroidissement du cerveau pendant le sommeil NREM est suivi d’un réchauffement pendant le sommeil paradoxal, préparant potentiellement le cerveau à fonctionner de manière adaptative au réveil. Si le réchauffement du cerveau est la fonction principale du sommeil paradoxal, il devrait se produire chez d’autres animaux présentant des états similaires. Nous avons mesuré la température corticale chez les pigeons et les dragons barbus, les lézards qui présentent un sommeil de type NREM et un sommeil de type REM avec une activité cérébrale ressemblant à l’éveil. Chez les pigeons, la température corticale a diminué pendant le sommeil NREM et a augmenté pendant le sommeil paradoxal. Cependant, la température du cerveau n’a pas augmenté lorsque les dragons sont passés d’un sommeil de type NREM à un sommeil paradoxal. Nos résultats indiquent que le réchauffement du cerveau n’est pas un résultat universel des états de sommeil caractérisés par une activité semblable à l’éveil, remettant en question l’hypothèse selon laquelle leur fonction principale est de réchauffer le cerveau en préparation à l’éveil

ONEIROS, a new miniature standalone device for recording sleep electrophysiology, physiology, temperatures and behavior in the lab and field

International audienceBackground: Sleep is an inactive state of reduced environmental awareness shared by all animals. When compared to wakefulness, sleep behavior is associated with changes in physiology and brain activity. The nature of these changes varies considerably across species, and therefore is a rich resource for gaining insight into the evolution and functions of sleep. A major obstacle to capitalizing on this resource is the lack of a small device capable of recording multiple biological parameters for extended periods of time both in the laboratory and the field.New method: ONEIROS is a new tool designed for conducting sleep research on small, freely moving animals. The miniature, standalone system is capable of recording up to 26 electrophysiological signals (electroencephalogram, electromyogram, electrooculogram, electrocardiogram), metabolic (3 temperature channels) and behavior via an accelerometer for several days. In addition, the device is equipped with a vibrating motor which can be used to assess arousal thresholds and to disrupt sleep. The system is available in telemetric or data-logger configuration useable in the field.Results: To demonstrate the efficacy of this tool, we simultaneously recorded for the first time, electroencephalogram, hippocampal local field potential, electromyogram, electrooculogram, brain, body and ambient temperature, and 3D accelerometry. We also deprived rats of paradoxical sleep by triggering the vibrating motor after online recognition of the state. Finally, by successfully recording a pigeon in an 8 m3 aviary in a social context with the device in the logger configuration, we demonstrate the feasibility of using the device in the field

Wide-spread brain activation and reduced CSF flow during avian REM sleep

Mammalian sleep has been implicated in maintaining a healthy extracellular environment in the brain. During wakefulness, neuronal activity leads to the accumulation of toxic proteins, which the glymphatic system is thought to clear by flushing cerebral spinal fluid (CSF) through the brain. In mice, this process occurs during non-rapid eye movement (NREM) sleep. In humans, ventricular CSF flow has also been shown to increase during NREM sleep, as visualized using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The link between sleep and CSF flow has not been studied in birds before. Using fMRI of naturally sleeping pigeons, we show that REM sleep, a paradoxical state with wake-like brain activity, is accompanied by the activation of brain regions involved in processing visual information, including optic flow during flight. We further demonstrate that ventricular CSF flow increases during NREM sleep, relative to wakefulness, but drops sharply during REM sleep. Consequently, functions linked to brain activation during REM sleep might come at the expense of waste clearance during NREM sleep

iGEM REPORT: Gotta Detect ‘Em All: a multi-STI sensor based on aptamers

/International audienceNowadays, STIs constitute a major public health issue. Indeed, treatments are often started too late because of belated diagnosis resulting in health problems, such as sterility. If prevention is probably the most effective action one can take to prevent the spread of STIs, early detection could help limit their deleterious effects. In this work, a new diagnosis approach based on aptamers is presented. Bound to paper, they allow the detection of HIV and Hepatitis B biomarkers from a blood sample. The associated device is composed of an anchor, the streptavidin protein, allowing the fixation of the aptamer to the paper via biotin (see graphical abstract). With this system, the HIV-1 Reverse Transcriptase (BBa_K1934060 and BBa_K1934061: protein subunits p51 and p66) and HBsAg (surface antigen of Hepatitis B) are specifically targeted. Then, the biomarker/aptamer complex is detected by two methods. The first one is based on fluorescence. As a proof of concept, a paired ATP/aptamer was used and enabled to successfully detect ATP up to 10 µmol.L-1. However, the signal was not detectable with naked eyes or with a cell phone equipped with blue and green filters either. Therefore, a lateral flow assay with nano-sized latex black beads was tested. This second technique showed that a protein biomarker, such as thrombin, could be complexed with latex beads coated with aptamers, in liquid. Finally, the ultimate step, migration of the latex beads inside paper, needs further optimization. Moreover, to easily handle several STI-tests on a single paper strip, an innovative bio-sourced PLA casing was designed and 3D printed to offer an additional intuitive user-interface