From correlation to causality : use of brain-machine interfaces to disentangle place cell reactivations and slow oscillations during sleep

La mémoire spatiale est composée d'une phase d''encodage pendant l'éveil, suivi par une phase de consolidation pendant le sommeil, au cours de laquelle les séquences d'activation des cellules de lieu sont rejouées. Ces réactivations ont lieu pendant des oscillations à hautes fréquences du sommeil à ondes lentes, appelées les sharp-wave ripples (SPW-Rs) dont l'occurrence est coordonnées avec celle des autres rythmes corticaux (ondes delta 2-4Hz et spindles 10-15Hz). Ce modèle bien que largement accepté ne repose que sur des études corrélatives. De plus, les SWP-Rs et les ondes delta sont impliquées à la fois dans l'homéostasie du sommeil et dans la consolidation de la mémoire. Or l'interaction entre les deux phénomènes n'a jamais été caractérisée. Au moyen d'une interface cerveau machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu pendant le sommeil à une stimulation électrique de récompense. Au réveil les souris allaient dans le champ de lieu du neurone démontrant la possibilité de créer des souvenirs artificiels pendant le sommeil. Ceci démontrait également le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation spatiale ainsi que l'existence de réactivations d'informations spatiales pendant le sommeil. Dans un second temps, nous avons développé une deuxième interface cerveau-machine permettant de manipuler les ondes delta. Nous avons également montré que l'occurrence des SPW-Rs et des ondes delta diminuent avec le temps de sommeil en maintenant leur coordination. Enfin nous avons identifié une sous-population de neurones corticaux potentiellement impliquée dans la génération des ondes delta et leur régulation par la pression homéostatique de sommeil.Spatial memory is composed of an encoding phase during wakefulness, followed by a consolidation phase during sleep, corresponding to the replay of sequences of activation of hippocampal place cells observed during wake. Those reactivations occur during slow wave sleep, mostly during hippocampal high frequency oscillations, called sharp-wave ripples (SPW-Rs). Moreover, SPW-Rs occurrence is coordinated with others cortical rhythms (delta waves 2-4Hz and spindles 10-15Hz). Although this theoretical framework is widely accepted, it is only based on correlative studies. Moreover, in addition to memory consolidation, SPW-Rs and delta waves are also involved in sleep homeostasis. Finally, a fine description of the interactions between the two phenomena is still lacking. By using a newly designed brain machine interface, we associated spontaneous reactivations of a single place cell during sleep to intracranial rewarding stimulations. At awakening, mice went and stayed within the place field of the related neuron, demonstrating the possibility to create artificial memories during sleep. It also demonstrated the causal role of place cells on spatial navigation, and that they still convey spatial information during sleep supporting the existence of sleep reactivation. We also developed a second brain machine interface in order to manipulate delta waves during sleep. We showed that the occurrence of both SPW-Rs and delta waves decrease during sleep, even though their coordination was maintained. Finally, we identify a sub-population of cortical neurons potentially involved both in the generation of delta waves and their modulation by the homeostatic pressure of sleep