« C’était littéralement vrai : je traversais la vie en dormant. Mon corps n’avait pas plus de sensations qu’un cadavre noyé. Mon existence même, ma vie dans le monde, semblait être une hallucination. Un vent fort me faisait croire que mon corps était sur le point d’être emporté au bout du monde, dans un pays que je n’avais jamais vu ou dont je n’avais jamais entendu parler, où mon esprit et mon corps se sépareraient pour toujours. »
-From Sleep, de Haruki Murakami, 1989
Nous sommes tous passés par là. Vous allez au lit, fermez les yeux, couvrez votre esprit et attendez que la conscience s’estompe. Un intervalle intemporel plus tard, vous vous réveillez, rafraîchi et prêt à relever les défis d’une nouvelle journée (notez comment vous ne pouvez jamais vous surprendre en train de perdre conscience !). Mais parfois, votre monde intérieur ne s’éteint pas – votre esprit reste hypervigilant. Vous vous tournez et vous retournez, mais vous ne parvenez pas à trouver le soulagement béni du sommeil. Les raisons de l’insomnie peuvent être multiples, mais les conséquences sont toujours les mêmes : vous êtes fatigué le lendemain, vous avez envie de dormir, vous faites la sieste. L’attention vagabonde, votre temps de réaction ralentit, vous avez moins de contrôle cognitif-émotionnel. Heureusement, la fatigue est réversible et disparaît après une nuit ou deux de sommeil solide.
Nous passons environ un tiers de notre vie dans un état de repos, défini par une relative immobilité comportementale et une réactivité réduite aux stimuli extérieurs. Cumulativement, cela équivaut à plusieurs décennies de sommeil au cours de la vie d’une personne moyenne. Ah, je sais que vous vous dites : « Ce ne serait pas génial si nous réduisions ce temps « perdu » pour pouvoir en faire plus ! Quand j’étais plus jeune, je vivais moi aussi selon la devise « On peut dormir quand on est mort ». Mais je me suis réveillé au fait que pour une santé physique et mentale optimale à long terme, nous avons besoin de dormir.
Les humains partagent ce besoin de sommeil quotidien avec toutes les créatures multicellulaires, comme le savent tous ceux qui ont grandi avec des chiens, des chats ou d’autres animaux domestiques.
On peut observer une compréhension de l’importance du sommeil en contemplant le processus biologique lui-même. Le sommeil est régulé de manière homéostatique avec une précision exquise : la pression pour aller dormir s’accumule pendant la journée jusqu’à ce que nous nous sentions somnolents le soir, bâillions continuellement et nous assoupissions. S’ils sont privés de sommeil, les êtres humains éprouvent un besoin irrésistible de se reposer – ils deviennent en fait « ivres de sommeil ». Un terme plus ancien, datant du XIXe siècle et plus proche de la vérité, est « épuisement cérébral », le cerveau réclamant son repos.
Dans ma dernière chronique Consciousness Redux, j’ai décrit comment les cliniciens définissent le sommeil en enregistrant les ondes cérébrales à partir d’un réseau de capteurs d’électroencéphalogramme (EEG) placés sur le cuir chevelu du dormeur . Comme la surface de la mer, le cerveau électrique est sans cesse en mouvement, reflétant les minuscules tremblements invisibles du cortex cérébral sous le crâne, captés par les électrodes EEG. Le sommeil à mouvements oculaires rapides (REM) se caractérise par des ondes cérébrales de faible voltage, agitées et changeant rapidement (paradoxalement, elles sont également typiques d’un état d’éveil détendu), tandis que le sommeil non-REM est marqué par des ondes qui montent et descendent lentement et de plus grande amplitude. En effet, plus le sommeil est profond et réparateur, plus les ondes qui reflètent l’activité inactive et réparatrice du cerveau sont lentes et importantes. Ces oscillations de tension, appelées ondes delta, peuvent être aussi lentes qu’une fois toutes les quatre secondes et aussi rapides que quatre fois par seconde (c’est-à-dire dans la gamme de fréquences de 0,25 à 4 hertz). L’observation de la décharge des neurones individuels pendant le sommeil profond révèle des périodes d’arrêt discrètes, lorsque les cellules nerveuses cessent de générer toute activité électrique pendant 300 à 400 millisecondes. De telles périodes de silence récurrentes, synchronisées à travers de grandes parties du cortex, sont la marque cellulaire du sommeil profond.
Microsleep
Ma dernière chronique, « Dormir avec un demi-cerveau », soulignait la prise de conscience croissante des chercheurs sur le sommeil qu’être éveillé et endormi ne sont pas des phénomènes tout ou rien. Le fait que vous soyez endormi n’implique pas nécessairement que votre cerveau tout entier soit endormi. Inversement, comme je vais le décrire maintenant, nous avons également appris que même lorsque vous êtes éveillé, tout votre cerveau peut ne pas l’être.
Un cas d’intrusion du sommeil dans l’éveil implique de brefs épisodes de sommeil connus sous le nom de micro-sommeil. Ces intervalles peuvent survenir au cours de n’importe quelle tâche monotone, qu’il s’agisse de conduire sur de longues distances à travers le pays, d’écouter un orateur qui radote ou d’assister à une énième réunion de service interminable. Vous êtes somnolent, vos yeux s’abaissent, les paupières se ferment, votre tête hoche la tête de façon répétée de haut en bas, puis se redresse : votre conscience s’évanouit.
Dans une expérience visant à explorer cette condition, les participants devaient suivre une cible se déplaçant de façon aléatoire sur un écran d’ordinateur à l’aide d’une manette pendant 50 minutes. Bien que simple, cette tâche visuomotrice exige une attention non stop qui devient difficile à soutenir après un certain temps. En effet, en moyenne, les participants ont connu 79 épisodes de micro-sommeil par heure, d’une durée de 1,1 à 6,3 secondes chacun, ce qui a entraîné une baisse des performances. Le micro-sommeil se manifeste dans l’enregistrement de l’EEG par un déplacement vers le bas de l’activité dominée par la bande alpha (plage de 8 à 13 Hz) vers des oscillations dans la bande thêta (4 à 7 Hz).
Pernicieusement, les sujets se croient généralement tout le temps alertes pendant le micro-sommeil sans se souvenir d’aucune période d’inconscience. Cette méprise peut être périlleuse pour quelqu’un qui se trouve à la place du conducteur. Le micro-sommeil peut être fatal lors de la conduite ou de l’utilisation de machines telles que les trains ou les avions, heure après heure fastidieuse. Lors d’un épisode de micro-sommeil, l’ensemble du cerveau s’endort brièvement, ce qui soulève la question de savoir si des morceaux de cerveau peuvent s’endormir tout seuls, sans que l’organe entier ne succombe au sommeil.
En effet, les neuroscientifiques d’origine italienne Chiara Cirelli et Giulio Tononi, qui étudient le sommeil et la conscience à l’Université du Wisconsin-Madison, ont découvert des « neurones endormis » chez des animaux de laboratoire qui ne présentaient aucune manifestation comportementale du sommeil. Dans le cadre de cette recherche, 11 rats adultes ont reçu des microfils implantés dans leur cortex moteur frontal, qui contrôle les mouvements. Insérés dans le tissu cortical, les capteurs ont capté à la fois la tension appelée potentiel de champ local (PFL), semblable à l’EEG, et l’activité des cellules nerveuses voisines. Comme prévu, lorsque l’animal est éveillé, le PFL est dominé par des ondes rapides de faible amplitude qui se distinguent facilement des ondes plus larges et plus lentes caractéristiques du sommeil profond non-REM.
Au niveau des neurones individuels, les cellules corticales des animaux éveillés bavardaient de manière irrégulière et staccato pendant une période prolongée. À l’inverse, pendant le sommeil profond, les neurones corticaux ont connu des périodes d’activité neuronale prononcées « on » et des périodes « off » pendant lesquelles ils sont silencieux. Cette réticence neuronale se produit simultanément dans tout le cortex. Elle alterne avec des périodes de marche régulières, conduisant aux ondes cérébrales ascendantes et descendantes qui sont la marque du sommeil profond.
Connaissant tout cela, les chercheurs ont décidé de sonder davantage. Au lieu de laisser les rats s’endormir à leur heure habituelle de coucher, les expérimentateurs ont engagé les animaux dans une version rongeur du jeu vidéo de fin de soirée, en les exposant continuellement à des jouets et autres objets à renifler, explorer et jouer avec. Ils tapaient sur la cage et les empêchaient de prendre une position de sommeil ou de s’assoupir. Après quatre heures d’une telle excitation, les rats ont enfin pu s’endormir.
Comme on pouvait s’y attendre d’après les études antérieures sur les animaux et les humains, à la fin de la phase de privation de sommeil, le LFP a commencé à se déplacer vers des fréquences plus basses, ce qui est compatible avec l’idée que la pression exercée sur les animaux pour qu’ils dorment s’est progressivement accrue. Un examen plus approfondi des signatures électriques a toutefois révélé quelque chose d’inattendu : des périodes de silence occasionnelles, sporadiques, de la totalité ou de la plupart des neurones de la région cérébrale enregistrée, sans que les animaux ne présentent de manifestations comportementales ou EEG de micro-sommeil. Ces épisodes courts, de type off, étaient souvent associés à des ondes lentes dans le LFP. Le contraire s’est produit pendant le sommeil de récupération, vers la fin de cette période de six heures, lorsque la pression pour dormir avait vraisemblablement diminué. À ce moment-là, les grandes ondes et les ondes lentes dans le LFP sont devenues plus rares, et l’activité neuronale est devenue plus irrégulière, comme pendant l’éveil.
Il semble que lorsqu’ils sont éveillés mais privés de sommeil, les neurones montrent des signes de somnolence, alors qu’après des heures de sommeil solide, les neurones individuels commencent à se réveiller. Une analyse statistique minutieuse a confirmé ces tendances : le nombre de périodes d’arrêt a augmenté pendant les quatre heures où les rats ont été forcés de rester éveillés, et la dynamique inverse s’est produite pendant le sommeil de récupération.
Une question était de savoir si un neurone s’endormait indépendamment de tout autre neurone. Ou s’agissait-il plutôt d’un phénomène global, où tous les neurones passent simultanément à une période d’arrêt ? La réponse, obtenue en implantant un second réseau de microfils dans une seconde région corticale – le cortex pariétal, une région bien distincte du cortex moteur – était « oui » aux deux questions.
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C’est-à-dire que parfois les neurones des deux régions se déclenchaient ensemble, alors qu’à d’autres moments ils le faisaient indépendamment. Pourtant, au fur et à mesure que la pression du sommeil augmentait, après plusieurs heures de maintien en éveil, l’activité neuronale pendant la privation de sommeil devenait effectivement plus globalement synchronisée (comme elle l’est dans le sommeil profond). De même, plus l’animal dormait longtemps pendant la période de récupération, moins il était probable que des ondes lentes soient détectées simultanément sur les deux sites corticaux. Des groupes de neurones peuvent être plus facilement recrutés pour produire les oscillations lentes qui constituent le sommeil profond lorsque la pression du sommeil est élevée.
Ces résultats peignent une vision plus nuancée de l’éveil et du sommeil que celle qui prévalait, dans laquelle les deux conditions étaient considérées comme des états de conscience globaux, tout ou rien. Au contraire, ces données, étayées par des enregistrements de neurones uniques effectués chez des patients auxquels on a implanté des microélectrodes, comme on le fait parfois dans le traitement de l’épilepsie, suggèrent que, même lorsque le sujet est éveillé, ses neurones peuvent se fatiguer et s’éteindre occasionnellement. Plus la pression du sommeil est forte, plus il est probable que cela se produise simultanément en de nombreux endroits du cortex. Inversement, après de nombreuses heures de sommeil réparateur, certains de ces neurones se découplent de ces oscillations à l’échelle du cerveau et commencent à se réveiller.
Mais avec des neurones qui se déconnectent pendant la privation de sommeil, ne devrait-il pas y avoir une certaine détérioration des performances ? Après tout, ces neurones doivent servir à quelque chose, et s’ils somnolent, quelque chose devrait en souffrir. Pour répondre à cette question, Cirelli, Tononi et leurs collaborateurs ont entraîné les rats à tendre l’une de leurs pattes avant à travers une ouverture étroite pour saisir une pastille de sucre sur une étagère. S’ils le font maladroitement, la pastille tombe et ne peut plus être récupérée.
L’apprentissage de cette tâche engage un secteur particulier du cortex moteur qui subit des modifications suite à l’entraînement. En recherchant les périodes d’arrêt pendant que l’animal tend le bras pour attraper les friandises, les chercheurs ont constaté que ces lacunes dans le tir neuronal sont plus susceptibles de se produire dans le cortex moteur une fraction de seconde avant une tentative ratée d’attraper la pastille, par rapport au moment où le rat a réussi à attraper une friandise. En effet, l’apparition d’une seule période d’arrêt diminue de plus d’un tiers les chances de réussite de l’essai. Ces effets étaient limités au cortex moteur et n’ont pas été observés dans le cortex pariétal, qui n’est pas sollicité par la tâche d’atteinte. Plus les animaux étaient privés de sommeil, plus leurs performances globales souffraient, comme c’est le cas chez les humains privés de sommeil.
Le sommeil local
Ce que cette étude a découvert, c’est l’existence d’un sommeil local pendant la privation de sommeil : des groupes corticaux isolés de neurones qui s’éteignent brièvement alors que l’animal, selon toutes les apparences extérieures, continue à se déplacer et à faire ce qu’il fait. Le sommeil local a plus de chances de se produire si ces neurones sont activement engagés, comme c’est le cas lorsqu’ils apprennent à saisir une pastille de sucre. Les neurones, eux aussi, se fatiguent et se désengagent, un microcosme de ce qui arrive à l’ensemble de l’organisme.
En extrapolant à partir de ces données, il semble plausible qu’à mesure que la pression pour le sommeil augmente, la fréquence de ces événements off et leur prépondérance dans le cortex augmentent jusqu’à ce que l’activité dans l’ensemble du cerveau devienne soudainement mais brièvement synchronisée et que le cerveau tombe dans un sommeil profond – les yeux se ferment, et la tête hoche. Le sujet entre en micro-sommeil.
Le sommeil est un sujet fascinant, même si nous ne pouvons pas sciemment faire l’expérience du sommeil profond, car notre conscience est éteinte. Le sommeil est un aspect finement régulé du cycle quotidien de notre cerveau, comme le lever et le coucher du soleil, un état dont la fonction reste controversée.
Au cours du siècle dernier, cliniciens et neuroscientifiques ont découvert différentes phases de sommeil (mouvements oculaires rapides et non rapides) et les régions distinctes du mésencéphale et du tronc cérébral impliquées dans leur contrôle. Qui plus est, ces chercheurs ont démystifié la narcolepsie, lorsque les patients s’endorment de manière brusque et irrésistible, le micro-sommeil et maintenant le sommeil local. Quelle sera la prochaine étape ?