S'il est bien connu que le sommeil améliore les performances cognitives, les mécanismes neuronaux sous-jacents, en particulier ceux liés au sommeil à mouvements oculaires non rapides (NREM), restent largement inexplorés. Une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs de l'Université Rice, du Centre méthodiste de Houston pour la restauration des systèmes neuronaux et du Weill Cornell Medical College, coordonnée par Valentin Dragoi de Rice, a néanmoins découvert un mécanisme clé par lequel le sommeil améliore les performances neuronales et comportementales, modifiant potentiellement nos fondamentaux. comprendre comment le sommeil stimule le cerveau.
La recherche, publiée dans Sciencerévèle comment NREM dort – ; le sommeil plus léger que l'on éprouve en faisant une sieste, par exemple – ; favorise la synchronisation cérébrale et améliore l’encodage des informations, apportant un nouvel éclairage sur cette étape du sommeil. Les chercheurs ont reproduit ces effets grâce à une stimulation invasive, suggérant des possibilités prometteuses pour de futures thérapies de neuromodulation chez l'homme. Les implications de cette découverte ouvrent potentiellement la voie à des traitements innovants pour les troubles du sommeil et même à des méthodes visant à améliorer les performances cognitives et comportementales.
L'enquête impliquait un examen de l'activité neuronale dans plusieurs zones cérébrales chez les macaques tandis que les animaux effectuaient une tâche de discrimination visuelle avant et après une période de sommeil NREM de 30 minutes. À l’aide de réseaux multiélectrodes, les chercheurs ont enregistré l’activité de milliers de neurones dans trois zones du cerveau : les cortex visuels primaire et intermédiaire et le cortex préfrontal dorsolatéral, qui sont associés au traitement visuel et aux fonctions exécutives. Pour confirmer que les macaques étaient en sommeil NREM, les chercheurs ont utilisé la polysomnographie pour surveiller leur activité cérébrale et musculaire ainsi qu'une analyse vidéo pour s'assurer que leurs yeux étaient fermés et que leur corps était détendu.
Les résultats ont démontré que le sommeil améliorait les performances des animaux dans la tâche visuelle avec une précision accrue dans la distinction des images pivotées. D'une manière primordiale, cette amélioration était unique à ceux qui se sont réellement endormis – ; les macaques qui ont connu une veille tranquille sans s'endormir n'ont pas montré la même amélioration de leurs performances.
« Pendant le sommeil, nous avons observé une augmentation de l'activité des ondes delta basse fréquence et un déclenchement synchronisé entre les neurones de différentes régions corticales », a déclaré la première auteure, le Dr Natasha Kharas, ancienne chercheuse du laboratoire de Dragoi et actuelle résidente en chirurgie neurologique à Weill Cornell. « Après le sommeil, cependant, l'activité neuronale est devenue plus désynchronisée qu'avant le sommeil, permettant aux neurones de fonctionner de manière plus indépendante. Ce changement a conduit à une meilleure précision du traitement de l'information et des performances dans les tâches visuelles. »
Les chercheurs ont également simulé les effets neuronaux du sommeil grâce à une stimulation électrique basse fréquence du cortex visuel. Ils ont appliqué une stimulation de 4 Hz pour imiter la fréquence delta observée pendant le sommeil NREM alors que les animaux étaient éveillés. Cette stimulation artificielle reproduisait l'effet de désynchronisation observé après le sommeil et améliorait de la même manière les performances des animaux, ce qui suggère que des modèles spécifiques de stimulation électrique pourraient potentiellement être utilisés pour imiter les avantages cognitifs du sommeil.
« Cette découverte est importante car elle suggère que certains des effets réparateurs et améliorant les performances du sommeil pourraient être obtenus sans avoir besoin de dormir réellement », a déclaré Dragoi, co-auteur de l'étude, professeur de génie électrique et informatique à Rice, the Rosemary. et Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics à Houston Methodist et professeur de neurosciences à Weill Cornell. « La capacité de reproduire une désynchronisation neuronale semblable au sommeil dans un état d'éveil ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer les performances cognitives et perceptuelles dans des situations où le sommeil n'est pas possible, comme pour les personnes souffrant de troubles du sommeil ou dans des circonstances atténuantes telles que l'exploration spatiale. »
Les chercheurs ont approfondi leurs découvertes en construisant un grand modèle de réseau neuronal. Ils ont découvert que pendant le sommeil, les connexions excitatrices et inhibitrices dans le cerveau s’affaiblissent, mais de manière asymétrique, ce qui rend les connexions inhibitrices plus faibles que les connexions excitatrices, ce qui entraîne une augmentation de l’excitation.
« Nous avons découvert une solution surprenante que le cerveau utilise après le sommeil, par laquelle les populations neuronales participant à la tâche réduisent leur niveau de synchronie après le sommeil malgré la réception d'entrées de synchronisation pendant le sommeil lui-même », a déclaré Dragoi.
L'idée selon laquelle le sommeil NREM « stimule » efficacement le cerveau de cette manière et que cette réinitialisation peut être imitée artificiellement offre un potentiel pour développer des techniques thérapeutiques de stimulation cérébrale pour améliorer la fonction cognitive et la mémoire.
Notre étude approfondit non seulement notre compréhension mécaniste du rôle du sommeil dans la fonction cognitive, mais innove également en montrant que des schémas spécifiques de stimulation cérébrale pourraient remplacer certains avantages du sommeil, ouvrant la voie à un avenir dans lequel nous pourrions stimuler la fonction cérébrale indépendamment du sommeil lui-même. «
Valentin Dragoi, Université Rice
Cette recherche a été financée par les subventions 5R01EY026156 (VD) et 5F31EY029993 (NK) du National Eye Institute.
