Presque tout le monde en a fait l'expérience : après une nuit de mauvais sommeil, vous ne vous sentez pas aussi alerte que vous le devriez. Votre cerveau peut sembler brumeux et votre esprit s’égare alors que vous devriez y prêter attention.
Une nouvelle étude du MIT révèle ce qui se passe à l’intérieur du cerveau lorsque se produisent ces manques d’attention momentanés. Les scientifiques ont découvert que pendant ces périodes, une vague de liquide céphalo-rachidien (LCR) s'écoule hors du cerveau – un processus qui se produit généralement pendant le sommeil et aide à éliminer les déchets accumulés pendant la journée. On pense que ce rinçage est nécessaire au maintien d’un cerveau sain et fonctionnant normalement.
Lorsqu'une personne est privée de sommeil, il semble que son corps tente de rattraper ce processus de nettoyage en déclenchant des impulsions de flux de LCR. Cependant, cela a le prix d’une attention considérablement altérée.
« Si vous ne dormez pas, les ondes du LCR commencent à s'immiscer dans l'état de veille là où vous ne les verriez normalement pas. Cependant, elles s'accompagnent d'un compromis attentionnel, où l'attention échoue pendant les moments où vous avez cette vague d'écoulement de fluide », explique Laura Lewis, professeure agrégée Athinoula A. Martinos de génie électrique et d'informatique, membre de l'Institut de génie médical et des sciences du MIT et du Laboratoire de recherche en électronique, et membre associé de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire.
Lewis est l'auteur principal de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans Neurosciences naturelles. Zinong Yang, associé postdoctoral au MIT, est l'auteur principal de l'article.
Rincer le cerveau
Bien que le sommeil soit un processus biologique critique, on ne sait pas exactement pourquoi il est si important. Il semble essentiel au maintien de la vigilance, et il a été largement démontré que le manque de sommeil entraîne des troubles de l’attention et d’autres fonctions cognitives.
Pendant le sommeil, le liquide céphalo-rachidien qui amortit le cerveau aide à éliminer les déchets accumulés au cours de la journée. Dans une étude de 2019, Lewis et ses collègues ont montré que le flux de LCR pendant le sommeil suit un schéma rythmique dans et hors du cerveau, et que ces flux sont liés aux changements des ondes cérébrales pendant le sommeil.
Cette découverte a amené Lewis à se demander ce qui pourrait arriver au flux de LCR après une privation de sommeil. Pour explorer cette question, elle et ses collègues ont recruté 26 volontaires qui ont été testés deux fois : une fois après une nuit de privation de sommeil en laboratoire et une fois lorsqu'ils étaient bien reposés.
Dans la matinée, les chercheurs ont surveillé plusieurs mesures différentes des fonctions cérébrales et corporelles pendant que les participants effectuaient une tâche couramment utilisée pour évaluer les effets de la privation de sommeil.
Au cours de la tâche, chaque participant portait un casque d'électroencéphalogramme (EEG) capable d'enregistrer les ondes cérébrales alors qu'il se trouvait également dans un scanner d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Les chercheurs ont utilisé une version modifiée de l’IRMf qui leur a permis de mesurer non seulement l’oxygénation du sang dans le cerveau, mais également le flux de LCR entrant et sortant du cerveau. Ils ont également mesuré la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire et le diamètre de la pupille de chaque sujet.
Les participants ont effectué deux tâches attentionnelles dans le scanner IRMf, une visuelle et une auditive. Pour la tâche visuelle, ils devaient regarder un écran comportant une croix fixe. À intervalles aléatoires, la croix se transformait en carré et les participants devaient appuyer sur un bouton chaque fois qu'ils voyaient cela se produire. Pour la tâche auditive, ils entendraient un bip au lieu de voir une transformation visuelle.
Les participants privés de sommeil ont obtenu des résultats bien moins bons que les participants bien reposés sur ces tâches, comme prévu. Leurs temps de réponse étaient plus lents et pour certains stimuli, les participants n’ont jamais enregistré le changement.
Au cours de ces inattentions momentanées, les chercheurs ont identifié plusieurs changements physiologiques survenus en même temps. Plus important encore, ils ont découvert un flux de LCR hors du cerveau au moment même où ces pertes se produisaient. Après chaque laps de temps, le LCR refluait dans le cerveau.
Les résultats suggèrent qu’au moment où l’attention échoue, ce fluide est en fait expulsé vers l’extérieur du cerveau. Et quand l’attention revient, elle est ramenée. »
Laura Lewis, professeure agrégée Athinoula A. Martinos de génie électrique et d'informatique, MIT
Les chercheurs émettent l’hypothèse que lorsque le cerveau est privé de sommeil, il commence à compenser la perte du nettoyage qui se produit normalement pendant le sommeil, même si ces impulsions du flux de LCR s’accompagnent d’une perte d’attention.
« Une façon de penser à ces événements est que votre cerveau a tellement besoin de sommeil qu'il fait de son mieux pour entrer dans un état proche du sommeil pour restaurer certaines fonctions cognitives », explique Yang. « Le système fluide de votre cerveau tente de restaurer ses fonctions en poussant le cerveau à alterner entre des états de haute attention et de haut débit. »
Un circuit unifié
Les chercheurs ont également découvert plusieurs autres événements physiologiques liés à des pertes d’attention, notamment une diminution de la respiration et de la fréquence cardiaque, ainsi qu’une constriction des pupilles. Ils ont constaté que la constriction des pupilles commençait environ 12 secondes avant que le LCR ne sorte du cerveau et que les pupilles se dilataient à nouveau après le manque d'attention.
« Ce qui est intéressant, c'est qu'il semble que ce ne soit pas seulement un phénomène dans le cerveau, mais aussi un événement à l'échelle du corps. Cela suggère qu'il existe une coordination étroite de ces systèmes, où lorsque votre attention échoue, vous pouvez le ressentir perceptuellement et psychologiquement, mais cela reflète également un événement qui se produit dans tout le cerveau et le corps », explique Lewis.
Ce lien étroit entre des événements disparates peut indiquer qu'il existe un circuit unique qui contrôle à la fois l'attention et les fonctions corporelles telles que le flux de fluide, la fréquence cardiaque et l'éveil, selon les chercheurs.
« Ces résultats nous suggèrent qu'il existe un circuit unifié qui régit à la fois ce que nous considérons comme des fonctions cérébrales de très haut niveau – notre attention, notre capacité à percevoir et répondre au monde – et également des processus physiologiques fondamentaux comme la dynamique des fluides du cerveau, le flux sanguin dans tout le cerveau et la constriction des vaisseaux sanguins », explique Lewis.
Dans cette étude, les chercheurs n’ont pas exploré quel circuit pourrait contrôler cette commutation, mais un bon candidat, disent-ils, est le système noradrénergique. Des recherches récentes ont montré que ce système, qui régule de nombreuses fonctions cognitives et corporelles grâce au neurotransmetteur noradrénaline, oscille pendant le sommeil normal.
La recherche a été financée par les National Institutes of Health, une bourse de recherche supérieure en sciences et en ingénierie de la Défense nationale, une bourse NAWA, un McKnight Scholar Award, une bourse Sloan, un Pew Biomedical Scholar Award, un One Mind Rising Star Award et la Collaboration Simons sur la plasticité du cerveau vieillissant.
