Le sommeil est un besoin fondamental, au même titre que la nourriture ou l’eau. « Vous mourrez sans lui », déclare Keith Hengen, professeur adjoint de biologie à l’université de Washington à St Louis. Mais qu’est-ce que le sommeil accomplit réellement ? Pendant des années, le mieux que les chercheurs pouvaient dire était que le sommeil réduisait la somnolence, ce qui n’est pas une explication satisfaisante pour un besoin fondamental de la vie.
Mais en fusionnant des concepts issus des domaines de la physique et de la biologie, Hengen et une équipe de chercheurs en arts et sciences ont élaboré une théorie qui pourrait expliquer à la fois la signification du sommeil et la complexité du cerveau.
Comme l’indique une nouvelle étude publiée dans Nature Neuroscience, ils ont suivi l’activité cérébrale de rats endormis pour démontrer que le cerveau doit régulièrement réinitialiser son système d’exploitation pour atteindre la « criticité », un état qui optimise la pensée et le traitement.
« Le cerveau est comme un ordinateur biologique », explique M. Hengen. « La mémoire et l’expérience pendant l’éveil modifient le code petit à petit, éloignant lentement l’ensemble du système d’un état idéal. L’objectif principal du sommeil est de rétablir un état informatique optimal.
Les coauteurs de l’article sont Ralf Wessel, professeur de physique, Yifan Xu, étudiant diplômé en biologie et étudiant en neurosciences, et Aidan Schneider, étudiant diplômé dans le programme de biologie computationnelle et systémique, tous dans la section Arts et Sciences.
Selon M. Wessel, les physiciens réfléchissent à la criticité depuis plus de 30 ans, mais ils n’auraient jamais imaginé que leurs travaux auraient des répercussions sur le sommeil. Dans le monde de la physique, la criticité décrit un système complexe qui existe au point de basculement entre l’ordre et le chaos.
« À un extrême, tout est complètement régulier. À l’autre extrême, tout est aléatoire », a déclaré M. Wessel.
La criticité maximise l’encodage et le traitement des informations, ce qui en fait un candidat intéressant pour un principe général de neurobiologie. Dans une étude de 2019, Hengen et Wessel ont établi que le cerveau travaille activement au maintien de la criticité.
Dans le nouvel article, l’équipe fournit la première preuve directe que le sommeil restaure la puissance de calcul du cerveau. Il s’agit d’un changement radical par rapport à l’hypothèse de longue date selon laquelle le sommeil doit d’une manière ou d’une autre reconstituer des substances chimiques mystérieuses et inconnues épuisées pendant les heures d’éveil.
Cascades cérébrales
Pour vérifier leur théorie sur le rôle de la criticité dans le sommeil, les chercheurs ont suivi les pointes de nombreux neurones dans le cerveau de jeunes rats pendant qu’ils suivaient leur routine normale de sommeil et d’éveil.
« On peut suivre ces petites cascades d’activité à travers le réseau neuronal », explique Hengen. Ces cascades, également appelées avalanches neuronales, reflètent la manière dont les informations circulent dans le cerveau.
« À l’état critique, des avalanches de toutes tailles et de toutes durées peuvent se produire. Lorsque l’on s’éloigne de la criticité, le système ne favorise que les petites avalanches ou les grandes avalanches. C’est un peu comme si l’on écrivait un livre et que l’on ne pouvait utiliser que des mots courts ou longs.
La physique rencontre la biologie
Lorsque les physiciens ont développé pour la première fois le concept de criticité à la fin des années 1980, ils observaient des tas de sable sur une grille en forme de damier, un scénario apparemment très éloigné des cerveaux. Mais ces tas de sable ont fourni une information importante, a déclaré M. Wessel. Si des milliers de grains sont déposés sur la grille en suivant des règles simples, les tas atteignent rapidement un état critique où des choses intéressantes commencent à se produire.
Des avalanches, petites et grandes, peuvent se déclencher sans avertissement, et les tas d’une case commencent à se déverser dans les autres. « L’ensemble du système s’organise en quelque chose d’extrêmement complexe », a-t-il déclaré.
Les avalanches neuronales qui se produisent dans le cerveau ressemblent beaucoup aux avalanches de sable sur une grille, selon M. Wessel. Dans chaque cas, les cascades sont la marque d’un système qui a atteint son état le plus complexe.
Source : https://neurosciencenews.com/sleep-brain-function-25430
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