Presque tout le monde connaît ce sentiment. Après une nuit de mauvais sommeil, il est plus difficile de se concentrer. Vos pensées vagabondent, vos temps de réaction ralentissent et votre clarté mentale diminue, en particulier lorsque vous devez être le plus alerte. De nouvelles recherches menées par le MIT mettent en lumière ce qui se passe dans le cerveau lors de ces brèves interruptions de la concentration. L’étude montre que lors d’une perte temporaire de concentration, le liquide céphalo-rachidien (LCR) s’écoule du cerveau, un processus qui se produit normalement pendant le sommeil et qui permet d’éliminer les déchets accumulés au cours de la journée. Cette activité de nettoyage est considérée comme importante pour la santé et le fonctionnement du cerveau.

L’organisme tente de compenser la perte de sommeil

Le manque de sommeil est un état dans lequel le corps et le cerveau ne dorment pas suffisamment sur une période plus ou moins longue pour récupérer et fonctionner normalement. Elle peut survenir lorsque la quantité de sommeil est régulièrement inférieure aux besoins de l’individu ou lorsque la qualité du sommeil est réduite, par exemple en raison de réveils fréquents ou d’un sommeil non réparateur. On distingue le manque de sommeil aigu, qui survient après quelques nuits de sommeil insuffisant, et le manque de sommeil chronique, qui s’étend sur des semaines ou des mois.

Lorsqu’une personne souffre d’un manque de sommeil, le corps semble essayer de compenser la perte de sommeil en déclenchant ces mouvements de fluides pendant la phase d’éveil. Cette compensation présente toutefois un inconvénient de taille : une attention fortement réduite. « Lorsque vous ne dormez pas, les ondes du LCR envahissent la phase d’éveil, où vous ne les verriez normalement pas. Cependant, elles s’accompagnent d’une perte d’attention, car l’attention diminue pendant les moments où cette onde fluide se produit », explique Laura Lewis, professeur agrégé d’ingénierie électrique et d’informatique Athinoula A. Martinos, membre de l’Institut du MIT pour l’ingénierie et les sciences médicales 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 a été publiée dans Nature Neuroscience. Zinong Yang, chercheur postdoctoral au MIT, est l’auteur principal.

Comment le sommeil nettoie le cerveau

Le sommeil est essentiel à la survie, mais les scientifiques ne comprennent pas encore tout à fait pourquoi il joue un rôle aussi crucial. Ce qui est clair, c’est que le sommeil est nécessaire pour rester alerte et qu’il a été démontré que la privation de sommeil nuit à l’attention et à d’autres capacités mentales. Sur le plan physique, le sommeil sert à la régénération : les cellules et les tissus sont réparés, des hormones de croissance sont libérées et le système immunitaire est renforcé. Le sommeil joue également un rôle central dans la régulation des hormones et du métabolisme, comme le contrôle de la faim, de la glycémie et de l’équilibre énergétique.

Une fonction importante du sommeil concerne le liquide céphalo-rachidien qui entoure et amortit le cerveau. Pendant le sommeil, le liquide céphalo-rachidien aide à éliminer les déchets qui s’accumulent pendant les heures d’éveil. Dans une étude réalisée en 2019, Mme Lewis et ses collègues ont constaté que ce liquide se déplace selon un schéma rythmique pendant le sommeil, étroitement lié aux changements dans l’activité des ondes cérébrales.

Cette découverte a soulevé une nouvelle question : Qu’arrive-t-il à ce système fluide lorsque le sommeil est perturbé ? Pour le savoir, les chercheurs ont recruté 26 volontaires qui ont effectué des tests à deux reprises, une fois après une nuit de privation de sommeil en laboratoire et une fois après une nuit de repos suffisante. Le lendemain matin, les participants ont effectué une tâche standard conçue pour évaluer les effets de la privation de sommeil, tandis que les chercheurs ont suivi une série de signaux cérébraux et corporels.

Mesure de l’attention et de la circulation des fluides dans le cerveau

Pendant l’expérience, chaque participant portait un électroencéphalogramme (EEG) pour surveiller l’activité cérébrale alors qu’il était allongé dans un scanner d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). L’équipe a utilisé une version spéciale de l’IRMf qui pouvait suivre à la fois les niveaux d’oxygène dans le sang et le mouvement du liquide céphalorachidien (LCR) à l’intérieur et à l’extérieur du cerveau. La fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire et la taille des pupilles ont également été enregistrées.

Les participants ont effectué deux tests d’attention dans le scanner, l’un visuel et l’autre auditif. Dans la tâche visuelle, ils ont observé une croix fixe sur un écran qui se transformait occasionnellement en carré. Ils devaient appuyer sur un bouton à chaque fois qu’un changement se produisait. Dans la tâche auditive, le signal visuel était remplacé par un son. Comme prévu, les participants privés de sommeil ont obtenu des résultats nettement moins bons que ceux qui étaient bien reposés. Leurs réponses étaient plus lentes et, dans certains cas, ils ne percevaient pas du tout le signal.

Lors de ces brèves interruptions de l’attention, les chercheurs ont observé plusieurs changements physiologiques simultanés. En particulier, le liquide céphalo-rachidien sortait du cerveau pendant la période d’inattention et y entrait à nouveau dès que l’attention revenait. « Les résultats suggèrent qu’au moment où l’attention se relâche, ce liquide est en fait expulsé du cerveau. Et lorsque l’attention revient, il y est réintroduit », explique M. Lewis.

L’équipe pense que ce schéma reflète la tentative du cerveau de compenser le manque de sommeil en activant un processus de nettoyage qui se produit normalement la nuit, même si cela perturbe temporairement l’attention. « Une façon d’expliquer ces événements est que le cerveau a tellement besoin de sommeil qu’il fait de son mieux pour entrer dans un état similaire au sommeil afin de restaurer certaines fonctions cognitives« , explique Yang. « Le système de fluides du cerveau tente de rétablir les fonctions en faisant passer le cerveau d’un état de vigilance à un état de fluidité.

Un système de collaboration entre le cerveau et le corps

L’étude a également révélé que les périodes d’inattention sont liées à des changements extérieurs au cerveau lui-même. Pendant ces moments, la respiration et le rythme cardiaque ralentissent et les pupilles se contractent. La constriction des pupilles a commencé environ 12 secondes avant que le liquide céphalorachidien ne s’écoule du cerveau et s’est inversée après le retour de l’attention. « Il est intéressant de noter qu’il ne s’agit pas seulement d’un phénomène cérébral, mais d’un processus qui affecte l’ensemble du corps. Cela suggère que ces systèmes sont étroitement coordonnés. Lorsque l’attention diminue, on le ressent sur le plan perceptif et psychologique, mais cela reflète également un processus qui se déroule dans l’ensemble du cerveau et du corps », explique M. Lewis.

Ces résultats suggèrent qu’un seul système de contrôle peut coordonner à la fois l’attention et les fonctions corporelles de base telles que la circulation des fluides, le rythme cardiaque et la vigilance. « Ces résultats suggèrent qu’il existe un circuit unifié qui contrôle à la fois les fonctions cérébrales que nous considérons comme très sophistiquées – notre attention, notre capacité à percevoir le monde et à y répondre – et des processus physiologiques très élémentaires tels que la dynamique des fluides cérébraux, la circulation sanguine dans le cerveau et la constriction des vaisseaux sanguins », explique M. Lewis. Bien que les chercheurs n’aient pas été en mesure d’identifier le circuit spécifique impliqué, ils désignent le système noradrénergique comme un candidat sérieux. Ce système, qui utilise le neurotransmetteur norépinéphrine pour réguler la cognition et les fonctions corporelles, est connu pour fluctuer pendant le sommeil normal.