Pendant le sommeil paradoxal, le cerveau présente une combinaison inhabituelle de phénomènes : le débit sanguin augmente, tout comme les taux d’un composant métabolique important, tandis que, parallèlement, les taux d’ATP — la principale source d’énergie du cerveau — diminuent dans les cellules nerveuses. Des chercheurs de l’université de Tohoku ont étudié cette relation en temps réel chez des souris endormies. Les résultats montrent que le cerveau commence à se préparer à cette phase unique avant même que le sommeil paradoxal ne commence.

Le cerveau doit fonctionner avec un budget énergétique limité

Le sommeil ne signifie en aucun cas que le cerveau cesse de fonctionner. Au contraire : au cours de certaines phases du sommeil, l’activité du système nerveux change radicalement. Le sommeil paradoxal est particulièrement frappant ; il se caractérise par des mouvements oculaires rapides et est souvent associé à des rêves particulièrement vivants.

Cette phase de sommeil est donc également appelée « sommeil paradoxal ». Le corps se trouve en grande partie dans un état de rigidité musculaire, tandis que l’activité cérébrale ressemble à bien des égards à celle de l’état de veille. Cela soulève une question intéressante pour les chercheurs : comment le cerveau alimente-t-il ses neurones en énergie lorsque l’activité change si radicalement en l’espace de quelques minutes seulement ? Une nouvelle étude publiée dans *Communications Biology* apporte des éclairages surprenants à ce sujet. Les chercheurs ont observé chez la souris que l’approvisionnement énergétique du cerveau change avant même la transition vers le sommeil paradoxal. Parallèlement, la consommation énergétique effective des neurones semble suivre un schéma différent.

Le cerveau humain comme celui des animaux comptent parmi les organes les plus gourmands en énergie de l’organisme. Des milliards de neurones doivent en permanence générer des signaux électriques, transmettre des informations et maintenir leurs connexions les uns avec les autres. Ces processus nécessitent de l’énergie. L’ATP, abréviation d’adénosine triphosphate, est un vecteur énergétique important. Les neurones ont besoin d’ATP, entre autres, pour rétablir leur équilibre ionique après la transmission de signaux électriques et pour maintenir la communication entre les cellules.

Dans le même temps, le cerveau ne dispose que d’une quantité d’énergie limitée. L’apport énergétique doit donc être étroitement adapté à l’activité du moment. C’est précisément cette adaptation qui intéresse particulièrement les chercheurs : le cerveau ajuste-t-il son apport énergétique en fonction de son état du moment ? La transition entre les différentes phases du sommeil offre un modèle particulièrement adapté pour étudier ce phénomène. Pendant le sommeil, l’activité, le débit sanguin et le métabolisme subissent des modifications caractéristiques.

Un aperçu du cerveau endormi

Pour suivre directement ces changements, les chercheurs ont mis au point une méthode leur permettant d’observer le cerveau de souris endormies. Pour ce faire, ils ont recouvert le crâne des animaux d’un matériau transparent durcissable aux UV. Cela a permis aux scientifiques d’utiliser l’imagerie pour suivre l’activité et le flux sanguin dans le cerveau pendant le sommeil naturel.

À l’aide de l’imagerie par fluorescence à grand champ, ils ont notamment examiné les variations du volume sanguin dans le cerveau. Cela permet de mieux comprendre comment l’apport sanguin au tissu nerveux évolue au cours des différents états d’activité. De plus, les chercheurs ont étudié deux marqueurs métaboliques. L’un d’entre eux était l’ATP dans les cellules nerveuses. Le second était le pyruvate dans les astrocytes.

Les astrocytes sont des cellules non neuronales du système nerveux qui participent, entre autres, à l’approvisionnement et au soutien des cellules nerveuses. Le pyruvate, quant à lui, joue un rôle central dans d’importantes voies métaboliques et est produit, entre autres, lors de la dégradation du glucose. Sa concentration permet donc de mieux comprendre comment le métabolisme énergétique du cerveau évolue. La combinaison de ces mesures a permis aux chercheurs non seulement d’observer l’activité cérébrale, mais aussi de suivre simultanément divers aspects de son métabolisme énergétique.

Des variations du débit sanguin avant même le sommeil paradoxal

La transition du sommeil non-REM vers le sommeil paradoxal a présenté un intérêt particulier. Pendant le sommeil non-REM, on observe une activité cérébrale lente caractéristique. Les chercheurs se sont notamment intéressés aux fluctuations dans la gamme de fréquences thêta. Ces changements étaient associés à des variations subséquentes du volume sanguin dans le cerveau. Ce qui était toutefois encore plus frappant, c’est ce qui s’est produit immédiatement avant le sommeil paradoxal.

Environ 50 secondes avant le début de la phase de sommeil paradoxal, tel qu’elle est classiquement définie, le volume sanguin dans le cerveau a commencé à augmenter. Ce changement a d’abord pris naissance dans la région postérieure du cortex, puis s’est propagé vers l’avant. Cela suggère que la transition vers le sommeil paradoxal ne se résume pas à un simple basculement soudain. Au contraire, le cerveau semble se préparer à cet état à l’avance. L’augmentation du débit sanguin pourrait contribuer à adapter l’apport vers le tissu neural actif aux besoins à venir.

Plus de pyruvate, mais moins d’ATP

Avec l’apparition du sommeil paradoxal, un schéma particulièrement inhabituel s’est alors dessiné. La concentration en pyruvate a augmenté dans les astrocytes. Cela pourrait indiquer qu’un plus grand nombre de substrats métaboliques est disponible pendant cette phase ou que l’activité glycolytique de ces cellules augmente. Dans le même temps, cependant, les chercheurs ont observé une diminution des niveaux d’ATP dans les cellules nerveuses.

À première vue, cela semble contradictoire. Si le flux sanguin dans le cerveau augmente et que, parallèlement, un élément métabolique essentiel est en hausse, on pourrait s’attendre à ce qu’il y ait également davantage d’énergie immédiatement disponible. Or, ce n’était précisément pas le cas chez les souris étudiées.

Les résultats suggèrent plutôt que l’apport énergétique et la consommation d’énergie ne suivent pas simplement une évolution parallèle pendant le sommeil paradoxal. Le cerveau peut augmenter son apport énergétique tout en présentant simultanément des taux d’ATP plus faibles dans les neurones.

Les cellules nerveuses consomment-elles des quantités d’énergie particulièrement importantes pendant le rêve ?

Une explication possible est que les cellules nerveuses consomment une quantité particulièrement importante d’ATP pendant le sommeil paradoxal. Le sommeil paradoxal est associé à des changements complexes de l’activité neuronale. Parallèlement, on pense qu’il joue un rôle important dans la mémoire et le traitement de l’information. Au cours de cette phase, des processus particulièrement gourmands en énergie pourraient donc se dérouler dans les réseaux neuronaux.

On peut par exemple imaginer un besoin énergétique accru lié aux modifications au niveau des synapses. Les synapses sont les points de contact entre les neurones et jouent un rôle central dans l’apprentissage et le stockage de l’information. La communication entre différentes régions du cerveau pourrait également jouer un rôle pendant le sommeil paradoxal. L’interaction entre l’hippocampe et le cortex cérébral, en particulier, fait l’objet d’études en lien avec le traitement et la consolidation des souvenirs.

Cependant, ces nouvelles découvertes ne prouvent pas que ces processus spécifiques soient responsables de la baisse observée du taux d’ATP. Les chercheurs évoquent plusieurs mécanismes possibles qui devront être examinés de plus près dans le cadre de futures études. Outre une consommation accrue, une modification du transport des substances au sein du cerveau est également envisageable. Les astrocytes et les cellules nerveuses travaillent en étroite collaboration dans le métabolisme énergétique. Les astrocytes peuvent fournir des sous-produits métaboliques qui sont réutilisés par les neurones. Si cette collaboration venait à changer pendant le sommeil paradoxal, cela pourrait expliquer pourquoi l’augmentation du pyruvate dans les astrocytes n’entraîne pas immédiatement une hausse des niveaux d’ATP dans les neurones.

Les mitochondries pourraient également être impliquées. Ces organites cellulaires produisent une grande partie de l’ATP dans les cellules. Des modifications de leur activité pourraient également influencer la quantité d’ATP réellement disponible pour les neurones. D’après les résultats actuels, il n’est pas encore possible de déterminer laquelle de ces explications est la bonne.

Le cerveau commencerait apparemment à se préparer avant même le sommeil paradoxal

Le moment où ces observations ont été faites est particulièrement intéressant d’un point de vue chronobiologique. L’augmentation du volume sanguin a commencé environ 50 secondes avant le passage au sommeil paradoxal. Cela suggère que ces changements ne surviennent pas uniquement en réaction à l’état de sommeil paradoxal qui a déjà commencé.

Au contraire, le cerveau pourrait se préparer activement à un changement d’état imminent. La transition entre les phases de sommeil ne serait donc pas seulement la conséquence d’une activité neuronale modifiée, mais éventuellement un processus coordonné au cours duquel l’approvisionnement énergétique du cerveau s’adapte également de manière proactive.

Cela concorde avec un principe fondamental de l’horloge biologique : les organismes ne réagissent pas exclusivement à des changements qui se sont déjà produits. De nombreux processus physiologiques sont coordonnés dans le temps et peuvent se préparer à un état imminent.

Pourquoi ces résultats sont-ils intéressants pour la recherche sur le sommeil ?

Le sommeil est bien plus qu’une simple période de repos. Au cours de la nuit, différents états s’alternent, chacun présentant des schémas caractéristiques d’activité neuronale, de métabolisme et de circulation sanguine. Le sommeil paradoxal occupe une place particulière parmi ceux-ci. Bien que les muscles soient en grande partie au repos, le cerveau présente des schémas d’activité complexes. Ces nouvelles observations ajoutent une nouvelle dimension à ce tableau : le métabolisme énergétique du cerveau évolue également lors de la transition vers cette phase de sommeil. Il apparaît clairement qu’un « apport énergétique accru » ne signifie pas automatiquement que les neurones individuels disposent de plus d’ATP. L’apport, le métabolisme et la consommation énergétique réelle peuvent ne pas être synchronisés. Ce sont précisément ces différences qui pourraient nous aider à mieux comprendre comment le cerveau maintient ses fonctions dans des conditions changeantes.

Ces résultats proviennent d’expériences menées sur des souris. Ils montrent donc dans un premier temps comment les processus métaboliques et circulatoires examinés dans le cerveau de la souris évoluent au cours des différents états de sommeil. Il reste à déterminer si les processus observés se déroulent de la même manière chez l’être humain. De plus, les mesures ne permettent pas de déterminer immédiatement quel rôle spécifique joue la baisse observée de l’ATP dans le rêve ou le traitement de la mémoire. On ignore également si ces changements sont identiques dans différentes conditions de sommeil, à différents âges ou dans d’autres états physiologiques.

D’autres études pourraient donc permettre de clarifier comment les différents types de cellules coopèrent entre eux pendant le sommeil paradoxal et comment fonctionne la coordination temporelle entre l’activité neuronale, le débit sanguin et le métabolisme. Cette étude apporte ainsi une nouvelle preuve que le cerveau régule son équilibre énergétique de manière extrêmement dynamique pendant le sommeil. En particulier, le passage au sommeil paradoxal semble s’accompagner d’une modification préparatoire du flux sanguin, suivie d’une réorganisation du métabolisme.

Ce paradoxe apparent — davantage de signes d’apport énergétique tout en présentant simultanément moins d’ATP dans les cellules nerveuses — pourrait indiquer que le cerveau, pendant le sommeil paradoxal, s’appuie particulièrement sur une répartition flexible de ses ressources. Cela explique également clairement pourquoi le sommeil n’est en aucun cas une pause passive pour le fonctionnement cérébral. Pendant que nous dormons, le cerveau modifie son état de fonctionnement, réorganise son activité et ajuste son approvisionnement énergétique. Le sommeil paradoxal illustre de manière particulièrement impressionnante à quel point cette régulation nocturne est en réalité complexe.