Comment le cerveau passe de la vie éveillée au sommeil (et inversement)

Les neuroscientifiques qui étudient la frontière entre le sommeil et la conscience découvrent de nombreux types d’états liminaires, qui aident à expliquer les troubles du sommeil qui peuvent survenir lorsque les transitions du sommeil se déroulent mal.

oreiller est froid contre ta joue. Le bruit de ton voisin du dessus craque au plafond. Tu fermes les yeux ; ombres et lumière dansent dans ton champ de vision. Un chat renifle un morceau de fromage. Des points tombent dans un lac. Tout cela semble normal et agréable, même si tu n'as pas de chat et que tu es loin d'un lac.

Vous avez entamé votre voyage vers le sommeil, cet état mystérieux dont vous et la plupart des animaux avez besoin, sous une forme ou une autre, pour survivre . Le sommeil régénère le cerveau et le corps de manières que nous ne comprenons pas entièrement : il répare les tissus , élimine les toxines et consolide les souvenirs . Mais comme toute personne ayant souffert d'insomnie peut en témoigner, entrer dans cet état n'est pas simple, ni physiologiquement ni psychologiquement.

Pour s’endormir, " il faut que tout change ", disait Adam Horowitz, chercheur associé en sciences du sommeil au Massachusetts Institute of Technology. Le flux sanguin vers le cerveau ralentit et la circulation du liquide céphalorachidien s'accélère. Les neurones libèrent des neurotransmetteurs qui modifient la chimie du cerveau, et ils commencent à se comporter différemment, s'activant plus en synchronisation les uns avec les autres. Les images mentales flottent et les pensées se déforment.

" Notre cerveau peut très rapidement nous faire passer de la conscience de notre environnement à l'inconscience, voire à l'expérience de choses qui n'existent pas ", a déclaré Laura Lewis, chercheur sur le sommeil au MIT. " Cela soulève des questions fascinantes sur notre expérience humaine. "

La manière dont le cerveau parvient à passer d'un état à l'autre de manière sûre et efficace demeure encore largement mystérieuse. Mais des études ciblant les transitions vers et hors du sommeil commencent à démêler les fondements neurobiologiques de ces états intermédiaires, apportant des connaissances qui pourraient expliquer comment des troubles du sommeil, comme l'insomnie ou la paralysie du sommeil, peuvent survenir lorsque les choses tournent mal.

Le sommeil a traditionnellement été considéré comme un phénomène de tout ou rien, a expliqué Lewis. On est soit éveillé, soit endormi. Mais les nouvelles découvertes montrent qu'il s'agit " bien plus d'un spectre que d'une catégorie ".

Surfer sur la vague cérébrale

Dans les années 1930, Alfred Lee Loomis, magnat millionnaire de Wall Street, avocat et scientifique amateur, aimait scanner le cerveau de ses invités pendant leur sieste dans sa demeure du nord de l'État de New York. Il fut le pionnier de l'utilisation d'un appareil appelé électroencéphalographe pour étudier le sommeil. Chaque dormeur portait un bonnet muni d'électrodes, permettant de mesurer son activité cérébrale de manière non invasive. L'appareil utilisait un stylo pour tracer physiquement des ondes avec des pics et des creux sur un papier défilant à une vitesse d'un centimètre par seconde afin de créer un électroencéphalogramme (EEG).

(Image, tableau comparé des divers états du sommeil)

Les ondes représentaient l'activité globale des neurones. Lorsque nous nous endormons, les neurones commencent à se synchroniser, c'est-à-dire qu'ils s'activent et s'éteignent simultanément. (Personne ne sait exactement pourquoi cela se produit.) Pendant le sommeil, cette synchronie s'amplifie, produisant des ondes cérébrales de fréquence plus basse et d'amplitude plus élevée. Au cours d'une nuit de sommeil, les ondes s'accélèrent et ralentissent de manière cyclique, toute la nuit, chaque nuit. Loomis a classé les différents types d'ondes cérébrales en ce que l'on appelle désormais les états de sommeil et a créé une nomenclature pour décrire les phases d'inconscience.

L'électroencéphalographie a stimulé la recherche sur le sommeil. La mesure des ondes enregistrées par un EEG est devenue un moyen courant pour les neuroscientifiques de déduire l'état cérébral ou l'état de sommeil d'une personne sans intervention chirurgicale invasive. Elle est devenue la méthode de référence pour comprendre l'activité des neurones pendant le sommeil et les expériences subjectives, comme les rêves, qu'ils créent à mesure que nous évoluons dans différentes formes de conscience du sommeil.

Au début des années 1950, le physiologiste Nathanial Kleitman de l'Université de Chicago et son étudiant Eugene Aserinsky ont décrit pour la première fois le stade du sommeil, caractérisé par des mouvements oculaires rapides, ou sommeil paradoxal (REM), un cycle que le cerveau répète plusieurs fois au cours de la nuit et durant lequel nous avons tendance à rêver. En sommeil paradoxal, les ondes cérébrales sont plus rapides que pendant le sommeil lent et ressemblent davantage à celles produites à l'état d'éveil. Quelques années plus tard, Kleitman et le chercheur sur le sommeil William Dement, également à l'Université de Chicago, ont élaboré un schéma amélioré des stades du sommeil : quatre stades de sommeil lent, basés sur les travaux originaux de Loomis, et un stade paradoxal. Une version modifiée (combinant les deux derniers stades non paradoxaux en un seul) est toujours utilisée aujourd'hui.

Cependant, en créant des frontières nettes, le schéma obscurcissait les subtilités de ce qui se passait entre eux. Il est devenu courant dans ce domaine que " trois options s'offrent à vous : être éveillé, en sommeil non paradoxal ou en sommeil paradoxal ", a déclaré Thomas Andrillon, neuroscientifique cognitif à l'Institut du Cerveau de Paris.

Bien qu'il existe des preuves que le cerveau puisse exister dans un état combinant sommeil et éveil, ce phénomène a été largement ignoré. Il était considéré comme trop complexe et variable, contrairement à la vision très précise du sommeil de la plupart des chercheurs.

Mais petit à petit, une nouvelle vague de neuroscientifiques a commencé à remettre en question ce statu quo, a expliqué Andrillon. Et ils ont réalisé : " C'est peut-être là que les choses deviennent intéressantes, en fait. "

Salvador Dalí pourrait être d’accord.

À l'époque où Loomis menait des expériences EEG dans sa demeure, l'artiste surréaliste expérimentait ses propres transitions vers le sommeil. Comme il le décrit dans son livre de 1948, 50 Secrets de l'Artisanat Magique , il s'asseyait dans un " fauteuil osseux, de préférence de style espagnol ", tenant sans forcer une lourde clé dans une paume au-dessus d'une assiette renversée posée au sol. En s'endormant, ses mains se relâchaient, et la clé finissait par lui échapper des doigts. Le claquement soudain de la clé heurtant l'assiette le réveillait.

Convaincu que l'excitation ressentie durant cette période ravivait son être psychique et stimulait sa créativité, Dalí s'asseyait alors et commençait à peindre. D'autres grands esprits, dont Thomas Edison et Edgar Allan Poe, ont partagé leur intérêt et leurs expérimentations sur ce que l'on appelle l'état hypnagogique — la fenêtre de sommeil précoce où nous commençons à ressentir des images mentales alors que nous sommes encore éveillés.

(Image : L'artiste Salvador Dalí (à droite), connu pour ses peintures surréalistes telles que sa Galatée des Sphères de 1952, a expérimenté le fait de se réveiller pendant l'hypnagogie (la transition vers le sommeil) pour stimuler sa créativité.

En 2021, un groupe de chercheurs de l'Institut du Cerveau de Paris, dont Andrillon, a découvert ceci. Ces auto-expérimentateurs avaient vu juste. Se réveiller de ce stade de sommeil précoce, appelé N1, semblait placer les personnes dans une " zone idéale pour la créativité ". Les personnes qui se réveillaient après avoir passé environ 15 secondes dans cet état hypnagogique avaient près de trois fois plus de chances de découvrir une règle cachée dans un problème mathématique. Deux ans plus tard, une autre étude menée par Horowitz au MIT a révélé qu'il est possible de stimuler davantage la créativité des personnes sortant de cet état en guidant ce dont elles rêvent.

On ne sait pas exactement pourquoi l'hypnagogie semble stimuler la créativité. Une possibilité est que le processus d'endormissement " exige que nous relâchions le contrôle de nos pensées ", a déclaré Karen Konkoly, qui a étudié le rêve lucide en tant que chercheur postdoctoral à l'Université Northwestern et est aujourd'hui consultant pour la start-up spécialisée dans le sommeil Dust Systems (cofondée par Horowitz). " À mesure que notre contrôle exécutif sur notre esprit se relâche, nous pouvons peut-être accéder à un réseau sémantique d'informations plus large, ce qui pourrait favoriser la créativité. " Andrillon convient que la transition vers le sommeil produit un état de " conscience libre " qui libère le cerveau de ses modes de pensée habituels.

Comme les maisons s'éteignent lentement tandis qu'une ville s'endort, le cerveau passe progressivement en mode nuit. Le sommeil commence au cœur de la ville : les neurones situés en profondeur, comme ceux de l'hypothalamus, centre de contrôle ancestral, envoient des signaux pour supprimer les circuits d'éveil. Les régions cérébrales voisines, comme le thalamus, qui transmet les informations sensorielles au reste du cerveau, s'éteignent en premier. Quelques minutes plus tard, le cortex, impliqué dans la pensée plus consciente et de haut niveau, suit le mouvement. Il s'arrête de l'avant du cerveau, où la planification et la prise de décision ont lieu, vers l'arrière, où les sens comme la vision sont analysés.

Durant cette transition, alors que certaines parties du cerveau s'éteignent tandis que d'autres restent éveillées, nous pouvons parfois avoir des pensées oniriques. Dans cet état hypnagogique, beaucoup de gens ont " un pied dans les rêves et un pied dans le monde ", a déclaré Horowitz. Certains entendent des choses ; d'autres ont des visions. Celles-ci ressemblent à des rêves, mais en plus léger : des projections sur l'échafaudage du monde réel, toujours à notre portée.

" Nous pourrions penser qu’il y a une fonction " à ces expériences mentales, a déclaré Sidarta Ribeiro, neuroscientifique à l'Université fédérale de Rio Grande do Norte, au Brésil. " Mais peut-être que non. Peut-être est-ce une conséquence de ce qui se passe dans le cerveau. "

(image : Sidarta Ribeiro et son équipe ont montré comment les expériences diurnes peuvent apparaître dans l’imagerie hypnagogique au début du processus d’endormissement. )

Les yeux fermés et les sens en panne, vous ne recevez plus beaucoup d'informations du monde extérieur. Mais vous recevez toujours des signaux provenant de votre cerveau, peut-être des vestiges des expériences de la journée. Ribeiro et son équipe ont récemment rapporté que l'expérience diurne d'une personne peut apparaître dans l'imagerie hypnagogique au début du processus d'endormissement, s'ajoutant à d'autres études qui ont abouti à des conclusions similaires.

Certains chercheurs utilisent cet état entre le sommeil et l'éveil pour étudier la nature même de la conscience. " Si l'on pouvait suivre ce qui se passe dans le cerveau lorsque l'on passe de ces deux mondes opposés, cela nous donnerait de nombreuses indications sur les fluctuations de la conscience ", a déclaré Nicolas Decat, étudiant en master et doctorat en sommeil et conscience à l'Institut du Cerveau de Paris. Dans une étude préliminaire, non encore évaluée par les pairs, Decat a utilisé un EEG pour enregistrer les ondes cérébrales de plus de 100 personnes au moment de leur endormissement. Suivant les techniques de Dalí et d'Edison, il a demandé aux participants de tenir des bouteilles de sorte qu'en s'endormant, elles tombent et produisent un bruit pour les réveiller.

En comparant les ondes cérébrales des participants avec leurs auto-évaluations de ce qui leur traversait l'esprit, Decat a constaté que des images oniriques étaient apparues alors qu'ils étaient théoriquement éveillés, et que des pensées volontaires avaient eu lieu alors qu'ils dormaient théoriquement. Par exemple, une participante a signalé des fourmis rampant sur son dos, alors même que l'EEG enregistrait les ondes cérébrales rapides et fréquentes de l'éveil. Une autre a déclaré avoir eu des pensées conscientes sur la façon dont elle s'endormait alors qu'elle était théoriquement endormie, en se basant sur des ondes cérébrales lentes et peu fréquentes.

Les données inédites suggèrent que les états de sommeil ne constituent peut-être pas la meilleure façon de catégoriser la conscience du sommeil. " Être éveillé ou endormi ne détermine pas entièrement ce qui vous traverse l'esprit ", a déclaré Decat. Ces données " remettent en question l'idée répandue selon laquelle, éveillé, on a certaines pensées. Dormi, on a des images oniriques. Ce n'est pas forcément le cas. "

La transition vers le sommeil peut durer quelques dizaines de minutes. Elle est donc relativement facile à étudier pour les chercheurs, bien plus que le processus de réveil, qui se produit beaucoup plus rapidement et de manière moins contrôlée. Il est bien plus difficile de prédire quand une personne va se réveiller.

Bonjour, soleil

Aurélie Stephan, chercheuse postdoctorale à l'Université de Lausanne, en Suisse, s'est intéressée au processus de réveil en étudiant un phénomène appelé insomnie paradoxale. Contrairement aux personnes insomniaques, qui passent la nuit sans dormir, les personnes atteintes d'insomnie paradoxale croient qu'elles passent la nuit sans dormir, même si leurs ondes cérébrales indiquent qu'elles dorment. " Elles dorment autant que les bons dormeurs… c'est donc un mystère ", a déclaré Stephan.

Pour comprendre ce problème, elle a d'abord dû étudier un processus de réveil plus classique. Lorsqu'une personne qui dort bien se réveille, que fait son cerveau ?

Dans une étude récente elle a examiné plus de 1 000 éveils différents (transitions de l'endormissement à l'éveil) sur une échelle de temps de quelques secondes. Elle a observé une curieuse onde cérébrale lente dans les données de bons dormeurs à leur réveil du sommeil non paradoxal. S'appuyant sur des études antérieures sur des animaux, Stephan et son équipe ont émis l'hypothèse que cette onde lente provenait d'un point profond du cerveau.

Après ce signal, elle a observé le cortex se réveiller (les ondes cérébrales s'accélérant) de l'avant, responsable des fonctions exécutives, vers l'arrière, où sont traités la vision et les autres sens. Au réveil du sommeil paradoxal, le cortex se réveillait de la même manière, mais sans l'onde lente qui le précédait.

La présence de cette onde lente unique était corrélée à la façon dont les personnes se sentaient au réveil, a constaté Stephan. Les participants qui présentaient ce signal se réveillaient moins somnolents que ceux qui n'en présentaient pas. Cela suggère, sans toutefois le prouver, qu'il pourrait s'agir d'un signal d'éveil favorisant le réveil, a ajouté Stephan.

" Ils ont fait un très bon travail en trouvant cette signature des transitions sommeil-éveil ", a déclaré Luis de Lecea, biologiste moléculaire qui étudie les transitions du sommeil chez les animaux à l'Université de Stanford et qui n'a pas participé à l'étude. Ils ont dressé un " portrait détaillé ", a expliqué Lewis, et ont montré pourquoi " nous ne nous réveillons pas toujours de la même manière ".

Cependant, les relevés EEG sont approximatifs et ne permettent pas de sonder le cerveau profond ni d'obtenir des détails précis. Cependant, des études antérieures utilisant l'IRMf et électrodes ont mis au jour certains des mécanismes profonds à l'origine de ces signaux d'éveil. Ils ont découvert que les signaux neuronaux d'éveil naissent dans des régions profondes et internes du cerveau, comme l'hypothalamus et le tronc cérébral. Ces zones réveillent le thalamus, qui transmet les instructions au cortex.

Bien que généralement plus rapide que l'endormissement, le réveil peut aussi prendre un certain temps. La signature du sommeil de Stephan mettait quelques secondes à se propager de l'avant vers l'arrière du cortex. Mais la reprise de conscience et des capacités cognitives, ainsi que la disparition de toute inertie du sommeil, peuvent prendre de quelques minutes à une heure, a-t-elle expliqué. Cette étude, comme d'autres, a également montré que les ondes lentes, généralement associées au sommeil, peuvent parfois indiquer un état d'éveil. Les lignes sont floues.

Même lorsque nous pensons être pleinement éveillés et vagabonder, certaines parties de notre cerveau pourraient être endormies. Ce phénomène, appelé sommeil local, se produirait pour permettre aux neurones surmenés du cerveau de se reposer et de se ressourcer. C'est un peu comme les dauphins qui dorment avec un seul hémisphère cérébral à la fois ou comme certains oiseaux qui dorment en vol. Parfois, lorsque nous sommes très fatigués, certains neurones ont besoin de se ressourcer, même si nous sommes encore éveillés et occupés.

" Ces personnes sont éveillées. Elles ont les yeux ouverts. Elles peuvent même être occupées ", explique Andrillon. Pourtant, certaines parties de leur cerveau subissent les classiques vagues de sommeil lent. De ce fait, le sommeil local remet en question la notion même de " sommeil ".

Transitions difficiles

Lors du réveil et de l'endormissement, ou même lors des transitions entre les états de sommeil, différents types d'ondes se produisent simultanément, les neurones se synchronisant et se désynchronisant dans différentes régions, dans une cacophonie de rythmes. Cette mosaïque peut engendrer des expériences telles que l'hypnagogie, le rêve lucide et les troubles du sommeil.

" Les troubles du sommeil sont extrêmement fréquents ", a déclaré Lewis. " Ils se caractérisent souvent par des problèmes de changement d'état. "

Ces troubles peuvent se manifester par de l'insomnie (difficulté à s'endormir), des terreurs nocturnes, une paralysie du sommeil ou du somnambulisme (éveils inattendus). Dans de nombreux cas, certaines parties du cerveau sont éveillées alors qu'elles devraient dormir, ou inversement.

L'insomnie est fondamentalement une difficulté à amorcer ou à maintenir la transition vers le sommeil. En cas de paralysie du sommeil, le cortex se réveille avant les régions cérébrales plus profondes qui contrôlent le corps, ce qui entraîne une pleine conscience sans capacité de mouvement. Dans l'insomnie paradoxale, le signal d'éveil potentiel observé par Stephan dans sa nouvelle étude est faible ; " au lieu de réveiller complètement, il donne l'impression d'être éveillé ", explique-t-elle. Son équipe a constaté le même signal chez les somnambules, mais dans ces cas, il se produisait " dans une fenêtre temporelle inappropriée " pendant le sommeil profond, précise-t-elle. Ils ont également constaté une activité cérébrale des somnambules est similaire à celui observé pendant le rêve, ce qui suggère que les deux états résultent de mécanismes similaires de conscience du sommeil.

Decat continue d'explorer la forme de cette conscience du sommeil. Il mène une enquête. Pour en savoir plus sur les expériences mentales vécues pendant l'endormissement, il est parfois difficile de se souvenir de ces pensées et images mentales, car pour cela, il faut se réveiller.

Parfois, nous nous réveillons juste au moment où nous nous endormons ou au plus profond de notre cycle de sommeil, à des moments inattendus. Peut-être est-ce un compagnon de lit qui se retourne dans son sommeil qui nous perturbe. Peut-être est-ce le cliquetis des clés sur le sol dur. Peut-être est-ce le cerveau lui-même qui se trompe de calcul quant au moment où il est censé éveiller certaines zones.

Votre conscience du sommeil est perturbée. Vous vous éloignez du sommeil et vos yeux s'ouvrent en clignant.