Presque tout le monde connaît ce sentiment. Après une nuit de mauvais sommeil, il devient plus difficile de rester concentré. Les pensées dérivent, les temps de réaction ralentissent et la clarté mentale s’estompe lorsque l’attention est le plus nécessaire.
De nouvelles recherches du MIT mettent en lumière ce qui se passe à l’intérieur du cerveau pendant ces brefs écarts de concentration. L’étude montre que lorsque l’attention échoue momentanément, le liquide céphalo-rachidien (LCR) sort du cerveau, un processus qui se produit normalement pendant le sommeil et aide à éliminer les déchets qui s’accumulent tout au long de la journée. Cette activité de nettoyage est considérée comme importante pour maintenir le cerveau en bonne santé et fonctionner correctement.
Lorsqu’une personne manque de sommeil, le corps semble essayer de rattraper le repos perdu en déclenchant des rafales de mouvements fluides pendant l’éveil. Cette compensation présente cependant un inconvénient majeur : une attention fortement réduite.
“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, publiée dans Neurosciences naturelles. Zinong Yang, associé 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 toujours pas vraiment pourquoi il joue un rôle si crucial. Ce qui est clair, c’est que le sommeil est nécessaire pour rester alerte et que perdre le sommeil nuit de manière fiable à l’attention et à d’autres capacités mentales.
Une fonction importante du sommeil implique le liquide céphalo-rachidien, qui entoure et amortit le cerveau. Pendant le sommeil, le LCR aide à éliminer les déchets qui s’accumulent pendant les heures d’éveil. Dans une étude de 2019, Lewis et ses collègues ont découvert que ce fluide se déplace selon un rythme rythmé pendant le sommeil, étroitement lié aux changements dans l’activité des ondes cérébrales.
Cette découverte antérieure 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 les tests à deux reprises, une fois après une nuit de privation de sommeil en laboratoire et une fois après avoir été bien reposés.
Le lendemain matin, les participants ont accompli une tâche standard utilisée pour évaluer les effets de la perte de sommeil, tandis que les chercheurs suivaient un large éventail de signaux cérébraux et corporels.
Mesurer l’attention et le flux de liquide cérébral
Au cours de l’expérience, chaque participant portait un bonnet d’électroencéphalogramme (EEG) pour surveiller l’activité cérébrale tout en étant allongé à l’intérieur d’un scanner d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). L’équipe a utilisé une version spécialisée de l’IRMf capable de suivre à la fois les niveaux d’oxygène dans le sang et le mouvement du LCR entrant et sortant 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 à l’intérieur du scanner, un visuel et un auditif. Dans la tâche visuelle, ils observaient une croix fixe sur un écran qui se transformait parfois en carré. Il leur était demandé d’appuyer sur un bouton chaque fois que le changement se produisait. Dans la tâche auditive, le signal visuel a été remplacé par un son.
Comme prévu, les participants privés de sommeil ont obtenu des résultats nettement moins bons que lorsqu’ils étaient bien reposés. Leurs réactions étaient plus lentes et, dans certains cas, ils ne remarquaient pas complètement le signal.
Lorsque ces brefs déficits d’attention se produisaient, les chercheurs observaient plusieurs changements physiologiques se produisant en même temps. Plus particulièrement, le LCR s’est déplacé vers l’extérieur du cerveau pendant cette période, puis est revenu une fois l’attention revenue.
“Les résultats suggèrent qu’au moment où l’attention échoue, ce fluide est en fait expulsé du cerveau vers l’extérieur. Et lorsque l’attention récupère, elle est ramenée vers l’intérieur”, explique 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 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 système cérébral et corporel travaillant ensemble
L’étude a également révélé que les pertes d’attention sont liées à des changements au-delà du cerveau lui-même. Pendant ces moments, la respiration et le rythme cardiaque ralentissaient et les pupilles devenaient plus petites. La constriction de la pupille a commencé environ 12 secondes avant que le LCR ne quitte le cerveau et s’est inversée après le retour de l’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.
Ces résultats suggèrent qu’un système de contrôle unique peut coordonner à la fois l’attention et les fonctions corporelles de base telles que le débit de fluide, la fréquence cardiaque et la vigilance.
“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 aussi des processus physiologiques fondamentaux vraiment fondamentaux comme la dynamique des fluides du cerveau, le flux sanguin à l’échelle du cerveau et la constriction des vaisseaux sanguins”, explique Lewis.
Bien que les chercheurs n’aient pas identifié le circuit spécifique impliqué, ils désignent le système noradrénergique comme un candidat sérieux. Ce système, qui utilise le neurotransmetteur noradrénaline pour réguler la cognition et les fonctions corporelles, est connu pour fluctuer pendant le sommeil normal.
La recherche a été soutenue 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 dans le cerveau vieillissant.
