La science du sommeil : ce que fait votre cerveau toute la nuit

La plupart des gens passent environ un tiers de leur vie à dormir. Longtemps, on y a vu du temps perdu, une sorte de mise hors tension. Les scientifiques savent aujourd'hui que le sommeil est l'une des activités les plus intenses et les mieux organisées du corps. C'est un état d'activité mentale et physique réduite dans lequel la conscience est modifiée et certains sens sont en partie mis en veille. Les muscles se relâchent, nous cessons d'interagir avec ce qui nous entoure, et pourtant le cerveau continue de fonctionner selon des schémas complexes et rythmés.

Qu'est-ce que le sommeil, exactement ?

Dormir n'est pas la même chose qu'être inconscient. Une personne endormie peut encore être réveillée par un bruit fort, une lumière vive ou quelqu'un qui l'appelle par son prénom, et le cerveau vérifie discrètement les sons qui lui parviennent au cas où quelque chose d'important surviendrait. Une mère peut dormir malgré le bruit de la circulation, mais se réveiller aussitôt quand son bébé pleure. Cette capacité à retrouver rapidement une pleine conscience distingue le sommeil du coma ou de l'anesthésie générale, où le cerveau ne réagit pas normalement au monde extérieur.

Les scientifiques décrivent généralement le sommeil à travers quelques caractéristiques essentielles :

• Moins de mouvements : le corps s'immobilise et les muscles se relâchent.
• Une posture et un lieu typiques : les humains s'allongent, les oiseaux peuvent se percher, les chauves-souris se suspendent la tête en bas.
• Une réaction plus faible aux stimulations : il faut un signal plus fort pour attirer notre attention.
• Une réversibilité facile : contrairement au coma, le sommeil prend fin rapidement quand on nous réveille.
• Une régulation : si nous manquons de sommeil, le corps essaie de le rattraper plus tard.

Comment on a découvert les stades du sommeil

Pendant la plus grande partie de l'histoire, le sommeil est resté un mystère, car personne ne pouvait voir ce qui se passait dans une tête endormie. Tout a changé avec l'électroencéphalogramme, ou EEG, un appareil qui enregistre l'activité électrique du cerveau grâce à de petits capteurs posés sur le cuir chevelu. Le psychiatre allemand Hans Berger a enregistré le premier EEG humain dans les années 1920, et les chercheurs ont vite remarqué que les ondes cérébrales sont très différentes pendant le sommeil et pendant l'éveil.

La plus grande avancée a eu lieu en 1953 à l'université de Chicago. Eugene Aserinsky, un doctorant, et son directeur de recherche Nathaniel Kleitman ont remarqué qu'à certains moments de la nuit, les yeux des dormeurs bougeaient rapidement d'un côté à l'autre sous leurs paupières closes. Quand on réveillait les personnes pendant ces périodes, elles racontaient le plus souvent des rêves très vivants. Ce stade a été baptisé sommeil REM, de l'anglais rapid eye movement, « mouvements oculaires rapides ». Tout le reste est devenu le sommeil non REM.

Aujourd'hui, le sommeil est étudié en laboratoire grâce à un examen appelé polysomnographie. Il enregistre en même temps les ondes cérébrales, les mouvements des yeux, l'activité musculaire, le rythme cardiaque et la respiration, et fournit ainsi une carte détaillée d'une nuit entière.

Le cycle du sommeil : une nuit par étapes

Le sommeil n'est pas un état uniforme. Au cours de la nuit, le cerveau parcourt un cycle de stades qui dure environ 90 minutes et se répète quatre à six fois.

Stade 1 du sommeil non REM (N1)

C'est le stade léger de l'endormissement, au seuil du sommeil, qui ne dure que quelques minutes. La respiration ralentit, les muscles commencent à se relâcher et l'on se réveille facilement. Beaucoup de gens ressentent alors une secousse soudaine, appelée secousse hypnique, parfois accompagnée d'une impression de chute.

Stade 2 du sommeil non REM (N2)

Le rythme cardiaque ralentit et la température du corps baisse légèrement. L'EEG montre de brèves salves d'activité rapide appelées fuseaux du sommeil et de grandes ondes isolées appelées complexes K. Les scientifiques pensent que les fuseaux aident à protéger le sommeil du bruit et jouent un rôle dans l'apprentissage. Les adultes passent environ la moitié de la nuit dans ce stade.

Stade 3 du sommeil non REM (N3)

Appelé aussi sommeil profond ou sommeil lent profond, ce stade est dominé par de grandes ondes cérébrales lentes. C'est celui dont il est le plus difficile de sortir, et une personne réveillée à ce moment se sent souvent groggy et désorientée pendant un moment. L'essentiel du sommeil profond a lieu dans la première moitié de la nuit. Le somnambulisme et les terreurs nocturnes, plus fréquents chez les enfants, commencent généralement dans ce stade.

Le sommeil REM

Pendant le sommeil REM, le cerveau devient presque aussi actif qu'à l'éveil. Les yeux bougent vite, la respiration et le rythme cardiaque deviennent irréguliers, et c'est là que surviennent la plupart des rêves vivants, construits comme des histoires. Dans le même temps, presque tous les muscles du corps sont temporairement paralysés, sauf ceux qui commandent les yeux et la respiration. On pense que cette paralysie nous empêche de mimer nos rêves. Les périodes de sommeil REM s'allongent au fil de la nuit, c'est pourquoi on se réveille souvent au milieu d'un rêve au petit matin.

Les deux forces qui contrôlent le sommeil

Pourquoi avons-nous sommeil le soir et nous réveillons-nous le matin ? Les chercheurs l'expliquent souvent par le modèle à deux processus, proposé par le scientifique suisse Alexander Borbély au début des années 1980. Il décrit deux systèmes qui agissent ensemble.

La pression de sommeil

Plus nous restons éveillés longtemps, plus le besoin de dormir se fait pressant. L'une des substances liées à cette pression est l'adénosine, qui s'accumule dans le cerveau pendant l'éveil et est éliminée pendant le sommeil. La caféine, présente dans le café, le thé et de nombreux sodas, nous rend plus alertes surtout parce qu'elle bloque les récepteurs de l'adénosine dans le cerveau. Elle masque la fatigue un certain temps, mais ne supprime pas le besoin de dormir.

L'horloge biologique

Le second système est le rythme circadien, une horloge interne qui fonctionne selon un cycle d'environ 24 heures. Le mot vient du latin circa diem, « environ un jour ». L'horloge principale est un minuscule groupe de neurones de l'hypothalamus appelé noyau suprachiasmatique, qui reçoit directement des yeux les signaux lumineux. Quand la nuit tombe, la glande pinéale libère une hormone, la mélatonine, qui signale au corps que la nuit est arrivée. La lumière du matin freine la mélatonine et aide à remettre l'horloge à l'heure chaque jour.

L'importance de cette horloge a été saluée par le prix Nobel de physiologie ou médecine 2017, décerné à Jeffrey Hall, Michael Rosbash et Michael Young. En travaillant sur des mouches du vinaigre, ils ont mis au jour les gènes et les protéines qui permettent aux cellules de mesurer le temps. Presque chaque cellule du corps humain possède sa propre petite horloge, toutes coordonnées par l'horloge principale du cerveau.

Le décalage horaire montre ce qui se passe quand les deux systèmes se désynchronisent. Après un long vol à travers plusieurs fuseaux horaires, l'horloge biologique suit encore l'ancien horaire : les voyageurs ont sommeil en plein midi et sont parfaitement éveillés la nuit, jusqu'à ce que l'horloge s'adapte peu à peu à la lumière du jour locale.

Pourquoi nous avons besoin de dormir

Les scientifiques étudient encore toutes les fonctions du sommeil, mais plusieurs d'entre elles sont bien établies par la recherche.

• Mémoire et apprentissage : pendant le sommeil, le cerveau rejoue et consolide ce qu'il a appris dans la journée. L'hippocampe, une région importante pour former de nouveaux souvenirs, semble transmettre les informations au cortex pour un stockage à long terme. Les élèves qui dorment après avoir étudié retiennent en général davantage que ceux qui veillent.
• Nettoyage du cerveau : une étude de 2013 menée sur des souris a montré que les espaces entre les cellules du cerveau s'élargissent pendant le sommeil, ce qui permet au liquide d'évacuer plus efficacement les déchets. Ce réseau de nettoyage s'appelle le système glymphatique.
• Croissance et réparation : une grande partie de l'hormone de croissance est libérée pendant le sommeil profond, ce qui compte particulièrement pour les enfants et les adolescents. Les tissus et les muscles se réparent aussi.
• Défense immunitaire : les personnes qui dorment trop peu attrapent généralement plus facilement des infections, et les vaccins peuvent être moins efficaces chez celles qui manquent de sommeil.
• Équilibre émotionnel : le sommeil REM semble aider le cerveau à traiter les expériences émotionnelles. Après une mauvaise nuit, on est généralement plus irritable et moins capable de faire face au stress.

De combien de sommeil avons-nous besoin ?

La quantité de sommeil nécessaire varie beaucoup avec l'âge. Les organisations de médecine du sommeil donnent des repères généraux comme ceux-ci :

• Les nouveau-nés dorment la majeure partie de la journée, environ 14 à 17 heures, en de nombreuses courtes périodes.
• Les enfants de 6 à 12 ans ont besoin d'environ 9 à 12 heures par nuit.
• Les adolescents de 13 à 18 ans ont besoin d'environ 8 à 10 heures.
• Les adultes ont besoin d'au moins 7 heures par nuit.

Les adolescents font face à une difficulté particulière. À la puberté, l'horloge biologique se décale vers plus tard, si bien que la mélatonine est libérée plus tard le soir. Beaucoup d'adolescents sont réellement incapables de s'endormir tôt, alors que les cours commencent souvent tôt le matin. C'est pourquoi de nombreux spécialistes du sommeil sont favorables à des horaires de début des cours plus tardifs pour les élèves plus âgés.

Les bébés passent aussi une part bien plus grande de leur sommeil en sommeil REM que les adultes : environ la moitié du sommeil d'un nouveau-né, contre à peu près un cinquième à un quart chez l'adulte. Les chercheurs pensent que cela pourrait soutenir le développement rapide du jeune cerveau.

Ce qui arrive quand on manque de sommeil

Même une seule nuit trop courte a des effets. L'attention, le temps de réaction et le jugement se dégradent, et des microsommeils peuvent survenir : de brèves absences de quelques secondes pendant lesquelles le cerveau s'endort sans que la personne s'en rende compte. Les microsommeils sont particulièrement dangereux au volant. Certaines recherches ont montré que conduire après une longue période sans dormir peut altérer les performances à peu près autant que conduire après avoir bu de l'alcool.

À long terme, le manque de sommeil régulier est associé à un risque plus élevé d'obésité, de diabète de type 2, de maladies cardiaques et de dépression. Il perturbe aussi les hormones de l'appétit, ce qui explique en partie pourquoi les personnes fatiguées ont souvent envie d'aliments sucrés ou gras.

Un cas célèbre est celui de Randy Gardner, un lycéen de 17 ans de San Diego qui, entre fin 1963 et début 1964, est resté éveillé environ 11 jours pour un projet de concours scientifique. Au fil des jours, il avait de plus en plus de mal à se concentrer, à se souvenir et à parler clairement. Après son record, il a dormi environ 14 heures et s'est rétabli. Le Guinness World Records a ensuite cessé d'accepter les tentatives de rester éveillé, en raison des risques pour la santé.

Les troubles du sommeil les plus courants

La médecine du sommeil reconnaît des dizaines de troubles du sommeil. Parmi les plus connus :

• L'insomnie : difficulté à s'endormir ou à rester endormi, souvent liée au stress, aux soucis ou à des habitudes irrégulières.
• L'apnée obstructive du sommeil : les voies respiratoires se rétrécissent ou se ferment à plusieurs reprises pendant le sommeil, ce qui interrompt la respiration. Un ronflement bruyant et la fatigue dans la journée en sont des signes typiques.
• La narcolepsie : une maladie dans laquelle la personne s'endort brusquement pendant la journée. Elle est généralement due à la perte de neurones qui produisent une substance appelée orexine, ou hypocrétine, qui aide à rester éveillé.
• Le syndrome des jambes sans repos : un besoin désagréable de bouger les jambes, généralement plus fort le soir.
• Le somnambulisme et les terreurs nocturnes : des épisodes qui surviennent pendant le sommeil non REM profond. Ils sont fréquents dans l'enfance et disparaissent généralement avec l'âge.

Le sommeil dans le règne animal

Le sommeil, ou quelque chose qui lui ressemble beaucoup, a été observé chez les mammifères, les oiseaux, les reptiles, les poissons et même chez des insectes comme la mouche du vinaigre. En 2017, des chercheurs ont décrit un état proche du sommeil chez la méduse Cassiopea, qui vit la tête en bas et ne possède aucun cerveau. Cela laisse penser que le sommeil est extrêmement ancien à l'échelle de l'évolution.

Les animaux ont trouvé des façons étonnantes de dormir :

• Les dauphins et les autres cétacés mettent au repos une moitié du cerveau à la fois. C'est ce qu'on appelle le sommeil unihémisphérique : il leur permet de continuer à nager et de remonter à la surface pour respirer.
• Certains oiseaux, comme les canards, peuvent eux aussi dormir avec une moitié du cerveau en gardant un œil ouvert pour surveiller les prédateurs. Des frégates ont été enregistrées en train de dormir brièvement en plein vol.
• Les girafes et les éléphants ne dorment que quelques heures par jour à l'état sauvage.
• Les chauves-souris et les koalas comptent parmi les mammifères les plus dormeurs et passent la majeure partie de la journée à dormir ou à se reposer.

Le sommeil dans l'histoire et la culture

Les humains se sont toujours interrogés sur le sommeil. Dans la mythologie grecque, Hypnos était le dieu du sommeil et le frère jumeau de Thanatos, le dieu de la mort. On disait souvent que l'un des fils d'Hypnos était Morphée, qui façonnait les rêves, et l'analgésique appelé morphine doit son nom à ce dieu en raison de son effet endormant. Les Romains appelaient le dieu du sommeil Somnus, d'où viennent des mots comme insomnie.

Les habitudes de sommeil ont elles aussi changé avec le temps. L'historien Roger Ekirch a trouvé dans d'anciens écrits européens de nombreuses mentions d'un premier sommeil et d'un second sommeil, séparés par une période d'éveil au milieu de la nuit. Avant que l'éclairage artificiel se généralise, les gens se couchaient souvent peu après la tombée de la nuit et pouvaient se lever pendant une heure environ pour prier, lire, entretenir le feu ou discuter avant de se rendormir. L'éclairage électrique, puis les écrans, ont repoussé l'heure du coucher et fait du sommeil un bloc unique pour la plupart des gens.

Des habitudes simples pour mieux dormir

Les spécialistes du sommeil s'accordent sur plusieurs habitudes pratiques qui aident la plupart des gens à mieux dormir :

1. Garder des horaires réguliers : se coucher et se lever à des heures semblables chaque jour, week-end compris, maintient l'horloge biologique stable.
2. Prendre la lumière du jour le matin : une lumière vive en début de journée aide à régler le rythme circadien.
3. Limiter les écrans avant le coucher : les écrans lumineux peuvent retarder la libération de mélatonine, et les contenus excitants maintiennent l'esprit en alerte.
4. Surveiller la caféine : ses effets peuvent durer plusieurs heures, si bien qu'une boisson prise l'après-midi peut encore perturber le sommeil la nuit.
5. Garder la chambre sombre, calme et fraîche : une pièce un peu plus fraîche aide, car la température du corps baisse naturellement au moment de l'endormissement.
6. Être actif pendant la journée : une activité physique régulière aide à s'endormir plus vite et à dormir plus profondément.

Le sommeil n'est pas une pause dans la vie, mais une part essentielle de celle-ci. Chaque nuit, pendant que nous restons immobiles, le cerveau trie les souvenirs, le corps se répare et l'horloge interne nous prépare à une nouvelle journée.