Des scientifiques simulent le sommeil unihémisphérique chez l’homme

Certains animaux, comme les oiseaux, les dauphins et les baleines, peuvent avoir un sommeil unihémisphérique, c’est-à-dire qu’un hémisphère du cerveau dort tandis que l’autre reste éveillé. Mais mais quand est il concernant le sommeil unihémisphérique humain ?

Le fait de rester à moitié éveillé permet aux animaux de littéralement « garder un œil ouvert » pour les prédateurs et, pour les oiseaux migrateurs, de voler sans interruption pendant des jours, voire des semaines, d’affilée.

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Le sommeil unihémisphérique humain

Bien que le sommeil unilatéral ne semble pas être connu chez les humains, des études ont montré récemment que les humains manifestent une tendance de sommeil similaire lorsqu’ils connaissent un sommeil perturbé dans un nouvel endroit pour la première fois, appelé « effet premier nuit ».

Cet aspect entraîne une relation dynamique dissymétrique entre le cerveau et les deux hémisphères : l’hémisphère droit effectue un sommeil lent classique, l’hémisphère gauche connaît un sommeil moins profond, ce qui suggère qu’il peut rester partiellement alerte.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont approfondi les mécanismes sous-jacents de cette activité de sommeil afin de développer un modèle de sommeil unihémisphérique dans le cerveau humain. L’article de Lukas Ramlow et coll. est publié dans un numéro récent de la revue EPL.

« Nos recherches ont montré que la rupture dynamique spontanée de la symétrie des deux hémisphères du cerveau est également possible chez l’homme », a déclaré à Phys.org le coauteur Eckehard Schöll, professeur de physique théorique à la Technische Universität Berlin.

« Comme les différents stades de sommeil sont associés à différents degrés de synchronisation, je pense qu’une forme faible de sommeil unihémisphérique, c’est-à-dire une profondeur de sommeil différente des deux hémisphères, peut très bien se produire chez l’homme, et pas seulement chez les baleines, les dauphins, les phoques et les oiseaux migrateurs. »

Sommeil hémisphérique unilatéral et cerveau humain

Dans le cerveau humain, les états de veille et de sommeil peuvent être distingués par leurs différentes formes d’activité électrique. À l’état de veille, les neurones du cerveau se déclenchent de manière asynchrone et quelque peu chaotique, tandis que les neurones du cerveau endormi se déclenchent de manière plus synchronisée.

Des recherches antérieures ont suggéré que les deux hémisphères du cerveau peuvent être considérés comme deux populations d’oscillateurs couplés, car les deux hémisphères produisent un signal électromagnétique de façon synchronisée.

Dans cette perspective, le sommeil unihémisphérique se produit lorsque le cerveau occupe un état de deux domaines coexistants, composé d’un hémisphère synchronisé (dormant) et d’un hémisphère incohérent (éveillé). En physique, ce type d’état, qui se caractérise par la coexistence de l’ordre et du désordre, est appelé « état chimérique ».

Qu’est ce qui provoque le sommeil

À l’aide des données d’IRM de 20 humains sur 90 sites cérébraux différents, les chercheurs ont étudié comment le cerveau passe de l’incohérence (éveillé) à la synchronisation (endormi).

Comme ils l’expliquent, selon leurs explications, le raccordement à l’intérieur de chaque hémisphère (raccordement intrahémisphérique) est plus important que celui des autres hémisphères (raccordement interhémisphérique).

En diminuant la force du raccordement interhémisphérique tout en maintenant la force du couplage intrahémisphérique fixe dans leur modèle, les chercheurs ont observé qu’un hémisphère présentait une activité plus synchronisée que l’autre, ce qui ressemble au sommeil unihémisphérique et à l’état de chimère.

« Auparavant, on avait émis l’hypothèse que des “états chimériques” pouvaient se produire dans la nature sous la forme d’un sommeil unihémisphérique (existant chez certains animaux), mais rien n’avait été modélisé de manière réaliste », a déclaré M. Schöll.

« L’importance de notre travail est que nous avons montré pour la première fois, en modélisant la dynamique des deux hémisphères cérébraux à l’aide de connectivités empiriques du cerveau humain, qu’une synchronisation partielle similaire au sommeil unihémisphérique peut effectivement se produire. »

« De plus, nous avons identifié le mécanisme de ce phénomène qui repose sur différentes forces du raccordement intrahémisphérique (fort) et interhémisphérique (faible). »

Les conclusions confirment la thèse selon laquelle le sommeil unihémisphérique exige un degré de division entre les deux hémisphères. Les scientifiques ont constaté que cette division peut être due à une anomalie de fonctionnement du cerveau.

Il est bien connu, par exemple, que les deux hémisphères ont des régions cérébrales correspondantes de taille différente et des densités neuronales différentes dans ces régions.

Dormir uniquement avec une seule moitié du cerveau

Sur la base de leur modèle, les chercheurs ont constaté que même une légère asymétrie structurelle entraîne une asymétrie dynamique, dans laquelle un hémisphère présente des schémas de tir plus synchronisés que l’autre, comme dans un état chimérique.

Dans l’ensemble, l’asymétrie structurelle du cerveau pourrait donc expliquer les mécanismes sous-jacents du sommeil unihémisphérique et de l’effet de première nuit qui y est associé, mais de nombreuses questions restent sans réponse.

« Dans le cadre de recherches futures, nous prévoyons d’étudier plus en profondeur l’état du sommeil unihémisphérique dans notre modèle (qui utilise la dynamique des connectivités structurelles empiriques des cerveaux humains), en ce qui concerne les questions suivantes »

« Quelles zones des hémisphères cérébraux sont synchronisées, lesquelles ne le sont pas ? Pouvons-nous identifier une sorte de relais dans le cerveau qui sert de médiateur à la synchronisation entre différentes zones du cerveau ? »

« Comment cette synchronisation de relais est-elle liée à la mémoire, à l’apprentissage ou à la perception ? Nous étudions également comment les crises d’épilepsie, qui sont associées à une forte synchronisation spontanée du cerveau, peuvent être déclenchées et interrompues. », a déclaré Schöll.