Les chercheurs ont combiné la physique et la biologie dans une étude pour fournir la première preuve directe expliquant pourquoi nous dormons. Les chercheurs considèrent le cerveau comme un ordinateur biologique dont les ressources s’épuisent lorsqu’il est éveillé. Ils ont démontré que le sommeil réinitialise le « système d’exploitation » du cerveau à son état idéal, optimisant ainsi la pensée et le traitement.

Cette question a longtemps intrigué les scientifiques et les chercheurs : pourquoi dormons-nous ? Qu’apporte la satisfaction de ce besoin fondamental ? Si vous recherchez « Pourquoi dormons-nous » sur Google, vous obtiendrez différentes réponses provenant de diverses sources. Certains disent que le sommeil élimine les toxines du cerveau, d’autres disent qu’il aide le corps à se réparer et à se rajeunir, et d’autres encore disent que le sommeil est essentiel à la formation de souvenirs à long terme.

Aujourd'hui, une étude menée par des chercheurs de l'Université de Washington à Saint-Louis fournit la première preuve directe pouvant répondre à cette question.

Keith Hengen, l'auteur correspondant de l'étude, a déclaré : « Le cerveau est comme un ordinateur biologique. Les souvenirs et les expériences pendant l'éveil changeront le code petit à petit, éloignant lentement le système plus vaste de l'état idéal. L'objectif principal du sommeil est de restaurer l'état informatique optimal.

Il n’est pas exagéré de comparer le cerveau à un ordinateur complexe. Les deux utilisent des signaux électriques pour transmettre des informations, la mémoire à long terme est comme un disque dur pour le stockage et la récupération, et nos neurones sont similaires aux circuits électriques. Utiliser un ordinateur signifie exécuter de nombreux processus monopolisant les ressources en arrière-plan, ce qui entraîne un ralentissement de l'ordinateur au fil du temps. Les chercheurs de cette étude ont utilisé « l’hypothèse de criticité » pour spéculer que le cerveau se comporte de la même manière.

En physique, les états critiques décrivent des systèmes complexes qui existent au point critique entre l’ordre et le chaos. Les physiciens ont proposé pour la première fois le concept de points de basculement à la fin des années 1980, en utilisant un ensemble de règles simples pour déposer des milliers de grains de sable sur une grille en forme de damier. Le sable finira par s'accumuler à un point tel que des avalanches, grandes et petites, commenceront sans avertissement, le sable d'un carré tombant en cascade sur d'autres carrés.

"L'ensemble du système s'organise en quelque chose d'extrêmement complexe", a déclaré Ralf Wessel, l'un des co-auteurs de l'étude.

En appliquant l’hypothèse de criticité au cerveau, les chercheurs comparent chaque neurone à un grain de sable individuel qui suit des règles de base. Les avalanches neuronales sont similaires aux avalanches de sable inventées par les physiciens, et la cascade est le signe qu'un système a atteint son état le plus complexe. Si les neurones atteignent le juste milieu entre trop d’ordre et trop de chaos, ils atteignent un point de bascule, où les capacités de traitement de l’information du cerveau sont maximisées.

Hengen et Wessel ont exploré la théorie de la criticité en 2019, démontrant que le cerveau travaille activement pour maintenir un état critique. Dans la présente étude, eux et d’autres chercheurs ont cherché à comprendre la fonction du sommeil dans un cadre de criticité. Ils ont mesuré les réponses électrophysiologiques de neurones uniques dans le cortex visuel de jeunes rats alors qu'ils se déplaçaient librement pendant les cycles normaux de sommeil et d'éveil.

"Nous pouvons suivre ces petites cascades via des réseaux neuronaux", a déclaré Hengen. "À l'état critique, des avalanches de différentes tailles et durées se produisent. Loin du point critique, le système sera orienté uniquement vers de petites ou de grandes avalanches. C'est comme écrire un livre avec seulement des mots courts ou des mots longs."

Les chercheurs ont observé des avalanches de différentes tailles chez des rats tout juste sortis d’un sommeil réparateur. Pendant la période d'éveil, l'avalanche devient de plus en plus petite. Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient prédire quand les rats étaient sur le point de s’endormir ou de se réveiller en suivant la distribution des avalanches neuronales. Lorsque la taille de l’avalanche neuronale diminue jusqu’à un certain niveau, le sommeil approche.

"Les résultats suggèrent que chaque moment d'éveil éloigne les circuits cérébraux pertinents de leur criticité et que le sommeil aide le cerveau à se réinitialiser", a déclaré Hengen.

Dans l’ensemble, affirment les chercheurs, les données soutiennent un modèle dans lequel le sommeil fonctionne pour restaurer un état critique progressivement perturbé pendant l’éveil. Leurs observations concordent avec leur hypothèse selon laquelle le maintien d’un état critique est une fonction régénératrice essentielle du sommeil.

La recherche a été publiée dans la revue Nature Neuroscience.