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Lorsque vous plongez dans un sommeil profond, un cycle d'activité commence derrière vos paupières fermées. Tout d'abord, une onde électrique lente bat dans le cerveau. Quelques secondes plus tard, la quantité de sang dans le cerveau diminue. Ensuite, une vague de liquide céphalo-rachidien inverse sa direction d'écoulement habituelle et se déplace vers le haut à travers de grandes cavités dans les parties inférieure et centrale du cerveau. Le schéma se répète environ trois fois par minute pendant la durée du sommeil non REM, les phases généralement sans rêve lorsque vos yeux restent immobiles.

Dans une étude récente, les chercheurs ont observé pour la première fois la séquence rythmique unissant ces trois phénomènes chez l'homme et ont trouvé les liens de causalité entre eux. Leur découverte clarifie comment le sommeil peut protéger le bien-être du cerveau en entraînant des éléments d'un «système de plomberie» obscur trouvé dans le cerveau il y a seulement quelques années. Un jour, le mécanisme nouvellement découvert pourrait être la base de nouveaux traitements pour prévenir le déclin cognitif chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer et d'autres conditions, mais il est déjà utile pour approfondir la compréhension de la dynamique physiologique du sommeil.

Le sommeil est un phénomène plutôt surréaliste, explique Laura Lewis, professeur adjoint de génie biomédical à l'Université de Boston et auteur principal de l'étude. Chaque jour, nous entrons dans un état de conscience altéré dans lequel de nombreux aspects de notre cognition et de notre physiologie changent de façon spectaculaire et simultanée. Pourtant, nous ne pouvons pas nous en passer. Les animaux privés de sommeil meurent, et même un sommeil insuffisant est lié au déclin cognitif.

Pendant des années, les scientifiques ont soupçonné que les dommages causés par un sommeil perturbé avaient quelque chose à voir avec une suraccumulation de déchets ou de toxines dans le cerveau. Des études ont montré que le sommeil est important pour l'élimination des déchets, mais les détails étaient brumeux. En 2012, des recherches dans le laboratoire de Maiken Nedergaard, un neuroscientifique du Centre médical de l'Université de Rochester, ont identifié ce qui semble être la voie de clairance des déchets du cerveau, le système glymphatique (glial-lymphatique). Il s'agit d'un mince ensemble de canaux formés par les cellules gliales du cerveau qui peuvent conduire des fluides dans le cerveau. Le problème était qu'aucun mécanisme plausible ne semblait relier les signes neurologiques du sommeil au système glymphatique ou même aux mouvements du liquide céphalo-rachidien (LCR) plus généralement. "Nous ne savions tout simplement pas ce qui allait changer ou comment", a déclaré Lewis.

Les expériences sur les animaux ont cependant laissé entendre qu'il y avait une certaine corrélation entre l'activité des ondes cérébrales endormies et le flux de fluides dans le cerveau. La recherche de ces schémas dans le cerveau humain endormi semblait être un bon moyen de commencer à obtenir des réponses.

Les chercheurs ont espionné les cycles de sommeil naturels tard dans la nuit, a déclaré Nina Fultz, assistante de recherche en génie biomédical à l'Université de Boston et première auteure de l'étude. Ils voulaient obtenir des mesures des ondes cérébrales, de l'oxygénation du sang et des mouvements du LCR simultanément, alors ils ont fixé des électrodes sur le cuir chevelu de leurs 13 sujets humains et les ont mis au lit dans des appareils d'IRM. Leurs collaborateurs du Martinos Center for Biomedical Imaging ont aidé à formuler une nouvelle façon d'imager le cerveau: un processus d'IRM accéléré a pris plusieurs photos par seconde et détecté l'afflux de liquide, qui s'est révélé comme des zones très lumineuses sur les numérisations.

Cette combinaison de mesures s'est avérée puissamment informative et "a révélé des modèles surprenants", a déclaré Hélène Benveniste, professeur d'anesthésiologie à l'Université de Yale, qui n'a pas travaillé sur le projet. Il a montré que les éléments du cycle étaient alignés dans le temps, l'un suivant de près le dernier. Mais ce n'était qu'une corrélation, et les chercheurs voulaient la preuve que chaque partie du cycle provoquait la suivante.

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