Dans un nouveau laboratoire japonais, une équipe internationale de scientifiques essaie de comprendre ce qui nous rend endormis
Tsukuba , Japon. En dehors de l'Institut international de médecine combinée, l'air est rempli de l'odeur lourde et douce de l'
osmanthus , et de grandes araignées dorées tissent leurs toiles d'araignée dans les buissons. Deux casques parlaient doucement, mesurant la zone des murs gris bleuâtre près de l'entrée et leur appliquant de la colle. Le bâtiment est si neuf que même les panneaux n'ont pas eu le temps de s'accrocher.
L'institut n'a que cinq ans, le bâtiment lui-même est encore plus petit, mais plus de 120 chercheurs de domaines aussi divers que la pneumologie et la chimie, et de différents pays, de la Suisse à la Chine, s'y sont déjà réunis. À une heure au nord de Tokyo, sur le territoire de l'Université de Tsukuba, financé par le gouvernement japonais et d'autres sources, le directeur de l'institut, Masashi Yanagisawa, a créé un espace pour étudier les bases de la biologie du sommeil - qui diffère des sujets plus courants, tels que les causes des problèmes de sommeil et méthodes de traitement. Il est plein de chambres avec un équipement étincelant, des chambres calmes dans lesquelles dorment les souris et des espaces de travail spacieux reliés par un escalier en colimaçon. Ici, d'énormes ressources sont concentrées sur l'étude de la raison pour laquelle les organismes vivants ont besoin de sommeil.
Posez cette question aux chercheurs et écoutez comment les sentiments de crainte et de déception se glissent dans leur voix. Il est étonnant de voir à quel point le rêve est universel: au milieu de batailles fébriles pour la survie, à toutes les époques d'effusion de sang, de mort, de fuite, d'innombrables millions de créatures vivantes se sont allongées pour rester inconscient pendant un certain temps. Cela ne ressemble pas à un moyen approprié de passer une vie de lutte complète. «C'est fou, mais c'est comme ça», explique Tarja Porkka-Heiskanen de l'Université d'Helsinki, une somnologue de premier plan. Le fait qu'une telle habitude risquée soit si répandue et constante suggère que les processus en cours pendant le sommeil devraient être extrêmement importants. Ce que le sommeil donne au dormeur en vaut la peine, encore et encore, de tenter la mort tout au long de la vie.
Les bienfaits exacts du sommeil restent un mystère, et de nombreux biologistes sont fascinés par cette inconnue. Un soir pluvieux à Tsukuba, un groupe de scientifiques de l'institut qui se sont réunis dans le bar izakaya parviennent à ne mentionner le rêve que pour la première demi-heure de communication. Même les méduses les plus simples doivent se reposer plus longtemps si elles sont obligées de rester éveillées plus que d'habitude - l'un des scientifiques a rapporté cela avec surprise, citant un nouveau travail décrivant une expérience dans laquelle ces petites créatures étaient périodiquement poussées avec des jets d'eau. Et les pigeons - avez-vous lu le travail sur les pigeons? - demande un autre scientifique. Tous les chercheurs conviennent que quelque chose d'incroyable se produit dans un rêve. Sur la table, les légumes et la tempura refroidissent, oubliés face à des énigmes étonnantes.
En particulier, c'est ce besoin de compenser le manque de sommeil, qui a été observé non seulement chez les méduses et les humains, mais aussi chez tous les représentants du monde animal, que les scientifiques tentent d'utiliser pour résoudre le problème du besoin de sommeil en général. Beaucoup considèrent le besoin de sommeil comme la clé pour comprendre ce qu'il nous procure.
Les biologistes appellent ce besoin «pression endormie»: si vous ne vous couchez pas trop longtemps, la pression augmente. Vous avez envie de dormir le soir? Naturellement - vous n'avez pas dormi toute la journée et avez gonflé la pression endormie. Mais, comme «matière noire», ce nom décrit quelque chose dont nous ne comprenons pas encore la nature. Plus vous pensez à la pression endormie, plus cela ressemble à un jeu de réflexion de Tolkien: qu'est-ce qui se développe lorsque vous êtes éveillé et se dissipe dans un rêve? C'est une minuterie? Molécule qui pousse pendant la journée et doit être retirée? Quel type de comptage métaphorique des heures est caché dans une partie du cerveau, en attendant qu'il soit remis à zéro la nuit?
En d'autres termes, Yanagisawa demande, réfléchissant à cela dans son bureau personnel et ensoleillé de l'institut: "Quelle est la base physique de la somnolence?"
Les études biologiques de la pression carotidienne ont commencé il y a plus de cent ans. Dans certaines des expériences les plus célèbres, le scientifique français a gardé les chiens éveillés pendant dix jours. Puis il a pompé du liquide de leur cerveau et l'a injecté dans le cerveau de chiens bien reposés, qui se sont instantanément endormis. Ce liquide contenait quelque chose qui s'est accumulé pendant la privation de sommeil, ce qui a provoqué l'endormissement des chiens. C'est ainsi que la chasse à cet ingrédient a commencé - l'assistant de Morpheus, un doigt sur l'interrupteur. De toute évidence, la découverte de cette hypnotoxine, comme l'appelait le chercheur français, était censée révéler le secret de la raison pour laquelle les animaux ont tendance à dormir.
Dans la première moitié du 20e siècle, d'autres chercheurs ont commencé à fixer des électrodes sur le cuir chevelu des gens, en essayant de regarder le cerveau endormi à travers le crâne. À l'aide d'électroencéphalogrammes (EEG), ils ont découvert que dans un rêve, le cerveau ne s'éteint pas du tout, mais fonctionne selon un certain schéma. Une fois les yeux fermés et la respiration plus profonde, le scintillement dense et fiévreux des ondes électriques de l'EEG se déplace et se transforme en ondes pulsatoires inhabituellement longues de sommeil précoce. Après 35-40 minutes, le métabolisme ralentit, la respiration est nivelée et il n'est pas si facile de réveiller la personne endormie. Après un certain temps, le cerveau bascule et les ondes redeviennent courtes et denses: c'est la phase de REM [REM] dans laquelle nous voyons des rêves. L'un des premiers chercheurs du REM a découvert qu'en observant les mouvements oculaires au cours des siècles, il pouvait prédire le réveil d'un bébé - une telle astuce a frappé les mères. Les gens répètent ce cycle encore et encore, se réveillant à la fin de la phase REM, avec un souvenir rempli de poissons ailés et de mélodies dont ils ne se souviennent pas.
La pression du sommeil modifie ces ondes cérébrales. Plus le sujet n'était pas autorisé à dormir, plus il y aura d'ondes pendant la phase de sommeil lent précédant le REM. Ce phénomène a été observé dans presque tous les êtres vivants, qui étaient alimentés en électrodes et restés éveillés trop longtemps - chez les oiseaux, les otaries à fourrure, les chats, les hamsters et les dauphins.
Si vous avez besoin de plus de preuves qu'un rêve, avec sa structure à plusieurs étapes étrange et la tendance à remplir votre esprit de toutes sortes de bêtises, n'est pas seulement une sorte d'état passif qui économise de l'énergie, alors sachez que les
hamsters syriens ont observé la caractéristique suivante: ils se sont réveillés de l'hibernation, dormir. Ce qu'ils ont reçu à cause du sommeil ne leur est pas disponible pendant l'hibernation. Même si cela ralentit presque tous les processus dans leur corps, une pression endormie s'accumule toujours. "Je veux savoir pourquoi exactement cette activité cérébrale est si importante?" Dit Casper Vogt, l'un des chercheurs réunis au nouvel institut de Tsukuba. Il montre sur son écran où les données sur l'activation des neurones chez les souris endormies sont visibles. "Qu'est-ce qui est si important de risquer d'être mangé, de ne pas le manger vous-même, de reporter la reproduction - de tout abandonner pour cela?"
La recherche d'hypnotoxine ne peut pas être considérée comme infructueuse. Plusieurs substances ont démontré une capacité claire à induire le sommeil - y compris une molécule d'
adénosine qui s'accumule dans certaines parties du cerveau des souris éveillées et disparaît pendant le sommeil. L'adénosine est particulièrement intéressante en ce que, apparemment, c'est la caféine qui agit sur les récepteurs de l'adénosine. Lorsqu'il se lie à eux, l'adénosine ne réussit plus - c'est ainsi que fonctionne la propriété vivifiante du café. Mais les travaux sur les hypnotoxines n'expliquent pas entièrement comment le corps suit la pression du sommeil.
Par exemple, si l'adénosine nous euthanasie au moment du passage de l'éveil au sommeil, d'où vient-elle? «Personne ne sait», observe Michael Lazarus, chercheur en adénosine à l'institut. Certains disent que des neurones, certains disent que c'est une classe différente de cellules cérébrales. Mais il n'y a pas d'accord. Dans tous les cas, «le problème n'est pas le stockage», explique Yanagisawa. En d'autres termes, ces substances elles-mêmes ne stockent pas d'informations sur la pression du sommeil. Ils n'en représentent qu'une réaction.
Des substances provoquant le sommeil peuvent apparaître dans le processus de création de nouvelles connexions entre les neurones. Chiara Cirelli et Giulio Tononi, chercheurs en sommeil de l'Université du Wisconsin, suggèrent que puisque notre cerveau crée ces connexions pendant l'éveil, il est possible que pendant le sommeil il supprime les connexions inutiles, élimine les souvenirs ou les images incompatibles avec les autres, ou inutiles en termes de cognition du monde. "Le sommeil est un moyen pour le cerveau de se débarrasser des souvenirs", explique Tononi. Un autre groupe de scientifiques a découvert une protéine qui pénètre dans les synapses mal utilisées et les détruit, et il peut le faire, en particulier, avec un niveau élevé d'adénosine. Peut-être que ce processus de nettoyage se produit dans un rêve.
Il existe encore de nombreuses quantités inconnues dans ce processus, et les chercheurs explorent de nombreuses autres directions dans le but de découvrir les origines de la pression et du sommeil. Un groupe de l'Université de Tsukuba sous la direction de Yu Hayashi détruit un certain groupe de cellules dans le cerveau des souris - et cette procédure peut entraîner des conséquences inattendues. Empêcher les souris de vivre la phase REM, en les secouant juste au moment où elles sont sur le point d'y entrer, provoque une pression REM intense, que les souris doivent compenser lors du prochain cycle de sommeil. La question de savoir si les souris en souffrent est une autre question, mais pour l'instant, l'équipe étudie comment le REM affecte leurs capacités dans les tests cognitifs. Mais de l'expérience, il s'ensuit que ces cellules, ou certains ensembles de cellules dans lesquelles elles entrent, peuvent stocker des enregistrements de la pression du sommeil quand il s'agit de regarder des rêves.
Yanagisawa a toujours été enclin à des projets aux proportions épiques - par exemple, à la recherche en masse de milliers de protéines et de récepteurs cellulaires afin de comprendre leur objectif. C'est un tel projet qui l'a conduit à étudier le sommeil il y a environ 20 ans. Ayant découvert un
neurotransmetteur , appelé
orexine , eux et leurs collègues ont réalisé que lorsqu'il était déficient, les souris se sont évanouies parce qu'elles s'endormaient. Il s'est avéré que ce neurotransmetteur ne suffit pas aux personnes souffrant de
narcolepsie - elles ne peuvent pas le produire. Cette idée a permis de déclencher une véritable vague de recherches sur cette condition. Une équipe de chimistes de l'Université de Tsukuba travaille avec une entreprise pharmaceutique pour étudier le potentiel des substances imitant l'orexine pour traiter cette maladie.
Actuellement, Yanagisawa et ses collègues travaillent sur une étude à grande échelle et à grande échelle des gènes, conçue pour identifier les gènes associés au sommeil. Les souris participant au projet reçoivent une injection d'une substance induisant une mutation. Ensuite, ils sont équipés de capteurs pour l'EEG, et lorsqu'ils se couchent sur un lit de sciure, les machines enregistrent leurs ondes cérébrales. À ce jour, les scientifiques ont analysé le sommeil de plus de 8 000 souris.
Lorsque la souris ne dort pas correctement - se réveille souvent ou dort trop longtemps - les chercheurs commencent à fouiller dans son génome. S'ils trouvent la mutation qui peut provoquer cet effet, ils essaient de créer une souris avec une telle mutation et étudient le problème de l'interruption du sommeil. De nombreux scientifiques à succès ont mené des études similaires sur des animaux tels que les mouches des fruits pendant des années et ont obtenu des résultats impressionnants. Mais l'avantage d'utiliser des souris, bien que de telles expériences par rapport aux expériences sur les mouches, soit très coûteux, est que vous pouvez connecter des électrodes EEG à des souris, tout comme un humain.
Il y a plusieurs années, ce groupe de scientifiques a découvert une souris qui ne pouvait pas se débarrasser de la pression du sommeil. Son EEG a montré qu'elle vit dans un état de somnolence épuisante constante. Les souris avec une telle mutation, spécialement créées, ont également montré les mêmes symptômes. "Ce mutant des ondes de sommeil de grande amplitude était plus gros que d'habitude, il était constamment dans un état de sommeil", explique Yanagisawa. La mutation s'est produite dans le gène SIK3. Plus les mutants ne dormaient pas, plus les marqueurs chimiques SIK3 marquaient les protéines. Les chercheurs ont publié leur découverte de SIK3 dans la revue Nature en 2016.
On ne sait toujours pas exactement comment SIK3 est associé à la somnolence, mais les chercheurs étaient très intéressés par le fait que l'étiquette s'accumule sur l'enzyme comme des grains de sable au fond du sablier. «Nous sommes convaincus que SIK3 est l'un des acteurs centraux dans ce domaine», déclare Yanagisawa.
Les chercheurs continuent de patauger dans l'obscurité mystérieuse de la somnolence, et de telles découvertes illuminent leur chemin comme les rayons des lanternes. Comment ils sont connectés les uns aux autres, comment ils peuvent se réunir et faire un tableau plus général n'est pas encore clair.
Les chercheurs espèrent que des éclaircissements viendront - peut-être pas dans un an, ou dans deux, mais parfois, et plus tôt que l'on pourrait imaginer. Pendant ce temps, à l'Institut international de médecine combinée, les souris vont à leurs occupations, se réveillent et s'endorment, dans des plateaux en plastique, debout les unes à côté des autres. Et dans leur cerveau, comme dans le nôtre, il y a un secret.