Vidéo: Sommeil et éveil

Rien ne vaut une bonne nuit de sommeil : cette sensation de se réveiller, en pleine forme et reposé, prêt à affronter une nouvelle journée. En revanche, se réveiller d’une nuit de cauchemars est bien moins agréable. Mais alors, que se passe-t-il quand nous dormons?

Restez bien éveillés pendant ce tutoriel au cours duquel nous apprendrons la physiologie du sommeil et de l’éveil.

Le sommeil est un état d’inconscience. Mais si on y pense, c’est aussi le cas du coma. Alors, quelle est la différence entre les deux ? Le sommeil est un état temporaire d’inconscience dont on peut être réveillé et durant lequel nous sommes sensibles à certains stimuli externes ou internes. Nous savons que le sommeil nous est indispensable et tout le monde a déjà ressenti les effets d’une mauvaise nuit de sommeil, par exemple après une longue soirée de révisions avant un examen. Notre concentration en souffre, notre productivité diminue, et à un moment donné, notre corps n’a plus le choix que de rattraper le sommeil perdu.

Alors, pourquoi dormons-nous ?

Pour une activité qui occupe près d’un tiers de notre vie, nous en savons étonnamment peu sur le sommeil et ses raisons. Certaines théories suggèrent que nous avons besoin de dormir pour consolider la mémoire, renforcer le système immunitaire ou même permettre à l’encéphale de récupérer sur le plan métabolique. La raison exacte reste floue, mais une chose est sûre : dormir est un besoin vital.

​​Le sommeil se déroule en stades, regroupées en deux catégories : le sommeil paradoxal, qui est souvent aussi appelé sommeil REM, pour rapid eye movement, et le sommeil à ondes lentes, également appelé sommeil non-REM ou NREM. Le sommeil paradoxal se caractérise par des mouvements rapides des yeux pendant que nous dormons. Le sommeil à ondes lentes ou non-REM, comme son nom l’indique, ne présente pas ces mouvements oculaires rapides.

Bon, nos yeux bougent pendant certains stades du sommeil, mais qu’en est-il de l’activité de notre cerveau ? Contrairement à ce que l’on pourrait croire, notre cerveau ne s’éteint pas la nuit. Son activité peut être observée à l’aide d’un électroencéphalogramme, que l’on appelle aussi EEG. L’EEG est un enregistrement de l’activité électrique du cerveau. Ces ondes cérébrales sont considérées comme le reflet de la communication entre les régions corticales et les structures cérébrales plus profondes, telles que le thalamus. L’activité est captée par des électrodes placées à la surface du cuir chevelu.

Le motif des ondes observées sur l’EEG dépend du niveau de conscience. Lorsque nous avons les yeux ouverts, nous recevons beaucoup de stimulations sensorielles. L’EEG enregistre alors des ondes de faible amplitude et de haute fréquence, appelées ondes bêta. Ces ondes ont une fréquence comprise entre 13 et 30 hertz, ce qui signifie que le signal électrique oscille entre 13 et 30 fois par seconde.

Lorsque nous fermons les yeux, la stimulation sensorielle diminue. Dans cet état de relaxation, bien que restant éveillé, la fréquence des ondes diminue et leur amplitude augmente. Il s’agit des ondes alpha, dont la fréquence se situe entre 8 et 13 hertz. Dans un environnement propice et les yeux fermés, la somnolence s’installe et nous finissons par nous endormir.

C’est ainsi que commence la première phase du sommeil : le sommeil à ondes lentes ou non-REM. Le sommeil à ondes lentes comprend quatre stades : I, II, III et IV. Ils peuvent également être regroupés en N1, N2 et N3, les stades III et IV étant combinées dans la catégorie N3.

N1 correspond à la phase initiale de somnolence et de sommeil léger, au cours de laquelle les ondes EEG commencent à ralentir. Ainsi, leur fréquence diminue, tandis que leur amplitude augmente. Ce sont des ondes thêta dont la fréquence est généralement comprise entre 4 et 8 hertz. Il est généralement facile de se réveiller à ce stade, comme il s’agit de la phase la plus légère du sommeil. À mesure que la nuit avance, le sommeil s'approfondit.

Après le stade 1 vient bien sûr le stade 2, où les ondes ralentissent. Durant le stade N2, ces ondes de basse fréquence peuvent être interrompues par des fuseaux de sommeil, qui sont des groupes d'ondes fusiformes à des fréquences de 12 à 14 hertz. Il peut également y avoir des complexes K, de grandes ondes biphasiques.

Certaines personnes grincent des dents la nuit : elles sont atteintes d’un trouble appelé « bruxisme ». Ces épisodes surviennent généralement pendant le stade N2 du sommeil. Les ondes EEG de cette phase sont d'une fréquence plus basse que les ondes thêta du stade N1, mais d’une fréquence plus élevée que les grandes ondes delta observées en stade N3.

Les ondes delta, également appelées ondes lentes, se caractérisent par leur amplitude importante et leur fréquence très basse, inférieure à 4 hertz. C'est pourquoi cette phase de sommeil est également appelée sommeil à ondes lentes. Il est difficile de se réveiller dans cet état de sommeil profond, car notre capacité à percevoir les stimuli de l'environnement extérieur est réduite. Ceci est dû à une diminution de la communication entre le thalamus, notre relais sensoriel, et le cortex.

Les épisodes d’une personne souffrant de somnambulisme se présentent typiquement pendant le stade de sommeil N3.

Pendant le sommeil à ondes lentes, le tonus musculaire diminue, mais ne disparaît pas. Nous pouvons nous tourner, remuer et ajuster notre posture durant les premières phases. La température corporelle baisse, le métabolisme ralentit et le rythme cardiaque ainsi que la tension artérielle diminuent eux aussi.

On pourrait penser qu'après N3, nous entrons directement en sommeil paradoxal. Mais en réalité ce n’est pas le cas : le sommeil s'allège d'abord, passant de N3 à N2, puis nous entrons en sommeil paradoxal.

Le sommeil paradoxal, aussi appelé sommeil REM, est un phénomène fascinant. Au lieu de ralentir davantage, les ondes ressemblent aux ondes bêta que nous observons lorsque nous sommes éveillés et alertes. Et pourtant, nous dormons ! C'est là tout le paradoxe et d’où le sommeil paradoxal tient son nom.

Pendant le sommeil paradoxal, l’encéphale est très actif et les yeux effectuent des mouvements rapides. Cependant, le tonus musculaire diminue durant cette phase. Mais pourquoi est-ce important ? Eh bien, c'est pendant le sommeil paradoxal que nous faisons les rêves les plus intenses, voire les cauchemars. Si le tonus musculaire était intact, notre corps pourrait reproduire les mouvements de ces rêves et ces cauchemars ! Certains muscles conservent toutefois leur tonus, comme les muscles extraoculaires et les muscles respiratoires.

Le seuil d’éveil est le plus élevé à ce stade, ce qui rend le réveil beaucoup plus difficile.

Pendant le sommeil paradoxal, d'autres changements physiologiques se produisent également. La température corporelle continue de baisser, le rythme cardiaque et la tension artérielle peuvent varier et une érection peut survenir.

Nous arrivons ainsi à la fin d'un cycle de sommeil. Les phases de sommeil paradoxal et de sommeil à ondes lentes s’alternent tout au long de la nuit, chaque cycle durant environ 90 à 120 minutes. Au fil de la nuit, la durée des phases de sommeil paradoxal et de sommeil N2 augmente progressivement, tandis que celle du sommeil N3 diminue. Le réveil spontané se produit généralement en phase de sommeil paradoxal.

La durée des phases de sommeil varie avec l'âge. Chez les nourrissons, la durée du sommeil paradoxal est beaucoup plus longue que chez les jeunes adultes. Chez les personnes âgées, elle est beaucoup plus courte. Chez les jeunes adultes, 25 % du sommeil est consacré à la phase paradoxale, avec environ 4 à 6 cycles de sommeil paradoxal chaque nuit. Sur une période de sommeil de 7 à 8 heures, cela représente près d'une heure et demie à deux heures. Chez les nourrissons, près de 8 heures sont consacrées au sommeil paradoxal, tandis que chez une personne de 70 ans, cette durée est réduite à environ 45 minutes.

Toutes les 24 heures, nous traversons un cycle veille-sommeil. Mais comment notre corps sait-il quand dormir et quand il est temps de se réveiller ?

Dès le réveil et tout au long de la journée, notre corps subit une pression croissante vers le sommeil. Ce besoin homéostatique atteint son apogée juste avant l’heure habituelle de coucher. Une hypothèse expliquant ce phénomène est l'accumulation de substances favorisant le sommeil pendant les heures d'éveil, comme l'adénosine.

Au fil de la journée, l’encéphale métabolise l'adénosine triphosphate, communément appelée ATP, et produit de l'adénosine. L'adénosine extracellulaire accumulée possède des récepteurs dans différentes zones du cerveau, inhibant l'éveil et favorisant le sommeil. La caféine, présente dans notre tasse de café du matin, agit comme un antagoniste des récepteurs de l'adénosine, ce qui combat le besoin de sommeil.

La pression homéostatique du sommeil est contrecarrée par notre horloge biologique, le rythme circadien de l'éveil. Ces signaux favorisant l'éveil atteignent leur maximum en milieu de journée et commencent à diminuer l'après-midi, généralement au moment où nous avons envie d'une petite sieste. Ils atteignent leur niveau le plus bas avant le coucher, lorsqu'ils sont dépassés par la pression homéostatique du sommeil. Nous finissons alors par nous endormir.

Le rythme circadien est une sorte d’horloge interne de 24 heures, régulée par le noyau suprachiasmatique de l'hypothalamus. Cette horloge régule le rythme de nombreuses fonctions physiologiques, telles que la température corporelle, la sécrétion d'hormones comme le cortisol et l'hormone de croissance, et le sommeil. Le rythme de cette horloge de 24 heures est basé sur la lumière ambiante, créant ainsi un cycle de fonctions internes synchronisées avec le cycle lumière-obscurité de l'environnement. C'est ce qu'on appelle l’entraînement par la lumière.

La lumière est absorbée par un type particulier de cellules de la rétine, les cellules ganglionnaires rétiniennes photosensibles. Contrairement aux bâtonnets et aux cônes, qui sont des cellules photoréceptrices nécessaires à la formation des images, ces cellules possèdent un photopigment spécifique connu sous le nom de mélanopsine.

La lumière absorbée par ces cellules entraîne une dépolarisation. Les potentiels d'action générés sont ensuite transmis le long du tractus rétinohypothalamique jusqu'au noyau suprachiasmatique, situé dans l'hypothalamus. Ce noyau suprachiasmatique est le centre du contrôle circadien et régule la sécrétion de mélatonine, une hormone favorisant le sommeil. Voyons comment cela se produit.

Le noyau suprachiasmatique est en communication avec le noyau paraventriculaire de l'hypothalamus. De là, les axones descendent le long de la moelle spinale pour atteindre le noyau intermédiolatéral de la corne latérale de la moelle spinale thoracique, où ils stimulent le système nerveux sympathique.

Les axones sympathiques préganglionnaires atteignent le ganglion cervical supérieur, d'où les axones sympathiques postganglionnaires transmettent l'influx nerveux à la glande pinéale, une petite glande endocrine qui synthétise la mélatonine. Grâce à cette voie, le noyau suprachiasmatique peut réguler la sécrétion de mélatonine, la diminuant le jour et l'augmentant la nuit, de sorte que le pic de sécrétion se produit généralement entre 2 et 4 heures du matin. Ceci est parfaitement adapté à la fonction de la mélatonine, qui est de favoriser le sommeil.

Si vous avez déjà traversé trois fuseaux horaires ou plus, vous avez probablement déjà souffert du décalage horaire. C’est parce que le noyau suprachiasmatique a besoin de temps pour s'adapter aux variations d'exposition à la lumière et pour rétablir notre cycle jour-nuit.

Une autre hormone qui suit ce rythme circadien est le cortisol. Produit par la glande surrénale, le cortisol est synthétisé et libéré par l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien. Son mode de libération est inverse à celui de la mélatonine.

Le taux de cortisol augmente en début de la matinée, atteignant son maximum environ une demie heure après le réveil, puis diminue progressivement au fil de la journée pour atteindre son niveau le plus bas au milieu de la nuit. Ce schéma suit les signaux circadiens favorisant l'éveil évoqués précédemment et joue un rôle dans le déclenchement du réveil.

Le rythme circadien nous aide donc à savoir quand nous réveiller et quand nous endormir. Mais d’un point de vue pratique, comment notre cerveau parvient-il à nous réveiller et à nous endormir ?

La recherche suggère que nous possédons des neurones favorisant l’éveil dans la zone hypothalamique latérale ainsi que des neurones favorisant le sommeil dans le noyau préoptique ventrolatéral, un petit noyau situé dans la région préoptique de l’hypothalamus. Lorsque le noyau suprachiasmatique perçoit la lumière pendant la journée, il stimule les neurones de l’éveil et inhibe ceux du sommeil via le noyau dorsomédial de l’hypothalamus. Cela nous maintient éveillés pendant la journée. Lorsque la lumière diminue, le processus s’inverse et nous nous endormons.

Les détails de ce processus ne sont pas entièrement compris. Comme nous l'avons vu précédemment, certaines théories suggèrent que certaines régions du cerveau sont impliquées dans le réseau de l’éveil et d'autres dans le système favorisant le sommeil.

Le réseau de l’éveil implique des noyaux de la formation réticulée du tronc cérébral, de l'hypothalamus et du cerveau antérieur basal, qui se projettent de manière diffuse vers le cortex cérébral pour nous maintenir éveillés. Ces structures utilisent des neurotransmetteurs tels que le glutamate, l'acétylcholine, la sérotonine, la noradrénaline, l'histamine et les orexines pour favoriser l'éveil.

Le système induisant le sommeil comprend principalement de petits noyaux situés dans la zone préoptique de l'hypothalamus, tels que le noyau préoptique ventrolatéral et le noyau préoptique médian. Ces noyaux utilisent des neurotransmetteurs tels que l'acide gamma-aminobutyrique, souvent appelée GABA, et la galanine pour favoriser le sommeil.

Ces deux systèmes fonctionnent par inhibition mutuelle. Le système favorisant le sommeil peut inhiber le réseau de l’éveil pour favoriser le sommeil, et inversement pour favoriser l'éveil. Ils nous aident ainsi à alterner entre l'état d'éveil et celui de sommeil, en passant très peu de temps dans la phase de transition.

Tout cela n'est qu'un aperçu de la complexité du sommeil, mais j’espère que la neurophysiologie ne vous donnera pas de cauchemars ! Les unités d'étude et les quiz de Kenhub sont là pour vous aider.