La mathématicienne Karin Schwab et une équipe de neuroscientifiques de l’université Friedrich Schiller de Iéna, en Allemagne, ont découvert que des fœtus de mouton très immatures peuvent entrer dans un état de sommeil ressemblant à un rêve des semaines avant l’apparition des premiers mouvements oculaires rapides. Leur analyse mathématique pourrait permettre de mieux comprendre l’objectif du sommeil. Elle fournit également un outil pour étudier comment le cerveau se développe et pour identifier les périodes vulnérables dans le développement du cerveau, lorsque des dommages pourraient entraîner des maladies plus tard dans la vie.
La recherche apparaît dans un numéro spécial de la revue Chaos, qui est publiée par l’American Institute of Physics (AIP). Le numéro spécial est axé sur les dynamiques non linéaires dans les systèmes cognitifs et neuronaux. Il pose la question de savoir comment le chaos affecte certaines zones du cerveau et présente des approches interdisciplinaires de divers problèmes en neurosciences — dont le sommeil.
Mesurer directement l’activité cérébrale d’un fœtus humain dans l’utérus est impossible. Ce que nous savons de nos habitudes de sommeil précoce provient principalement de l’observation des mouvements oculaires. Vers le septième mois du développement d’un fœtus, on observe les premiers mouvements oculaires rapides. Le cerveau de l’embryon en développement semble passer toutes les 20 à 40 minutes du sommeil paradoxal, dans lequel l’activité cérébrale rivalise avec celle de la conscience, au sommeil non paradoxal, dans lequel le cerveau se repose. Les fonctions de ces cycles de sommeil sont encore un sujet très débattu dans le monde de la recherche sur le sommeil.
Certains ont essayé de mesurer l’activité cérébrale des bébés prématurés en les branchant à un électroencéphalogramme (EEG) après leur naissance précoce. Ces mesures, selon Schwab, sont techniquement difficiles et truffées d’erreurs. Les neurologues qui étudient le développement du cerveau du fœtus ne savent donc pas si les cycles de sommeil apparaissent simplement un jour, ou s’ils se développent lentement à partir d’autres formes d’activité cérébrale.
Pour combler cette lacune dans les connaissances, Schwab a étudié le mouton, un animal qui porte généralement un ou deux fœtus de taille et de poids similaires à ceux d’un fœtus humain. Le déroulement du développement du cerveau est également assez similaire chez l’homme et le mouton, puisqu’il dure environ 280 jours chez l’homme et 150 jours chez le mouton. Ils ont enregistré directement l’activité électrique dans le cerveau d’un fœtus de mouton en développement âgé de 106 jours — ce qui n’avait jamais été fait auparavant.
Utilisant des techniques mathématiques sophistiquées pour détecter des modèles, Schwab a découvert des cycles dans la complexité de l’activité cérébrale immature. Contrairement aux schémas de sommeil des stades ultérieurs du développement, ces cycles fluctuent toutes les 5 à 10 minutes et changent lentement au fur et à mesure que le fœtus grandit.
Bien qu’il soit difficile d’imaginer ce que le fœtus vit pendant ces cycles en des termes familiers aux adultes, les schémas jettent un nouvel éclairage sur les origines du sommeil. « Le sommeil n’évolue pas soudainement à partir d’un cerveau au repos. Le sommeil et les modifications de l’état de sommeil sont des processus actifs et régulés », explique M. Schwab. Cette découverte s’accorde avec d’autres données montrant que les cellules cérébrales (neurones) qui génèrent les états de sommeil arrivent à maturité bien avant que le reste du cerveau soit suffisamment développé pour tomber dans le sommeil paradoxal.
Une meilleure compréhension du développement du cerveau pourrait fournir des indices sur des maladies plus tard dans la vie, comme les troubles neurologiques ou la mort en crèche. La recherche pourrait également faire la lumière sur des questions fondamentales concernant le développement du cerveau. Les changements cycliques dans l’activité des neurones, par exemple, peuvent inciter les autres cellules nerveuses à se trouver et à se connecter entre elles pour mettre en place des réseaux complexes dans le cerveau. Des analyses sophistiquées de l’activité cérébrale pourraient aider à détecter les phases vulnérables de ce développement cérébral. D’autres pistes de recherche de Schwab s’intéressent à l’impact des stimuli environnementaux tels que le bruit ou le stress sur le fœtus en développement et à la question de savoir s’ils peuvent entraîner une susceptibilité accrue aux maladies chez l’adulte.