Les sommeils primitifs

Les plus simples des sommeils

Des preuves provenant de créatures anciennes de l’évolution révèlent que le sommeil n’est pas seulement pour le cerveau

Plongez dans les forêts de varech de la côte sud de la Californie et vous apercevrez peut-être des éponges orange (Tethya californiana). Aucun chercheur n’y a prêté beaucoup d’attention jusqu’en 2017, lorsque William Joiner a décidé de déterminer si les éponges faisaient la sieste.

Ce n’est pas une question aussi stupide qu’il n’y paraît. Au cours des dernières années, des études sur les vers, les méduses et les hydres ont remis en question l’idée de longue date selon laquelle le sommeil est l’apanage des créatures dotées d’un cerveau. Aujourd’hui, l’enjeu est de trouver un animal qui dort et qui n’a pas de neurones du tout. Les éponges, parmi les premiers animaux à apparaître sur Terre, correspondent à cette description. En observer une en train de somnoler pourrait bouleverser la définition du sommeil par les chercheurs et leur compréhension de son objectif.

Les scientifiques ont souvent défini le sommeil comme une perte de conscience temporaire, orchestrée par le cerveau et pour le bénéfice de ce dernier. Cela alimente les controverses sur le sommeil chez des créatures sans cervelle. Peu de ces organismes dorment, du moins pas comme nous. Il est préférable de parler d’un état de repos et d’insensibilité observé chez les méduses et les hydres « endormis ».

Mais d’autres chercheurs ont une vision plus inclusive : le sommeil n’a pas évolué avec les vertébrés modernes comme on le pensait auparavant, mais peut-être il y a un demi-milliard d’années lorsque les premiers animaux sont apparus. Si un être est vivant, il dort, pensent-ils. Les premières formes de vie étaient insensibles jusqu’à ce qu’elles développent des moyens de réagir à leur environnement. Le sommeil serait alors un retour à l’état par défaut, ce ne serait pas le sommeil qui aurait évolué, mais l’éveil !

Si cela est vrai, le sommeil chez les humains, les rongeurs et les autres vertébrés est un comportement très évolué, adapté aux besoins et au mode de vie de chaque organisme. Il pourrait être difficile de mieux comprendre sa fonction de base auprès de ces espèces. Des créatures moins évoluées ou moins complexes et aux comportements plus simples, peuvent révéler une forme fondamentale ou plus « primitive » du sommeil.

Ainsi, certains chercheurs sur le sommeil se sont tournés vers des invertébrés tels que les mouches des fruits et les vers ronds, et plus récemment vers les éponges et un autre groupe à évolution précoce, les placozoaires. Déjà, leurs travaux mettent en évidence deux nouvelles idées clés : les bienfaits du sommeil s’étendent bien au-delà du cerveau et des muscles, le système immunitaire et l’intestin sont concernés par les processus du sommeil.

Ce travail pourrait changer nos objectifs sur le rôle du sommeil dans les processus cognitifs complexes et sur la façon dont il affecte la fonction cellulaire de base.

L’espoir est que ce que nous apprenions sera pertinent pour comprendre pourquoi certaines personnes ne peuvent pas dormir et aussi comment un sommeil perturbé peut affecter leur santé et leurs performances.

Les premières études sur le sommeil l’ont défini par la façon dont il modifie le comportement humain : nous nous allongeons, fermons les yeux, restons immobiles et devenons inconscients du monde extérieur. Les conséquences du manque de sommeil sont également évidentes : nous perdons notre capacité à fonctionner, nous avons du mal à nous concentrer lors d’une réunion ou nous nous assoupissons au volant.

Dans les années 1950 et 1960, les chercheurs convergeaient vers une définition du sommeil basée sur la polysomnographie, une mesure combinée de l’activité cérébrale, des mouvements oculaires et du tonus musculaire qui est devenue un étalon-or. Les neuroscientifiques ont découvert comment capturer l’activité cérébrale à partir d’électrodes à la surface de la tête et ont découvert que le sommeil humain comporte deux étapes principales : celle des les mouvements oculaires rapides (REM), une étape plus active au cours de laquelle le rêve se produit ; et celle non-REM, définie par des ondes lentes et synchrones de déclenchement électrique.

Des tests comportementaux et physiologiques ont révélé à quel point le sommeil peut être varié dans le monde animal. Les vaches et autres grands mammifères dorment debout. Certains mammifères marins dorment en nageant et certains oiseaux de mer font la sieste en volant, laissant une moitié du cerveau s’assoupir pendant que l’autre continue de travailler. Les chauves-souris dorment environ 20 heures par jour ; des éléphants sauvages aussi peu que deux heures. La plupart des animaux étudiés avec des techniques d’enregistrement électrique ont au moins deux stades de sommeil, bien que l’activité cérébrale caractérisant ces stades puisse varier. Les changements de couleur de la pieuvre pendant son sommeil suggèrent qu’elle a également plusieurs phases de sommeil.

Les signes du sommeil

En recherchant largement les comportements caractérisant le sommeil chez les humains et d’autres organismes, les chercheurs constatent que la plupart des animaux, même les plus simples, ont un état de repos. La capacité de chaque créature à satisfaire à ces critères est controversée, mais le travail élargit notre compréhension du rôle et du contrôle du sommeil, même chez les humains.

Au tournant du XXIe siècle, les preuves de sommeil hors de chez les mammifères ont incité les chercheurs à commencer à explorer l’arbre de la vie animale pour des espèces plus anciennes au cours de l’évolution. Ils ont dû faire face à la question de savoir comment définir le sommeil chez ces espèces plus simples. Une méduse endormie ressemble beaucoup à une méduse éveillée, après tout, et il est presque impossible de l’équiper d’électrodes. Les chercheurs doivent plutôt reconnaître où et quand des créatures simples cherchent un répit et disposent d’un comportement qui cesse lorsqu’elles dorment. Les études doivent également piquer ou déranger les animaux pour s’assurer qu’ils ne réagissent pas et pour voir si le fait d’être forcé de rester éveillé a des conséquences.

En 2017, des chercheurs conçu de tels tests pour Cassiopée, connue sous le nom de méduse à l’envers parce qu’elle a tendance à rester près du fond marin peu profond, pulsant avec ses tentacules pointant vers le haut afin que plus de lumière atteigne les micro-organismes photosynthétiques dont elle dépend pour son énergie. Ils ont observé que la nuit, ce mouvement ralentissait de 60 impulsions par minute à 39.

Pour voir si les méduses dormaient vraiment, ils ont construit un faux fond pour l’aquarium et l’ont abaissé, essentiellement en « tirant le tapis » sous les créatures. La nuit, les méduses groggy étaient plus lentes à réagir et à nager vers le nouveau fond que le jour. Et lorsque l’équipe a dérangé les méduses en lançant des courants d’eau au-dessus d’elles, les animaux étaient moins actifs le lendemain, comme s’ils devaient se remettre d’une perte de sommeil. Enfin, la mélatonine, un somnifère en vente libre, a ralenti leur pouls à des vitesses nocturnes. Tout cela sans véritable cerveau : les méduses ont un anneau d’amas de cellules nerveuses autour du bord de leurs cloches.

Récemment, des chercheurs ont attrapé une autre créature sans cervelle en train de faire la sieste : Hydra vulgaris, un parent immobile des méduses. Des chronobiologistes ont filmé ces animaux d’un centimètre de long alors qu’ils agitaient leurs tentacules pendant des périodes alternées de 12 heures de lumière et d’obscurité en laboratoire. Dans l’obscurité, les hydres étaient moins actives. D’autres chercheurs qui ont sondé le sommeil chez des animaux plus simples ont également adopté des définitions basées sur des changements de comportement tels qu’une réactivité réduite.

Plus récemment, cependant, quelques-uns préconisent d’étudier des critères moléculaires tels que la présence de gènes faisant partie des voies favorisant le sommeil chez les mammifères et d’autres espèces connues pour dormir. Par exemple, on a rapporté que plus de 200 gènes ont modifié leur activité chez l’hydre privée de sommeil. Notons que plusieurs de ces gènes sont impliqués dans le sommeil chez les mouches des fruits.

Nous passons d’une définition comportementale ou physiologique du sommeil à une définition cellulaire et moléculaire. Au fur et à mesure que nous définirons ce qu’est le sommeil à ces niveaux, nous aurons une idée de sa fonction.

Il ne fait aucun doute que le sommeil est bénéfique pour le cerveau des créatures qui en ont un. Il aide le cerveau à consolider les souvenirs et à éliminer les déchets toxiques. Il peut également aider le cerveau à rester plastique en élaguant et en renforçant les connexions entre les cellules nerveuses.

Mais si les animaux sans cerveau ont besoin de sommeil, il a d’autres fonctions, dont probablement une fonction fondamentale pour préserver les processus physiologiques de base.

Certains indices récents provenant d’animaux sans cervelle suggèrent que le sommeil joue un rôle dans l’équilibre énergétique et le métabolisme. Le ver rond Caenorhabditis elegans, très étudié, ne fait la sieste que lorsque les demandes métaboliques sont élevées. Les larves « boitent » pendant 1 ou 2 heures lorsqu’elles muent et remplacent leurs exosquelettes, ou lorsque l’excès de chaleur ou de lumière ultraviolette (UV) provoque un stress. Une enzyme appelée kinase 3 fournit un lien direct entre le sommeil et le métabolisme. Connu pour aider à réguler le sommeil chez les mammifères, elle mobilise également les réserves de graisse chez C. elegans pour augmenter les niveaux d’énergie du ver. Chez l’hydre également, on a trouvé un gène qui régule le métabolisme et influence le sommeil.

Des études sur la privation de sommeil mettent également en évidence son rôle métabolique. Les mouches des fruits porteuses d’une mutation qui réduit leur sommeil sont moins capables de métaboliser l’azote, ce qui signifie qu’elles peuvent avoir du mal à décomposer et à reconstruire les protéines et à traiter les déchets. Le résultat est une accumulation de molécules chargées appelées polyamines qui peuvent endommager l’ADN et l’ARN. Lorsque nous manquons de sommeil, ce n’est pas seulement le fonctionnement du cerveau qui est affecté.

La privation de sommeil semble également attaquer l’intestin chez les mouches des fruits et les souris, en entraînant une accumulation de molécules nocives connues sous le nom d’espèces réactives de l’oxygène. D’une manière ou d’une autre, cette accumulation conduit à une mort prématurée chez les deux espèces. On soupçonne que l’intestin, l’un des premiers organes à évoluer chez les animaux multicellulaires, a été l’un des premiers bénéficiaires du sommeil, et que beaucoup de rôles supplémentaires du sommeil ont évolué à mesure que les animaux sont devenus plus complexes.

Pour comprendre l’essentiel des raisons pour laquelle les animaux dorment, il faut l’étudier chez des espèces si simples qu’elles n’ont même pas d’intestin. Par exemple en observant des placozoaires, des créatures rondes, plates et transparentes, pas plus grosses qu’une graine de sésame, qui n’ont que deux couches de cellules, chacune équipée de projections en forme de fouet appelées cils. Les placozoaires n’ont pas de cellules nerveuses ; leurs cellules communiquent via des sécrétions chimiques qui contrôlent les mouvements des cils. En dehors des parasites qui vivent attachés à d’autres formes de vie, les placozoaires sont les animaux les plus simples sur Terre.

Les placozoaires utilisent leurs cils pour ramper au hasard le long des rochers à la ligne de marée jusqu’à ce qu’ils détectent des microalgues et s’arrêtent pour brouter. Ils ralentissent la nuit, ce qui représente le premier pas évolutif vers le sommeil – obtenir un rythme pour se reposer » afin de se recharger pour le prochain cycle d’alimentation. Cela peut être suffisant pour un animal qui manque de cellules nerveuses énergivores.

On pensait que l’idée d’un placozoaire endormi était stupide, jusqu’à ce que les études sur les méduses et les hydres fassent comprendre que le sommeil n’était pas réservé aux créatures cérébrales. Parfois, les placozoaires tournent sur place, ce qui peut représenter également une sorte de sommeil.

Finalement, à l’aide d’agitateurs magnétiques dans les baignoires, ils ont pu garder les éponges suffisamment saines pour qu’elles commencent à se contracter, environ une fois toutes les 3 heures.

Des études portant sur une espèce d’éponge ont suggéré que les animaux ont des cycles de repos qui peuvent leur permettre de se réorganiser et de rajeunir leurs cellules après avoir pompé de l’eau équivalente à 1000 fois leur volume quotidien. Des biologistes marins ont vu des indices de rythmes quotidiens dans les contractions d’Amphimedon queenslandica, trouvé sur la Grande Barrière de corail. Et après avoir séquencé son génome – le premier pour une éponge – ils ont rapporté en 2017 que quelques gènes associés au rythme circadien chez d’autres organismes s’activaient et s’éteignaient par cycles de 24 heures. On a aussi a observé que certaines régions du corps des éponges semblent cesser de pomper tout au long de la journée, comme si elles travaillaient en équipe. Il pourrait s’agir d’un comportement qui peut être rapproché du sommeil.

Des études futures pourraient utiliser du glutamate ou d’autres substances qui stimulent les contractions pour maintenir les éponges en activité sans arrêt pendant des heures, voire des semaines, afin de vérifier si leur santé décline. Cela pourrait indiquer qu’en étant un animal multicellulaire, vous dépendez de périodes pendant lesquelles les tissus peuvent se réparer et se régénérer. 

Si les cellules de tout le corps bénéficient du sommeil, il est logique que ces cellules aient leur mot à dire sur le moment où le sommeil se produit. Et la recherche des commutateurs de contrôle éloignés du sommeil pourrait conduire les chercheurs à de nouveaux traitements pour les troubles du sommeil, qui touchent 60 millions de personnes rien qu’aux États-Unis.

Bmal1 est une protéine omniprésente qui régule l’expression des gènes et est connue pour aider les souris privées de sommeil à rester éveillées. Jusqu’à présent, les chercheurs avaient supposé que le cerveau avait créé et utilisé Bmal1 pour cette tâche. Mais on a découvert que les souris privées de sommeil dépendent plutôt de Bmal1 produit dans les muscles. On soupçonne que la protéine pourrait faire partie d’une voie qui aide d’une manière ou d’une autre à relier l’effort musculaire aux niveaux de somnolence. Et on espère qu’un médicament Bmal1 ciblant les muscles pourrait un jour contrer les effets négatifs des nuits blanches. On pensait que le sommeil était une question de cerveau, ce n’est pas seulement un point de vue erroné, c’est aussi un point de vue toujours courant.

D’autres études sur des souris ont montré que le tractus gastro-intestinal, le pancréas et le tissu adipeux génèrent des molécules de signalisation appelées neurohormones qui semblent affecter le début et la durée du sommeil. Comprendre la rétroaction de ces organes vers le cerveau pourrait suggérer de nouvelles approches pharmacologiques, avec des médicaments qui ciblent des organes autres que le cerveau.

Lorsque l’on a commencé à étudier le sommeil chez les poissons, on pensait qu’ils ne dormaient pas. Cela a changé il y a environ 2 ans, lorsque l’on a développé des techniques de polysomnographie pour les poissons et découvert que, comme les humains, ils alternent entre des états d’éveil et des états de sommeil calmes et actifs.