Le sommeil, un luxe de l'évolution?

« Mourir ; dormir; dormir, rêver peut-être. c'est là l'obstacle. »

Hamlet (1601), III, 1, Shakespeare


Voici seulement 70 ans que l'étude scientifique du sommeil a commencé. Les premiers travaux ont précisé la structure du sommeil chez l'homme ainsi que chez certains animaux, mais l'utilité de ce comportement reste encore discuté, bien que son importance dans les processus de mémorisation et de développement du cerveau ne fasse plus de doute. Son origine, quant à elle reste obscure, car le sommeil n'a véritablement été observé que chez les animaux homéothermes (mammifères et oiseaux). Un de ses intérêts pourrait être de diminuer les risques de rencontre inopinée avec un prédateur au moyen d'une inconscience périodique. Nous discuterons cette hypothèse, ce qui sera l'occasion d'examiner de plus près cet énigmatique comportement auquel les humains consacrent trente années de leur vie...



A la suite des travaux du neurophysiologiste A.L. Loomis, dès 1937, l'utilisation de l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau au moyen de l'électro encéphalo graphe (ECG) permit de subdiviser le sommeil en plusieurs phases successives. D'autres scientifiques (en particulier E. Aserinsky, mais aussi le français M. Jouvet, en 1961) établirent la cartographie du sommeil et mirent en évidence l'existence d'une phase particulière, dite sommeil paradoxal, caractérisée par une activité cérébrale intense, phase active du sommeil longtemps assimilée aux rêves alors que des travaux plus récents ont montré qu'environ un rêve sur 5 peut se dérouler en dehors de cette phase. Mais si les humains rêvent, qu'en est-il des autres animaux ?


Une activité à poil et à plume

Le sommeil tel que nous le connaissons n'existe que chez les mammifères et les oiseaux. Ce n'est donc pas une généralité biologique, bien que des signes de périodes de réactivité diminuée aient été mis en évidence chez les insectes, par exemple.

Il est toutefois difficile, chez les animaux dont l'activité est fonction de la température, de faire la différence entre un ralentissement métabolique général et son corollaire, une hypoactivité, et un comportement bien défini assimilable à une modification comportementale correspondant au sommeil. Cette difficile distinction entre l'inconscience et les divers sommeils se retrouve même chez les mammifères, en particulier dans les espèces pratiquant l'hibernation: la diminution de la température centrale, et donc le fort ralentissement du métabolisme, permet à de rares espèces de survivre l'hiver sans avoir besoin de nourriture. Ces animaux entrent en hibernation dans un état différent du sommeil: alors que les périodes de sommeil « classique » s'allongent, l'activité cérébrale caractérisant le sommeil paradoxal va en s'amenuisant. Lorsque la température de l'animal devient inférieure à 25 °C, un phénomène étonnant se produit: l'EEG devient plat (1), ce qui, chez l'homme, est considéré comme un signe de la mort cérébrale... Cet arrêt de fonctionnement du cerveau peut durer plusieurs jours (car, contrairement à la légende, un hibernant ne reste pas inactif plusieurs mois: il se réveille périodiquement, sa température remontant à la « normale » avant de replonger en hibernation pour quelques jours de plus). Toutefois, même le sommeil le plus classique joue un rôle dans l'économie d'énergie de l'organisme, ses premiers cycles s'accompagnant d'une diminution de la température corporelle ainsi que d'une réduction de la consommation de glucose et de dioxygène par le cerveau. On peut donc supposer que l'hibernation a pu apparaître à partir d'une sélection des individus et espèces développant ce caractère économique du sommeil, et aboutissant secondairement à une réduction importante de la température centrale aux effets bénéfiques (et dont l'étude et l'application chez les humains permettraient de grandes avancées dans de nombreux domaines tels que la conservation des greffons, la chirurgie ou l'anesthésie).
Pour découvrir si le sommeil existe en dehors des espèces (mammifères et oiseaux) où sa présence est triviale, il est nécessaire de faire appel à des marqueurs physiologiques qu'il sera plus facile d'identifier dans l'éventail du vivant. Parmi ces marqueurs, l'expression différentielle de certains gènes a pu être mis en évidence dans de nombreuses familles animales où se rangent les modèles favoris des chercheurs: des poissons (dont le poisson-zèbre), des vers nématodes (caenorhabditis elegans) et des insectes (mouches drosophiles).
Toutefois ces résultats restent très isolés, et il existe de fait fort peu, voire pas du tout, d'études exhaustives montrant la généralité du sommeil. Certains animaux se font un malin plaisir d'échapper à la loi commune, ce qui motive une question dont la réponse est loin d'être claire: quels sont l'origine et l'intérêt du sommeil en tant que comportement ?

Un repos actif

Chez les mammifères, la cause est entendue: des rats privés de sommeil meurent en 2 à 4 semaines, et cette privation, chez d'autres animaux, entraîne toujours des effets délétères. Toutefois, cette mort (qui n'a pas été observée dans d'autres espèces de mammifères) est elle réellement due au manque de sommeil où à l'accumulation de stress causé par les méthodes empêchant l'endormissement ?

Chez les humains, une maladie extrêmement rare, l'insomnie fatale familiale, permet de donner quelques pistes pour résoudre ce dilemme. Découverte dans les années 80 en Italie, elle se manifeste par une insomnie qui est « compensée » pendant la veille, par la poursuite d'activité liée au sommeil: rêves éveillés (hallucinations) et recherche de repos compensateur. La maladie s'accompagne de quelques troubles moteurs puis évolue rapidement vers un état démentiel, la mort survenant rapidement après le déclenchement de la maladie, le plus souvent après l'âge de 50 ans. Cette affection fait partie des maladies à prions, comme la tristement célèbre encéphalopathie spongiforme (la maladie de Creutzfeld-Jacob), ce qui pourrait laisser penser qu'une des fonctions du sommeil serait d'éliminer des produits toxiques accumulés pendant l'état de veille dans le système nerveux. La fonction « antistress » serait alors majoritaire.
Que ce soit à la suite de maladie ou de façon expérimentale, il est clair que la privation de sommeil aboutit à des épisodes d'altération de l'état de veille chez de nombreuses espèces de mammifères (mais aussi chez certains poissons). L'activité cérébrale montre en effet, durant la veille, des ondes correspondant au sommeil, et ce, pendant 10 % du temps, chez les rats par exemple. Chez les humains privés de sommeil (le « record » étant de 11 jours), les mêmes phénomènes semblent se produire.

Le sommeil fractionnaire
Cette modification du fonctionnement de cerveau privé de sommeil pourrait également ne concerner que certaines zones de celui-ci, qui se mettraient alors, à tour de rôle, en état de sommeil « local », fractionnaire. Cette activité ne toucherait que certains territoires (voire seulement certains groupes de neurones) du cerveau. Une période de 24h semble être le maximum pendant lequel l'activité à l'échelle cellulaire ne manifeste pas de comportement de sommeil, ce qui souligne le lien entre ce dernier et le rythme circadien, déterminisme interne lié au fonctionnement du cerveau et qui montre l'existence d'un cycle de 24,5 h dans l'activité cérébrale (ce rythme étant distinct de celui de l'alternance jour/nuit, sujet à de fortes variations selon les latitudes, et se retrouvant inchangé chez des individus soustraits aux influences extérieures par des expériences d'isolement temporel). Cependant, anatomiquement, le contrôle de ce rythme est réalisé, chez les mammifères, par une partie du cerveau (les noyaux suprachiasmatiques, coincés entre l'hypothalamus et l'hypophyse) qui reçoit des influx nerveux en provenance de la rétine; ce qui permettrait simplement de synchroniser « l'horloge interne » avec le milieu externe, mais n'aurait pas de rôle dans le déclenchement du comportement de sommeil, de certaines zones du cerveau. En effet, les noyaux suprachiasmatiques, entre autres, demeurent actifs et déclenchent, vers 3h du matin, la production de l'hormone hydro-cortisone, qui augmente la libération de glucose dans le sang par les glandes surrénales de façon à ce que l'organisme, au réveil, dispose des ressources énergétiques nécessaires.

Le sommeil fractionnaire, répartit à tour de rôle dans plusieurs sites cérébraux, pourrait être à l'origine d'une des caractéristiques les plus étonnantes du fonctionnement des cerveaux les plus complexes: l'étrange sommeil des cétacés en général et des dauphins en particulier.

Moby sleep
Les cétacés respirant comme vous et moi, il leur est difficile de s'endormir tranquillement sans se noyer. De plus, leur respiration est volontaire (si l'on endort totalement un dauphin, il meurt asphyxié). Il leur est donc indispensable de rester perpétuellement éveillé, ce qui semblerait démontrer que le sommeil n'est peut-être pas indispensable. L'évolution a toutefois trouvé une parade, et je pense ne pas trop m'avancer en proposant qu'elle a sélectionné des traits inhérents, au départ, au sommeil fractionnaire disséminé dans certaines zones du cerveau des animaux contraints de rester éveillés: de nombreux mammifères marins (globicéphale, dauphins, dugong), présentent un sommeil dit unilatéral: une moitié de leur cerveau somnole alors que l'autre reste en éveil, puis les rôles s'inversent. Ainsi, L'EEG d'un hémisphère présente des ondes lentes caractéristiques du sommeil (et l'oeil qui lui correspond est fermé) alors que l'EEG de l'autre hémisphère présente une activité normale pour un état de veille. Toutefois, ce comportement n'est pas permanent: certains dauphins adultes peuvent rester éveillés à 100 % pendant quelques jours, mais ces études, réalisées par S. Ridgway (2) montrent de grandes variations individuelles et n'ont été réalisées que sur des effectifs limités. A contrario, certains animaux semblent développer un sommeil « total » pendant quelques heures (reste à préciser alors comment ils respirent), ce qui montre que le schéma classique du sommeil unilatéral (20 à 30 mn d' »hémisommeil », puis permutation du rôle des hémisphères cérébraux) est susceptible de larges variations. Ces modifications ont aussi été observées chez les dauphins dits « ambassadeurs » qui s'attachent pour un temps à la compagnie des humains: Dolphy, qui était présent dans le port de Collioure dans les années 90, pouvait parfois dormir sans bouger (alors que les dauphins sont, « normalement », toujours en mouvement) en 1994, alors que deux ans plus tôt, son sommeil présentait tous les caractères de ses confrères « sauvages ». Il est possible que cet animal ait eu besoin, au final, de moins de repos, car ce dernier devenait de plus en plus « réparateur » dans son nouvel environnement.
Le mode de repos cérébral des cétacés peut également fluctuer fortement pendant la vie de l'animal: chez les Orques et les dauphins, l'équipe de Jerry Siegel (3), a établi qu'après l''accouchement, les mères et leurs petits ne dormaient pas. Cet éveil permanent favorise le maintient de la température corporelle (les jeunes n'étant pas encore assez gras) mais également la détection de prédateurs éventuels et le développement du cerveau, selon un mode qui semble de prime abord opposé à celui des nouveaux nés en milieu terrestre, qui eux utilisent au contraire le sommeil pour la maturation de leur système nerveux.
Par ailleurs, il semble bien que le repos (si c'est bien un repos) ne s'accompagne pas en apparence, chez le dauphin du moins, de la phase particulière de sommeil paradoxal. On pourrait croire que les mammifères marins ont dû perdre cette capacité à la suite des contraintes de leur milieu, mais d'autres mammifères marins, comme les phoques, possèdent toujours des phases de sommeil paradoxal, et cela qu'ils dorment à terre ou dans l'eau (4).
La nécessité du sommeil est donc établie pour tous les mammifères, mais pour explorer plus avant l'utilité de ce comportement, il nous faut examiner les résultats des expériences de maintien forcé de l'activité dans tout le règne animal.


Debout les crabes !


L a privation de sommeil entraîne une dégradation des performances intellectuelles chez les humains, mais l'intensité de ce dysfonctionnement montre une grande variabilité individuelle et ne semble pas pouvoir se généraliser à d'autres espèces: elle n'a pas été mise en évidence chez les rats, les oiseaux et même chez les mouches drosophiles. La privation de sommeil n'est donc pas nécessairement accompagnée d'un temps de récupération, ce caractère pouvant même constituer une « exception mammalienne ». En effet, les études réalisées sur les oiseaux, dont le pigeon en particulier, ont montré qu'il est possible de priver cet animal de sommeil pendant 10 jours sans pour autant que se mette en place un sommeil compensateur (ce qui est confirmé par un taux constant d'ondes lentes). Cette absence de compensation a pu être mise en évidence dans d'autres familles d'animaux, des poissons aux insectes comme la drosophile ou les cafards, bien que les études réalisées à ces niveaux soient très rares.

Qu'il est doux de ne rien faire...

Une des façons d'expliquer l'émergence du sommeil mammalien serait de voir en ce dernier un comportement protecteur pour les individus: lorsque ces derniers ont satisfait leurs besoins primaires (nourriture et reproduction), il serait bien moins dangereux pour eux de rester immobiles et inconscients que de déambuler dans leur milieu au risque de rencontrer quelque prédateur susceptible d'abréger leur existence avant terme. Toutefois, si le sommeil était un simple comportement, alors il devrait exister des animaux qui ne connaissent pas le sommeil, et même les auteurs favorables à cette hypothèse (5) reconnaissent que " le sommeil est présent et strictement régulé chez toutes les espèces animales où il a été étudié avec soin, à ce jour ».

Il subsiste cependant quelques contre-exemples énigmatiques, comme la grenouille-taureau qui, outre sa tendance à envahir les campagnes françaises, présente la particularité de ne jamais entrer en sommeil et donc de demeurer toujours aussi active. On peut, sans doute à juste titre, douter de l'intensité des efforts cérébraux de cet animal, mais comme même les poissons des récifs montrent des phases de  repos compensateurs  assimilables au sommeil, il est logique de se demander si le sommeil, pour indispensable qu'il soit, résulte d'une simple fatigue cérébrale ou est un des composants d'une nécessité physiologique liée à l'organisation du système nerveux, ce qui expliquerait en partie les diversités de ses manifestations dans des espèces dont le système nerveux est lui aussi organisé de façon différente.

Une nécessité cellulaire ?

Le déclenchement du sommeil à des moments inopportuns par des causes aussi variées que les décalages horaires, un repas plantureux invitant à la sieste, où l'ennui, nous montre qu'il doit exister des mécanismes variés initiateurs de l'état de somnolence, et que fatigue n'en est donc pas toujours à l'origine
Le manque de sommeil perturbant le métabolisme énergétique de nombreuses régions du cerveau (ce qui montre son effet délétère) il est pas possible de soutenir alors l'hypothèse d'un sommeil purement accessoire, sans but, d'intérêt nul: le sommeil doit correspondre à une ou plusieurs fonctions essentielles, mais lesquelles? Sa présence dans des lignées évolutives très éloignées montre qu'il est probablement apparu plusieurs fois au cours de l'évolution des organismes.
Les animaux unicellulaires ont, souvent, une activité permanente, parfois dépendante du rythme des jours et des nuits. Cette dépendance aux rythmes naturels est totale dans le monde végétal (par force!) mais éminemment variable dans le règne animal. Alors que les insectes montrent une dépression périodique de leur activité, les vertébrés ont été plus étudiés, et le sommeil apparaît comme un caractère convergent, apparu indépendamment dans de nombreuses lignées. Ainsi, oiseaux et mammifères ne partagent aucun ancêtre commun exclusif, mais présentent un sommeil comparable, avec présence d'une phase paradoxale. D'après R. Jouvet (6), ce caractère serait lié à l'endothermie (température intérieure stable) qui se serait accompagnée de la perte de la capacité de régénérer les neurones endommagés. Le sommeil paradoxal permettrait alors de « régénérer » périodiquement le fonctionnement cérébral et de développer des circuits neuronaux spécifiques dans lesquels s'ancrerait la spécificité individuelle. Malheureusement pour cet auteur, depuis ses publications il a été clairement établi que les neurones sont parfaitement capables de se reproduire et de se régénérer, au moins chez les oiseaux chanteurs (ainsi que, dans une moindre mesure, chez les humains). L'existence de cette neurogenèse met à mal son hypothèse, mais laisse penser que le sommeil paradoxal est bien une réponse, découverte deux fois par l'évolution, à un problème que, pour le moment, nous ne comprenons pas clairement.

Chez les poissons, de grandes différences existent, selon les espèces et les milieux de vie, mais une dépression périodique de l'activité a été mise en évidence. Les amphibiens ainsi que les tortues, lézards et autres crocodiles possèdent un sommeil correspondant au « sommeil lent » des mammifères, mais qui est parasité par l'influence de la variation de leur température centrale, laquelle conditionne le niveau d'activité de leur métabolisme. On doit noter toutefois, dans les différents groupes, l'existence de grandes variations selon les espèces: grenouille-taureau, mammifères marins et oiseaux migrateurs montrent des adaptations physiologiques allant de l'absence de sommeil « réel » à un sommeil alternatif des hémisphères cérébraux sans phase paradoxale.

Ce développement séparé d'une réponse physiologique commune à la suite d'une pression de sélection comparable explique les ressemblances, mais aussi les différences sensibles, entre les cycles de l'activité cérébrale d'animaux aussi différents que la mouche et le chat. Il serait donc plus juste des parler des sommeils, tant la phase paradoxale, présente seulement chez les mammifères, présente de similitudes avec l'état de veille. Les troubles du comportement en sommeil paradoxal (dont le plus célèbre est le somnambulisme) permettent de confirmer l'existence de cette « troisième voie » de l'activité cérébrale. Ainsi, M. Jouvet a étudié dès 1965 le comportement de chats sur lesquels il avait réalisé de légères lésions du tronc cérébral entraînant la suppression de la paralysie des muscles (atonie) qui accompagne le stade paradoxal. Il eut la surprise de constater que lorsque le début du stade paradoxal était repéré sur les enregistrements encéphalographiques, l'animal, maintenant ses yeux fermés au moyen de sa troisième paupière (membrane nictitante) relevait la tête, semblait regarder autour de lui et présentait ensuite des comportements variés caractéristiques de l'état de veille (marche, poursuite d'objet imaginaire, exploration, peur, toilettage...) tout en restant insensible à toutes les stimulations auditives ou visuelles. Ces comportements montrent que l'animal, momentanément aveugle et sourd, se retrouve plongé dans un monde perceptif virtuel généré par son activité cérébrale et dans lequel il agit en mobilisant les mêmes circuits cérébraux que ceux utilisés pendant l'état de veille, seule la paralysie musculaire automatique liée à ce mode d'activité cérébrale lui évitant de se déplacer réellement et de « vivre » ses rêves, que les spécialistes du sommeil ont nommés les rêves agis.

in memoriam
Le cerveau étant l'organe souffrant le plus du manque de sommeil, ont peut se demander pourquoi les cellules du cerveau en ont besoin. Le cerveau contient deux types de cellules: les neurones, célèbres cellules qui traitent et font circuler les impulsions nerveuses, et les cellules gliales, obscurs tacherons vite oubliés des manuels d'anatomie, qui les soutiennent et les nourrissent. Chez la souris, certaines zones du cerveau voient leurs cellules gliales "refaire le plein" en glycogène pendant le sommeil, durant lequel pourrait aussi se produire l'élimination de composés molécules toxiques (comme des radicaux libres) générés pendant l'état de veille.
Des gènes spécifiques différents sont activés pendant la veille (stimulation de métabolisme énergétique, réponses aux stress cellulaires et renforcement des liaisons synaptiques) et le sommeil (dépression synaptique, métabolisme des lipides et synthèse et entretien des membranes cellulaires). Cette activité différentielle périodique conforte l'hypothèse la plus connue (mais qui n'en est pas pour autant validée) sur le rôle du sommeil: alors que pendant la veille les connexions entre neurones sont favorisées, stimulées jusqu'à atteindre un maximum; la "consolidation" de ces connexions nécessiterai une autre période d'activité différente, celle du sommeil, permettant aussi de "réinitialiser" les différentes synapses des réseaux de neurones stimulés. Le système nerveux, déconnecté de son environnement, stimulerai aussi les synapses inutilisées pendant la journée. Cette stimulation serait impliquée dans la mémorisation des événements et des connaissances, le cerveau rejouant « en interne » pendant la nuit les événements qu'il a vécus en relation avec l'environnement extérieur à l'organisme pendant la journée. En effet, les réseaux de neurones actifs pendant l'apprentissage sont aussi ceux qui fonctionnent pendant le sommeil (7), participant peut être à la création de nouveaux réseaux sélectionnes pendant la journée (8). Des mécanismes similaires seraient également à l'oeuvre au cours de la croissance et du développement du système nerveux.
Une rapide revue phylogénique indique donc que le sommeil, plus qu'un comportement, est une réponse à une nécessité liée au fonctionnement cérébral. De plus, même chez les mammifères, on peut constater qu'il est particulièrement développé chez des prédateurs situés au bout de la chaîne alimentaire (félins), qui ne courent donc pas le risque de devenir des proies en restant actifs. Il semble bien que, plus qu'une façon d'éviter les dangers, on puisse considérer le sommeil comme une façon de réguler les dépenses énergétiques de l'organisme: alors que son importance reste limitée chez les espèces hétérothermes, où la température joue un rôle prépondérant sur l'activité métabolique (et peut, dans une certaine mesure, être régulée par tout un ensemble de comportements) ce mode de gestion de l'énergie devient prépondérant chez les espèces homéothermes, cela culminant avec les animaux hibernants, mais aussi avec les mammifères marins qui, vivant dans un milieu dont la conductivité thermique est bien plus élevée que celle de l'air, ont développé un mode de restauration et de gestion de l'activité cérébrale extrêmement particulier.
Le sommeil constitue donc une réponse non pas à un seul problème, mais à un ensemble de problèmes rencontrés dans des milieux variés et dans des groupes évolutifs extrêmement dissemblables (9). Il constitue une réponse à la fois aux nécessités du fonctionnement permanent du système nerveux et au déroulement des processus de mémorisation mais aussi à la gestion du fonctionnement de l'organisme et à celui de sa consommation énergétique qu'il permet de diminuer parfois dans des limites importantes. De plus, il contribue à diminuer , il est vrai, la probabilité de rencontre des prédateurs pour certaines espèces. Dans cette optique, les divers stades du sommeil seraient autant de réponses différentes à des problèmes spécifiques qui ne partageraient que la nécessité de l'inconscience, totale ou partielle, de l'individu. L'étude des mécanismes mis en jeu lorsque l'inconscience n'est pas compatible avec la survie, ce qui survient dans de rares espèces, devrait permettre de découvrir pourquoi l'évolution a pu déboucher sur cette activité qui récrée en nous un monde qui nous donne, quelques instants, l'image d'une incertaine réalité avant de disparaître au matin: la clé des rêves est peut être nichée dans le cerveau de l'oiseau qui vous réveille de son chant...

R.Raynal

Références

1 - Walker J.M., Glotzbach S.F., Berger Rj., Heller H.C. 
leep and hibernation in ground squirrel (citellus spp): Electrophysiological observations. 
m. J. Physiol, 233, R 213-221, 1979.

2 - Ridgway S, Carder D, Finneran J, Keogh M, Kamolnick T, et al. Dolphin continuous auditory vigilance for five days. J Exp Biol 209: 3621-3628, 2006

3 -Siegel J.Continuous activity in cetaceans after birth Nature 435, 30/06/2005, 1177.
4 - Mukhametov L.M. 

Sleep in marine mammals 
n Borbely A.A., Valatx J.L. (eds). Sleep mechanisms, Exp. Brain Res., Suppl 8, 227-236, Springer, Heidelberg,1984.

5 - Cirelli C, Tononi G. Is sleep essential? 2008, PLoS Biol 6(8): e216. doi:10.1371/journal.pbio.0060216

6 - Jouvet M. Le sommeil paradoxal est-il le gardien de l'individuation psychologique?
 Can. J. Physiol. 42, 148-168, 1991. et Jouvet M. Acta Psychiat. Belg., 94, 256-267 , 1994.

7 - Wilson MA, Mc Naughton BL. Reactivation of hippocampal ensemble memories during sleep. Science 265, 1994, 676-679. 111
8 - Tononi G, Cirelli C. Some considerations on sleep and neural plasticity. Arch Ital Biol 139: 2001, 221-241.

9 - Bauchot R. La phylogénie du sommeil chez les vertébrés
 Année Biol, 23, 367-392, 1984


Pour aller plus loin:
S'il existe de nombreuses publications en français sur le sommeil, on trouve cependant, comme (trop) souvent, très peu de travaux en français reprenant le sujet de cet article. Pour une revue complète du sommeil à travers le vivant, je ne peut que conseiller à ceux qui lisent l'anglais un remarquable article de J.M. Siegel disponible gratuitement ici:

http://www.npi.ucla.edu/sleepresearch/2008/08%20do%20all%20animals%20sleep%20final.pdf