Chaque nuit, à travers des milliards de cerveaux, à l’intérieur du crâne des mammifères et des oiseaux, des ondes lentes d’activité cascadent dans les neurones selon un rythme qui se répète depuis des millénaires. C’est le rythme commun des cerveaux dans leur sommeil le plus profond.
L’omniprésence et l’uniformité de ces « ondes lentes » témoignent d’une importance profonde, dit le scientifique du HBP Maurizio Mattia de l’Istituto Superiore di Sanità (le NIH italien) à Rome.
Il décrit le moment où il a réalisé qu’il s’agissait d’un rythme commun en biologie. « En tant que physicien, quand j’ai vu cela, j’ai pensé que ce n’était pas de la biologie, mais de la physique. Je me suis dit que c’était absolument curieux. C’est l’empreinte de quelque chose qui fonctionne très, très bien. Quelque chose qui est nécessaire à travers les espèces et l’évolution. »
Les ondes lentes apparaissent lorsque le cerveau est en sommeil profond et ont été observées chez les mammifères et les oiseaux, et peut-être chez les reptiles. Mattia décrit les ondes comme des cascades d’activité qui se déplacent à travers le cerveau avec un rythme cohérent (environ 1 Hz, à travers les espèces).
Ces oscillations rythmiques se produisent au niveau d’un seul neurone, mais lorsqu’elles sont vues à travers le cerveau par iEEG (EEG intracrânien), elles apparaissent comme une vague se déplaçant à travers le cerveau à environ 30 mm par seconde.
« Elles ne sont pas comme les vagues que vous voyez dans l’eau. Vous avez un milieu excitable, donc c’est comme un feu dans une forêt. Quand vous commencez le feu, il va se propager comme une onde, jusqu’à ce que vous ayez brûlé tout le bois, puis il s’arrête. C’est comme la période d’inactivité du cerveau, mais la forêt repousse et une nouvelle onde se forme. C’est ce qui se passe dans le cerveau. Il utilise toutes les ressources disponibles pour déclencher les potentiels d’action des neurones, puis il faut un temps de récupération. Feu et silence, feu et silence. »
La fonction complète et le but de ces ondes lentes ne sont pas entièrement compris, mais elles ont clairement un rôle important. Il y a de plus en plus de preuves que ce rythme est nécessaire pour reproduire un équilibre dans le cerveau. Pendant l’éveil, le cerveau produit des déchets et ces ondes semblent nettoyer le cerveau, explique Mattia.
« Vous pouvez survivre sans être éveillé mais vous mourrez sûrement si vous ne dormez pas. Vous devez avoir ces ondes lentes pour maintenir le cerveau dans un état sain. »
Les ondes lentes sont également liées à la mémoire et à la consolidation de l’apprentissage.
« Le front d’onde n’est pas un front d’onde aléatoire. Il est défini par la structure qu’il trouve dans le cerveau. Imaginez plusieurs personnes marchant côte à côte le long d’une plage. Lorsque certains trouvent du sable mou, ils vont marcher plus lentement, d’autres vont marcher plus vite sur le sable plus dur. Cette différence de terrain sera représentée dans la forme de la ligne des personnes qui marchent.
« Donc pour en revenir à la mémoire, ces ondes lentes suivent les voies du réseau et renforcent ces voies. Plus ou moins. »
En ce sens, c’est presque une sorte de répétition, similaire à l’apprentissage, qui semble renforcer les voies utilisées pendant la journée en les répétant de nombreuses fois.
Mattia décrit les ondes lentes comme une sorte de pierre de Rosette des neurosciences, où les différentes langues sont les différents animaux et le contenu est l’onde lente. C’est pourquoi elles sont utiles, non seulement pour comprendre le cerveau, mais aussi, peut-être, pour créer des simulations de cerveau. Peut-on reproduire cette caractéristique commune à tous les cerveaux dans une simulation ?
« Nous essayons de comprendre de quelle manière un réseau donné de neurones, in-silico ou in-vivo sont capables de créer les mêmes rythmes et prendre cela dans différents contextes nous permet de construire une machine qui peut se comporter comme un vrai cerveau », explique Mattia.
« Une fois que vous avez créé un cerveau in-silico qui a ces rythmes, eh bien, c’est un bon point de départ pour voir comment il se comporte lorsqu’il est réveillé. »
Maurizio Mattia travaille dans la composante Systèmes et Neurosciences Cognitives (Sous-projet 3) du Human Brain Project.