Quelques animaux, comme les oiseaux, dauphins, et les baleines, peut s'engager dans un sommeil unihémisphérique, dans lequel un hémisphère du cerveau dort tandis que l'autre hémisphère reste éveillé. Rester à moitié éveillé permet aux animaux de littéralement « garder un œil ouvert » sur les prédateurs, et pour les oiseaux migrateurs, permet un vol ininterrompu pendant des jours voire des semaines.

Bien que le sommeil unihémisphérique ne soit pas connu chez l'homme, des recherches récentes ont montré que les humains présentent un style de sommeil similaire lorsqu'ils éprouvent des troubles du sommeil dans un nouvel endroit pour la première fois, appelé "l'effet de la première nuit". Cet effet implique une dynamique asymétrique entre les deux hémisphères :tandis que l'hémisphère droit s'engage dans un sommeil lent normal, l'hémisphère gauche connaît un sommeil moins profond, suggérant qu'il peut rester partiellement alerte.

Maintenant dans une nouvelle étude, les chercheurs ont approfondi leurs recherches sur les mécanismes sous-jacents de cette activité du sommeil afin de développer un modèle de sommeil unihémisphérique dans le cerveau humain. Le papier, par Lukas Ramlow et al., est publié dans un récent numéro de LPE .

"Nos recherches ont montré que la rupture spontanée de la symétrie dynamique des deux hémisphères cérébraux est également possible pour les humains, " co-auteur Eckehard Schöll, professeur de physique théorique à la Technische Universität Berlin, Raconté Phys.org . "Étant donné que différents stades de sommeil sont associés à différents degrés de synchronisation, Je crois qu'une forme faible de sommeil unihémisphérique, c'est à dire., profondeur de sommeil différente des deux hémisphères, peut très bien se produire chez l'homme, non seulement chez les baleines, dauphins, scellés, et les oiseaux migrateurs."

Dans le cerveau humain, les états de sommeil et d'éveil se distinguent par leurs différentes formes d'activité électrique. A l'éveil, les neurones du cerveau s'activent de manière asynchrone, mode un peu chaotique, tandis que les neurones du cerveau endormi se déclenchent de manière plus synchronisée.

Des recherches antérieures ont suggéré que les deux hémisphères du cerveau peuvent être considérés comme deux populations couplées d'oscillateurs, car les deux hémisphères génèrent des signaux électriques de manière coordonnée. De cette perspective, le sommeil unihémisphérique se produit lorsque le cerveau occupe un état de deux domaines coexistants, composé d'un hémisphère synchronisé (endormi) et d'un hémisphère incohérent (éveillé). En physique, ce type d'état, qui se caractérise par la coexistence de l'ordre et du désordre, est appelé un "état chimère".

En utilisant les données d'IRM de 20 humains sur 90 sites cérébraux différents, les chercheurs ont étudié comment le cerveau passe de l'incohérence (éveillé) à la synchronisation (endormi). Comme ils l'expliquent, le couplage au sein de chaque hémisphère individuel (couplage intra-hémisphérique) est plus fort que celui entre les deux hémisphères (couplage inter-hémisphérique). En diminuant la force de couplage inter-hémisphérique tout en gardant la force de couplage intra-hémisphérique fixe dans leur modèle, les chercheurs ont observé qu'un hémisphère présentait une activité plus synchronisée que l'autre, ressemblant au sommeil unihémisphérique et à l'état de chimère.

"Auparavant, il a été supposé que des "états chimériques" pouvaient se produire dans la nature sous la forme de sommeil unihémisphérique (qui est connu pour certains animaux), mais aucune modélisation réaliste n'a été donnée, " L'importance de notre travail est que nous avons montré pour la première fois en modélisant la dynamique des deux hémisphères cérébraux à l'aide de connectivités empiriques du cerveau humain qu'une synchronisation partielle similaire au sommeil unihémisphérique peut effectivement se produire. De plus, nous en avons identifié le mécanisme en s'appuyant sur différentes forces du couplage intra-hémisphérique (fort) et inter-hémisphérique (faible).

Les résultats soutiennent l'idée que le sommeil unihémisphérique nécessite un certain degré de séparation entre les deux hémisphères. Les chercheurs ont découvert que cette séparation peut se produire en raison de l'asymétrie structurelle du cerveau. C'est bien connu, par exemple, que les deux hémisphères ont des tailles différentes de régions cérébrales correspondantes et des densités neuronales différentes au sein de ces régions.

Sur la base de leur modèle, les chercheurs ont découvert que même une légère asymétrie structurelle entraîne une asymétrie dynamique, dans lequel un hémisphère présente des schémas de tir plus synchronisés que l'autre, comme dans un état de chimère. Donc globalement, l'asymétrie structurelle dans le cerveau peut expliquer les mécanismes sous-jacents du sommeil unihémisphérique et l'effet de la première nuit associé, mais de nombreuses questions restent sans réponse.

"Dans les recherches futures, nous prévoyons d'étudier plus en détail l'état du sommeil unihémisphérique dans notre modèle (qui utilise la dynamique sur les connectivités structurelles empiriques du cerveau humain), en ce qui concerne les questions suivantes, " a déclaré Schöll. " Quelles zones des hémisphères du cerveau sont synchronisées, qui ne sont pas? Peut-on identifier une sorte de relais dans le cerveau qui assure la synchronisation entre les différentes zones du cerveau ? Comment une telle synchronisation de relais est-elle liée à la mémoire, ou à l'apprentissage, ou à la perception ? Aussi, nous étudions comment les crises d'épilepsie, qui sont associées à une forte synchronisation spontanée du cerveau, peut être initié et terminé.

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