Sommeil : à l’écoute du cerveau endormi

Chaque nuit, lorsque la lumière s’éteint et que les paupières se ferment, les êtres humains glissent doucement dans le sommeil. Peu à peu, le monde extérieur se dissipe, les muscles se relâchent, la respiration ralentit. Le corps n’a alors plus grand chose de l’activité qu’il avait quelques heures plus tôt, en plein éveil. En raison de cette apparente immobilité, on a longtemps considéré le sommeil comme un simple temps de repos. On sait aujourd’hui que si les êtres humains passent environ un tiers de leur vie à dormir, ça n’est pas un hasard. Cette étape constitue une composante essentielle du fonctionnement de l’organisme, durant laquelle le cerveau est loin de se mettre au repos.

Parce que cette composante est encore trop souvent négligée, elle a droit à son propre événement : tous les ans, au mois de mars, a lieu la Journée mondiale du sommeil, qui sensibilise à l’importance d’avoir une bonne hygiène de sommeil. Selon les recommandations officielles, les adultes ont besoin de dormir entre sept et neuf heures par nuit. La durée optimale demeure toutefois très individuelle. Elle dépend tant de facteurs biologiques que d’autres critères comme l’activité quotidienne. « Un sportif de haut niveau qui s’entraîne vingt heures par semaine a besoin de dormir au moins dix à onze heures », explique Arnaud Boutin, enseignant-chercheur au laboratoire Complexité, innovation, activités motrices et sportives (CIAMS – Univ. Paris-Saclay/Univ. Orléans), qui explore les liens entre le sommeil et la performance sportive.

La quantité ne fait pas tout. Pour bien dormir, il faut aussi s’assurer un sommeil de qualité. « Il existe toute une série de recommandations pour réduire les difficultés de sommeil et augmenter la qualité de ses nuits. » Il s’agit par exemple de maintenir des horaires de lever et de coucher réguliers, d’éviter les repas trop lourds le soir, de se déconnecter des écrans au moins une heure avant le coucher, ou encore de ne pas pratiquer d’activité physique intense dans les heures qui précèdent. « Surtout, il est important d’éviter de rater ce qu’on appelle un train de sommeil», relève l’enseignant-chercheur. Autrement dit, de résister quand le sommeil tape à la porte, souvent autour de 22-23 heures. « Si l’on attend trop, cela nécessite ensuite une latence pour prendre le prochain train. »

Une architecture spécifique divisée en plusieurs phases

L’image du train n’est pas une simple métaphore. Le sommeil présente une architecture bien spécifique et divisée en plusieurs phases. L’endormissement marque l’entrée dans le sommeil. Y succède ensuite une série de cycles – entre quatre et cinq par nuit – de 90 à 120 minutes chacun. Chaque cycle comporte un enchaînement de sommeil lent léger et de sommeil lent profond, suivi d’une phase de sommeil paradoxal ou sommeil REM (Rapid eye movement). Enfin, intervient un temps de latence, durant lequel on se réveille ou prend le train suivant. 

« En analysant le signal électroencéphalo-graphique (EEG), on est capable de dire dans quelle phase de sommeil est le sujet », éclaire Arnaud Boutin. Chaque phase est en effet caractérisée par une activité cérébrale particulière. « Quand on dort profondément, par exemple, les amplitudes du signal sont très importantes, il y a moins d’oscillations par seconde. Avec l’EEG, on arrive à déterminer très précisément le passage d’un stade à un autre. » Les observations montrent que l’architecture évolue au fil des cycles. Durant la première partie de la nuit, il y a bien plus de sommeil profond que dans la seconde. À l’inverse, il y a beaucoup plus de sommeil paradoxal en seconde partie qu’en première. Le sommeil paradoxal est la phase principalement associée aux rêves. Et c’est quand on se réveille durant cette étape que l’on a la faculté de s’en souvenir.

En plus d’avoir une activité cérébrale caractéristique, chaque stade a une fonction. « Le sommeil lent profond a une fonction de récupération », précise l’enseignant-chercheur. « Les deux-trois premières heures de la nuit sont donc très importantes pour les sportifs et sportives qui ont beaucoup besoin de récupérer. » Au cours de cette phase, se produit aussi l’élagage de toutes les informations collectées dans la journée et jugées inutiles. « C’est un peu comme une plage: en fin de journée, il y a plein d’empreintes de pas dans le sable. Puis la mer passe et il ne reste que les plus grosses.»

Cet élagage est crucial pour la mémoire et les neurones impliqués. « Au fil de la journée, les réseaux neuronaux deviennent moins disponibles et la capacité du cerveau à traiter de nouvelles informations diminue. » D’où cette sensation, que tout le monde a déjà vécu, de ne plus être capable d’intégrer une seule information en fin de journée. « On a alors besoin de dormir pour "recharger" les neurones et restaurer leur disponibilité, en faisant de la place. » Faire de la place oui, mais sans effacer l’intégralité des apprentissages de la journée. C’est ici qu’intervient la consolidation.

Des « fuseaux du sommeil » pour réactiver les apprentissages

La consolidation est le processus grâce auquel des souvenirs ou des apprentis-sages sont stockés à long terme dans la mémoire. Or, c’est principalement durant le sommeil qu’intervient le processus. Pour en comprendre le fonctionnement et identifier les structures impliquées, Arnaud Boutin et son équipe s’intéressent spécifiquement au sommeil lent léger, au cours duquel l’activité cérébrale présente des signaux particuliers : les fuseaux du sommeil.

« Ces signaux sont la trace d’une réactivation de la mémoire», éclaire le neuroscientifique. Ils prennent la forme de pics d’activité qui durent entre 300 millisecondes et deux secondes. « Nous avons un modèle qui montre que ces réactivations sont très bien organisées. » Elles sont générées selon une rythmicité précise, toutes les trois à quatre secondes, et sous forme de trains composés de trois à sept réactivations successives. Vient ensuite une période réfractaire – où il ne se passe plus rien – jusqu’à ce qu’un nouveau train apparaisse environ cinquante secondes après. Ces fuseaux ne se produisent par n’importe où. Il a été montré que la réactivation intervient au niveau des mêmes aires cérébrales qui ont été engagées dans l’apprentissage à retenir. « Après un apprentissage, les réseaux neuronaux impliqués se réactivent durant le sommeil, notamment pendant les fuseaux du sommeil: c’est une fenêtre où le cerveau rejoue et consolide ce qui a été appris. » Grâce à ce procédé, les réseaux concernés deviendraient beaucoup plus forts et efficaces pour réactiver l’apprentissage par la suite.

Dans leurs travaux, Arnaud Boutin et ses collègues mettent à l’épreuve ces processus sur des apprentissages moteurs. En 2024, ces scientifiques convient 45 sujets à participer à une étude consistant à apprendre une séquence de mouvement de doigts - « un peu comme jouer du piano » - mais selon des modalités différentes. Une partie des sujets pratique la séquence, une deuxième observe quelqu’un d’autre le faire, et une troisième s’imagine mentalement réaliser la tâche sans la pratiquer. Les participantes et participants dorment ensuite durant une heure et demie. « Sur les EEG enregistrés durant le sommeil, on observe les mêmes signatures de réactivation dans les trois cas: pratique physique, observation et imagerie mentale. En revanche, les réseaux de neurones activés diffèrent selon la modalité de pratique. » En testant les capacités des sujets après avoir dormi, l’étude révèle « que l’on apprend vraiment bien par observation et imagerie mentale », même si la pratique physique conduit à des performances un peu meilleures.

Bien que ces résultats éclairent les processus de réactivation et de consolidation, les mécanismes ne sont pas totale-ment élucidés. L’analyse de l’activité cérébrale indique que les fuseaux du sommeil sont couplés à des oscillations lentes. Or, plus le couplage est bon, plus la réactivation semble efficace. « Chez les personnes âgées, on observe un déphasage entre les fuseaux et les ondes lentes, ce qui conduit à une réactivation moins efficace. » La façon dont ces motifs évoluent avec l’âge est une autre question à laquelle le scientifique s’intéresse dans ses recherches. En collaboration avec une équipe du centre NeuroSpin, il mène actuellement une étude sur le bébé et l’enfant pour savoir comment ces mécanismes se mettent en place avec la maturation cérébrale. « Il n’y a pas de fuseaux chez les bébés de quelques jours. Ils apparaissent à partir de deux mois environ », explique Arnaud Boutin. « L’objectif des futures études est donc de déterminer l’évolution de ces mécanismes de consolidation avec l’âge et la maturation des structures cérébrales. »

Les états du cerveau sous toutes les coutures

À l’Institut des neurosciences Paris-Saclay (NeuroPSI – Univ. Paris-Saclay/CNRS), le sommeil fait aussi travailler les méninges des scientifiques. « L’un de nos axes de travail est de comprendre les mécanismes physiologiques en jeu dans les changements d’état du cerveau », démarre Alain Destexhe, qui dirige l’équipe Neurosciences intégratives et computationnelles. « Lorsque l’on dort dans la phase de sommeil lent profond, on produit des ondes lentes. La question est de savoir comment ces ondes sont générées.»

Pour y répondre, l’équipe d’Alain Destexhe étudie différents modèles et fait appel à plusieurs techniques d’imagerie, en plus de l’EEG. Chez la souris, elle utilise l’imagerie calcique à grand champ (en anglais, Wide-field calcium imaging), qui ouvre une fenêtre sur l’activité du cerveau entier, avec des résolutions spatiale et temporelle meilleures que celles de l’imagerie par résonance magnétique (IRM). À partir des données collectées, l’équipe a aussi recours à la modélisation afin de relier les aspects moléculaires aux aspects émergents du cerveau. « Notre originalité est de combiner les techniques de mesure d’activité expérimentales avec la modélisation et des techniques computationnelles. C’est intéressant parce que cela nous donne la possibilité de tester virtuellement des mécanismes possibles de comment les drogues modifient l’activité cérébrale », confirme le directeur de recherche. Grâce à un cadre computationnel qu’elles et ils ont mis au point, les scientifiques sont capables de modifier certains éléments, tels que des récepteurs synaptiques, et de prédire les changements induits.

Cette approche est utilisée pour étudier les différences cérébrales entre les états d’éveil, de sommeil et sous anesthésie. « L’état sous anesthésie et le sommeil diffèrent grandement par leurs mécanismes d’induction », souligne Alain Destexhe. Le sommeil est induit par des molécules, appelées neuromodulateurs, qui sont naturellement présentes dans le corps, telles que l’acétylcholine, la noradrénaline ou la sérotonine. Par la baisse progressive de leur production, ces molécules incitent le système à passer dans un mode d’ondes lentes. L’anesthésie, en revanche, est induite par des molécules extérieures qui se logent dans des récepteurs distincts de ceux des neuromodulateurs, mais qui provoquent un effet similaire sur l’activité globale. « Quand il y a stimulation de ces récepteurs, le cerveau déconnecte complètement vers une dynamique d’ondes lentes. » Dans une étude publiée en 2025, l’équipe illustre justement son approche computationnelle, en simulant les mécanismes moléculaires à l’œuvre dans l’anesthésie générale. En plus de reproduire les observations expérimentales, la simulation met en évidence un type d’activité neuronale similaire dans les phases de transition vers l’anesthésie et vers le sommeil.

Les deux états présentent néanmoins d’autres similitudes. « Durant le sommeil comme sous anesthésie, l’activité cérébrale suit la connectivité. Cela signifie que les aires cérébrales qui se synchronisent sont souvent celles qui sont connectées. Or, ce n’est pas du tout le cas dans l’éveil. Très souvent, des aires se synchronisent alors qu’elles n’échangent aucune connexion. » En explorant les différents états - sommeil, veille et sous anesthésie -, expérimentalement et avec la modélisation, l’équipe espère mieux comprendre leur structure fine et la succession des états cérébraux.

Améliorer son sommeil grâce à la musique des ondes lentes

Explorer l’activité cérébrale a conduit Alain Destexhe à s’aventurer sur un autre terrain plus inattendu, où les ondes lentes se transforment en une musique pour dormir. « L’idée est venue par accident, il y a quelques années », se souvient-il. À cette époque, « avec un collègue, on s’est amusé  à créer de la musique à partir de l’activité cérébrale. » Sur des enregistrements humains, le duo récupère l’activité du sommeil qu’il utilise ensuite pour déclencher des sons. De ce passe-temps, naissent diverses musiques électroniques mises en ligne sur Internet. Jusqu’à ce qu’un voyage en avion de douze heures vers San Francisco ouvre de nouvelles perspectives.

Ce jour-là, Alain Destexhe profite du vol pour écouter des essais de musique réalisés avant de partir. Il s’avère que les séquences sont cette fois-ci composées  à partir des ondes lentes du scientifique lui-même, qui s’est enregistré dans son sommeil. Alors que celui-ci a normalement beaucoup de mal à dormir en avion, il ne voit pas grand-chose de son vol. Au retour, la même chose se produit, « je réécoute les musiques et je m’endors de nouveau. » Revenu en France, « je dis à mon collègue qu’il y a quelque chose d’intéressant à creuser. » Le duo n’a pas de mal à trouver des sujets partants pour tenter l’expérience au sein du laboratoire.

En 2023, les recherches aboutissent à la création d’une start-up, myWaves, qui commercialise un dispositif pour enregistrer son activité cérébrale nocturne et la transformer en musique pour dormir. Parallèlement, Alain Destexhe entame, en collaboration avec des chercheurs du Centre du sommeil et de la vigilance de l’Hôtel-Dieu, à Paris, un essai clinique pour évaluer les effets du concept. L’étude, publiée en 2025, est menée sur treize patientes et patients souffrant d’insomnie chronique, sur lesquels sont testées différentes séquences musicales : l’une est créée à partir de leurs ondes lentes, tandis que l’autre constitue une séquence placebo non personnalisée. « La musique dure trente minutes. L’idée est que les sujets se mettent au lit, éteignent la lumière et écoutent la musique avant de dormir », détaille le neurobiologiste.

L’essai est renouvelé durant cinq nuits, pendant lesquelles l’activité cérébrale des sujets est enregistrée. À l’issue du protocole, une nette différence apparaît entre les séquences. « On voit clairement l’effet de la personnalisation sur la structure du sommeil », éclaire le directeur de recherche, pour qui ça n’est pas une surprise. « Chacun a sa façon propre de générer des ondes lentes. Des études ont même montré que l’activité cérébrale durant le sommeil est tellement personnalisée qu’elle peut servir comme carte d’identité. » Les effets sur le sommeil des individus, en revanche, sont plus surprenants.

Trente minutes qui influencent la totalité du sommeil

« On s’attendait à ce que la musique personnalisée ait un effet sur les ondes lentes et le sommeil lent. Mais pas du tout. » Les résultats montrent des effets sur la totalité du sommeil et notamment une augmentation du sommeil REM. « Le fait que cette phase arrive plus vite est une indication d’un meilleur sommeil », éclaire Alain Destexhe. D’autant plus pour des personnes souffrant d’insomnie chronique, qui perturbe largement la structure du sommeil. À cet effet sur la phase REM, s’ajoutent une baisse de la durée d’endormissement et une augmentation significative de la durée de sommeil.

Comment cette musique agit-elle ?  La question est complexe. « Nous n’avons aucune idée des mécanismes en jeu », reconnaît le scientifique. « Mais nous avons des hypothèses. » L’une d’elles prend en compte la spécificité du cortex auditif. L’audition est en effet le seul sens à posséder une connexion directe avec les centres du tronc cérébral qui régulent le sommeil. « La raison à cela est très simple, c’est une question de survie. Si l’on entend un bruit de prédateur durant la nuit, il faut être capable de se réveiller immédiatement. » L’hypothèse suppose que la musique des ondes lentes profiterait de cette connexion pour faire l’inverse : induire le sommeil par le son. Une autre théorie avance que la musique simulerait en quelque sorte la phase de sommeil lent et ferait ainsi venir le sommeil REM plus vite.

Quoi qu’il en soit, la musique des ondes lentes a déjà commencé à tracer son chemin, selon Alain Destexhe, qui a notamment été contacté par plusieurs centres du sommeil à travers le monde. L’agence spatiale américaine (NASA) s’est aussi montrée intéressée pour aider ses astronautes qui peinent souvent à dormir dans la Station spatiale internationale (ISS), où les cycles jour/nuit durent seulement une heure et demie. Après avoir testé la fonction nuit du dispositif de myWaves, reste encore à l’équipe de tester la fonction sieste qui propose, elle, une musique de quinze minutes, « se terminant par des chants d’oiseaux pour réveiller ».

La sieste et ses bienfaits sous-estimés

Lorsque l’on parle de sommeil, on considère souvent le repos nocturne.  De plus en plus d’études mettent pourtant en avant les bienfaits sous-estimés de la sieste. Au CIAMS, la plupart des travaux menés par Arnaud Boutin se font en intégrant des siestes au protocole. « Même si la sieste n’est pas exactement équivalente à une nuit de sommeil, elle mobilise des mécanismes très similaires et peut soutenir la consolidation des apprentissages.» « Piquer un somme » après un apprentissage serait ainsi un excellent moyen de le consolider et de réduire le risque qu’il interfère avec d’autres connaissances acquises dans la journée.

Mais toutes les siestes ne se valent pas. « En fonction de la durée, ce n’est pas la même chose », confirme Arnaud Boutin. « Une sieste très courte de quinze-vingt minutes est idéale pour améliorer la concentration, la vigilance et l’énergie. » En revanche, elle n’a pas d’efficacité sur la consolidation et la mémoire. Il faut pour cela passer à une heure de sieste ou plus. Quant à l’entre-deux, mieux vaut l’éviter, selon l’enseignant-chercheur. « Une sieste de trente-quarante minutes peut provoquer une inertie du sommeil, surtout si l'on entre en sommeil profond. Cette sensation peut durer de quelques minutes à une trentaine de minutes, parfois plus selon les individus. » En d’autres termes, bien faire la sieste, ça s’apprend. Y compris chez les sportifs et sportives de haut niveau. « On intègre de plus en plus les siestes dans les routines sportives, parce que c’est un sommeil qui est récupérateur.» 

C’est d’ailleurs l’une des stratégies employées par le neuroscientifique et ses collègues dans une étude récemment menée sur 36 rugbymans professionnels. Selon l’analyse réalisée, 34 d’entre eux dorment moins de huit heures par nuit et 22 sont considérés comme de « mauvais dormeurs ». « L’objectif est de voir comment un programme d’hygiène du sommeil, incluant différentes recommandations [dont l’intégration de siestes dans la journée], allonge et améliore les périodes de sommeil. » Un mois après leur intervention, plus de 90 % des athlètes continuent de suivre au moins l’une des recommandations. Et dix-neuf d’entre eux déclarent faire des siestes régulières.

Entre recherche fondamentale et appliquée, l’étude du sommeil met en lumière toute la complexité du cerveau, tout en posant les bases de connaissances essentielles pour éclairer cette parenthèse cruciale de la santé humaine. Humaine, mais pas que. « Des études ont montré qu’il existe du sommeil lent et REM chez le dragon [un reptile australien], c’est incroyable ! », réagit Alain Destexhe. Alors que la fonction de la phase REM reste très énigmatique, le sommeil n’a visiblement pas fini de nourrir les songes des scientifiques. 

Références :

• Conessa et al., Sleep-related motor skill consolidation and generalizability after physical practice, motor imagery, and action observation, iScience, 2023.
• Sacha et al., A computational approach to evaluate how molecular mechanisms impact large-scale brain activity, Nature computational science, 2025.
• Montagni et al. Mapping brain state-dependent sensory responses across the mouse cortex. iScience, 2024.
• Aloulou et al., Listening to the sound of your own brain waves enhances sleep quality and quantity, Sleep Medicine, 2025.
• Goldberg et al., Enhancing sleep in professional rugby players: Observation and sleep interventions, Journal of Sports Sciences, 2024.