Des chercheurs états-uniens, en collaboration avec des confrères chinois, viennent de mettre en évidence la biologie d'un vieil adage : dormir bien pour apprendre bien. Ils ont observé, chez la souris, que le sommeil favorise la formation et le maintien de connexions entre neurones, clés de la mémoire.

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© Benedict Campbell, Wellcome Images, cc by nc nd 4.0
Les souris ayant dormi après leur formation conservent les épines dendritiques qui connectent les neurones entre eux, jusqu’à plusieurs jours après l’apprentissage. Même après l’assimilation d’autres tâches. Cela suggère donc que le sommeil intervient dans la mémorisation à long terme.
L'apprentissage et la mémoire reposent sur l'extraordinaire plasticité du cerveau, cette capacité qu'ont les neurones de former de nouvelles connexions entre eux par l'intermédiaire de synapses. Comme l'explique Alain Lieury dans son dossier consacré à la mémoire, « avant l'apprentissage, les dendrites des neurones sont simples, comme des racines d'une fleur que vous venez de planter ». L'apprentissage entraîne « des duplications d'épines dendritiques jusqu'à un système très dense, comme des racines d'une plante envahissant tout un pot. Et ce sont ces connexions durables qui font la mémoire à long terme. »

Ce sont ces épines dendritiques, protubérances sur les bras des cellules postsynaptiques, qui interpellent les chercheurs du NYU Medical Langone Center. Ils ont scruté le cortex moteur de souris, avant et après leur avoir enseigné un numéro d'acrobate : avancer sur une tige filetée en rotation sur elle-même. L'augmentation observée du nombre d'épines dendritiques se formant sur les neurones est le reflet de l'apprentissage de cette nouvelle tâche.

De notoriété publique, le sommeil semble conforter l'apprentissage. « Si vous ne dormez pas bien, vous n'apprendrez pas bien », assène Wenbiao Gan, principal auteur de ces travaux publiés dans Science. Mais quel mécanisme biologique est responsable de ce phénomène ? Pour apporter une réponse, les scientifiques ont modifié le sommeil des équilibristes murins, juste après apprentissage. Un premier groupe travaille pendant une heure, puis se repose pendant sept. Le second, quant à lui, ne peut dormir à la suite de l'exercice. Il s'avère que le nombre d'épines dendritiques formées varie d'une équipe à l'autre : les souris fatiguées présentent moins de connexions entre les neurones que les souris ayant dormi.
Les épines apparaissent en vert le long des bras dendritiques, en rouge, du neurone.
© Kenneth Young, Journal of Cell Biology
Les épines apparaissent en vert le long des bras dendritiques, en rouge, du neurone. Six heures après l’apprentissage, le nombre d’épines dendritiques est bien supérieur à celui du cerveau d’une souris qui n’a rien appris.
L'effet du manque de sommeil est irréversible

Les scientifiques se sont ensuite demandé quel effet aurait un sommeil de 16 heures après la séquence de repos interdite aux souris du second groupe. Réponse : le nombre d'épines dendritiques formées n'atteint pas celui des souris ayant dormi juste après leur formation. Les chercheurs constatent le même type de résultats en entraînant deux fois plus les souris fatiguées. Rien ne vaut le sommeil... Et notamment le sommeil profond, cette phase pendant laquelle le cerveau est traversé d'ondes lentes. Pendant cette période, les neurones du cortex moteur, précédemment sollicités par l'acquisition de l'exercice, sont réactivés et revivent l'activité apprise avant l'endormissement. Les nouvelles synapses sont consolidées. En perturbant le sommeil profond des souris, les scientifiques ont mis en évidence que les connexions neuronales diminuent, compromettant la mémorisation de la tâche.

Pour faire la lumière sur ce processus, les souris utilisées par Wenbiao Gan et ses collègues étaient génétiquement modifiées de façon à exprimer une protéine fluorescente dans les neurones. Grâce à la technique de microscopie à deux photons, les scientifiques ont ainsi pu voir la croissance des épines sur différentes branches de dendrites. Selon la compétence à acquérir - marcher ou reculer sur la tige - ces excroissances communicantes ne se développent pas sur les mêmes bras du neurone. Chaque apprentissage produit des changements structurels spécifiques dans le cerveau. Du moins, chez la souris et seulement si elle dort après sa formation !