Stimuler avec des sons le cerveau endormi

Examiner l’influence des sons pendant le sommeil sur la consolidation de la mémoire.

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Article :

Au Coffey Lab de l’Université Concordia à Montréal, des chercheuses et chercheurs étudient actuellement comment le cerveau consolide la mémoire pendant le sommeil, en diffusant des sons. Présentés à des moments précis durant le sommeil, ces sons visent à moduler l’activité de certains événements cérébraux impliqués dans la mémoire, afin de mieux comprendre leur rôle.

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Après une journée intense en cours, Amanda, une étudiante, s’endort profondément, entrant dans un état de conscience modifié. Son cerveau reste cependant actif pendant son sommeil et participe à la mémorisation de ses cours : il trie et réorganise ce qui a été appris dans la journée. Pour Amanda, la possibilité d’agir directement sur ces processus de mémorisation pourrait amplifier la consolidation de ses apprentissages. Pour ses grands-parents, parvenir à moduler la mémoire durant le sommeil constituerait une approche prometteuse pour lutter contre les effets du vieillissement cérébral.

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Stimuler les fuseaux du sommeil

Les fuseaux du sommeil sont des ondes cérébrales rapides et de courte durée survenant pendant le sommeil lent. En se synchronisant avec d’autres oscillations cérébrales du sommeil, les fuseaux participeraient à la coordination entre l’hippocampe (zone cérébrale impliquée dans la formation des souvenirs récents) et le cortex (ensemble des régions cérébrales impliquées dans les fonctions cognitives supérieures). Ces interactions contribueraient à réorganiser les souvenirs récemment formés et à les intégrer dans la mémoire à long terme [1].

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Il a été démontré, à l’aide d’outils d’intelligence artificielle, que les fuseaux du sommeil contiennent des informations sur les éléments appris avant l’endormissement [2]. Ces travaux suggèrent que les fuseaux contribuent à la réactivation de la mémoire, un processus au cours duquel les expériences récemment encodées sont rejouées afin de les consolider [3]. Moduler les fuseaux du sommeil de façon contrôlée permettrait de déterminer s’ils sont directement impliqués dans la consolidation de la mémoire. Mais comment s’y prendre?

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Pendant le sommeil, le cerveau n’est pas totalement coupé du monde extérieur et continue de traiter des informations auditives. Ainsi, les sons constituent une intervention non invasive permettant d’agir sur l’activité cérébrale. Voilà la clé! Deux approches récentes exploitent cette sensibilité aux sons pour intervenir de manière ciblée : la réactivation ciblée de la mémoire et la stimulation auditive en boucle fermée.

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La réactivation ciblée de la mémoire consiste à associer un son à un apprentissage, puis rejouer ce son pendant le sommeil pour encourager le cerveau à raviver cet apprentissage [4]. Cette approche s’appuie sur le fait que, au cours de la nuit, le cerveau réactive spontanément les souvenirs récents afin de les consolider. En présentant de nouveau le son associé à l’apprentissage, les scientifiques cherchent à orienter ou à renforcer ce processus naturel. Plusieurs études suggèrent que cette méthode peut améliorer certains apprentissages, comme mieux retenir une liste de mots, mieux mémoriser la position d’objets [5], rejouer plus facilement une mélodie apprise au piano [6].

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La stimulation auditive en boucle fermée repose quant à elle sur la présentation d’un son synchronisé avec un événement cérébral précis, ce qui permet d’influencer l’activité cérébrale. Introduite en 2013 par Ngo et ses collègues [7], cette technique a d’abord été utilisée pour cibler les oscillations lentes, une activité du sommeil lent profond, caractérisée par un rythme plus lent que les fuseaux du sommeil et liée à la consolidation de la mémoire. En 2022, le Coffey Lab a collaboré au développement d’un outil de stimulation auditive en boucle fermée basé sur l’intelligence artificielle, qui permet de détecter et de stimuler avec précision les fuseaux du sommeil [8]. L’équipe a montré que lorsqu’un son court est synchronisé avec l’apparition d’un fuseau, il peut déclencher d’autres fuseaux [9]. Si ces fuseaux générés par le son comportaient les mêmes fonctions que les fuseaux naturels, ils pourraient offrir un levier prometteur pour renforcer la mémoire.

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Afin de répondre à cette question, l’équipe du Coffey Lab s’intéresse à combiner ces deux approches pour cibler les fuseaux du sommeil. Plus précisément, les participant.e.s réalisent une tâche de mémoire associant des paires de mots ; certaines de ces paires sont associées à des sons spécifiques. Pendant le sommeil, ces sons sont rejoués pour réactiver de manière ciblée les informations apprises. Après le sommeil, les participant.e.s réalisent à nouveau la même tâche de mémoire. L’équipe cherche à évaluer comment le cerveau répond aux sons. Pour cela, l’activité cérébrale est enregistrée pendant le sommeil par électroencéphalographie, une technique de neuro-imagerie non invasive permettant de mesurer les signaux électriques du cerveau grâce à des électrodes placées sur le cuir chevelu. L’équipe explore également si ces stimulations auditives peuvent renforcer la mémorisation des paires de mots qui leur sont associées, en comparant les performances avant et après le sommeil [8].

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Retombées potentielles

Actuellement, les travaux de l’équipe de recherche sont menés chez de jeunes adultes en bonne santé. Si la stimulation des fuseaux du sommeil par des sons s'avère efficace pour améliorer la mémorisation, cette approche pourrait ouvrir la voie à des interventions thérapeutiques non invasives, notamment pour les personnes présentant des troubles de la mémoire.

Références

1. Diekelmann, S. et Born, J. (2010). The memory function of sleep. Nature Reviews Neuroscience, 11(2), 114-126. https://doi.org/10.1038/nrn2762

2. Schönauer, M., Alizadeh, S., Jamalabadi, H., Abraham, A., Pawlizki, A. et Gais, S. (2017). Decoding material-specific memory reprocessing during sleep in humans. Nature Communications, 8(15404), 1-9. https://doi.org/10.1038/ncomms15404

3. Wilson, M. A. et McNaughton, B. L. (1994). Reactivation of hippocampal ensemble memories during sleep. Science, 265(5172), 676-679. https://doi.org/10.1126/science.8036517

4. Hu, X., Cheng, L. Y., Chiu, M. H. et Paller, K. A. (2020). Promoting memory consolidation during sleep: A meta-analysis of targeted memory reactivation. Psychological Bulletin, 146(3), 218-244. https://doi.org/10.1037/bul0000223

5. Wang, B., Antony, J. W., Lurie, S., Brooks, P. P., Paller, K. A. et Norman, K. A. (2019). Targeted Memory Reactivation during Sleep Elicits Neural Signals Related to Learning Content. The Journal of Neuroscience, 39(34), 6728-6736. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2798-18.2019

6. Antony, J. W., Gobel, E. W., O'Hare, J. K., Reber, P. J. et Paller, K. A. (2012). Cued memory reactivation during sleep influences skill learning. Nature Neuroscience, 15(8), 1114-1116. https://doi.org/10.1038/nn.3152

7. Ngo, H. V., Martinetz, T., Born, J. et Mölle, M. (2013). Auditory closed-loop stimulation of the sleep slow oscillation enhances memory. Neuron, 78(3), 545-553. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2013.03.006

8. Valenchon, N., Bouteiller, Y., Jourde, H. R., L'Heureux, X., Sobral, M., Coffey, E. B. J. et Beltrame, G. (2022). The Portiloop: A deep learning-based open science tool for closed-loop brain stimulation. PLOS One, 17(8) 1-20. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0270696

9. Jourde, H. R., Sobral, M., Beltrame, G. et Coffey, E. B. J. (2025). Neurophysiological effects of targeting sleep spindles with closed-loop auditory stimulation. Sleep Advances, 6(2), 1-11. https://doi.org/10.1093/sleepadvances/zpaf007