Le sommeil débarrasse le cerveau des toxines et des métabolites

Une étude récente publiée dans la revue Nature Neuroscience a révélé que le nettoyage du cerveau est réduit pendant l’anesthésie et le sommeil.

Le sommeil est un état d'inactivité vulnérable. Compte tenu des risques liés à cette vulnérabilité, certains chercheurs ont suggéré que le sommeil pourrait apporter certains bienfaits. Il a été suggéré que le sommeil élimine les toxines et les métabolites du cerveau via le système glymphatique. Cette suggestion a des implications importantes; par exemple, une élimination réduite des toxines due à un sommeil de mauvaise qualité chronique pourrait aggraver la maladie d'Alzheimer.

Les mécanismes et les voies anatomiques par lesquels les toxines et les métabolites sont éliminés du cerveau restent flous. Selon l'hypothèse glymphatique, le flux liquidien basal, régulé par les gradients de pression hydrostatique liés aux pulsations artérielles, élimine activement les sels du cerveau pendant le sommeil lent profond. De plus, des doses sédatives d'anesthésiques améliorent l'élimination. On ignore encore si le sommeil favorise l'élimination par augmentation du flux basal.

Dans cette étude, les chercheurs ont mesuré le mouvement des fluides et la clairance cérébrale chez la souris. Ils ont d'abord déterminé le coefficient de diffusion de l'isothiocyanate de fluorescéine (FITC)-dextran, un colorant fluorescent. Le FITC-dextran a été injecté dans le noyau caudé et la fluorescence a été mesurée dans le cortex frontal.

Les premières expériences consistaient à attendre l'état stationnaire, à blanchir le colorant dans un petit volume de tissu et à déterminer le coefficient de diffusion en mesurant la vitesse de déplacement du colorant non blanchi dans la zone blanchie. La technique a été validée en mesurant la diffusion du FITC-dextran dans des gels d'agarose simulant le cerveau, modifiés pour reproduire approximativement l'absorption optique et la diffusion de la lumière cérébrale.

Les résultats ont montré que le coefficient de diffusion du FITC-dextran ne différait pas entre l'état anesthésié et l'état de sommeil. L'équipe a ensuite mesuré la clairance cérébrale à différents stades d'éveil. Elle a utilisé un faible volume du colorant fluorescent AF488 chez des souris auxquelles on a injecté une solution saline ou un anesthésique. Ce colorant se déplaçait librement dans le parenchyme et pouvait aider à quantifier avec précision la clairance cérébrale. Des comparaisons ont également été effectuées entre l'état d'éveil et l'état de sommeil.

Aux concentrations maximales, la clairance était de 70 à 80 % chez les souris traitées par solution saline, ce qui indique que les mécanismes normaux de clairance n'étaient pas altérés. Cependant, la clairance était significativement réduite lors de l'utilisation d'anesthésiques (pentobarbital, dexmédétomidine et kétamine-xylazine). De plus, la clairance était également réduite chez les souris endormies par rapport aux souris éveillées. Cependant, le coefficient de diffusion n'était pas significativement différent entre les états anesthésié et endormi.

A. Trois ou cinq heures après l'injection d'AF488 dans le CPu, les cerveaux ont été congelés et découpés en cryosections de 60 μm d'épaisseur. L'intensité moyenne de fluorescence de chaque section a été mesurée par microscopie à fluorescence; les intensités moyennes de groupes de quatre sections ont ensuite été moyennées.

B. L'intensité moyenne de fluorescence a été convertie en concentration à l'aide des données d'étalonnage présentées dans la figure supplémentaire 1 et tracée en fonction de la distance antéropostérieure du point d'injection pour les états d'éveil (noir), de sommeil (bleu) et d'anesthésie KET-XYL (rouge). En haut se trouvent les données à 3 heures. En bas se trouvent les données à 5 heures. Les lignes représentent les ajustements gaussiens aux données et les barres d'erreur indiquent les intervalles de confiance à 95 %. À 3 et 5 h, les concentrations de KET-XYL pendant l'anesthésie (p < 10⁻⁶ à 3 h; p < 10⁻⁶ à 5 h) et le sommeil (p = 0,0016 à 3 h; p < 10⁻⁴ à 5 h) étaient significativement plus élevées que celles pendant l'état de veille (ANOVA à deux facteurs avec correction de comparaison multiple de Bonferroni-Holm).

C. Images représentatives de sections cérébrales à différentes distances (antéropostérieures) du site d'injection d'AF488 après 3 heures (trois rangées supérieures) et après 5 heures (trois rangées inférieures). Chaque rangée représente les données pour trois états d'éveil (éveil, sommeil et anesthésie au KET-XYL).

L'étude a révélé une diminution de la clairance cérébrale pendant l'anesthésie et le sommeil, ce qui contredit les rapports précédents. La clairance peut varier selon les sites anatomiques, mais le degré de variation peut être faible. Cependant, l'inhibition de la clairance par la kétamine-xylazine était significative et indépendante du site.

Nicholas P. Franks, l'un des auteurs de l'étude, a déclaré: « Le domaine de la recherche s'est tellement concentré sur l'idée du nettoyage comme l'une des principales raisons pour lesquelles nous dormons que nous avons été très surpris par les résultats opposés. »

Il est particulièrement important de noter que ces résultats concernent un faible volume de colorant se déplaçant librement dans l'espace extracellulaire. Des molécules plus grosses pourraient avoir un comportement différent. De plus, les mécanismes précis par lesquels le sommeil et l'anesthésie affectent la clairance cérébrale restent flous; cependant, ces résultats remettent en question l'idée selon laquelle la fonction première du sommeil est de purifier le cerveau des toxines.