Une étude israélienne retrace le rôle du sommeil sur des millions d’années d’évolution

Les humains ne sont pas les seules créatures qui ont besoin de dormir.

Une étude évaluée par des pairs, menée par des chercheurs de l’Université Bar-Ilan, montre que le sommeil est un processus ancien, profondément enraciné dans l’histoire évolutive, et qu’il constitue un mécanisme essentiel à la survie, même chez les méduses et les anémones de mer, qui comptent parmi les animaux les plus anciens apparus sur Terre.

Le professeur Lior Appelbaum, dont le laboratoire est spécialisé en neurosciences, et le professeur Oren Levy, qui dirige un laboratoire de biologie marine, expliquent que même des organismes dépourvus de cerveau présentent des phases assimilables au sommeil, nécessaires à la protection des cellules nerveuses – les neurones – contre les dommages de l’ADN et le stress cellulaire accumulé au cours de l’activité quotidienne.

« Dans nos travaux antérieurs, nous nous étions déjà intéressés à la fonction du sommeil. Cette étude montre à quel point il est fondamental, au point d’avoir été conservé tout au long de l’évolution du règne animal », explique Appelbaum dans un entretien vidéo conjoint avec Levy pour le Times of Israel.

Chez l’être humain, les troubles du sommeil sont associés à des déficits de la mémoire et à un risque accru de maladies neurodégénératives, telles que la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson.

« Le mécanisme de réparation et de maintenance des neurones pendant le sommeil, observé chez les méduses et les anémones de mer, est profondément inscrit dans l’histoire évolutive », précise Appelbaum. « Cela pourrait expliquer pourquoi le sommeil est si crucial chez l’être humain. »

Les docteurs Raphael Aguillon et Amir Harduf, tous deux chercheurs à l’université Bar-Ilan, ont également contribué à cette étude, publiée récemment dans la revue scientifique Nature Communications.

Dormir à ses risques et périls

Le sommeil est indispensable aux êtres humains, aux animaux terrestres comme aux organismes marins, même s’il n’est pas dénué de risques.

« Le sommeil a, en apparence, peu de sens du point de vue de la survie », explique Appelbaum, dans la mesure où les organismes endormis ne sont pas conscients de leur environnement et deviennent plus vulnérables aux attaques de prédateurs. Malgré cela, le besoin de dormir l’emporte sur ces dangers inhérents.

Dans le cadre de recherches antérieures, Appelbaum a étudié le poisson-zèbre et a découvert que les neurones accumulent des lésions de l’ADN lorsque l’animal est éveillé.

Ces dommages peuvent provenir de multiples sources, notamment l’activité neuronale normale, le métabolisme cellulaire, le stress oxydatif et même l’exposition aux radiations.

Le sommeil correspond à « la phase hors ligne, durant laquelle les animaux effectuent ce travail de réparation », précise Appelbaum.

Alors que ses travaux précédents portaient sur l’impact des troubles du sommeil, et du sommeil lui-même, sur les performances cérébrales, Appelbaum s’est interrogé sur la nécessité du sommeil chez des animaux dépourvus de cerveau.

« L’hypothèse était que le neurone, même isolé, a besoin de sommeil », explique-t-il. « Ainsi, qu’il se trouve chez le poisson-zèbre, la méduse ou l’être humain, le neurone nécessite des périodes de repos. »

Animaux anciens

Les chercheurs ont choisi d’étudier deux cnidaires, des animaux aquatiques comprenant notamment les méduses et les anémones de mer, apparus il y a plus de 500 millions d’années.

Ces organismes simples ne possèdent ni tête ni cerveau. Ils sont dotés, en revanche, d’un réseau nerveux diffus, réparti dans l’ensemble de leur corps.

Levy a élevé plusieurs spécimens de méduses Cassiopea andromeda et d’anémones de mer dans ses aquariums de recherche. Les scientifiques ont également observé ces animaux dans leur habitat naturel, à Eilat.

« Il s’agit de certains des tout premiers animaux à avoir développé un système nerveux », souligne Appelbaum.

La méduse Cassiopea andromeda, aussi appelée « méduse à l’envers », se contracte de façon rythmique afin de faire circuler l’eau dans ses bras, ce qui lui permet à la fois de respirer et de se nourrir. Bien qu’elle soit dépourvue de cerveau, son réseau nerveux lui permet de répondre aux stimuli de l’environnement, de coordonner ses mouvements et d’assurer ses fonctions vitales.

Les Cassiopea andromeda dorment principalement la nuit et font de courtes siestes pendant la journée.

L’anémone de mer étudiée par les chercheurs porte le nom scientifique Nematostella vectensis, également appelée anémone de mer étoilée.

Elle a un long corps ressemblant à un ver et se trouve dans les lagunes boueuses ou sablonneuses.

Contrairement aux méduses, cette anémone est surtout active à l’aube et au crépuscule. Elle dort généralement durant les heures matinales.

Grâce à un suivi vidéo infrarouge combiné à une analyse comportementale fine, les chercheurs ont observé que les méduses comme les anémones de mer dorment environ huit heures par jour, une durée comparable au temps de sommeil moyen chez l’être humain.

« Nous avons été les premiers à définir le sommeil chez l’anémone de mer », explique Levy. « Personne n’avait jamais montré une anémone de mer endormie, un animal qui bouge déjà très peu. »

Plus l’ADN est endommagé, plus le besoin de sommeil augmente

Les scientifiques ont constaté que, chez ces deux espèces, les lésions de l’ADN s’accumulent durant les phases d’éveil et diminuent pendant le sommeil. Lorsque les animaux étaient maintenus éveillés de force, entraînant une augmentation des dommages à l’ADN, ils compensaient ensuite par des périodes de sommeil plus longues.

Cette réponse est connue sous le nom de repos compensatoire : un mécanisme permettant à l’organisme de récupérer le sommeil perdu. Chez les méduses comme chez les anémones de mer, ce repos compensatoire a contribué à réduire les niveaux élevés de dommages à l’ADN dans les neurones.

Les chercheurs ont également testé l’hypothèse inverse, en provoquant artificiellement une augmentation des lésions de l’ADN. Exposés à des rayonnements ultraviolets ou à un agent chimique génotoxique, les animaux ont réagi en dormant davantage.

À l’inverse, lorsque le sommeil était favorisé par l’administration de mélatonine, les niveaux de dommages à l’ADN diminuaient. Ces résultats montrent une relation bidirectionnelle : les lésions de l’ADN accroissent le besoin de sommeil, tandis que le sommeil contribue à réparer ces dommages.

Ces résultats suggèrent que l’une des fonctions premières du sommeil était de protéger les neurones du stress quotidien et des lésions de l’ADN. Cette fonction vitale et fondamentale serait apparue très tôt au cours de l’évolution animale et aurait été jugée suffisamment essentielle pour être conservée à mesure que des cerveaux plus complexes ont émergé.

L’étude a également révélé des différences intéressantes dans la régulation du sommeil chez ces deux espèces. Chez l’une comme chez l’autre, le besoin de sommeil s’accumule avec le temps : plus l’animal reste éveillé, plus son besoin de dormir augmente.

Chez les méduses, le sommeil est principalement synchronisé avec le cycle lumière-obscurité, du jour et de la nuit. Chez les anémones de mer, en revanche, il dépend davantage de leur horloge circadienne interne, qui régule les rythmes biologiques indépendamment des variations de lumière.

Malgré ces différences, les deux animaux dépendent du sommeil pour réduire les lésions de l’ADN et le stress cellulaire, que ce sommeil soit guidé par la lumière solaire ou par leur horloge interne.

Le professeur Yuval Nir, directeur du Sagol Brain Institute de l’hôpital Sourasky de Tel Aviv et professeur de neurosciences et d’ingénierie biomédicale à l’université de Tel Aviv, qui n’a pas participé à l’étude, estime que ces résultats « suggèrent que l’une des toutes premières raisons évolutives du sommeil était de protéger et de maintenir le génome, y compris dans les systèmes nerveux les plus simples ».

Il ajoute que cette recherche pourrait avoir « des implications importantes pour le vieillissement humain et les maladies neurodégénératives ».

« Lorsque le sommeil est perturbé, explique Nir, améliorer sa qualité pourrait contribuer à ralentir le déclin cognitif et moteur. »

« À la recherche des éponges »

Les chercheurs ont également indiqué qu’ils souhaitaient comprendre comment les animaux décident quand il est temps de dormir, puisqu’ils n’ont pas de parents pour leur dire qu’il est l’heure d’aller se coucher.

« Quel est le mécanisme qui pousse un animal à s’endormir ? », s’interroge Levy. « Grâce à cette étude, nous comprenons mieux comment une cellule unique peut signaler à l’organisme tout entier qu’il est temps de changer d’état et d’entrer en sommeil. »

Appelbaum précise qu’il compte désormais étendre ses recherches aux éponges.

Les éponges sont des animaux extrêmement simples, si simples que, pendant longtemps, elles ont été considérées comme des plantes. Elles ne possèdent pas de système nerveux, mais sont constituées d’un ensemble de cellules soutenues par un squelette interne.

« Elles n’ont pas de neurones, explique Appelbaum, et nous nous demandons s’il existe une fonction du sommeil qui ne soit pas liée aux neurones, mais aux cellules elles-mêmes. »

Selon lui, le sommeil pourrait être associé à un ralentissement du métabolisme, à une diminution du stress cellulaire et à des mécanismes de réparation, y compris chez des organismes totalement dépourvus de terminaisons nerveuses.

« Tous les animaux ont besoin, à un moment ou à un autre, de se reposer », conclut Appelbaum.