Comment le cerveau « suggère » la fatigue: dynamique de l'IRMf pendant l'endormissement

Une étude menée par l'équipe du professeur II Gaez de l'Université de Californie du Sud (USC), publiée dans iScience, démontre de nouveaux marqueurs de neuroimagerie objectifs qui peuvent détecter l'apparition de la somnolence à un stade précoce - avant qu'une personne ne soit complètement endormie.

Tâche et pertinence

Le micro-sommeil et la perte momentanée de l'attention sont à l'origine de centaines d'accidents de la route et de blessures professionnelles. Jusqu'à présent, il était difficile de prédire le moment exact de l'endormissement à l'aide de questionnaires subjectifs ou d'un électroencéphalogramme. Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à déterminer s'il était possible de détecter le début de la période d'endormissement (POS) par des modifications du signal BOLD en IRM fonctionnelle.

Pourquoi est-ce important?

• Diagnostic précoce de la fatigue. L'identification de neurocartes précises contribue au développement de méthodes de surveillance des conducteurs et des opérateurs, prévenant ainsi les accidents dus au micro-sommeil.
• Recherche sur le sommeil. La dynamique des oscillations lentes BOLD pourrait devenir un biomarqueur objectif de l'apparition du SOP, complétant les tests psychologiques et électrophysiologiques.
• Neuromodulation: cibler le thalamus ou les réseaux d’attention avec la neurostimulation pourrait prolonger l’état de veille dans des situations critiques sans pharmacologie.

« Nous avons montré pour la première fois que la transition vers la somnolence s'accompagne de variations nettes et reproductibles des fluctuations lentes du signal BOLD », commente II Gaez. « Cela ouvre la voie à une surveillance objective de la fatigue basée sur la neuroimagerie. »

Conception expérimentale

1. Quorum de volontaires: 20 participants en bonne santé (10 h/10 f, âgés de 22 à 35 ans) sans troubles du sommeil.
2. Dormir dans le scanner IRM: les sujets étaient allongés les yeux fermés et étaient autorisés à s'endormir librement avec le scanner diffusant un bruit de fond (80 dB).
   • EEG (électrodes propres dans le scanner),
   • EOM (amplitude du mouvement oculaire),
   • Caméra de surveillance des paupières.
3. Définition du SOP: par la combinaison de paupières mi-closes, de ralentissement des rythmes EEG et, pour la première fois, par des modifications des paramètres BOLD.

Analyse détaillée du signal BOLD

• Fluctuations de basse fréquence (0,03–0,07 Hz): dans les premiers stades du SOP, l'amplitude de ces oscillations a augmenté de 30 à 50 % en
  • thalamus (coordination de l'éveil),
  • cortex occipital (traitement visuel),
  • nœuds du réseau en mode par défaut (DMN): cortex préfrontal médian et PCC.
• Connectivité fonctionnelle:
  • Thalamus ↔ cortex préfrontal: augmenté de 20 %, indiquant une « traduction » accrue des signaux de sommeil vers le cortex.
  • Réseau d'attention (DAN): Les connexions entre les lobes pariétaux et frontaux ont été réduites de 15 %, reflétant un affaiblissement de l'orientation externe.

Corrélation avec la fatigue

• Différences individuelles: les participants ayant moins dormi 24 heures sur 24 (< 6 h) ont montré une augmentation plus précoce et plus prononcée des oscillations de basse fréquence.
• Données comportementales: Les premiers signes de micro-sommeil (réponse retardée à une tâche visuelle simple en IRM) coïncidaient avec l'amplitude maximale de l'axe BOLD thalamus–DMN.

Applications possibles

1. Surveillance du conducteur et de l'opérateur: transfert des résultats de l'IRMf vers des appareils portables d'IRMf ou d'EEG pour un avertissement précoce de la fatigue.
2. Horaires de travail personnalisés: prise en compte du « seuil » SOP individuel lors de la planification des quarts de travail et du repos, réduction des accidents.
3. Thérapie du sommeil: tester les effets de la caféine, des courtes siestes et de la neuromodulation (stimulation magnétique transcrânienne) sur le ralentissement des changements BOLD.

Citations des auteurs

« Nous avons montré pour la première fois comment les oscillations lentes BOLD dans le thalamus et le cortex prédisent l'endormissement », commente le professeur Gaez. « Cela ouvre la voie au développement d'"yeux physiologiques" objectifs pour surveiller la vigilance. »

« Nos résultats nous permettent de repenser la gestion de la fatigue: il ne suffit plus de demander: « Comment avez-vous dormi? » – nous devons être capables de « voir » le cerveau », ajoute le co-auteur, le Dr Li Jing.

Les auteurs soulignent les points clés suivants:

• Fiabilité neurobiologique des marqueurs
  « L'augmentation des fluctuations de basse fréquence du signal BOLD dans le thalamus et le réseau du mode passif est clairement corrélée aux signes objectifs de somnolence (fermeture des paupières, ralentissement de l'EEG), - note II Gaez. - Cela prouve que le SOP peut être « vu » non seulement par le comportement, mais aussi directement par l'activité cérébrale.

• Différences individuelles
  : « Nous avons constaté que les personnes souffrant de privation chronique de sommeil présentaient des changements BOLD plus précoces et plus prononcés », explique le Dr Lee. « Cela ouvre la possibilité de personnaliser les stratégies de lutte contre la fatigue: certaines peuvent avoir besoin de micro-sommeil plus fréquent, tandis que d’autres peuvent avoir besoin de luminothérapie ou de neurostimulation. »

• Traduction en pratique
  « La prochaine étape est d’adapter ces marqueurs à des technologies portables (fNCD, casques EEG secs) pour surveiller la vigilance en temps réel des conducteurs et des opérateurs », ajoute le Pr Martinez.

• Perspectives cliniques
  « Les changements observés peuvent également aider à diagnostiquer les troubles du sommeil: l’insomnie, l’apnée et la narcolepsie ont des effets différents sur la phase précoce du SOP, et le marqueur BOLD aidera à différencier ces conditions », conclut le Dr Singh.

Cette recherche ouvre la voie à des neurotechnologies de prévention des accidents et des blessures basées sur des marqueurs en temps réel et individuels de l’apparition de la somnolence, et promet de rendre les routes et les sites industriels plus sûrs.