Chaque nuit, le cerveau traverse plusieurs stades de sommeil, de la somnolence au sommeil profond, puis revient en arrière. Certaines transitions sont brutales, comme un interrupteur qui bascule, d'autres sont douces, comme une lente descente le long d'une pente. Une équipe de chercheurs a construit un modèle mathématique qui décrit ces transitions comme le mouvement d'une bille dans un paysage changeant, avec des collines et des vallées.
Le modèle repose sur l'idée d'une coordonnée cachée, un paramètre qui reflète le degré d'ordre global de l'activité neuronale. Cette coordonnée est extraite des données d'électroencéphalogramme (l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau) à l'aide d'une procédure spéciale, afin d'éviter les prédictions autoréalisatrices. Lorsque la coordonnée change, le paysage se réorganise : de nouvelles cuvettes-attracteurs apparaissent, dans lesquelles l'activité s'engouffre, ainsi que des barrières entre elles. Par exemple, l'endormissement ressemble à la disparition de la cuvette de l'éveil : le cerveau perd sa stabilité et tombe dans l'état de sommeil.
Les auteurs ont modélisé six types de transitions, allant de bifurcations brutales à des croisements progressifs. Les simulations informatiques ont montré comment la longueur de corrélation augmente, c'est-à-dire la distance sur laquelle les neurones se comportent de manière coordonnée. Des régions de plus en plus vastes du cerveau sont impliquées dans le processus. C'est une prédiction clé qui distingue ce modèle des modèles plus simples. Dans une expérience en aveugle, l'algorithme a pu partiellement distinguer les archétypes de transitions avec une précision de 49 % (une devinette aléatoire donnerait 17 %).
Pour l'instant, il s'agit d'une ossature théorique qui attend d'être testée sur des enregistrements réels. Si les prédictions se confirment, on disposera d'un outil pour décrire précisément les dysfonctionnements du sommeil, par exemple pourquoi l'endormissement en cas d'insomnie devient un col pénible à franchir plutôt qu'une descente en douceur.
Pendant l'endormissement, le cerveau peut perdre la stabilité de l'éveil aussi soudainement qu'une feuille de papier pliée se froisse sous une pression critique.
Dans le film « Inception », les héros voyagent à travers les niveaux de sommeil, mais notre modèle suggère que même à l'intérieur d'un même stade, le cerveau pourrait traverser des transitions successives, comme s'il descendait un escalier d'états.