Comment l'apprentissage se fait dans le cerveau des bébés qui dorment

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Somnolent dans un berceau, un nouveau-né porte un bonnet extensible muni de plus de 100 électrodes souples. Un bip bas retentit et elle plisse les yeux. À proximité, des scientifiques observent des lignes irrégulières se déplaçant sur un écran d'ordinateur, enregistrant l'activité électrique dans le cerveau du nourrisson. Les scientifiques veulent savoir ce qui se passe là-dedans – et cette petite action de strabisme suggère que le bébé a appris pendant son sommeil.

Le travail d'un nouveau-né consiste à apprendre et à s'adapter à tout ce qui se trouve dans son environnement, explique William Fifer, neuroscientifique du développement au Columbia University Irving Medical Center de New York. Pourtant, les nouveau-nés passent environ 70 % de leur temps à dormir. Alors Fifer et la psychologue du développement Amanda Tarullo, maintenant à l'Université de Boston, ont décidé de voir s'ils pouvaient déceler l'apprentissage en action pendant que les bébés dormaient.

Selon les chercheurs, les nourrissons âgés d'un ou deux jours seulement peuvent apprendre qu'un son prédit une légère bouffée d'air - de sorte que, finalement, les nourrissons clignent des yeux après avoir entendu le son seul, tout comme les célèbres chiens de Pavlov bavaient en réponse à certains sons qui initialement avaient été suivis par de la nourriture.

Chez les adultes, l'importance du sommeil pour l'apprentissage a été bien établie grâce à des décennies de recherche. Mais on en sait beaucoup moins sur la façon dont le sommeil et l'apprentissage interagissent chez les nouveau-nés, sans parler de la façon dont cette relation change à mesure que les nourrissons deviennent des tout-petits et des enfants d'âge préscolaire.

Les siestes sont particulièrement déroutantes. Des études suggèrent qu'elles sont essentielles à l'apprentissage précoce, mais la plupart des enfants arrêtent naturellement de faire la sieste entre trois et cinq ans. Personne ne sait pourquoi, mais un groupe de chercheurs étudie cette question. Leur compréhension émergente de la relation enchevêtrée entre la sieste et l'apprentissage peut éventuellement aider les parents, les écoles maternelles et les décideurs politiques à prendre des décisions afin d’améliorer la santé et l'apprentissage des enfants.

Dormir dessus

Le sommeil des nourrissons et des jeunes enfants est très différent de celui des adultes, et les habitudes de sommeil changent considérablement à mesure que les enfants se développent. Les nouveau-nés dorment environ 16 à 18 heures par jour. Au début, ils dorment au hasard tout au long de la journée, mais au bout d'environ six mois, leurs horloges internes se synchronisent avec le cycle jour-nuit. Vers 12 mois environ, les nourrissons dorment surtout la nuit, avec quelques siestes pendant la journée. Vers deux ans, la plupart des enfants ne font plus qu'une sieste par jour.

La recherche suggère que la sieste joue un rôle majeur dans de nombreuses choses importantes que les nourrissons apprennent. "Le sommeil est crucial pour l'apprentissage précoce des mots", déclare Manuela Friedrich, neuroscientifique à l'Université Humboldt de Berlin. Dans une étude de 2015, l'équipe de Friedrich l'a montré en présentant à 90 nourrissons âgés de 9 à 16 mois des images d'objets inconnus - des choses qui ressemblaient à des haltères ou à des Tinkertoys, par exemple.

En regardant chaque image, les enfants ont entendu le nom de l'objet - un mot inventé, tel que "bofel" ou "zuser" - et des enregistrements d'électroencéphalogramme (EEG) ont capturé les réponses de leur cerveau. Une heure ou deux plus tard, les chercheurs ont testé la mémoire des nourrissons en montrant à nouveau les images, soit associées au nom de l'objet qu'ils avaient entendu auparavant, soit à un mot inventé différent. Parce que les bébés étaient trop jeunes pour débiter les noms des objets, les chercheurs ont examiné les enregistrements EEG pour trouver des preuves qu'ils avaient établi la connexion. Des recherches antérieures avaient identifié certaines caractéristiques d'une trace EEG - comme une coupure de tension à un moment donné - qui apparaissent lorsque les gens entendent quelque chose d'inattendu. Dans l'étude de Friedrich, la présence d'un blip montrerait qu'un enfant a été surpris d'entendre l'objet associé au "mauvais" mot,

Certaines études sur des nourrissons et des enfants suivent l'activité électrique dans le cerveau pour déterminer s'ils se souviennent des mots qu'ils ont entendus auparavant. Un pic de tension connu sous le nom de N400 signale aux chercheurs qu'un enfant ne s'attendait pas à un mot particulier - dans ce cas "globes oculaires" - preuve qu'il avait déjà appris quels mots devaient suivre d'autres mots ou une image.

Les enregistrements EEG suggéraient que les enfants qui avaient fait une sieste avant les tests de mémoire  se souvenaient des paires mot-objet qu'ils avaient vues précédemment. Ceux qui n'avaient pas fait la sieste, en revanche, ne l'ont pas fait. Non seulement cela, mais les nourrissons qui somnolaient semblaient regrouper les objets qu'ils avaient appris en catégories : lorsqu'ils voyaient de nouveaux objets similaires à ceux qu'ils avaient vus auparavant, leur activité EEG suggérait qu'ils attendaient un mot déjà appris. En d'autres termes, dit Friedrich, "pendant que les nourrissons dormaient, leur cerveau extrayait l'essentiel des expériences précédentes".

Dans la même étude, Friedrich et ses collègues ont également découvert que la capacité des bébés à regrouper des objets dans des catégories après avoir vu plusieurs exemples était corrélée à la présence d'une caractéristique EEG appelée fuseaux du sommeil pendant les siestes : des rafales rapides d'activité électrique. Les fuseaux de sommeil d'amplitude plus élevée - ceux avec de plus grandes oscillations de tension - ne se sont produits que chez les enfants qui ont appris à généraliser les mots.

Ces fuseaux de sommeil coexistent souvent avec le sommeil à ondes lentes, une fréquence particulière d'activité électrique à oscillation lente révélée dans les enregistrements EEG. Cela illustre une différence intéressante entre les nourrissons et les adultes. Chez les adultes, les ondes lentes se produisent pendant le sommeil profond et ont été liées à la consolidation de la mémoire , le processus par lequel les souvenirs à court terme formés pendant la journée sont transformés en souvenirs plus durables. Mais les enfants subissent des ondes plus lentes pendant les siestes que les adultes.

Les siestes peuvent aider les jeunes à consolider leurs souvenirs à un moment où ils apprennent de grandes quantités d'informations cruciales. "La science semble suggérer qu'il y a un rôle unique de la sieste" dans le développement cognitif précoce, déclare Simona Ghetti, psychologue du développement à l'Université de Californie, Davis, et coauteur d'un article de 2020 dans l'Annual Review of Developmental Psychology sur la mémoire dans le cerveau en développement.

Le graphique à barres compare la capacité des enfants à se souvenir d'une histoire s'ils ont fait une sieste ou non. Immédiatement après avoir entendu l'histoire, il y a peu de différence entre les deux groupes. Mais après un court délai et à nouveau après un délai de 24 heures, les enfants ayant fait la sieste se sont souvenus avec précision de plus de 75% de l'histoire, tandis que ceux qui n'avaient pas fait la sieste se sont souvenus de moins de 65%.

Une étude de 2013 a montré que les enfants qui faisaient une sieste après avoir entendu une histoire s'en souvenaient mieux que les enfants qui ne faisaient pas de sieste - un effet qui persistait jusqu'à un jour plus tard.

Les siestes semblent également aider les bébés à donner un sens à la structure des phrases, selon les travaux de la psychologue cognitive Rebecca Gómez de l'Université de l'Arizona à Tucson. Lorsque Gómez et ses collègues ont exposé 48 enfants de 15 mois à un langage inventé, avec des chaînes de mots tels que « vot wadim jic » et « vot kicey jic »,  les enfants qui faisaient la sieste semblaient mieux à même de saisir des schémas, comme attraper au fait que le premier mot d'une phrase déterminait toujours le troisième mot. Les chercheurs y voient une étape vers la compréhension de la grammaire.

Dans l'étude, les enfants ont d'abord entendu de telles phrases en jouant tranquillement à la maison, et ensuite, certains enfants ont fait la sieste tandis que d'autres sont restés éveillés. Quelques heures plus tard, les parents ont amené les enfants au laboratoire de Gómez, où les chercheurs ont rejoué les chaînes de mots et suivi la durée d'attention des bébés en mesurant la durée pendant laquelle ils regardaient dans la direction du haut-parleur qui jouait le son - une méthode couramment utilisée par des chercheurs pour évaluer l'attention chez les enfants trop jeunes pour parler.

Les enfants ayant fait la siestre et ceux n'ayant pas fait la sieste ont prêté attention aux chaînes de mots qu'ils avaient entendus auparavant, suggérant qu'ils se souvenaient de ces phrases. Mais les bébés qui faisaient la sieste écoutaient également de nouvelles phrases qui suivaient les mêmes règles, faisant allusion à une compréhension plus générale. Gómez dit que la découverte suggère que la sieste aide les bébés à extrapoler ce qu'ils ont appris, en leur enseignant un modèle qu'ils peuvent appliquer à de nouvelles situations.

Chez les enfants plus âgés, les siestes peuvent aider avec plus que le langage, selon les travaux de Rebecca Spencer, neuroscientifique cognitive à l'Université du Massachusetts à Amherst. Dans une étude de 2020, Spencer et son étudiante diplômée Sanna Lokhandwala ont imité une activité préscolaire courante : l'heure du conte. Ils ont créé plusieurs livres qui racontaient une histoire courte - sur une journée au zoo, par exemple, ou une aventure de biscuits. Dans le laboratoire du sommeil de Spencer, un chercheur a lu ces livres à des enfants de trois à six ans, en montrant les images en cours de route. Pour tester le rappel des enfants immédiatement après avoir entendu une histoire, les chercheurs leur ont demandé de mettre en ordre un ensemble d'images tirées des livres. Ensuite, certains enfants ont fait une sieste jusqu'à deux heures tandis que d'autres sont restés éveillés, dessinant ou faisant des puzzles.

Les chercheurs ont découvert que les enfants ayant fait la sieste se souvenaient plus précisément de l'ordre des  événements lors d'un deuxième test de mémoire. Ces enfants ont également obtenu de meilleurs résultats au même test le lendemain. Et au sein du groupe de jeunes ayant fait la siestre, les enregistrements EEG ont révélé que ceux qui avaient passé plus de temps dans le sommeil à ondes lentes avaient tendance à avoir des souvenirs plus précis des histoires. 

Dans un test de rappel, un chercheur adulte regarde une jeune fille étudier une série d'images d'un livre d'histoires que la fille avait écouté plus tôt.

Dans le laboratoire de la neuroscientifique cognitive Rebecca Spencer, les chercheurs lisent des livres illustrés à de jeunes enfants et testent leur mémoire en leur demandant d'organiser les images du livre dans le bon ordre.

Pourquoi arrêter de faire la sieste ?

Lorsque les enfants qui font régulièrement des siestes manquent leurs siestes, ils ont tendance à avoir de mauvais résultats aux tests de mémoire, ont découvert des chercheurs. "Les siestes sont géniales - elles font toutes ces choses importantes pour les enfants à un moment vraiment critique", dit Spencer. Mais cela présente un casse-tête, ajoute-t-elle, puisque les enfants finissent par abandonner leurs siestes habituelles. « Pourquoi arrêter de faire la sieste alors que c'est si important ? » Étant donné que les enfants sortent de la sieste sur une tranche d'âge assez large, de trois à six ans, elle soupçonne que la réponse peut avoir un lien avec le développement du cerveau : peut-être qu'à un certain moment, qui varie d'un enfant à l'autre, le cerveau a changé d'une manière encore à découvrir qui rend la sieste moins cruciale pour l'apprentissage.

Certaines preuves de cela proviennent de la collaboration de Spencer avec  Tracy Riggins , une neuroscientifique cognitive du développement à l'Université du Maryland à College Park. En utilisant l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour scanner le cerveau des enfants, ils se concentrent sur l'hippocampe, une structure cérébrale importante pour la création de nouveaux souvenirs.

Spencer et Riggins émettent l'hypothèse que le développement de l'hippocampe éloigne la transition de la sieste régulière. La recherche avec des animaux de laboratoire et des humains adultes suggère que l'hippocampe agit comme un stockage à court terme pour les nouvelles informations apprises pendant l'éveil ; pendant le sommeil, ces souvenirs sont transférés ou distribués au cortex cérébral pour un stockage plus long.

Spencer compare l'hippocampe à un seau. Au début du développement, lorsque le seau pour contenir les souvenirs est petit, il doit être vidé plus fréquemment, pendant le sommeil. Les jeunes enfants le font en faisant la sieste. Lorsque les petits enfants qui font la sieste sont privés de sieste, ils oublient beaucoup d'informations, dit Spencer. Mais à mesure que l'hippocampe se développe, sa capacité augmente également. « Si je suis plus mature et que j'ai un hippocampe plus gros, je peux en contenir plus sans avoir à vider mon seau », dit-elle. Spencer et Riggins pensent que cela peut expliquer pourquoi le besoin de sieste diminue à mesure que les enfants vieillissent.

Une vue de haut en bas d'un scanner cérébral montre où se trouve l'hippocampe dans le cerveau.  Les scientifiques étudient des parties spécifiques de l'hippocampe (mises en évidence dans une photo en médaillon et étiquetées subiculum, CA1, CA2, CA3, CA4 et gyrus denté) pour étudier leurs liens avec le sommeil et l'apprentissage dans le cerveau en développement.

La neuroscientifique cognitive du développement Tracy Riggins a utilisé l'IRM pour étudier le développement de plusieurs sous-régions de l'hippocampe du cerveau et rechercher des parallèles avec la trajectoire de développement du sommeil et de l'apprentissage chez les enfants.

Les deux scientifiques cherchent maintenant à voir comment le cerveau des enfants change lorsqu'ils arrêtent de faire la sieste. Dans une étude de 2020 portant sur 200 enfants âgés de quatre à huit ans, les chercheurs ont analysé des scanners cérébraux à partir d'un instantané dans le temps. Chez les enfants de quatre à six ans, Spencer et Riggins ont trouvé des corrélations intrigantes entre la taille de deux sous-régions de l'hippocampe et les habitudes de sommeil des enfants. Une région appelée CA2-4/DG était plus grande chez les enfants qui dormaient plus, y compris les siestes et le sommeil nocturne. Pendant ce temps, une autre région appelée CA1 avait tendance à être plus petite chez les enfants de cette tranche d'âge qui avaient cessé de faire la sieste. Il n'est pas encore clair si ces différences pourraient faire partie de ce qui pousse les enfants à faire la sieste.

Ces deux régions de l'hippocampe peuvent jouer des rôles distincts - et complémentaires - dans la mémoire, dit Riggins. Les neuroscientifiques ont proposé que, chez les adultes, la région CA2-4/DG suit les différences entre des souvenirs similaires. Le CA1, en revanche, peut aider à établir des liens, par exemple entre le visage et le nom d'une personne. Mais les chercheurs ne savent pas ce que font ces sous-régions chez les nourrissons et les enfants.

Il est encore tôt pour ce travail, et les scientifiques ne savent pas encore si d'autres régions du cerveau peuvent également être impliquées dans la transition hors des siestes habituelles. Dans une enquête de suivi auprès d'environ 65 enfants, Riggins et Spencer utilisent maintenant des examens IRM pour suivre les changements cérébraux chez les individus au fur et à mesure qu'ils grandissent, ce qui peut permettre aux chercheurs de détecter les changements hippocampiques au fur et à mesure qu'ils se produisent et d'établir des liens plus solides entre le développement du cerveau et faire la sieste.

Décisions pour les parents et les écoles maternelles

Les chercheurs espèrent que de telles découvertes pourront éventuellement contribuer à améliorer l'éducation et le sommeil des jeunes enfants, et aider les décideurs politiques et les parents à prendre de meilleures décisions concernant la priorité des siestes et leur intégration dans des horaires chargés.

Aux États-Unis, les politiciens et les directeurs d'école ont fait valoir que les écoles maternelles devraient se concentrer sur l'instruction et non sur le sommeil. Et dans certaines régions du pays, les normes d'éducation ont changé pour refléter cette idée. Par exemple, dans le Massachusetts où Spencer travaille, les enseignants lui disent que le temps préscolaire réservé à la sieste a diminué au cours des 10 à 15 dernières années. Les normes se sont également assouplies pour rendre les salles de classe propices au sommeil, par exemple en permettant aux enseignants d'assombrir les pièces pendant la sieste. Dans certaines écoles, les parents peuvent choisir d'envoyer leurs jeunes enfants suivre des cours de natation ou des cours de fitness Zumba au lieu de faire la sieste, explique Spencer. Elle s'inquiète de l'effet que cela a sur l'apprentissage.

Pour les très jeunes enfants qui font des siestes habituelles, les siestes manquantes nuisent à leurs performances cognitives - ils perdront les informations qu'ils ont apprises le matin sans une sieste l'après-midi, dit Spencer. Elle souhaite que les parents soient plus conscients des avantages de la sieste. "Si quelqu'un prend une décision politique, ou si vous laissez les parents choisir entre la salle de sieste et la salle de classe sans sieste, je pense que ce devrait être un choix éclairé."

Dans le même temps, forcer les enfants qui ont arrêté de faire la sieste à être immobiles et silencieux pendant les siestes en classe pourrait également avoir des conséquences indésirables. Sally Staton, psychologue du développement à l'Université du Queensland à Brisbane, en Australie, et ses collègues ont observé des enfants pendant des blocs réservés à la sieste dans 130 classes préscolaires australiennes. Moins d'un tiers des enfants dormaient pendant les siestes obligatoires , elle et son équipe ont rapporté en 2016 dans  Behavioral Sleep Medicine. Ces enfants éveillés semblaient souvent en détresse, par exemple en pleurant ou en agissant pendant la sieste.

Une partie du problème est l'incertitude autour de ce qui est typique dans le développement : quand les enfants abandonnent-ils leurs siestes ? Les données sont limitées, en particulier pour les pays à revenu faible et intermédiaire. Une analyse récente de Staton et d'autres qui a évalué 44 études sur la sieste dans le monde entier a montré d'énormes variations, certains enfants cessant de faire la sieste dès l'âge de deux ans et d'autres encore après l'âge de six ans. De cette façon, la sieste s'apparente à d'autres étapes du développement comme apprendre à marcher et à  parler, qui sont également très variables d'un enfant à l'autre, dit Staton. Certains enfants commencent à marcher dès neuf mois, tandis que d'autres apprennent à marcher à 18 mois. Cette plage est tout à fait normale. "Nous devons normaliser le fait que le sommeil est très diversifié et que tous les enfants ne sont pas identiques", dit-elle.

Comprendre comment le sommeil se développe peut également se traduire par de meilleurs soins pour les enfants. "Nous connaissons les trajectoires de développement pour la taille et le poids... nous n'en avons pas pour le cerveau", déclare Riggins. Elle espère que les IRM qu'elle recueille pourront aider à établir ce qui est normal dans le cheminement du cerveau vers la maturité. En tirant sur ces fils - de la cognition, du sommeil et du développement du cerveau - les chercheurs commencent à saisir comment ils se croisent et s'entremêlent pour façonner l'apprentissage et la mémoire tôt dans la vie.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.