Rythme circadien

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Quelques illustrations de l'expression du
rythme circadien et du rythme biologique chez l'Homme^[1].

Un rythme circadien regroupe tous les processus biologiques qui ont une oscillation d'environ 24 heures.

Définition générale

Un rythme circadien est un rythme biologique d’une durée de 24 heures environ. Le rythme veille-sommeil est celui qui marque le plus nos vies quotidiennes. Il est présent chez la plupart voire la totalité des animaux, incluant les invertébrés. Le rythme circadien le plus visible chez les plantes concerne la position des feuilles et des pétales, qui se redressent ou s’ouvrent plus ou moins selon l’heure de la journée.

Des rythmes circadiens peuvent aussi s’observer chez des organismes unicellulaires, comme des moisissures^[2] et des cyanobactéries.

Le terme « circadien », inventé par Franz Halberg, vient du latin circa, « environ », et diem, « jour », et signifie littéralement cycle qui dure « environ un jour ».

L’étude formelle des rythmes biologiques est appelée chronobiologie.

Au sens strict, les rythmes circadiens sont endogènes. Ils sont produits par des horloges biologiques, qualifiées elles aussi de circadiennes. Celles-ci « tournent » même en absence de tout stimulus extérieur, dans des conditions parfaitement constantes de lumière et de température, pendant des semaines voire des mois.

Pour décrire un rythme biologique qui se manifeste uniquement quand l’organisme est exposé à l’alternance jour-nuit, on parle plutôt de rythme nycthéméral.

Chez l'être humain

Le rythme circadien, c’est-à-dire l’alternance de périodes d’une durée de 24 heures, joue sur de nombreux mécanismes biologiques, physiologiques et comportementaux de l'être humain.

Parmi ceux-ci, on peut trouver :

le rythme veille/sommeil ;
les variations de la vigilance ;
la température corporelle ;
la circulation sanguine ;
la production d’urine ;
le niveau de production hormonale, et notamment la production de l’hormone de croissance (GH) ;
la pousse des cheveux ;
le métabolisme cellulaire ;
le niveau de cortisol ;
le niveau de potassium.

Cette rythmicité provient à la fois de l’environnement, et à la fois de mécanismes cérébraux. En effet, les rythmes circadiens sont liés aux mouvements de rotation de la terre et aux variations lumineuses qui sont le fait des alternances jours/nuits. Si on expose des personnes pendant 10 heures à la lumière, et 10 autres heures à l’obscurité, leur cycle tend à s’ajuster à une durée de 20 heures au lieu des 24 heures naturelles. Il y a donc des repères issus de l’environnement qui sont appelés « zeitgebers » (en allemand : ce qui donne l’heure), et qui sont prélevés par l’organisme pour s’ajuster au rythme circadien. Cependant, si on isole les personnes de toute variation lumineuse (c’est la méthode expérimentale des rythmes en libre cours), on observe qu’en supprimant l’alternance jours/nuits, on a à peu près le même rythme circadien conservé. Lavie^[3] en 2001 a montré que les périodes de libre cours se maintenaient à peu près à 25 heures en moyenne chez la plupart des êtres humains. De plus, le rythme circadien n'est pas présent dès la naissance, les nouveau-nés dorment autant le jour que la nuit. Vers huit semaines, la plupart d'entre eux commencent à établir un début de rythme circadien, ce qui tend à soutenir l’idée qu’il y aurait une horloge biologique interne à l’organisme. Ainsi donc, pour soutenir ces deux types de faits, les scientifiques postulent l’idée qu’une horloge interne maintiendrait une rythmicité de nos fonctions, en s’ajustant aux repères/Zeitgebers fournis par l’environnement.

Théories du cycle veille-sommeil

Deux théories viennent répondre à la question de savoir pourquoi nous dormons la nuit. La première est la théorie de la récupération selon laquelle, le sommeil vise à rétablir l’équilibre physiologique interne (homéostasie) perturbé par l’activité de la veille. La seconde explique que l’espèce humaine est programmée par un mécanisme d’horloge interne à dormir la nuit, mais que le sommeil n’est pas nécessaire. Wever^[4] a montré, en effet, dès 1979, que si l’on reste éveillé plus longtemps, la durée du sommeil tend à être plus courte. Ce qui viendrait soutenir l’idée que nous serions programmés à des cycles de veille-sommeil de 24 heures, peu importe le temps de sommeil qui y est inclus. Les variations de la température corporelle interne sont liées de très près aux cycles de veille/sommeil. Notre température corporelle baisse en effet pendant la phase de sommeil et augmente fortement pendant la veille. En l’absence de repères lumineux (dans le protocole des rythmes en libre cours), on constate que la température corporelle ne s’accorde plus au sommeil ou à la veille. Cette désynchronisation nous montre qu’il y aurait plus d’une horloge circadienne dans l’organisme, et que plusieurs mécanismes seraient à l’origine du maintien de notre régularité.

Physiologie

Le fonctionnement de l’horloge interne est attribué à la contribution des noyaux suprachiasmatiques. Les noyaux suprachiasmatiques, structures cérébrales situées dans l'hypothalamus seraient le centre de contrôle du rythme circadien^[5]. L’expérience de Ralph^[6] et ses collaborateurs en 1990 a pu attester de cette fonction, en montrant que la greffe de noyaux suprachiasmatiques issus de hamsters avec des rythmes circadiens anormaux de 20 heures sur des hamsters qui avaient des rythmes normaux de 25 heures, provoquait des cycles de 20 heures chez les hamsters greffés.

Buijs et Kalsbeeken^[7], en 2001, ont montré de plus que leur activité électrique suit une rythmicité circadienne ainsi que leur activité métabolique et biochimique. Ils sont aussi sensibles à l’alternance de la lumière. En effet, à partir des yeux, l’information lumineuse est recueillie par des photorécepteurs (cellules réceptrices de la rétine) spécifiques (différents des cônes et bâtonnets voire vision). Ce sont des cellules ganglionnaires qui répondent aux variations lentes des niveaux de la luminosité ambiante. Le photopigment découvert correspondant à ces photorécepteurs spécifiques est la mélanopsine. Ce sont des neurones qui traduisent le message lumineux en messages électriques (Potentiel d'action) et qui sont transmis le long des voies rétino-hypothalamiques (thalamus). Ces voies suivent le nerf optique puis sortent des chiasmas optiques pour atteindre les noyaux suprachiasmatiques. Le GABA est le neurotransmetteur principal des neurones des noyaux suprachiasmatiques, mais ils sécrètent aussi un neuromodulateur : la vasopressine. Les axones de ces noyaux innervent de nombreuses régions : des régions proches de l’hypothalamus, des régions du mésencéphale et du diencéphale. Le potentiel d’action, n’est pas nécessaire au maintien de la rythmicité. En effet, si on bloque les potentiels d'action, la rythmicité se maintient. C’est donc dans leurs fonctions métaboliques et chimiques qu’il faut chercher le mécanisme de l’horloge biologique. En effet, la transcription de certains gènes peuvent comporter un rythme circadien^[8]. Les microARN sont susceptibles de jouer un rôle dans cette rythmicité^[9].

On a trouvé qu’un cycle moléculaire gouvernait l’expression de ces gènes, que l’on appelle pour cette raison : les gènes-horloges. Ces gènes produisent des protéines toutes les 24 heures grâce à un mécanisme de rétroaction négative. Ils produisent, en plus des protéines nécessaires à leur expression, des protéines qui participent à l’inhibition de leurs propres expressions, et qui maintient un cycle de 24 heures.

Facteurs d'influence

Le rythme circadien peut être perturbé par :

un décalage horaire qui impose à l’organisme de resynchroniser son rythme circadien avec un nouveau rythme nycthéméral ;
l’exposition nocturne à une lumière artificielle (notamment dans le cadre du travail de nuit), voire à une intense « pollution lumineuse » ;
une alimentation riche en graisses, qui perturbe le sommeil en troublant le rythme circadien de production d’adiponectine^[10] ; l’hormone synthétisée au sein du tissu adipeux. Cette hormone joue un rôle important pour le stockage des lipides en régulant la combustion des graisses via une augmentation de la sensibilité à l’insuline (ce qui favorise le déstockage des graisses). Chez la souris de laboratoire, une diminution de production de cette hormone est induite par une alimentation grasse, et peut causer un sur-poids important ; un manque de sommeil serait facteur d’obésité pour cette même raison.

Notes et références

↑ (en) Michael Smolensky, Lynne Lamberg, The Body Clock Guide to Better Health : How to Use Your Body's Natural Clock to Fight Illness and Achieve Maximum Health, Henry Holt and Company,‎ 2001
↑ J.I., « Le jet lag des champignons », sur Science et Avenir,‎ 30 décembre 2010.
↑ (en) Lavie P, « Sleep-wake as a biological rhythm » Annu rev psychol. 2001;52:277-303
↑ (en) Wever RA, The Circadian System of Man, Berlin, Springer, 1979.
↑ (en) Hastings MH, Reddy AB, Maywood ES, « A clockwork web: circadian timing in brain and periphery, in health and disease » Nat Rev Neurosci. 2003:649–661
↑ (en) Ralph MR, Foster TG, Davis FC & Menaker M. « Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period » Science 1990;247:975-978.
↑ (en) Buijs RM, Kalsbeek A. « Hypothalamic integration of central and perioheral clocks » Nat Rev Neuroscience. 2001;2:521-6.
↑ (en) Hughes ME, DiTacchio L, Hayes KR et al. « Harmonics of Circadian Gene Transcription in Mammals » PLoS Genet. 2009
↑ (en) Mehta N, Cheng HYM, « Micro-managing the circadian clock: The role of microRNAs in biological timekeeping » J Mol Biol. 2012 DOI:10.1016/j.jmb.2012.10.022
↑ (en) Maayan Barnea, Zecharia Madar, et Oren Froy « High-Fat Diet Delays and Fasting Advances the Circadian Expression of Adiponectin Signaling Components in Mouse Liver » Endocrinology 150: 161-168. DOI:10.1210/en.2008-0944.

Voir aussi

Bibliographie

Bear, M. Connors, B. & Paradiso, M. Neurosciences, à la découverte du cerveau, Paris, éd. Pradel, 3^e édition, 2007. (OCLC 833434562)
Albert Goldbeter, La Vie oscillatoire. Au cœur des rythmes du vivant, Paris, éditions Odile Jacob, 2010, 367 p. (OCLC 708380456)
André Klarsfeld, Les Horloges du vivant : comment elles rythment nos jours et nos nuits, Paris, éditions Odile Jacob, 2009, 317 p. (OCLC 456371974)
John PJ Pinel, Biopsychologie, Paris, Pearson Éducation, 6^e édition, 2007, 508 p. (OCLC 635002718)

Lien externe

(histoire des sciences) "Aux origines de la chronobiologie", texte d'A. Klarsfeld (ENSPCI) commentant une "Observation botanique" (Mairan 1729), en ligne sur BibNum.

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