Masterclock

GENERALITES

Le rythme circadien

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 (rythme veille/sommeil, vigilance, température corporelle, niveau de production hormonale, pousse des cheveux, métabolisme cellulaire…). Cette rythmicité provient à la fois de l’environnement, et de mécanismes cérébraux.

Les rythmes circadiens étant liés aux mouvements de rotation de la terre, ils interagissent avec les variations lumineuses de l’alternance jours/nuits. Ces repères issus de l’environnement (« zeitgebers » en allemand ) 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, le même rythme circadien est à peu près conservé.

Peretz Lavie 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, 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 » : 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 a montré 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.

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DESYNCHRONISATION, RESYNCHRONISATION, CHRONISATION

Extraits de « Chronobiologie : Principes et Méthodes »

 Pietro CUGINI - Sémiologie Médicale et Méthodologie

Les travaux en Chronobiologie ont mis en évidence que les facteurs environnementaux agissent hiérarchiquement comme des synchroniseurs de rythmes biologiques.

Le synchroniseur le plus puissant est l’alternance lumière-obscurité : isolé du temps géophysique, l’être humain à tendance de retarder le temps de repos. Ce phénomène arrive même dans les conditions de lumière constante ou d’obscurité.

La prise de repas est un autre synchroniseur important ; des sujets alimentés avec un repas complet, une fois par jour, montrent un décalage de phase pour de nombreux rythmes biologiques suivant l’heure à laquelle ce repas est pris.

Des procédures sociales (socio-temporalisme) peuvent aussi se révéler importantes, spécialement en cas de décalage aléatoire des  temps de travail : des effets de dé-synchronisme peuvent apparaître pour de nombreuses fonctions périodiques, spécialement pour les performances mentales ou physiques.

D’autres agents d’environnement sont responsables de désynchronisation comme le stress, la vitesse, la fatigue, etc., s’ils sont anormalement prolongés dans le temps ou répétés d’une manière cyclique.

Enfin, diverses drogues peuvent induire une désynchronisation. Certaines drogues peuvent être utilisées pour resynchroniser les rythmes biologiques lorsque ceux-ci sont perturbés par des interférences exogènes.

Ces drogues sont appelées " agents chronisant ou chroniseurs ".

Liste de molécules pharmacologiques favorisant la chronisation

ACTH

Barbituriques

Antidepresseurs tricycliques

Lithium

Nomifensine

Dérivés de la Xantine

Levodopa

Dépleteurs de la 5-hydroxytryptamine

Indométhazine

Mélatonine

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RYTHMES BIOLOGIQUES, SYNCHRONISATION ET DESYNCHRONISATION 

(Extraits de la publication Inserm du même titre)

Les rythmes biologiques ont été observés chez l’homme à tous les niveaux d’organisation : écosystème, population, individus, systèmes d’organes, organes isolés, tissus, cellules et fractions subcellulaires.

La chronobiologie étudie et quantifie les mécanismes de la structure temporelle biologique.

Définition et caractéristiques des rythmes biologiques

Paramètres des rythmes biologiques

Quatre paramètres caractérisent un rythme biologique : La période représente la durée d’un cycle complet de la variation rythmique étudiée. En fonction de leur période, les rythmes sont appelés circadiens (du latin circa diem, environ un jour) si leur période est d’environ 24 heures. Ce sont les rythmes dont l’étude chez l’homme a été la plus approfondie.

Des rythmes de fréquence autre que circadienne ont pu également être mis en évidence : un rythme ultradien (ultra = au-delà) est un rythme dont la fréquence fait apparaître plus d’un cycle dans les 24 heures. Leur période va de la milliseconde à 20 heures. Les rythmes infradiens sont ceux dont la période est comprise entre 28 heures et 1 an ou plus.

Composantes d’un rythme biologique

On peut considérer qu’un rythme est constitué de deux composantes, exogène (source extérieure au système) et endogène (source inhérente au système) : notre vie est rythmée par les facteurs exogènes de l’environnement : les rythmes ont donc une origine exogène (Duffy et coll., 1996 ; Dawson et coll., 1993 ; Honma et coll., 1995 ; Klerman et coll., 1998) ; notre code génétique règle nos rythmes : ceux-ci ont donc une origine endogène (Steeves et coll., 1999 ; Katzenberg et coll., 1998 ; Jones et coll. 1999). Ces facteurs interviennent de façon conjointe.

Les paramètres qui caractérisent un rythme biologique dépendent pour une part de facteurs de l’environnement tels que les alternances lumière-obscurité, veille-sommeil, chaud-froid, l’alternance des saisons (voir Touitou, 1998a). Ces facteurs ne créent pas les rythmes, ils ne font que les moduler. On les appelle synchroniseurs, ou agents entraînants, ou agents donneurs de temps (Zeitgeber).

Les synchroniseurs prépondérants chez l’homme sont de nature socio-écologique : alternances lumière-obscurité, repos-activité, et facteurs sociaux tels que les horaires des repas (voir Touitou, 1998a). Le rôle du sommeil est fondamental (la privation de sommeil est capable de modifier les rythmes biologiques : cf Billiard et coll., 1996 ; Spiegel et coll., 1999). De même les conditions de travail particulières sont également susceptibles de modifier les rythmes circadiens (Ashkenazi et coll., 1997).

On sait également que les situations d’isolement entraînent des rythmes en libre cours, de la même manière que chez les aveugles où des modifications des rythmes circadiens de la température et de la mélatonine ont été mises en évidence (Lamberg, 1998).

Rythmes biologiques, synchronisation et désynchronisation

Il est possible de contrôler les alternances lumière-obscurité, les alternances veille-sommeil, l’heure des repas, lors d’expériences dites « hors du temps » réalisées soit dans des laboratoires spécialement aménagés, soit au cours d’expéditions de spéléologie.

Lorsqu’un sujet se soumet à de telles conditions de vie, sans aucun repère temporel et libre de ses actions, ses rythmes biologiques sont conservés, à ceci près que la période est légèrement différente de 24 heures (amplitude +/- 4 heures)

De tels rythmes, qui ne suivent plus la période de nos synchroniseurs de 24 heures, comme celle de l’alternance lumière-obscurité, sont appelés rythmes en libre cours.

Notion d’horloge biologique

La chronobiologie repose sur la notion d’horloge biologique interne, structure endogène capable de mesurer le temps. Dès les années soixante-dix, l’étude des propriétés des noyaux suprachiasmatiques (NSC : structures hypothalamiques hétérogènes de 10 000 neurones encore imparfaitement connues) avait conduit au concept « d’horloge unique » (ou masterclock). Cependant, si certains rythmes sont abolis après destruction des NSC (chez l’animal de laboratoire par exemple), certains autres ne le sont pas. Ainsi, à côté du NSC existeraient d’autres populations neuronales également génératrices de rythmes.

Synchronisation des rythmes biologiques

Au sein d’un même organisme, l’horloge biologique assure une synchronisation temporelle interne, coordonnant de multiples paramètres biochimiques, physiologiques et comportementaux. Les profils de production du cortisol et de la mélatonine constituent des bons marqueurs du rythme circadien (rythmes de la température corporelle, productions hormonales, rythme veille-sommeil, rythme d’excrétion urinaire).

La seconde fonction de l’horloge interne est de permettre à l’organisme de s’adapter aux modifications d’environnement liées aux alternances entre le jour et la nuit. Les cycles lumière-obscurité jouent un rôle essentiel sur la synchronisation des rythmes circadiens chez l’homme.

Désynchronisation des rythmes circadiens

Le sujet en bonne santé dont l’organisme vit en harmonie avec son environnement présente une synchronisation de ses rythmes biologiques. En revanche, des perturbations des rythmes biologiques peuvent apparaître dans un certain nombre de conditions dites de désynchronisation (Reinberg et Touitou, 1996).

Une désynchronisation est un état où deux variables rythmiques (ou plus), antérieurement synchronisées, ont cessé de présenter les mêmes relations de fréquence et/ou d’acrophase et montrent des relations temporelles différentes des relations habituelles.

La désynchronisation externe dépend des modifications de l’environnement (phénomène du jet-lag, travail posté, expériences spéléologiques).

On retrouve une désynchronisation interne dans le vieillissement, ou dans un certain nombre de maladies telles que la dépression et dans certains cancers (sein, ovaire, prostate).

Cette désynchronisation s’accompagne, qu’elle soit externe ou interne, d’un ensemble de signes atypiques tels que fatigue, mauvaise qualité du sommeil, mauvaise humeur, troubles de l’appétit.

L’ensemble de ces troubles peuvent être corrigés par administration de la lumière forte, ou administration de mélatonine, une hormone synthétisée par la glande pinéale (Dijk et coll., 1995 ; Eastman et Miescke, 1990 ; Palm et coll., 1991 ; Shochat et coll., 1998 ; Touitou et coll., 1998).