Définition et caractéristiques des rythmes biologiques

Un rythme biologique se définit comme une suite de variations physiologiques statistiquement significatives, déterminant en fonction du temps des oscillations de forme reproductibles. C’est donc un phénomène périodique et prévisible dont la représentation peut se faire sous forme de chronogramme, courbe de la variation des concentrations de la variable mesurée en fonction du temps. Pratiquement, les chronobiologistes utilisent, pour traiter ces séries temporelles expérimentales, les méthodes des moindres carrés, du Cosinor, ou encore l’analyse de variance quand le rythme étudié ne se présente pas sous forme sinusoïdale. Quatre paramètres caractérisent un rythme biologique (figure 3).

284 _{INSERM, expertise collective, 2001, Rythmes de l'enfant. De l'horloge biologique aux rythmes scolaires.}

TOUITOU Y. et HAUS E., 1994, « Chronobiology in Laboratory Medicine », TOUITOU Y. et HAUS E. (sous la dir. de),

Figure 3 Paramètres caractéristiques d’une fonction rythmique. D’après Touitou et Haus285_.

« 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 (24 ± 4 heures). Ces rythmes ont été les plus étudiés chez l’homme. Il faut préciser que l’adjectif nycthéméral doit s’appliquer à un rythme dont la période est de 24 heures exactement. Ce terme est donc souvent utilisé à tort pour désigner des rythmes dont la période est d’environ (circa) 24 heures. Des rythmes de fréquence autre que circadienne ont pu être mis en évidence chez l’homme : les rythmes ultradiens sont ceux pour lesquels ont détecte plus d’un cycle dans 24 heures ; les rythmes infradiens sont ceux dont la période est comprise entre 28 heures et un an, ou plus. Enfin, un rythme est dit circannuel si la variation se reproduit avec une fréquence d’environ 12 mois.

Le MESOR (pour Midline Estimating Statistic Of Rythm) est le niveau moyen ajusté du rythme, correspondant à la moyenne arithmétique lorsque les données expérimentales sont équidistantes et couvrent un cycle complet.

L’amplitude du rythme correspond à la moitié de sa variabilité totale qui est la différence entre le pic et le creux de la fonction.

L’acrophase est la localisation du maximum de la fonction par rapport au temps de référence. Pour un rythme circadien, l’acrophase correspond à l’heure du pic dans l’échelle des 24 heures ; pour un rythme circannuel, l’acrophase est donnée par le jour et le mois de l’année. »286

285 _{TOUITOU Y. et HAUS E., 1994, « Chronobiology in Laboratory Medicine », TOUITOU Y. et HAUS E. (sous la dir. de),}

Biologic rhythms in clinical and laboratory medicine, Springer-Verlag, Berlin, p. 673-708

Composantes d’un rythme biologique

On considère qu’un rythme est constitué de deux composantes : la composante exogène et la composante endogène. En effet, notre vie est rythmée par des facteurs exogènes de l’environnement287_{, mais notre code génétique règle également nos rythmes.}

« Les paramètres caractérisant un rythme biologique dépendent donc, pour une part, de facteurs environnementaux tels que les alternances lumière/obscurité, veille/sommeil, chaud/froid ou encore l’alternance des saisons288_{. Ces rythmes sont appelés} « synchroniseurs », « agents entraînants » ou encore « agents donneurs de temps ». Chez l’homme, ils sont de nature socio-écologique principalement, et sont représentés par les alternances lumière/obscurité et repos/activité, ainsi que par des facteurs sociaux comme les horaires de repas289_{. Le rôle du sommeil apparaît fondamental, et la privation de} sommeil est en mesure de modifier les rythmes biologiques290_{, notamment circadiens, tout} comme peuvent le faire des conditions de travail particulières. Des situations d’isolement entrainent des rythmes dits « en libre cours », de la même manière que chez les aveugles où des modifications de la rythmicité circadienne de la température et de la mélatonine ont été observés291_.

La composante endogène peut, elle, être mise en évidence en supprimant la composante exogène du rythme biologique : le contrôle des alternances lumière/obscurité, des alternances veille/sommeil ou de l’heure des repas est possible, notamment lors d’expériences « hors du temps » en laboratoire ou au cours d’expéditions spéléologiques. Lorsqu’un sujet se soumet à de telles conditions de vie, libre de ses actions mais sans repère temporel, ses rythmes biologiques sont conservés, à ceci près que leur période est légèrement différente de 24 heures. Pour corroborer cette notion de composante endogène, des travaux montrent que les jumeaux homozygotes ont des rythmes biologiques identiques. Des facteurs génétiques interviennent donc dans la régulation du cycle veille/sommeil, et sont impliqués dans la typologie du sommeil de chaque individu (« petits » ou « gros » dormeurs, sujets « du matin » ou « du soir »). Des gènes similaires

287 _{DUFFY J.F., KRONAUER R.E. et CZEISLER C.A., 1996, « Phase-shifting human circadian rhythms : influence of sleep}

timing, social contact and light exposure », Journal of Physiology, n° 495, p. 289-297.

DAWSON D., LACK L. et MORRIS M., 1993, « Phase resetting of the human circadian pacemaker with use of a single pulse of bright light », Chronobiology International, n° 10, p. 94-102.

HONMA K., HONMA S., NAKAMURA K., SASAKI M., ENDO T. et TAKAHASHI T., 1995, « Differential effects of bright light and social cues on reentrainment of human circadian rhythms », American Journal of Physiology, n° 268, p. R528-R535.

KLERMAN E.B., RIMMER D.W., DIJK D.J., KRONAUER R.E., RIZZO J.F. III et CZEISLER C.A., 1998, « Nonphotic

entrainment of the human circadian pacemaker », American Journal of Physiology, n° 274, p. R991-R996.

288 _{TOUITOU Y., 1998a, « La mélatonine : hormone et médicament », Comptes-Rendus des Séances et Mémoires de la Société}

de Biologie, n° 192, p. 643-657.

289 _{TOUITOU Y., 1998a, « La mélatonine : hormone et médicament », Comptes-Rendus des Séances et Mémoires de la Société}

de Biologie, n° 192, p. 643-657.

290 _B

ILLIARD M., CARLANDER B. et BESSET A.,1996, « Circadian rhythm in normal and pathological sleep », Pathologie Biologie, n° 44, p. 509-517.

SPIEGEL K., LEPROULT R. et VAN CAUTER E., 1999, « Impact of sleep debt on metabolic and endocrine function »,

Lancet, n° 354, p. 1435-1439.

291 _{LAMBERG L., 1998, « Blind people often sleep poorly ; research shines light on therapy », Journal of the American}

aux gènes impliqués dans le cycle activité/repos de l’animal ont été décrits chez l’homme, comme le gène clock292_{, dont le polymorphisme dirige la tendance individuelle à se lever et} se coucher plus ou moins tôt293_.

Les rythmes biologiques sont, au final, de nature endogène principalement, probablement génétiquement déterminés, et modulés par les synchroniseurs. »294

La notion d’horloge biologique

« La chronobiologie repose fondamentalement sur la notion d’oscillateur, horloge biologique interne ou pacemaker, structure endogène capable de mesurer le temps. Dès les années 1970, l’étude des propriétés des noyaux suprachiasmatique (NSC), structures hypothalamiques hétérogènes de 10 000 neurones encore imparfaitement connues, avait conduit au concept d’horloge unique, ou masterclock. Les arguments physiologiques et expérimentaux qui sous-tendaient cette affirmation étaient les suivants :

- l’information photopériodique chemine directement par le trajet rétino- hypothalamique jusqu’au NSC ;

- l’activité neuronale du NSC isolé révèle un rythme circadien ;

- le rythme de l’activité métabolique du NSC se développe en période prénatale ; - une stimulation électrique du NSC change les phases des rythmes circadiens ;

- des lésions partielles ou totales du NSC causent une perturbation, voire une disparition des rythmes de certaines fonctions.

Cependant, si certains rythmes disparaissent après destruction des NSC chez les animaux de laboratoire, certains autres persistent, comme par exemple le rythme circadien de la corticostérone chez le rat. On en vient à penser alors qu’il existerait, à côté du NSC, d’autres populations neuronales également génératrices de rythmes. L’opinion qui prévaut actuellement chez les chronobiologistes est que ces autres systèmes seraient plus des centres fonctionnels que des noyaux anatomiquement isolés et définis. »295