Propriétés fondamentales des rythmes biologiques

Il est judicieux de se demander si les rythmes biologiques sont la résultante d’une adaptation aux changements de l’environnement ou s’il s’agit d’une propriété intrinsèque de l’organisme.

2.2.1 Caractère inné et acquis

En 1729, Jean-Jacques Dortous de Mairan enferma des mimosas dans une chambre noire pendant plusieurs jours. On sait que le mimosas dresse ses feuilles dans la journée, et les laisse pendre la nuit, Il constata, que même placée dans l’obscurité totale et dans un environnement constant(Température et humidité), le rythme des mouvements des feuilles persistait.[7]

Figure 3 - illustration des feuilles de Mimosa pudica selon le jour (A) ou la nuit (B) [3]

Un siècle plus tard, le naturaliste Pyramus de Candolle, précisa que la période du rythme des feuilles du mimosas était de 24 heures en alternance jour/nuit naturelle et qu’en lumière continue, comme en obscurité continue, le rythme persistait mais n’étais plus synchronisé sur 24 heures.[8, 9]

Un pharmacien, J.J Virey, en 1814, proposa que cette périodicité inné résultait de l’existence d’une sorte d’horloge vivante, « montée » par la nature et entrainée par le mouvement du soleil et de la terre[10]. Un argument indirect en faveur du caractère endogène des rythmes est la persistance de ceux-ci dans des conditions environnementales constantes et en absence de signaux extérieurs temporels connus. S’ils étaient exogènes, ils devraient disparaitre lorsque les conditions de l’environnement sont constantes comme par exemple une obscurité continue, une température stable, un repos permanent, un jeun prolongé…

Les rythmes circadiens ont donc une origine endogène mais sont en même temps capables de s’ajuster aux signaux périodiques de l’environnement : la rythmicité a une origine endogène(innée) et sa période propre peut être modulée par les cycles exogènes, pourvu que la période de ces derniers soit assez proche de la période innée du système. Ainsi, les rythmes circadiens ont pour limites expérimentale 20 heures et 28 heures pour une sensibilité aux signaux de l’environnement. Les rythmes biologiques sont donc imposés par l’horloge interne mais leurs caractéristiques dépendent du contrôle exercé par les facteurs extérieurs sur cette horloge.[11]

2.2.2 Les horloges biologiques

Les horloges biologiques sont des structures de l’organisme capables d’induire des rythmes biologiques. Dans les années 1970, les chercheurs ont tenté de démontrer l’existence d’une seule horloge biologique maitresse. L’hypothalamus semblait pouvoir jouer ce rôle, mais les données expérimentales ont infirmé cette hypothèse. Les travaux se sont ensuite portés sur les noyaux supra-chiasmatiques, composés de deux petits noyaux placés sue la base du troisième ventricule, chaque noyau contenant environ 10 000 neurones.

2.2.3 Noyaux supra-chiasmatiques NSC

NSC font partie de l’hypothalamus antérieur ; ils se situent au-dessus du croisement (chiasma) des nerfs optiques, d’où leur nom.

L’organisme reçoit, par le biais de l’horloge interne, une information temporelle qui lui permet de vivre en harmonie avec son environnement. Les différents synchroniseurs, en particulier l’alternance lumière-obscurité, vont entrainer l’horloge à une période de 24 heures. Les NSC, véritable horloge circadienne, transmettent le message circadien par des voies nerveuses efférentes aux autres structures cérébrales, chacune d’entre elles faisant le lien avec une ou plusieurs fonctions précises. Par exemple, les projections sur les noyaux para-ventriculaires de l’hypothalamus permettent l’intégration du signal circadien au niveau hormonal et au niveau du comportement émotionnel. Les projections sur les noyaux para-ventriculaires du thalamus sont connues pour jouer un rôle dans l’organisation temporelle du cycle veille-sommeil et de l’activité. [12]

Les NSC distribuent le signal circadien sur la glande pinéale par l’intermédiaire d’une voie poly-neuronale complexe se terminant par des fibres sympathiques [12]. L’épiphyse transforme alors ce message nerveux en message hormonal : la synthèse rythmique de la mélatonine synchronisée sur 24heures par le cycle jour-nuit. Inhibée par la lumière, la sécrétion de mélatonine ne se maintient que pendant la période nocturne. Sa production nocturne peut être interrompue par un flash lumineux intense chez l’humain. La durée de sécrétion est proportionnelle à la durée de la nuit. Variant au cours de l’année, elle permet aux cerveaux de lire l’information photopériodique. Un grand nombre de structures périphériques et du système nerveux central contenant des récepteurs mélatoninergiques, le rythme de la mélatonine constitue un message circadien et saisonnier permettant à l’organisme de s’organiser temporellement [12]

Si les NSC sont détruits chez l’homme, suite à une pathologie (par compression dû à l’extension de tumeurs hypophysaires), il devient impossible à l’organisme d’exprimer les rythmes circadiens d’un certain nombre de variables, tels ceux du cycle veille/sommeil et de plusieurs fonctions endocriniennes [5]

2.2.4 Autres horloges biologiques

Les faits expérimentaux donnent à penser que, sans minimiser son importance, le NSC est une des horloges centrales, mais ni la seule ni même la principale dans tous les cas. Chez le Rat par exemple, la destruction du NSC n’entraine pas la disparition de tous les rythmes circadiens ; celui de la sécrétion de corticostérone persiste, même si l’ACTH a perdu sa rythmicité dans ces conditions.

Par ailleurs, le fait qu’il puisse coexister chez le même sujet, des rythmes circadiens de périodes différentes conduit à penser qu’ils dépendent de plusieurs horloges et non pas d’une seule.

Chez l’homme, les oscillateurs circadiens seraient situés non seulement dans le cerveau archaïque où se trouvent les noyaux supra-chiasmatiques mais également dans le néocortex et le paléocortex. [13]

A l’heure actuelle, les découvertes vont dans le sens d’oscillateurs interconnectés et hiérarchisés.

Récemment, il a été montré que d’autres populations neuronales peuvent être génératrices de rythmes[11] ; il semblerait que l’horloge circadienne de l’hypothalamus intègre des signaux provenant de divers oscillateurs périphériques extérieurs au système nerveux centrale.[8]

2.2.5 Les gènes

Le premier argument expérimental en faveur du contrôle génétique de la bio rythmicité a été fourni par BUNNING en 1963. Par le jeu de la sélection, il a obtenu deux clones du haricot Phaseolus multiflorus, ayant des rythmes circadiens dont les périodes naturelles étaient respectivement de 23 h et 26 h. Par des expériences d’hybridation, BUNNING (1963) a montré que la valeur de la période naturelle se transmet suivant les règles prédictives de la génétique mendélienne classique.[14]

Par ailleurs, chez l’homme des expériences ont été réalisées chez des jumeaux monozygotes et dizygotes. Les vrais jumeaux, monozygotes, ont des rythmes circadiens de caractères identiques tandis que les faux jumeaux, dizygotes, ont des rythmes circadiens sensiblement différents. Il est donc intègre aujourd’hui que les rythmes biologiques sont inscrits dans le patrimoine héréditaire de chaque individu.

La génétique moléculaire a apporté des arguments décisifs en faveur du caractère héréditaire des rythmes circadiens. Elle a montré, chez des espèces variées, l’existence de gènes clock ou « gènes-horloge » que l’horloge circadienne utilise pour de nombreuses fonctions biologiques [8]

3. FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX INFLUANT SUR LES