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Historique de la science des rythmes.

La première indication d’une horloge biologique remonte à 1729: Ortous De Mairan est le premier à constater que si on met des plantes de Mimosas dans une pièce sombre, les feuilles  continuent à se redresser et à retomber périodiquement alors que jusque là on pensait qu’il fallait impérativement qu’il y a le signal du jour pour que ceci soit possible.

Un siècle plus tard, Augustin de Candolle, reprend cette expérience avec une plante proche du Mimosas, la Sensitive, il montre qu’en fait, ce mouvement périodique n’a rien à voir avec la lumière du jour, car si on laisse la plante dans une pièce très obscure, la période du mouvement n’est pas de 24h mais de 22h. Donc, il doit y avoir une horloge interne qui dicterait cela à la plante, avec ainsi une origine génétique.

Cette origine a été suggéré par Bünning, qui a montré qu’il existe des horloges héréditaires dans les plantes, capables de leur permettre de mesurer le temps.

1972, Stephan & Moore, montrent qu’il existe une horloge biologique chez les mammifères, et elle se situe dans les noyaux supra chiasmatiques.


C’est à ce moment là qu’a été lancée la discipline de la chronobiologie (la biologie du temps, la science des rythmes biologiques).


Un rythme biologique se caractérise par un processus biologique qui présente une variation cyclique, cette fonction périodique a une allure sinusoïdale, qui peut être estimée par plusieurs paramètres:

la période (se calcule en intervalle de temps, c’est la durée séparant le commencement d’une phase et le commencement de la phase suivante)

l’amplitude (se calcule classiquement l’intervalle qui sépare le maximum du minimum dans le processus en questions)

l’acrophase (le pic du rythme, le moment où la valeur est la plus importante) (le zénith)

la batiphase (le creux du rythme) (le nadir)

(exemple du graphique de la température centrale)
Le mesor: la moyenne des valeurs en dessous et au dessus. Ne correspond à rien sur le plan physiologique.


Les rythmes biologiques sont classés en fonction de leur fréquence d’apparition par rapport à une norme qui est 24h.

• les rythmes ultradiens (dien=jour) : période comprise entre quelques secondes et jusqu’à 20h au total. (exemple le rythme respiratoire, cardiaque..)

• les rythmes circadiens : période voisine de 24h, comprise entre 20h et 28h.

• les rythmes infradiens : fréquence inférieure à celle du jour, donc une période allant au delà de 28h (reproduction des champignons, le sommeil des marmottes, cycle menstruel)

A partir du moment où l’on a découvert le caractère endogène des rythmes, les chercheurs ont été amenés à constater, qu’il peut y avoir des facteurs environnementaux extérieurs qui influent sur ces rythmes (qui eux aussi sont périodiques, ex : l’alternance jour/nuit, les variation de température, d’humidité, les contraires socio-professionnellles).

Ces facteurs sont des Zeitgeber (donneur de temps), ou synchroniseurs en français. L’alternance jour/nuit est le plus puissant, surtout pour le règne végétal et animal, de sorte qu’on lui a donné un nom particulier: le nychtémère. On ne remettra jamais en cause l’influence nycthémérale sur le rythme. Mais l’influence des contraintes socio-professionnelles est très importante aussi.

Mais attention, le zeitgeber ne crée pas le rythme, il existe en tant que tel, mais il peut modifier la période ou la phase du rythme.
Tous ces facteurs synchronisent les rythmes.

Pour comprendre l’impact des zeitgeber, on les supprime. On met les personnes dans les situations hors du temps, de libre cours, ou freerunning.
A partir des années 50’, on a mis des gens dans des cavernes pour étudier les rythmes. Aujourd’hui, on a crée des appartements coupés de tout, sans indice temporel. On peut raccourcir les journées, ou les rallonger.

Les rythmes infradiens :

Dans beaucoup de régions au monde, il y a des saisons, donc les animaux et les plantes, si ils veulent survivre doivent s’adapter (les animaux migrent ou hibernent). Ces changements annuels de l’activité sont gérés par une horloge endogène.

On a supprimer ces facteurs environnementaux permettant de synchroniser les rythmes, on les mets en laboratoire, à lumière et température constantes, on a pu montré que malgré l’absence de zeitgeber, certains oiseaux migrateurs par exemple, ont une modification du poids, des mues, la taille des testicules, le temps de repos nocturne (en général, on dort plus en hiver qu’en été, le poids varie aussi selon les saisons... ).

Une des manifestations les plus évidentes, c’est l’hibernation, chez certain animaux. C’est une forme de sommeil hivernal, qui peut durer plusieurs mois, et qui se caractérise par une baisse très forte du métabolisme et une chute de la température interne (2°C). Ne concerne que les animaux à sang chaud (les homéothermes). Surtout chez les mammifères. Le poids subit une diminution drastique. A la sortie de l’hibernation, ils commencent à s’alimenter fortement pour atteindre leur poids maximum au coeur de l’été.

Si on met ces animaux en laboratoire, ce rythme d’hibernation continue pendant deux ans. Donc, il est géré par une horloge indépendante des facteurs environnementaux.

Si on injecte du liquide céphalo-rachidien d’un écureuil fouisseur qui hiberne à un écureuil fouisseur qui n’hiberne pas, celui ci se met à hiberner. Même si la température externe est à 25°C. C’est donc un mécanisme très puissant.

On a vu cela avec des marmottes transférées de côté est à ouest, on a mesuré l’accumulation de graisse, on s’est aperçu que transplantées en Australie, le rythme s’inverse progressivement pour s’adapter à la nouvelle alternance jour/nuit. Donc il y a bien un rythme endogène, mais qui dans des conditions normales est sous la dépendance des zeitgeber.

Quelques rappels:
Pacemalker (donneur de rythme)
Endogène: à l’intérieur de l’organisme.

* Le rythme de la lune: sélénien.

* Les variations saisonnières sont très importantes, sur les troubles du comportement, notamment de la dépression, à des moments spécifiques de l’année, surtout en automne, avec des pics de suicide sur le plan statistique.
Il faut savoir qu’il existe un rythme bi annuel de la synthèse de la sérotonine (en plus du rythme circadien), au printemps et en automne... comme par hasard, beaucoup de suicides surviennent.

Les rythmes ultradiens :

De nombreux rythmes sont inférieurs à la journée. Le rythme de l’activité locomotrice, notamment chez des animaux, de prise alimentaire (on mange trois fois par jour), de la vigilance (qui présente une période de 90min, le BRAC Basic Rest Activity Cycle de N.Kleitman, il pourrait être la continuation pendant l’état de veille de ce qui existe par ailleurs pendant l’état de sommeil).

En ce qui concerne les animaux, les petits surtout, ils synchronisent leur comportement entre eux, ils restent groupés, donc sont moins isolés par rapport à leurs prédateurs.
L’hormone lutéinisante (LH) a un rythme ultradien de libération de toutes les 60min.

--> Certains de ces rythmes, sont des sous multiples de rythmes circadiens bien connus. La relation qui peut exister est très inconnue. Des rythmes ultradiens sont généré par eux mêmes (cardiaque, respiratoire...). Mais pas chez le rat par exemple, qui court dans sa roue pour qu’on mesure son rythme.

Dans l'organisation du sommeil, on trouve que des rythmes ultradiens de sommeil paradoxal (90min pour l’homme, 25 pour le chat, 180 pour l’éléphant) ont différentes périodicités selon l’espèce. Qu’est ce qui imprime ce rythme ?

Les rythmes circadiens :

La plupart des rythmes biologiques qui fonctionnement sur un rythme de 24h. Il peut s’agir de comportements, de processus physiologiques, biologiques... Ils ont été étudiés sur beaucoup d’espèces. On a constaté qu’elles sont relativement précises. On a beaucoup travaillé sur le hamster, très rythmé. Il a bien une horloge interne qui règle ses activités (ici, dans la roue...). Néanmoins, quand on met le hamster dans l’obscurité, il a tous les jours une petite imprécision par rapport à la veille, il commence à s’activer tous les jours un peu plus tard. Jusqu’à inverser complètement son rythme si on le laisse suffisamment longtemps. On dit donc que cet animal est en libre cours. Chez l’homme, ce phénomène se produit aussi. Il y a bien une horloge endogène, sur 24h, mais c’est environ 25H. "Un homme en libre cours fera comme le hamster !"

Exemple, on va à New York, on prolonge notre journée de 6h. Le décalage n’est que de 5h. Par contre, au retour, c’est plus difficile, on raccourcit la journée, on en subit 7h. (évidemment tout le monde peut aller à New york pour s'en rendre compte!!!)

Nous sommes des animaux diurnes. Mais les gens qui sont postés (travail de nuit, voir la thèse de Mme Anne Bonnefond), ils sont en permanence en décalage de phase. Ils ont des stimulus de synchronisation différents, ils sont entraînés sur une phase différente de la normale. ces modifications peuvent données lieu à des troubles des rythmes biologiques. Par exemple pour le minimum de température va venir plus tard, c’est un retard de phase. A l’inverse, on peut subir une avance de phase.

--> expliquent les troubles du sommeil.

Ces rythmes sont précieux pour l’organisme car ils permettent de synchroniser le comportement et tous les états corporels avec es changements de l’environnement. L’horloge biologique permet d’anticiper la variation de l’environnement qui les fait rentrer dans un comportement adéquat avant que les conditions ne changent, (ex pour les petit rongeurs qui ne sortent que la nuit). Ex de l’éclipse de 1999, les animaux paniqués.

L’horloge circadienne :

• Curt Richter, 1967, des lésions de l’hypothalamus interféraient avec les rythmes circadiens.

• Stephan & Zucker, en 1972, une lésion du noyau suprachiasmatique suffit a perturber les rythmes circadiens de la prise de boisson, du comportement moteur...

• Moore&Eichler ont montré que c’est vrai aussi pour les corticoides surrénaliens.

On a aussi fait des études autoradiographiques, on injecte du 2DG (désoxyglucose) chez des rates gestantes, on regarde l’activité métabolique du noyau suprachiasmatique des foetus et de la femelle. On observe chez les foetus, dans leur noyau, l’existence d’un rythme circadien, peu après que ce noyau soit formé, donc bien avant la naissance, ce rythme est calé sur celui de la mère.  On a essayé avec l’épiphyse (glande pinéale), et avec l’hypophyse, cela ne changeaient rien. On a essayé avec la thyroïde, idem, avec les ovaires, idem. Par contre, si le noyau suprachiasmatique est lésé chez la mère, notamment au début de la gestation, alors l’activité métabolique des noyau suprachiasmatiques des foetus était perturbé.  Néanmoins un rythme circadien propre est maintenu, mais ils ne sont plus synchronisés les uns sur les autres.

On a fait des études de transplantation. On a prouvé que la période endogène du rythme est bien déterminée par le noyau suprachiasmatique. On a pris les hamsters, on lèse leur noyau et on les place en lumière constante, et ils présentent des rythmes épars, on leur a transplanté le noyau d’autres hamsters, qui présentaient une mutation génétique leur confèrent une période différente. Au bout d’une semaine, les hamsters ont présenté le rythme de l’animal donneur.

Remarques : le noyau est important, mais n’agit pas lui tout seul. Quelles peuvent être les horloges secondaires, par rapport au noyau SC. Notamment pour la rétine. Après test, ça ne supprime pas ce qu’on pensait. L’épiphyse non plus ne prétend pas au rôle d’horloge, car son ablation (pinéalectomie) est sans incidence sur les rythmes circadiens. On a cherché d’autres pacemaker possibles, aujourd’hui, on s’oriente vers des hypothèses génétiques et en particulier le fait qu’il existe des gènes (horloges), qui pourraient se situer à différents niveaux et dans différents organes.

Reprenons la rétine: en tant que tel, elle ne peut pas être vraiment considérée comme une horloge, mais il y a une fluctuation circadienne de la sensibilité de la rétine. Avec certains neurotransmetteurs, qui peuvent moduler l’importance de l'alternance jour/nuit sur l’horloge maîtresse. De plus, selon les espèces, l’ablation du noyau suprachiasmique ne produit pas de dommage irréversible.

Exemple du vison, on a lésé le NSC, on a vu qu’il continue a avoir une rythmicité de l'alternance de l'activité repos, mais au lieu d’être basé sur 24h, elle était basé sur 20min et se transforme donc en rythme ultradien. Mais progressivement, ces périodes vont se regrouper, pour reconstituer à la fin un rythme circadien, mais dont la période est d’environ 22h30.

Ces questions sont a lors actuel à l’état de recherche.

L'entraînement d’un rythme par la lumière: Les voies d’information lumineuse varient selon l’espèce, Rusack & Zcuker, chez certains oiseaux ou amphibiens, l’épiphyse, est photosensible, et permet d'entraîner certains rythmes circadiens, car la boite crânienne est très mince, et donc l’épiphyse arrive a capter le signal lumineux.

Cependant, chez le mammifères, ce sont les voies qui partent de la rétine qui produisent l'entraînement photonique le plus important, et en particulier, la voie rétino hypothalamique. Si on fait une lésion du cortex visuel, les animaux sont rendus aveugles sur le plan central, par contre, les rythmes circadiens restent inchangés. Moore a montré que si on lèse certaines cellules ganglionnaires au niveau de la sortie du nerf optique, vers le NSC, l'animal est très perturbé. La section de la voie du NSC vers les corps genouillés idem (le feuillet intergémiculé est important, il imprime le rythme via l’activité du NSC).

Chez l’homme, le NSC n’est pas fonctionnel à la naissance, il met 2 mois à le devenir. Questionnaire à des étudiants, matinalité/vespéralité, date de naissance, sexe: résultats: ceux nés entre avril et octobre sont du soir, entre octobre et avril étaient plutôt du matin, vrai que pour les hommes, pas les femmes. Hypothèse: ceux né en été sont né dans une photopériode longue, il est possible que l'influence de l’alternance jour/nuit après la naissance puisse se faire sur la fin de la maturation du NSC. Pas sur les femmes, car cycle menstruel.

Phénoménologie du sommeil

Nous ne sommes pas égaux dans le sommeil. Il est très variable d’une personne à l’autre, même s’il y a des constantes. Néanmoins; la moyenne de la population dort entre 7h30 et 8h par 24h, pour l’essentiel en un épisode nocturne (= sommeil monophasique). Si on fait la sieste, c’est un sommeil diphasique. Chez les animaux, sommeil polyphasique. Il y a des personnes qui s’éloignent de cette moyenne (petit dormeur, grand dormeur).
Meddis a trouvé une retraitée de 70 ans, qui depuis son enfance ne dormait que une heure par 24h. Elle était parfaitement en forme. IL y aurait des facteurs génétiques et psychiatriques. En effet, elle était hypomaniaque, surexcitée. C’est un problème d’excès d’éveil. Des gens dorment plus que la normale, 12, 13h. Dans ce cas, on fait plus de stade 2 et plus de sommeil paradoxal. En revanche, on ne fait pas plus de sommeil lent profond (celui ci est homéostasique, il réagit au manque). Alors que le sommeil paradoxal est régulé de façon ultradienne (car toutes les 90 min) et circadienne (car son pic est entre 5h et 10h du matin). Les chronotypes sont en pleine forme le matin, mais pas du tout le soir, sinon, c’est l’inverse. La plupart des gens sont des intermédiaires. Plutôt du matin, ou du soir. Extrême du matin, du soir. Nous sommes plutôt du soir, ça dépend de l’âge. Le sommeil évolue avec l’âge. Les jeunes sont souvent en retard de phase, le minimum de température est plus tard que 4h du matin. Le cycle veille sommeil est associé au rythme de la température. PLus on vieilli, plus on devient du matin. Tout se fait par rapport à l’heure de réveil. Si on veut retrouver une sommeil normal, il faut imposer une heure de réveil impérative. Le chronotype peut aussi être génétique, néanmoins il bouge au cours de la vie. On a des arguments, afvec les gènes horloges.
Il existe un sleep quantum, un minimum de sommeil vital requis, qui est pour les indivus normaux moyens, compris entre 4,5h et 5,5h. ça doit se faire progressivement.

Anatomie et neurochimie du sommeil :

D’où provient le sommeil ? Comment est il instauré ?

Historiquement : deux grandes théories :

• le sommeil est un processus passisif qui survient quand toutes les fonctions sont épuisées.

• le sommeil est un processus actif, les mécanismes qui favorisent l’éveil sont activement inhibés.

Expérience de Bremer, en 1930, sur des chats. IL a pratiqué sur un groupe de chat une section en haut de moelle épinière: la section encéphale isolée. IL a enregistré ce qui se passe au cerveau: les chats continuent à avoir une alternance veille sommeil normal. Pendant le sommeil, les pupilles sont rétractées. Bremer ne connaissait pas le sommeil paradoxal, dont il qualifiait d’éveil ce qui pouvait être du sommeil paradoxal. Par la suite, il a d’autres sections, plus en avant, au niveau du mésencéphale (entre les coliculi sup et inf): la secution cerveau isolé. L’avant du cerveau ne présente plus aucun signe d’éveil. IL pensait avoir coupé les influx sensoriels afférents, donc les chats dorment tout le temps.

40’: 2 chercheurs, Moruzzi & Magoun ont réinterprété les données de Bremer, sur la base de travaux impliquant des stimulations électriques d’une vaste région du tronc cérébral, la formation réticulée (du bulbe jusqu’au thalamus). Si on la stimule chez un animal andormi, ça le réveille. Si on fait des lésions importantes dans la Formation Réticulée, les animaux présentent un sommeil permanent. Par contre, ce phénomène n’a pas lieu si les lésions n’imterrompent que les voies sensorielles. Ce qui prouve que ce n’est pas l’absence de stimulations sensorielles qui provoque le sommeil. Donc, l’hypothèse de Bremer est fausse. On a trouvé que la FR est composée de 2 parties: une partie antérieure activatrice qui stimule le thalamus et le cortex et une partie postérieur inhibitrice qui inhibe activement la FR activatrice. Le processus du sommeil n’est pas passif, il nécessite une mise en place active de la zone postérieure de la FR, qui se met en action, qui produit une inhibition de la FR activatrice.

cours de P.Tassi