Rythme biologique

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Les rythmes biologiques jouent un rôle majeur dans le fonctionnement des organismes vivants (pulsations cardiaques, mouvements de paupières ou respiratoires, rythme repas/digestion, états alternés de veille et sommeil, cycles de l'ovulation, floraison et fructification des plantes, fructification saisonnière des champignons, migration animales, etc.).
Ils sont importants dans la construction de nos comportements habituels (alimentation, sommeil, etc.).

On a récemment découvert différents types d'« oscillateurs moléculaires », y compris chez des champignons (chez Neurospora crassa, organisme-modèle de laboratoire) et un rythme circadien bactérien a même été mis en évidence, et en grande partie expliqué, chez des bactéries photosynthétiques (cyanobactéries).

Typologie

Il existe de nombreux modèles de rythmes biologiques majeurs qui en pré-déterminent d'autres, éventuellement « en cascade ». Les plus connus, chez les mammifères, concernent les cycles de sécrétion hormonaux (mélatonine, cortisol) impactant leur physiologie tout entière (température corporelle, attention et éveil, cycles veille sommeil, régénération cellulaire, migration, sexualité, reproduction).

Une relative prévisibilité des rythmes biologiques permet de mieux comprendre les périodes d'activité des prédateurs, de disponibilité de nourriture, de reproduction, etc. Chez l'homme, ils ont même permis de mieux comprendre et prévoir l'occurrence des accidents^[1].

Ce n'est pas le seul paramètre entrant en compte, mais la luminosité et la durée du jour et de la nuit sont les premiers et principaux stimuli contrôlant les grands rythmes biologiques : en activant ou inhibant des réactions physiologique des organismes, ils rythment aussi les comportements de couples, de populations entières d'espèces, par exemple chez les bactéries cyanophycées photosynthétique et au delà de cycles à l'échelle des écosystèmes, des biomes voire de la planète (pour certaines migrations animales). C'est une des raisons expliquant que la pollution lumineuse et la dégradation de l'environnement nocturne sont devenues des sujets de préoccupation, tant écologiques que sanitaires.

La mélatonine apparait dans cette perspective comme une hormone essentielle, pour l'homme et semble-t-il pour de nombreuses espèces puisqu'on a récemment découvert que diverses algues et plantes en produisaient également^[2],[3].

Caractérisation des rythmes biologiques

Un rythme biologique se caractérise par sa période, l'emplacement de l'acrophase (ou pic, ou sommet, ou zénith) de la variation dans l'échelle de temps de la période, l'amplitude et le niveau moyen de la variation (MESOR).

Période

Intervalle de temps mesuré entre deux épisodes qui vont se reproduire à identiques d'eux-mêmes au cours de la variation. La période du rythme d'une variable biologique peut être obtenue par analyse spectrale, fournissant une estimation de la période prépondérante fondamentale et de ses harmoniques. On peut aussi l'obtenir via la connaissance du rythme des synchroniseurs (conditions expérimentales).

En fonction de la période prépondérante, la chronobiologie distingue trois grands domaines de rythmes :

• les rythmes circadiens, d'une période équivalant théoriquement à un jour (24 heures), mais qui varie en réalité de 20 à 28 heures ;
• les rythmes ultradiens, c'est-à-dire d'une fréquence plus rapide qu'un rythme cicardien, donc d'une durée théoriquement inférieure à 24 heures ;
• les rythmes infradiens, c'est-à-dire d'une fréquence plus lente qu'un rythme cicardien, donc d'une période supérieure à 24 heures. Parmi ceux-ci :
  • les rythmes septénaires (environ une semaine),
  • les rythmes séléniens (28 jours),
  • les rythmes circamensuels (environ un mois),
  • les rythmes circannuels, ou saisonniers.

Une même variable biologique manifeste sa rythmicité dans plusieurs de ces domaines (exemple du cortisol plasmatique).

Acrophase

L'acrophase (pic, ou zénith), dont l'opposé est la « batyphase » ou « bathyphase », est la position de la plus haute valeur de la variable biologique mesurée dans l'échelle du temps, pour la période considérée en fonction d'une référence temporelle. Lorsque l'on se trouve dans le domaine circadien, le pic peut être donné en heures avec comme référence une heure (par exemple : minuit de l'heure locale). Il est possible de donner l'emplacement de l'acrophase par rapport à la température corporelle, mais cela reste beaucoup plus rare.

Lorsqu'on utilise la méthode du Cosinor, le pic sera le point le plus élevé de la fonction sinusoïdale, mais la plupart du temps on parle de pic au regard des valeurs expérimentales.

Amplitude

La caractérisation est la même qu'en sciences physiques ou en mathématiques. Elle représente la variabilité totale de la valeur biologique mesurée sur une période considérée.

Mesor ou niveau moyen du rythme

MESOR pour Midline Estimating Statistic Of Rythm. Il s'agit de la moyenne arithmétique des mesures de la variable biologique.

Propriétés des rythmes biologiques

Les rythmes biologiques ont une origine à la fois endogène et exogène :

Origine endogène

Leur origine est génétique, ils sont innés et ne résultent pas d'un apprentissage individuel. Ils sont gouvernés par des horloges biologiques (ou garde temps). Cette caractéristique peut être mise en évidence par une isolation (protocole de libre cours) durant laquelle les rythmes persistent sur une fréquence qui leur est propre.

Ces facteurs endogènes sont entraînés par des facteurs exogènes, les Zeitgebers ou Synchroniseurs.

L'origine endogène prend son origine de la constitution génétique de l'espèce et de ses individus. Il est possible qu'interviennent d'une part des gènes programmant directement le rythme considéré et d'autre part la structure d'ensemble de l'individu dépendant à la fois de l'ensemble des autres données génétiques et de facteurs socio-psycho-biologiques exogènes.

Chez les mammifères, les rythmes circadiens sont contrôlés par une horloge circadienne centrale localisée dans l'hypothalamus et des horloges secondaires (ou périphériques) présentes dans tous les organes. Ces dernières sont synchronisées, directement ou indirectement, par l'horloge centrale. Cette hiérarchie n'existe pas chez les invertébrés (comme les insectes), dont toutes les horloges, aussi bien cérébrale que périphériques, sont directement synchronisables par la lumière.

Il existe plusieurs gènes codant diverses horloges biologiques : on a, par exemple, décrit une horloge alimentaire qui réglerait la préparation digestive au repas à venir (Cf. Étienne Challet et al., Current Biology du 24 octobre 2006).

Rythmes d'origine centrale et rythmes d'origine périphérique

En fait, toutes les cellules de l'organisme, et pas seulement celles qui appartiennent aux structures cérébrales plus spécialisées, sont dotées d'une horloge propre qui est difficile à mettre en évidence in vitro dans les conditions habituelles du laboratoire. Benoît Kornmann et ses collaborateurs ont découvert la possibilité de laisser en activité ou d'annihiler l'horloge de cellules hépatiques ; cela a permis de déterminer que leur rythme circadien est à 90 % d'origine « locale » mais qu'il existe un impact « global » (central et/ou lié directement aux synchroniseurs externes) de 10 % au moins. Cette part est très robuste et persiste lorsqu'on bloque l'horloge propre des cellules périphériques.

Facteur d'entraînements exogènes

Le synchroniseur est un facteur environnemental, parfois social, mais toujours périodique, susceptible de modifier la période ou la phase d'un cycle biologique. Les synchroniseurs ne créent pas les rythmes biologiques mais ils en contrôlent la période et la phase.

Les principaux agents d'entraînement des rythmes chez l'homme sont de nature cognitives, ainsi les indicateurs socio-écologiques y jouent un grand rôle.

On peut citer ici l'alternance activité/repos, lumière/obscurité au niveau quotidien, ou encore la photopériode (jours courts / jours longs) et la température au niveau annuel ou saisonnier.

Conclusions et implications

Les rythmes biologiques sont donc entraînables (ajustement de la période des rythmes) mais aussi persistants (mise en évidence par protocoles de free run ou libres cours, dans lesquels on coupe l'individu de tous signaux susceptibles de le resynchroniser).

On peut déplacer leurs phases par induction via la manipulation des synchroniseurs (lumière essentiellement) et ainsi créer des avances ou des retards de ces phases, on peut ainsi en cas de pathologie remettre à l'heure l'horloge biologique et ainsi remettre en phase l'organisation temporelle de l'individu. Les rythmes circadiens, quasiment ubiquitaires, sont peut être les rythmes biologiques les plus remarquables et les plus facilement observables.

D'autres synchroniseurs — sociaux notamment — s'adressent à notre cortex. Ils sont des signaux et peuvent être appris. Grâce à un travail cérébral spécifique, tout signal perçu comme repère temporel peut devenir un synchroniseur et orienter notre « vécu » circadien, mais aussi, le cas échéant, circannuel, ultradien, etc. Autrement formulé, notre « horlogerie » interne est influencée par le bruit des voisins, le déclenchement de la sonnerie du réveil, l'heure de passage du facteur, le moment quotidien pendant lequel telle personne a pris l'habitude de nous téléphoner — la liste est longue. Chez l'homme, les synchroniseurs sociaux ont un effet plus important que les synchroniseurs naturels, mais on observe des phénomènes semblables chez certains animaux sociaux qui se synchronisent grâce aux informations données par leurs congénères. Un synchroniseur social peut en remplacer un autre par un phénomène d'apprentissage.

Utilisation en pharmacodynamique

Ces rythmes régulent les taux de nombreuses hormones. On cherche à mieux les prendre en compte pour l’administration de certains médicaments, qui doivent être délivrés à des moments et/ou rythmes précis pour en améliorer l’efficacité, faute de quoi le décalage par rapport au rythme biologique peut induire une perte d’efficacité et/ou une augmentation d'effets secondaires, voire dans certains cas un effet contraire à celui attendu.

Notes et références

1. ↑ Reinberg A.(2003), Heures noires, Rythmes du risque des accidents, in Chronobiologie médicale, chronothérapeutique, Flammarion, coll. Médecine Sciences, 2^e édition, Paris, pp. 263-73.
2. ↑ Reiter Russel J.  ; Dun Xian Tan  ; Burkhardt Susanne  ; Manchester Lucien C. ; Melatonin in plants, in Nutrition reviews ; 2001, Ed : International Life Sciences Institute ; vol. 59, no9, p. 286-290 (47 ref.) ; ISSN:0029-6643 Fiche INIST CNRS
3. ↑ Caniato R, Filippini R, Piovan A, Puricelli L, Borsarini A, Cappelletti E  ; "Melatonin in plants".(2003); Adv Exp Med Biol 527: 593–7. PMID 15206778

Voir aussi

Bibliographie

• Albert Goldbeter, La Vie oscillatoire. Au cœur des rythmes du vivant, éditions Odile Jacob, 2010. Présentation en ligne
• André Klarsfeld, Les Horloges du vivant. Comment elles rythment nos jours et nos nuits, éditions Odile Jacob, 2009. Présentation en ligne

Articles connexes

• Mélatonine
• Environnement nocturne
• Pollution lumineuse
• Cortisol
• Intrusion lumineuse
• Christian Poirel

Lien externe

• Les rythmes biologiques