Cours 7 PSY 1035 PDF

Chronobiologie et Rythmes biologiques Cours #7 1 Plan du cours      Définition Historique Présentation des rythmes biologiques L'horloge biologique maître L'entraînement circadien ~  Le réseau rétinien et neuronal du système circadien/non-visuel  Effets de l’exposition lumineuse sur les fonct...

Chronobiologie et Rythmes biologiques Cours #7 1 Plan du cours      Définition Historique Présentation des rythmes biologiques L'horloge biologique maître L'entraînement circadien ~  Le réseau rétinien et neuronal du système circadien/non-visuel  Effets de l’exposition lumineuse sur les fonctions physiologiques, psychologiques et comportementales qui suivent une rythmicité  Utilisation de la lumière pour optimiser la santé physique et psychologique 2 Chronobiologie Domaine qui étudie les variations des phénomènes vitaux chez les organismes vivants en fonction du temps. Chez l’être humain: Plusieurs fonctions physiologiques, psychologiques et comportementales suivent un rythme et sont soumises à une régulation précise. Image : http://santebienetre.ek.la/la-chronobiologie-la-base-de-la-sante-a118250704 3 Chronobiologie Un peu d’histoire Androsthènes, 4e siècle av. J.C Mouvement des feuilles de tamarin selon la position du soleil Réponse au stimulus De Mairan, 1729 Mouvement des feuilles de mimosa dans l’obscurité sur une période quotidienne Jean Jacques d’Ortours de Mairan 4 Chronobiologie Un peu d’histoire Carolus Linnaeus, 1751 Horloge Florale de Linné: Disposition jardinière en forme d’horloge de fleurs dont l’ouverture survient à l’heure indiquée sur l’horloge Présence d'horloge biologique au sein du vivant Augustin de Candolle, 1832 Mouvement des feuilles de mimosa dans l’obscurité sur une période de 22-23hrs Rythme circadien endogène Il semble y avoir une horloge interne à l’intérieur du vivant 5 Chez l’être humain  Jurgen Aschoff & Rutger Wever (1962) ▪ Première étude avec des volontaires vivants dans une cave en absence d'indices environnementaux.  Michel Siffre (1962) ▪ Vécu seul dans une caverne souterraine pendant deux mois. ▪ Expériences : 1-1962; 2-1999 Chronobiologie Rythme circadien endogène Il existe à l’intérieur des organismes vivants une horloge biologique/horloge endogène qui suit un décours temporel s’apparentant à de celui du cycle lumière-obscurité de la Terre (autour de 24h, mais pas tout à fait) 6 Le cycle veille-sommeil ON Y REVIENDRA PLUS LOIN Cycle veille-sommeil en isolation d'indicateur de temps: Le cycle de sommeil sans synchroniseur chez l’être humain évoluera sur plusieurs mois vers un cycle de 30 à 36 h Pointillés : éveil Lignes pleines : sommeil Triangles : minimum température corporelle 7 Chez l’être humain Les expériences ont donc révélé la présence d’une horloge biologique/endogène (à l’intérieur du corps) qui module certaines fonctions. Fonctions physiologiques, comportementales et psychologiques. Ces fonctions sont ce que l'on appelle les rythmes biologiques. 8 Rythmes biologiques  Rythme biologique : ▪ Variation périodique/cyclique d’une fonction particulière. ▪ Représenté mathématiquement par une fonction sinusoïdale. Les rythmes biologiques existent chez tous les êtres vivants, des bactéries à l’être humain. Très étudié chez la drosophile, la souris, le singe et l’être humain. 9 Rythmes biologiques Peuvent être classés en fonction de leur période :  Les rythmes circadiens /journaliers/nycthéméraux : Période 24 heures, observés chez la plupart des êtres vivants Rythmes circadiens : circa = environ ; dies/diem = jour/journée  Les rythmes ultradiens Courte période; quelques secondes à quelques heures (exemple: les stades de sommeil, REM vs NREM)  Les rythmes infradiens Période supérieure à 24 heures; adaptation saisonnière de l’organisme à l’environnement (ex: comportement reproducteur annuel de certaines espèces animales). Ces différents rythmes se superposent et se coordonnent. 10 Quelques rythmes circadiens (24h ∆) Fonctions physiologiques, comportementales et psychologiques -Cycle veille-sommeil -Mélatonine : Hormone sécrétée par la glande pinéale/épiphyse la nuit commence en fin de soirée (augmente la somnolence, hormone du sommeil) -Température corporelle -Rythme cardiaque -Pression sanguine -Hormone de croissance (sécrétée la nuit) -Cortisol -Volume urinaire 11 Autres fonctions qui varient au cours d’une journée Ces fonctions présentent une variation circadienne ▪ ▪ ▪ ▪ 0 12 24 12 vigilance performances cognitives somnolence fatigue 24 12 http://www.sommeil-mg.net/spip/Album-photos-Fete-de-la-Science Organisation des rythmes circadiens entre eux Mélatonine : L’hormone du Sommeil Cortisol : L’hormone du stress Épisode de Sommeil Notre température corporelle est à son niveau minimal pendant notre sommeil http://www.courir-plus-loin.com/matin-midi-ou-soir-a-quel-moment-courir/ http://telerec888.canalblog.com/archives/2 015/08/11/32471650.html Synchronisation des différents rythmes biologiques entre eux 13 Lorsque les rythmes biologiques sont déstabilisés…..  Jet Lag / Décalage Horaire et autres situations ▪ Désynchronisation des rythmes circadiens avec l’environnement Traverser plusieurs fuseaux horaires Effets : fatigue cycle veille-sommeil Désynchronisé Trop faim, pas faim Notre horloge biologique a besoin d'un certain temps pour se réajuster à un nouvel horaire. ▪ Travail de nuit, par quart, Changement d'heure, Exemple du dimanche soir ▪ Troubles de sommeil fréquents chez les travailleurs qui changent souvent d’horaire ▪ Travailleur de nuit : les études montrent plus de troubles de santé, y compris une prévalence plus importante de cancer dans ces populations (désynchronisation fréquente des r.c.) ▪ Études sur les souris montrent décalage horaire fréquent : mort prématurée (Davidson, 2008) ▪ Traitement cancer : efficacité plus importante chez certains individus lorsque le temps circadien a été considéré. 14 Quelle structure du cerveau est à l’origine des variations dans le temps de certaines fonctions ? 15 Horloge biologique  Horloge biologique interne - Oscillateur : Structure générant une fluctuation rythmique Horloge maître Noyaux suprachiasmatiques - NSC Voie rétino-hypothalamique 16 Horloge biologique et environnement  Horloge biologique : ▪ Rythmicité qui n’est pas exactement de 24h  entre 23h30 et 24h30 (moyenne 24.2; variation inter-individuelle) Cette rythmicité est la conséquence de mécanismes génétiques à la base du fonctionnement de l'horloge Gènes : BMAL, PER, CRY, CLOCK Adapté de: Whitmore, D. et al.: A Clockwork Organ. Biological Chemistry 381, 793-800 (2000) http://thebrain.mcgill.ca/flash/a/a_11/a_11_m/a_11_m_hor/a_11_m_hor.html 17 Horloge biologique et environnement  Horloge biologique : ▪ Régulée par des synchroniseurs (indicateur de temps) ▪ alternance jour/nuit (cycle lumière-obscurité de la Terre)  lumière ▪ activités physiques et sociales ▪ heures de repas ▪ Zeitgeber : Indice temporel environnemental pouvant synchroniser un oscillateur 18 Entrainement Circadien ▪ L'horloge interne se synchronise avec le cycle lumière- obscurité de la Terre (cycle de 24h) ▪ Nécessaire, pourquoi ? ▪ horloge n’est pas exactement de 24h Chez la souris : 23h Chez le hamster : 23.6 h Chez l’humain : 24.2 (entre 23.5 et 24.5 h) ▪ Interaction avec les indicateurs de temps, Le plus important : Zeitgeber le plus important pour l’horloge biologique maître (NSC) La lumière (naturelle ou artificielle) 19 Entrainement Circadien Les effets de la lumière sur l’horloge circadienne dépendent de 5 paramètres principaux : l’heure de l’exposition lumineuse l’intensité lumineuse la durée de l’exposition à la lumière le spectre de la lumière l’historique lumineux https://www.elsevier.com/fr-fr/connect/medecine/physiologie-de-lhorlogebiologique#:~:text=L'horloge%20biologique%20circadienne%20a,%2Dchiasmatiques%20de%20l' hypothalamus. 20 Entrainement Circadien Exemple du cycle de veille-sommeil chez le rongeur     Avec lumière-obscurité En obscurité permanente Avec lésion Suite à une greffe **attention les rongeurs sont éveillés la nuit et dorme le jour Dardente H & Cermakian N (2005), Les noyaux suprachiasmatiques : une horloge circadienne composé. Medecine/Sciences 21:66-72. 21 Études Animales : Confirmation de l'importance cruciale des NSC dans la rythmicité circadienne Hu et al 2008 Ablation des noyaux suprachiasmatiques en isolation de zeitgebers chez le singe : Absence de rythme circadien endogène Les NSC sont fondamentaux dans la rythmicité sur 24h des rythmes circadiens. Une ablation/destruction de ceux-ci entrainent une perte de la fonction sinusoïdale sur 24h 22 Le cycle veille-sommeil Cycle veille-sommeil en isolation d'indicateur de temps: Aspect de notre biologie (mécanismes moléculaires d’une région cérébrale) Aspect de notre comportement Le cycle de sommeil sans synchroniseur chez l’être humain évoluera sur plusieurs mois vers un cycle de 30 à 36 h L’horloge biologique (NSC) à une période de 24.2 (23.5 à 24.5 selon les individus) Pointillés : éveil Lignes pleines : sommeil Triangles : minimum température corporelle 23 Différents cas de figure Pas vu en classe pas matière à examen - A : Sujet normal - B : Section des nerfs optiques : Rythme circadien endogène - C : Lésion des noyaux suprachiasmatiques : Absence de rythme circadien - D : Section des tractus optiques : Rythme circadien endogène Lumière Obscurité Lumière Épisode de sommeil La lumière est importante pour un cycle veillesommeil régulier Si les NSC sont lésés, même s’il y a de la lumière, les processus de synchronisation ne sont plus optimaux – plus de rythme circadien (24h : 16h éveil/8h sommeil) LD : light/dark DD : dark/dark Si la lumière ne parvient pas aux NSC, le cycle veille-sommeil n’arrive pas à se synchroniser avec la lumière Si une lésion est faite audelà de l’endroit où sont situés les NSC (ex: tractus optique), cela n’empêche pas le cycle veille-sommeil de se synchroniser avec la lumière. 24 Une ou des horloges ? Il existe plusieurs horloge dans notre corps, l’une que l’on dit principale (NSC) et les autres que l’on nomment secondaires Des interactions interviennent donc entre l’horloge biologique principale et les horloges dites secondaires 25 Horloges biologiques Indices environnementaux qui informent les horloges : lumière, mais aussi la température, les activités, la prise de nourriture Les NSC sont le chef d’orchestre des différents tissus (horloges périphériques) : foie, muscles squelettiques, tissus adipeux, pancréas Communication via la sécrétion hormonale & les systèmes de neurotransmission Froy. Physiology2011Vol. 26no. 225-235 26 Pause Le réseau rétinien et neuronal du système circadien/non-visuel 27 2 systèmes de détection de la lumière Système Visuel -Formation des Images Système Non-Visuel / Circadien -Modulation de plusieurs fonctions physiologiques, psychologiques et comportementales fondamentales -Détection de l’irradiance, de la luminosité, dans l’environnement 28 2 systèmes de détection de la lumière Système visuel classique ▪ Formation des images ▪ Cônes & Bâtonnets ▪ Sensibilité maximale : 550nm (vert) Système circadien ou non-classique/non-visuel Détection de l’irradiance ▪ Cellules ganglionnaires à mélanopsine (- 1% CGR) ▪ Sensibilité maximale : ~ 480nm (bleu) ▪ Hankins et al, 2008; Berson 2003; Brainard et al, 2001; Ecker et al, 2010; Brown et al., 2011 29 Les cellules à mélanopsine ont d’abord été découvertes chez la grenouille 30 Cellules ganglionnaires rétiniennes à mélanopsine Différentes des autres cellules ganglionnaires: (moins de 1% des cellules ganglionnaires de la rétine) Les cellules à mélanopsine sont photosensibles Elles prennent un certain temps avant de commencer à décharger Leur réponse persiste après la fermeture du stimulus lumineux Dacey et al. 2005 Réponse tonique et soutenue Markwell et al. 2010; Bailes & Lucas, 2009 http://lecerveau.mcgill.ca/flash/i/i_11/i_11_cl/i_11_cl_hor/i_11_cl_hor.html 31 Le réseau neuronal non-visuel Les cellules à mélanopsine projettent, via la voie rétino-hypothalamique (VRH), vers : NSC (horloge biologique maître) Cº Aire préoptique ventrolatérale (VLPO) Noyau olivaire prétectal (OPN) (Hattar et al, 2006; Hankins et al 2008; Berson et al, 2003) Image : VDaneault, JPA 2016 32 Représentation simplifiée Wahl S, Engelhardt M, Schaupp P, Lappe C, Ivanov IV. The inner clockBlue light sets the human rhythm. J Biophotonics. 2019 Dec;12(12):e201900102. doi: 10.1002/jbio.201900102. Epub 2019 Sep 2. PMID: 31433569; PMCID: PMC7065627. 33 Effets de l’exposition lumineuse sur les fonctions physiologiques, psychologiques et comportementales qui suivent une rythmicité 34 Réponses non-visuelles à la lumière et longueurs d’ondes Exposition à de la lumière bleue monochromatique vs Exposition à de la lumière verte monochromatique Les études ont montré + de sensibilité pour les réponses non-visuelles sous exposition à des lumières à longueurs d’onde courtes (bleu) vs plus longues (vert, orangé, rouge) pour plusieurs variables. suppression immédiate de la sécrétion de mélatonine augmentation de la vigilance modulation des réponses cérébrales cognitives Lockley et al, 2003; Lockley et al, 2006; Brainard et al, 2001; Cajochen et al, 2005; Sletten et al, 2009; Vandewalle et al, 2007 35 Réponses non-visuelles à la lumière et longueur d’onde noirceur pénombre Certaines ondes cérébrales sont bonifiées sous l’exposition lumière bleue vs verte Lorsque l’on est exposé à de la lumière blanche enrichie en bleu ou à de la lumière monochromatique bleue, notre vigilance et nos temps de réaction sont bonifiés. Cajochen 2005; Lockley 2006 36 Impact de la lumière sur les réponses cérébrales non-visuelles chez l’être humain 1- L’exposition à la lumière, particulièrement à la lumière bleue, est relié à une augmentation des activations cérébrales liées à la tâche non-visuelle en cours (émotionnelle, attentionnelle et cognitive). 2- Les activations cérébrales progressent des structures sous-corticales liées à la vigilance telles que le thalamus ( ), l’hypothalamus ( ) et le tronc cérébral ( ), vers les régions corticales engagées dans la tâche en cours( ). Perrin et al, 2004; Vandewalle et al, 2006, 2007a, 2007, 2009, 2010, 2011 37 Impact de la lumière sur les réponses cérébrales non-visuelles chez l’être humain 38 Utilisation de la lumière pour optimiser la santé physique et psychologique 39 Cycle veille-sommeil et exposition à la lumière Mesures objectives : Actigraphie Mesure de l’histoire lumineuse/activité physique 40 Écrans et Sommeil V.Daneault - Fev-2020; https://www.msss.gouv.qc.ca/professionnels/jeunesse/consultations-sur-l-utilisation-des-ecrans-et-lasante-des-jeunes/forum-d-experts/ …adulte (19-35 ans), les recherches ont montré que l’exposition en soirée (durée : 5h; distance ~1m) à un écran d’ordinateur émettant davantage de lumière bleue comparé à un écran émettant moins de lumière bleue bonifiait significativement la performance, mais réduisait la sécrétion de mélatonine en plus d’atténuer la progression attendue de la somnolence objective et subjective. …chez de jeunes adultes (24.9±2.9 ans), il a été démontré que l’exposition à ~4h d’écran d’ordinateur de type LED en soirée, en comparaison à la lecture traditionnelle (livre papier) à une distance entre 30 et 45 cm dans un éclairage ambiant à 4100K, réduisait considérablement la sécrétion de mélatonine en soirée (> 50%), retardait l’endormissement, et diminuait la quantité et la qualité de sommeil. Les données de sommeil montrent une diminution du temps passé en sommeil paradoxal et une réduction de la quantité de sommeil lent profond en début de nuit. Wahl S, Engelhardt M, Schaupp P, Lappe C, Ivanov IV. The inner clock-Blue light sets the human rhythm. J Biophotonics. 2019 Dec;12(12):e201900102. doi: 10.1002/jbio.201900102. Epub 2019 Sep 2. PMID: 31433569; PMCID: PMC7065627. 46.Cajochen, C., et al., Evening exposure to a light-emitting diodes (LED)-backlit computer screen affects circadian physiology and cognitive performance. J Appl Physiol, 2011. 110(5): p. 1432-8. 47.Heo, J.Y., et al., Effects of smartphone use with and without blue light at night in healthy adults: A randomized, double-blind, cross-over, placebo-controlled comparison. J Psychiatr Res, 2017. 87: p. 61-70. 48.Chang, A.M., et al., Evening use of light-emitting eReaders negatively affects sleep, circadian timing, and next-morning alertness. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(4): p. 1232-7. 49.Leger, D., et al., Slow-wave sleep: From the cell to the clinic. Sleep Med Rev, 2018. 41: p. 113-132. 41 Utilisation de la lumière : Intervention non-invasive  Lumière et entraînement circadien ▪ Utilisation de la lumière pour moduler le cycle veille-sommeil ▪ Dépression Saisionnière ▪ Personnes âgées en institution et exposition à des niveaux adéquats de lumière – effet positif sur la cognition (Riemersma-van der Lek 2008) ▪ Nouvelles recherches pour développer des traitements pour divers troubles neurodégénératifs (Parkinson, Alzeimer). 42 Utiliser la lumière pour modifier ses heures de coucher et de lever (cycle veille-sommeil)  Lumière et entraînement circadien ▪ Courbe Réponse de Phase ▪ Délai et Avance de phase selon le min et max de C° (points pivot) Lumière = délai de phase (on ira se coucher plus tard) Lumière = avance de phase (on ira se coucher plus tôt) Pourquoi: Parce que la température corporelle a un impact sur certains aspects moléculaires de l'horloge (p. ex. gènes de l'horloge), le minimum et le maximum de température corporelle sont les moments où notre organisme est plus sensible à l'exposition lumineuse pour l'entrainement circadian (Coiffard et al 2021) 43 Thérapie de remplacement de mélatonine  L’administration de mélatonine augmente la somnolence le jour.  Administration de mélatonine avant l’heure du coucher (0.1-6 mg) chez les personnes âgées insomniaques: résultats mixtes. Certaines études montrent un effet bénéfique alors que d’autres pas.  Administration ponctuelle (voyage, trouble de sommeil passager, pratique pour éviter le jet-lag)  Utilisation chez les non-voyants (tx utilisé pour certains individus avec déficit de la vue)  Efficacité variable, d’un individu à l’autre, pour une même personne à différents moments Mélatonine et entraînement circadien (évitez l’auto-médication) puissant anti-oxydant endogène voie orale pour induire avance ou délai de phase – si cycle veille-sommeil irrégulier 44 Fin du cours Merci pour votre attention 45