Rythmes circadiens : entraînement d'une horloge endogène par la lumière

Résumé

Les rythmes de 24 heures et d'un an observés dans la plupart des processus biochimiques, physiologiques et comportementaux ne résultent pas d'une réponse imposée par les variations de la durée d'éclairement, mais découlent d'un système interne de mesure du temps, le système circadien. Cette rythmicité endogène, inscrite dans le patrimoine génétique des êtres vivants, permet l'organisation de séquences temporelles des variations du milieu intérieur en vue d'une adaptation optimale aux changements de l'environnement. Trois étapes caractérisent le fonctionnement de ce système : en amont, la réception du signal photique ; au niveau central, l'intégration cellulaire de ce signal par un oscillateur (horloge circadienne) auto-entretenu, d'une période proche de 24 heures, intégration qui permet la synchronisation de l'oscillation endogène sur une période de 24 heures ; enfin, en aval, la réponse des systèmes effecteurs aux signaux de l'horloge qui modulent l'amplitude de leur activité sur son rythme propre, en situation d'isolement temporel (lumière ou obscurité constante), ou sur une période de 24 heures, en conditions naturelles d'éclairement. La propriété fondamentale des rythmes circadiens est leur possibilité de déphasage par une brève stimulation lumineuse dans un sens, avance ou retard, qui dépend du moment où elle est reçue au cours du cycle de 24 heures. Le balayage de la nuit par un tel flash a permis de tracer une courbe de réponse de phase dont l'allure est constante, quelle que soit l'espèce. Chez les oiseaux, la photoréception se fait au niveau de la glande pinéale et de la rétine ; l'horloge circadienne est localisée dans la glande pinéale. Chez les mammifères, seule la rétine est photoréceptrice ; ce sont les noyaux supra-chiasmatiques (NSC) de l'hypothalamus qui servent de substrat à l'horloge. L'oscillation circadienne est une propriété de la cellule puisqu'elle est encore observée in vitro par des pinéalocytes isolés de poulet ou des neurones isolés de NSC de rat ; cependant, le mécanisme moléculaire à l'origine de l'oscillation circadienne reste incompris. En revanche, au moins chez les mammifères, la réception du signal photique par une population spécifique de cellules rétiniennes met en jeu une cascade d'événements dont on commence à connaître quelques étapes : libération par les projections rétiniennes au niveau des NSC d'un neurotransmetteur, le glutamate ; induction de gènes d'expression précoce puis, vraisemblablement, d'expression tardive codant pour des neuropeptides. Parmi les nombreuses sorties de l'horloge, seule celle permettant la synthèse rythmique de mélatonine par la glande pinéale est bien élucidée. La mélatonine, uniquement sécrétée pendant la nuit, exerce un rétrocontrôle sur l'horloge via des récepteurs de haute affinité et contrôle les fonctions saisonnières en informant l'organisme des variations annuelles de la durée du jour.