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16 octobre 2010 6 16 /10 /octobre /2010 14:32

I. Les  rythmes biologiques
I.1> Origine des rythmes biologiques

La chronobiologie est une étude récente c'est au milieu du XX eme siècle qu'on a montré par des expériences la rythmicité (organisation temporelle) se manifestant donc par l'existence de rythmes biologiques. L'activité des organes varient périodiquement (passe par des creux et des pics dans la journée).

 
Quelle est l'origine de ces rythmes biologiques?

Tous les organismes vivants sont soumis à des phénomènes universels.

La terre tourne autour du soleil: cycle saisonnier ou annuel

La terre tourne sur elle même donc pendant 12 heures une face de la terre est tournée vers le soleil (jour) et l'autre non (nuit), c'est un cycle journalier de 24h.

Au cours de l'évolution les organismes ont du s'adapter à ces variations périodiques. Et ceci a été à l'origine des rythmes biologiques.

 

I.2> Définition d'un rythme biologique

« Un rythme biologique est la variation biologique d'une fonction (physiologique ou comportementale) ».


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Un rythme est caractérisé par:

sa période: temps nécessaire au déroulement d'un cycle
son amplitude: différence entre le Max et le min du cycle
sa phase: elle est une valeur de la variable à un moment donné comme «le degré de vigilance à un temps T » on sait que le minimum de la vigilance c'est pendant la nuit par exemple. On sait donc qu'il y a corrélation entre valeur de la variable en fonction du rythme.

Exemple de la température corporelle: elle varie au cours de la journée (le minimum de la température corporelle correspond au minimum de la vigilance et le maximum de la température corporelle correspond au degré maximum de vigilance, c'est donc une phase. La phase, une relation entre 2 rythme biologique ou un rythme et l'environnement.

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I.3> Les différents types de rythme

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On s'intéressera particulièrement aux rythmes circadiens et surtout le sommeil puisque c'est l'objet ici.

I.4> Rôle des rythmes biologiques 

Les animaux se sont adaptés aux variations de l'environnement en créant des rythmes biologiques

Ces rythmes biologiques ont donc un rôle adaptatif.

Exemple de rôle adaptatifs:

Chez les animaux la reproduction se fait en sorte que les naissances  des petits se feront au printemps. Donc les cycles de reproduction sont prévus pour que les petits survivent.

Chez l'homme le rythme du sommeil est prévu pour que l'homme soit actif le jour, on peut appeler cela « homéostasie prédictive », l'organisme prévoit  les variations de l'environnement et répond par une programmation dans le temps.

 

I.5> Caractéristiques du rythme circadien veille-sommeil

Chez le rat, en le privant de tout indice de synchroniseur (terme définit un peu plus bas) on a observé une persévération de l'activité rythmique sauf que l'animal commence son cycle un peu plus tard. La période du cycle sera plus longue que 24h , c'est la période de libre cours qui représente la période biologique interne propre à l'animal sans informations extérieures:

 

=> Les rythmes circadiens sont d'origine endogène (même sans informations de l'environnement persiste une période de libre cours) ils ne sont pas dues donc à l'alternance jour/nuit. Donc il y a un oscillateur (horloge biologique capable de mesurer le temps) qui régule ces cycles.

Donc certains éléments sont capables de modifier la période biologique (=25h), on appelle ces éléments des synchroniseurs. Un synchroniseur agit sur la période biologique pour la modifier (sur 24h). Donc d'une part l'horloge biologique génératrice de l'activité rythmique et les synchroniseurs.

 

I.6> Mise en évidence de l'effet d'un synchroniseur sur le rythme veille-sommeil chez l'homme

Expérience chez un sujet qui n'a pas d'informations extérieures:

On enregistre son rythme sur une période standard et on voit que le sommeil apparaît rythmiquement tous les jours au début de la nuit et a une période de 24h (avant qu'il ne rentre dans le boomker). Après isolation du sujet et privation d'informations temporelle, on enregistre à nouveau son rythme veille-sommeil. Chaque jour le sujet va se coucher un peu plus tard. Il a donc aussi une période de libre cours supérieure à 24h.

Si on introduit un synchroniseur (on fait sortir le sujet du boomker) le rythme de 24 h réapparait (le synchroniseur synchronise donc la période du rythme biologique qui est donc supérieure à 24h) et le cale sur sa propre période qui est de 24h en général. Il synchronise donc sur la période jour-nuit.

 

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                   Actogramme d'un sujet humain privé de synchroniseur et mise en évidence de la période de libre cours.

Il existe une horloge biologique ou oscillateur, générateur du rythme biologique. Elle n'est pas bien réglée car la période biologique d'un individu peut aller de 20h à 28h. Cette horloge si on la supprime, l'organisme adopte sa propre période.

Les synchroniseur (le principal étant l'alternance jour/nuit) qui a une période de 24h vaont agir sur l'horloge biologique et la « remettre à l'heure », celle-ci adopte une période de 24h.

 

I.7> Synchroniseurs et puissance des synchroniseurs

Le principal, la lumière en alternance jour/nuit synchronise notre cycle veille/sommeil sur une période de 24h. Un autre exemple de synchroniseur chez l'homme est l'activité sociale: au cours de notre journée on passe par des creux et des pics d'activité, de repos, de repas, l'activité sociale synchronise donc notre horloge biologique et on se synchronise entre nous.

Ceci a été démontré expérimentalement:

On a isolé des gens (plus de repères comme notre sujet de tout à l'heure) et la période de tout le monde va devenir approximativement 25h ils se sont donc synchronisés entre eux: l'activité sociale est un synchroniseur (mais moins puissant que la lumière). La lumière est donc le meilleur synchroniseur.

Chez les rats normaux ils adoptent une période de 24h et les rats aveugles adoptent une période de libre cours > 24h. Mais 3 mois plus tard ils se sont synchronisés sur le « bruit/silence » » des autres rats donc toute variation périodique de l'environnement peut servir de synchroniseur.

 

II. Le rythme veille-someil

II.1> Une nécessité

Jusqu'à récemment on pensait que le fait de dormir la nuit et être actif le jour était une commodité. Mais à partir de 1970 des expériences ont modifiées cette interprétation.

 

Isolement temporel d'un individu (plus d'informations temporelles). Parmi les premières expériences dans des grottes, aujourd'hui en laboratoire. Donc on l'isole de tout repère temporel.

Après isolement il conserve un rythme veille-sommeil mais chaque jour se couche un peu plus tard vu que son rythme est d'à peu près 25h. Puis le sujet qu'on a enfermé dans la grotte était arrivé  lui à un rythme périodique de 30h.


Quelles conclusions?

En l'absence de synchroniseur le sujet maintient une périodicité de veille/sommeil. CE rythme est donc d'origine endogène. Dormir est donc une nécessité biologique.

La période du rythme s'allonge, et on va observer une désynchronisation externe (veille/sommeil n'est plus en phase avec l'alternance jour/nuit)

L'interaction entre le rythme de la température corporelle et le rythme veille/sommeil. Dans les conditions standards il se situe vers la fin de la nuit et après isolement il se situe en début de nuit, donc le sujet se couche au moment du minimum de sa température corporelle. La température corporelle influence le sommeil.

 

II.2> Phénomènes de désyncronisations

II.2.1> Désynchronisation externe et désynchronisation interne

La désynchronisation externe c'est quand le rythme biologique n'est plus en phase avec les variations périodiques de l'environnement (le sujet qui est allé dans une grotte n'avait plus un rythme en phase avec les variations périodiques jour/nuit). Quant à la désynchronisation interne forcément conséquente à la désynchronisation externe  c'est quand deux rythmes biologiques internes/oscillateurs ne sont plus en phase (température corporelle et sommeil par exemple).

On y reviendra plus bas.

 

II.2.2> Principales causes de désynchronisations chez l'homme

La diminution de quantité de lumière en hiver peut être à l'origine d'une désynchronisation. Chez certaines personnes sensibles à la lumière ils se sentent moins bien en raison de la diminution de lumière plus suffisante pour synchroniser les rythmes biologiques. Les désynchronisations créent les malaises de l'individu.

Une autre origine est l'activité comportementale (sortir tard le soir par exemple)

 

III.Les horloges biologiques

III.1> Caractéristiques d'une horloge biologique (ou oscillateur)

Elle doit avoir une activité autonome

Elle doit posséder des voies d'entrées qui lui permette d'être renseignée sur les synchroniseurs (jour/nuit, activités sociales)

Elle doit posséder des voies de sorties qui vont lui permette d'imposer des rythmes biologiques (sécrétion d'hormones, cycle veille/sommeil, absorption de nourriture, température corporelle)

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III.2> Structure impliquées dans le rythme veille-sommeil
III.2.1> Le NSC (noyau suprachiasmatique)

Pourquoi le noyau suprachiasmatique (NSC) est-il une horloge biologique?
Le noyau suprachiasmatique (noyau dans l'hypothalamus au dessus du chiasma optique) peut être considéré comme une horloge biologique interne car il répond aux 3 caractéristiques de cette dernière, soit:
- Activité autonome (l'activité de ses neurones est périodique et dans le cas du rythme veille/sommeil il se cale dessus).
En isolant les neurones et en les maintenant en survie on mesure leur activité électrique: (schéma).

Le résultat montre que l'activité électrique de ces neurones isolés augmente pendant la journée et diminuent pendant la nuit.
- Il  reçoit des informations de l'environnement (ici de la part de certaines fibres du nerf optique) qui vont le renseigner sur l'activité jour/nuit et lui permettre de réguler son activité
- Il possède des voies de sorties. En effet le noyau suprachiasmatique se situe dans l'hypothalamus (qui régule la plupart de nos fonctions biologiques dont la veille et le sommeil).

ll.2.2> L'épiphyse (ou glande pinéale) 

Elle est constituée de pinéalocytes (neurones particuliers qui ont la particularité de sécréter une hormone: la mélatonine et la caractéristique de cette sécrétion est qu'elle se fait selon la lumière, en fait elle est inhibée par la lumière).

 

II.2.3>Fonctionnement

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Pendant la journée l'info lumineuse est captée par la rétine puis acheminée jusqu'au au NSC, ce NSC est en relation avec le noyau paraventriculaire (NPV). La particularité c'est que la relation avec le NSC et NPV est inhibitrice.

Quand la rétine ne capte plus de lumière le NSC n'est plus activé et donc n'inhibe plus le NPV qui  lui va s'activer et l'info rmation va passer par la ME le ganglion sympathique cervical jusqu'à  l'épiphyse qui va sécréter de la mélatonine.

Cette mélatonine va être déversée dans les vaisseaux sanguins, et par circulation sanguine elle va influencer le NSC (en fait ça revient au NSC) pour l'inhiber quand il fait nuit.

La mélatonine est un transducteur du signal lumineux (« il fait jour » ou « il fait nuit »). Cette mélatonine a un rôle important dans la synchronisation du cycle veille-sommeil.

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Des individus isolés peuvent dormir toutes les heures mais sept minutes maximum et donc on obtient la courbe en vert. Au début ils ont beaucoup de mal à s'endormir mais à partir de 21h ils vont s'endormir de plus en plus longtemps jusqu'à atteindre 7 minutes. Cela était corrélé avec la sécrétion de mélatonine.

La sécrétion de mélatonine représente la capacité à dormir en quelque sorte. L'individu peut bien dormir deux heures après la sécrétion: la mélatonine est la « porte du sommeil ».

 

II.2.4> Résumé

Il existe une horloge biologique qui est le NSC (en plus il a toutes les caractéristiques d'un oscillateur et impose un rythme veille/sommeil) il reçoit des infos de la lumière mais aussi de l'épiphyse par l'intermédiaire de la mélatonine. Donc il reçoit une double info et le NSC va prendre une période de 24h et imposer une activité rythmique de l'épiphyse.

 

 

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