Sleep Science · Rythme circadien
L'horloge intérieure
À trois heures du matin et à quatre heures de l'après-midi, la vigilance baisse, même si tu as dormi. Ce n'est ni un hasard ni une faiblesse. C'est une horloge que le corps porte dans chaque cellule, et qu'aucune volonté ne déplace. Choisis une heure et regarde ce qui se passe.
En ligneScénario
Marge large Au-delà du seuil Tu dors Pics des accidents liés au sommeil
Réveil à 7 h, coucher à 23 h. La couleur de l'anneau montre la marge que le corps te laisse, heure par heure.
01La lumière
Le matin remet l'horloge à l'heure
L'horloge interne ne tourne pas exactement en 24 heures. En laboratoire, sous une lumière très faible, son tour dure un peu plus : en moyenne 24 heures et 11 minutes. Sans correction, elle prendrait un peu de retard chaque jour. Czeisler et al. 1999
C'est la lumière qui la remet à l'heure. Dans la rétine, en plus des cellules qui nous servent à voir, il y en a d'autres qui contiennent une substance appelée mélanopsine. Elles ne servent pas à voir : elles mesurent la quantité de lumière, surtout la lumière bleue, et envoient le signal directement à l'horloge du cerveau. Berson et al. 2002 Hattar et al. 2002
La lumière entre, l'horloge se remet à l'heure
Au volant
La lumière du soir retarde l'horloge. Quand on lit sur une tablette avant de dormir, on s'endort plus tard et on est moins vigilant le lendemain matin. Une étude menée à Bâle a montré que l'écran d'ordinateur, le soir, fait lui aussi baisser la mélatonine. Chang et al. 2015 Cajochen et al. 2011
02Le cerveau
Le chef d'orchestre
Le signal de la lumière arrive à un petit groupe de neurones à la base du cerveau, au-dessus du point où les nerfs optiques se croisent. Ce groupe s'appelle le noyau suprachiasmatique : c'est l'horloge principale. Mohawk et al. 2012
De là, il donne le tempo au reste du corps : à la température, aux hormones, à la faim et à la vigilance. Le soir, il lance la production de mélatonine, l'hormone de la nuit biologique. Le jour, il pousse pour te garder éveillé. Mohawk et al. 2012 Arendt & Skene 2005
De l'horloge au corps
Au volant
L'horloge ne sait pas que tu conduis. À trois heures du matin, elle indique la nuit, même en voiture, même avec la radio allumée. Mohawk et al. 2012
03Les deux forces
Deux forces, une seule somnolence
La somnolence que tu ressens naît de deux forces. La première est la pression du sommeil : elle augmente à chaque heure d'éveil et ne se dissipe qu'en dormant. L'une des molécules qui la signalent est l'adénosine, qui s'accumule dans le cerveau pendant l'éveil. Porkka-Heiskanen et al. 1997 Landolt 2008
La seconde est l'horloge, qui sert de seuil : le jour, elle relève ce seuil et te garde éveillé même avec beaucoup de pression ; la nuit, elle l'abaisse, quoi que tu aies fait. Le modèle qui réunit les deux forces a été élaboré à Zurich par Alexander Borbély, et depuis plus de quarante ans il aide à comprendre comment fonctionne le sommeil. Daan et al. 1984 Borbély et al. 2016
En laboratoire, on le voit bien : huit hommes ont vécu plus d'un mois sans savoir quelle heure il était, avec des journées de 28 heures. Le sommeil et l'éveil ont suivi les deux forces à la fois. Dijk & Czeisler 1995
La pression du sommeil contre le seuil de l'horloge
Au volant
Au cœur de la nuit, les deux forces poussent du même côté : la pression est haute et l'horloge descend vers son minimum, qu'elle atteint avant l'aube. Le café aide un moment parce qu'il empêche l'adénosine d'agir, pas parce qu'il l'enlève. Landolt 2008 Philip et al. 2006
04La cellule
Une horloge dans chaque cellule
Dans presque chaque cellule du corps, il y a une petite horloge faite de gènes et de protéines. Deux protéines, CLOCK et BMAL1, allument les gènes PER et CRY. Les protéines PER et CRY s'accumulent, entrent dans le noyau et éteignent CLOCK et BMAL1. Puis elles sont dégradées, le blocage est levé et le tour recommence. Takahashi 2017
Un tour dure environ un jour. La découverte de ce mécanisme a valu le prix Nobel de médecine 2017 : étudié chez la mouche du vinaigre, il fonctionne de façon très semblable chez les mammifères. Takahashi 2017
À Genève, le groupe d'Ueli Schibler a montré que l'horloge tourne aussi dans des cellules cultivées en laboratoire, loin du cerveau. Le cerveau n'est pas le seul à savoir l'heure qu'il est. Balsalobre et al. 1998
Le cycle des gènes
C = CLOCK · B = BMAL1 · ◆ = protéines PER et CRY · lignes = messages des gènes
- 1CLOCK et BMAL1 allument les gènes
- 2PER et CRY s'accumulent
- 3elles entrent dans le noyau et éteignent CLOCK et BMAL1
- 4elles sont dégradées : le tour repart
Au volant
La somnolence de la nuit n'est pas une idée qu'on peut chasser. Elle est écrite dans un cycle de gènes qui tourne dans chaque cellule, même pendant que tu conduis. Takahashi 2017
05La chimie
La chimie de la nuit
L'horloge se lit dans trois courbes. La mélatonine monte le soir, quand la lumière baisse, et reste haute pendant toute la nuit biologique. La température du corps descend pendant la nuit et atteint son minimum avant l'aube. Le cortisol remonte vers le matin et prépare au réveil. Arendt & Skene 2005 Hofstra & de Weerd 2008
Ce sont les signaux que la recherche utilise pour savoir quelle heure indique l'horloge d'une personne. Les courbes montrent les formes typiques : les valeurs varient beaucoup d'une personne à l'autre. Hofstra & de Weerd 2008 Dijk & Czeisler 1995
Trois courbes, une horloge
Au volant
Avant l'aube, une température basse et un taux de mélatonine élevé disent au corps que c'est le cœur de la nuit. C'est aussi le moment où la conduite se dégrade le plus. Dijk & Czeisler 1995 Lenné et al. 1997
06Le corps
Les horloges du corps
Le foie, l'intestin, le pancréas et le tissu adipeux ont eux aussi leur horloge. Ils suivent le cerveau, mais écoutent aussi les repas. Chez la souris, manger seulement le jour, c'est-à-dire aux heures où elle dort d'habitude, décale l'horloge du foie, jusqu'à douze heures d'écart, alors que celle du cerveau ne bouge pas. Damiola et al. 2000
Chez l'être humain, retarder les repas de cinq heures a décalé le rythme du sucre dans le sang de presque six heures et l'horloge du tissu adipeux d'environ une heure. L'horloge du cerveau et la somnolence n'ont pas bougé. Wehrens et al. 2017
La flore intestinale change elle aussi au fil de la journée, et le décalage horaire la perturbe. On l'a vu surtout chez la souris. Quand le travail et l'école vont à l'encontre de l'horloge, comme dans le jet lag social ou le travail posté, le corps est tiraillé entre deux horaires. Thaiss et al. 2014 Wittmann et al. 2006
Repas décalés de cinq heures
Au volant
La baisse de l'après-midi ne vient pas du déjeuner : c'est l'horloge qui la provoque. Un déjeuner copieux, après une nuit courte, peut aggraver les choses. Reyner et al. 2012 Lenné et al. 1997
07La route
Sur la route
Les accidents dans lesquels la personne au volant s'est endormie ne sont pas répartis au hasard dans la journée. En Angleterre, les données de la police montrent trois pics : vers deux heures du matin, vers six heures du matin et vers quatre heures de l'après-midi. Horne & Reyner 1995
En simulateur, la conduite se dégrade à deux heures et à six heures, et en début d'après-midi on observe une baisse d'ampleur comparable. Lenné et al. 1997
Et la nuit, la route n'est pas vide. Sur l'A2, à trois heures, il passe en moyenne 185 véhicules par heure dans le tunnel du Gothard, 229 à Biasca, 315 à Lugano.
Trois pics, et une route qui ne se vide pas
Au volant
L'horloge ne se laisse pas tromper : ni par la vitre ouverte, ni par la radio. On peut savoir où elle en est, et s'arrêter. Sur route, de nuit, un café ou trente minutes de sommeil ont permis à la plupart des jeunes conducteurs de conduire presque comme de jour. Philip et al. 2006
Ce que tu peux faire
Le voyage en sept phrases
- La lumière du matin remet l'horloge à l'heure, grâce à des cellules de la rétine qui ne servent pas à voir.
- Un petit groupe de neurones à la base du cerveau donne le tempo à tout le corps.
- La somnolence naît de deux forces : la pression du sommeil, qui augmente pendant l'éveil, et l'horloge, qui sert de seuil.
- Dans presque chaque cellule, un cycle de gènes et de protéines fait un tour en un jour environ.
- La mélatonine, la température et le cortisol suivent l'horloge et disent au corps s'il fait jour ou nuit.
- Les organes ont leurs propres horloges, qui répondent aussi aux heures des repas et peuvent se décaler par rapport à celle du cerveau.
- Au volant, la vigilance baisse le plus avant l'aube et l'après-midi, et l'horloge ne se laisse pas tromper.
Les mots
- Circadien
- Du latin circa diem, « environ un jour » : un rythme qui se répète en 24 heures environ.
- Noyau suprachiasmatique
- L'horloge principale, à la base du cerveau.
- Mélanopsine
- Le pigment de certaines cellules de la rétine : il mesure la lumière pour l'horloge.
- Adénosine
- Une molécule qui s'accumule dans le cerveau pendant l'éveil et signale la pression du sommeil.
- Pression du sommeil
- Le besoin de dormir, qui grandit avec les heures d'éveil. Dans le modèle, on l'appelle processus S.
- Mélatonine
- L'hormone de la nuit biologique, produite par l'épiphyse quand il fait noir.
- Horloges périphériques
- Les horloges du foie, de l'intestin, du pancréas et des autres organes.
- Jet lag social
- L'écart entre les horaires de l'horloge et ceux qu'imposent le travail et l'école.
Ce que nous savons, et ce que nous ne savons pas encore
Nous savons
- La vigilance suit un rythme d'environ 24 heures, avec son point le plus bas avant l'aube et une baisse l'après-midi.
- La somnolence dépend à la fois des heures d'éveil et de l'heure de la journée.
- La lumière du soir retarde l'horloge.
Nous ne savons pas encore
- À quel point chaque personne s'écarte des courbes moyennes : le chronotype, l'âge et le travail comptent beaucoup.
- Dans quelle mesure les repas influencent la somnolence au volant. Chez l'être humain, décaler les repas n'a pas changé la somnolence mesurée.
- Beaucoup de découvertes sur les horloges du corps viennent de souris, de rats et de chats. Chez l'être humain, elles ne sont confirmées qu'en partie.
Sources
À propos du modèle
Les courbes de la troisième étape viennent du modèle à deux processus, avec les constantes de temps publiées par Daan, Beersma et Borbély. Elles montrent l'évolution typique pour une personne qui se réveille à 7 h et se couche à 23 h. Elles ne mesurent pas ta somnolence et ne remplacent pas la question « Est-ce que j'ai sommeil ? ».
01 · La lumière
- Berson DM, Dunn FA, Takao M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock. Science 2002;295(5557):1070-1073. DOI 10.1126/science.1067262 · étude sur des rats
- Hattar S, Liao HW, Takao M, Berson DM, Yau KW. Melanopsin-containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 2002;295(5557):1065-1070. DOI 10.1126/science.1069609 · étude sur des rats et des souris
- Czeisler CA, Duffy JF, Shanahan TL, et al. Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pacemaker. Science 1999;284(5423):2177-2181. DOI 10.1126/science.284.5423.2177 · étude sur des personnes, en laboratoire
- Chang AM, Aeschbach D, Duffy JF, Czeisler CA. Evening use of light-emitting eReaders negatively affects sleep, circadian timing, and next-morning alertness. PNAS 2015;112(4):1232-1237. DOI 10.1073/pnas.1418490112 · étude sur des personnes
- Cajochen C, Frey S, Anders D, et al. Evening exposure to a light-emitting diodes (LED)-backlit computer screen affects circadian physiology and cognitive performance. Journal of Applied Physiology 2011;110(5):1432-1438. DOI 10.1152/japplphysiol.00165.2011 · étude sur des personnes, Bâle
02 · Le cerveau
- Mohawk JA, Green CB, Takahashi JS. Central and peripheral circadian clocks in mammals. Annual Review of Neuroscience 2012;35:445-462. DOI 10.1146/annurev-neuro-060909-153128 · revue
03 · Les deux forces
- Borbély AA, Daan S, Wirz-Justice A, Deboer T. The two-process model of sleep regulation: a reappraisal. Journal of Sleep Research 2016;25(2):131-143. DOI 10.1111/jsr.12371 · revue, Zurich et Bâle
- Daan S, Beersma DG, Borbély AA. Timing of human sleep: recovery process gated by a circadian pacemaker. American Journal of Physiology 1984;246(2 Pt 2):R161-R183. DOI 10.1152/ajpregu.1984.246.2.R161 · modèle mathématique
- Dijk DJ, Czeisler CA. Contribution of the circadian pacemaker and the sleep homeostat to sleep propensity, sleep structure, electroencephalographic slow waves, and sleep spindle activity in humans. Journal of Neuroscience 1995;15(5 Pt 1):3526-3538. DOI 10.1523/JNEUROSCI.15-05-03526.1995 · étude sur des personnes, en laboratoire
- Porkka-Heiskanen T, Strecker RE, Thakkar M, et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science 1997;276(5316):1265-1268. DOI 10.1126/science.276.5316.1265 · étude sur des chats
- Landolt HP. Sleep homeostasis: a role for adenosine in humans? Biochemical Pharmacology 2008;75(11):2070-2079. DOI 10.1016/j.bcp.2008.02.024 · revue, Zurich
04 · La cellule
- Takahashi JS. Transcriptional architecture of the mammalian circadian clock. Nature Reviews Genetics 2017;18(3):164-179. DOI 10.1038/nrg.2016.150 · revue
- Balsalobre A, Damiola F, Schibler U. A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells. Cell 1998;93(6):929-937. DOI 10.1016/s0092-8674(00)81199-x · cellules de rat, Genève
05 · La chimie
- Arendt J, Skene DJ. Melatonin as a chronobiotic. Sleep Medicine Reviews 2005;9(1):25-39. DOI 10.1016/j.smrv.2004.05.002 · revue
- Hofstra WA, de Weerd AW. How to assess circadian rhythm in humans: a review of literature. Epilepsy & Behavior 2008;13(3):438-444. DOI 10.1016/j.yebeh.2008.06.002 · revue
06 · Le corps
- Damiola F, Le Minh N, Preitner N, Kornmann B, Fleury-Olela F, Schibler U. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes & Development 2000;14(23):2950-2961. DOI 10.1101/gad.183500 · étude sur des souris, Genève
- Wehrens SMT, Christou S, Isherwood C, et al. Meal timing regulates the human circadian system. Current Biology 2017;27(12):1768-1775. DOI 10.1016/j.cub.2017.04.059 · étude sur des personnes
- Thaiss CA, Zeevi D, Levy M, et al. Transkingdom control of microbiota diurnal oscillations promotes metabolic homeostasis. Cell 2014;159(3):514-529. DOI 10.1016/j.cell.2014.09.048 · étude sur des souris et des personnes
- Reyner LA, Wells SJ, Mortlock V, Horne JA. 'Post-lunch' sleepiness during prolonged, monotonous driving - effects of meal size. Physiology & Behavior 2012;105(4):1088-1091. DOI 10.1016/j.physbeh.2011.11.025 · simulateur de conduite
- Wittmann M, Dinich J, Merrow M, Roenneberg T. Social jetlag: misalignment of biological and social time. Chronobiology International 2006;23(1-2):497-509. DOI 10.1080/07420520500545979 · questionnaires
07 · La route
- Horne JA, Reyner LA. Sleep related vehicle accidents. BMJ 1995;310(6979):565-567. DOI 10.1136/bmj.310.6979.565 · données de police
- Lenné MG, Triggs TJ, Redman JR. Time of day variations in driving performance. Accident Analysis & Prevention 1997;29(4):431-437. DOI 10.1016/s0001-4575(97)00022-5 · simulateur de conduite
- Philip P, Taillard J, Moore N, et al. The effects of coffee and napping on nighttime highway driving: a randomized trial. Annals of Internal Medicine 2006;144(11):785-791. DOI 10.7326/0003-4819-144-11-200606060-00004 · route, de nuit
- OFROU, comptages horaires A2, 2022-2025 · driveawake.ch
Drive Awake · Awareness Behind the Wheel