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SOMMEIL ET NUTRITION : APPROCHE CHRONOBIOLOGIQUE PAR LES RYTHMES HORMONAUX*

Étienne CHALLET

De multiples aspects de notre physiologie varient en fonction de l’heure dujour. L’un des exemples les plus apparents est le cycle veille-sommeil. Denombreuses autres variables biologiques présentent également une organisa-tion rythmique à l’échelle des 24 heures ; il s’agit notamment de la prise ali-mentaire ou encore de la température corporelle. La plupart de ces variationsbiologiques journalières sont générées par une horloge interne. Chez lesMammifères, l’horloge interne principale est localisée dans le cerveau, à labase de l’hypothalamus, plus précisément dans les noyaux suprachiasmati-ques. L’horloge suprachiasmatique joue un rôle primordial dans l’organisa-tion temporelle globale de l’organisme, en particulier par la synchronisationd’oscillateurs périphériques présents notamment dans le foie [1]. Le cyclelumière-obscurité est le facteur synchroniseur le plus puissant de l’horlogesuprachiasmatique. La photothérapie, qui consiste à exposer les sujets à deslumières de très forte intensité, peut être utilisée à des fins biomédicales poursoigner les troubles du sommeil, synchroniser les travailleurs de nuit ou enhoraires tournants, traiter certaines formes de dépressions saisonnières [2].D’autres facteurs que la lumière, dits facteurs non-photiques, participent à lasynchronisation de l’horloge suprachiasmatique et/ou des oscillateurs périphé-riques. Bien qu’elles soient de diverse nature, les variables affectant l’homéo-stasie du sommeil (par exemple, privation de sommeil) ou de la prise alimentaire(par exemple, faible disponibilité alimentaire) sont parmi les facteurs non-photiques étudiés. Le cycle veille-sommeil et la prise alimentaire sont régulésà la fois par des processus homéostatiques et circadiens. Ainsi, les relationsentre sommeil et prise alimentaire sont modulées par la fonction circadienne.Cependant, l’état de veille-sommeil, d’une part, et les facteurs nutritionnels,d’autre part, peuvent rétroagir à leur tour sur le système circadien (fig. 1).

Influence du sommeil et de l’horloge suprachiasmatique sur les rythmes hormonaux

La plupart des hormones sont sécrétées d’une manière ryth-mique. Des facteurs circadiens et l’état de veille-sommeil

interagissent pour contrôler ces rythmes hormonaux. Lesommeil agit sur la sécrétion de plusieurs hormones,comme la prolactine et l’hormone de croissance (GH). Lespics de sécrétion de prolactine et de GH sont corréléspositivement aux ondes lentes de l’activité électro-encéphalographique (caractérisant le sommeil profond etsurvenant en majorité en début de nuit). La sécrétion jour-nalière de GH dépend largement du premier épisode desommeil lent en début de nuit [3]. La sécrétion nocturnede thyrotropine (TSH) est fortement influencée à la foispar le sommeil (ou sa privation) et l’horloge suprachias-matique [4].D’autres rythmes hormonaux, comme la mélatonine et lecortisol, sont plus directement contrôlés par l’horloge

Laboratoire de Neurobiologie des Rythmes, CNRS UMR7518, Université Louis Pasteur 5, rue Blaise Pascal, 67084 Strasbourg Cedex.

Correspondance : E. Challet, à l’adresse ci-dessus.Email : challet@neurochem.u-strasbg.fr

* Conférence donnée dans le cadre de la Journée Annuelle de Nutrition, Paris janvier 2005.

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suprachiasmatique [5]. La mélatonine, synthétisée dans laglande pinéale, a la particularité d’être sécrétée unique-ment durant la période nocturne. Cette sécrétion rythmi-que peut donc véhiculer des signaux circadiens auxstructures-cibles de l’organisme. La sécrétion nocturne demélatonine est sous le contrôle étroit des noyaux suppra-chiasmatiques [6, 7] ; elle est ainsi utilisée courammentcomme marqueur de la phase de l’horloge suprachiasma-tique, sous réserve que la synthèse de mélatonine endo-gène ne soit pas inhibée par une exposition à la lumière[7]. Chez l’humain, la mélatonine exogène a un effet légè-rement sédatif et permet non seulement de traiter certainstroubles du sommeil [6-8], mais aussi d’accélérer la resyn-chronisation après un voyage transméridien [6, 7]. Le cor-tisol (et les corticostéroïdes en général) est sécrété par lesglandes surrénales juste avant l’heure habituelle de réveilet durant les premières heures de la phase active. Si lecortisol peut lui aussi transmettre des signaux temporels àdes tissus-cibles, sa sécrétion est aussi stimulée par dessituations de stress et d’exercice physique, indépendam-ment de la régulation circadienne. Ainsi, le suivi desprofils hormonaux journaliers fournit des informationsrelatives à l’organisation temporelle en général des sujetsétudiés. Des anomalies plus ou moins marquées de cesprofils hormonaux permettent donc d’évaluer des pertur-bations circadiennes telles qu’elles peuvent survenir lorsdu vieillissement et chez des travailleurs de nuit ou enhoraires tournants.

Conséquences nutritionnelles et circadiennes d’une privation de sommeil

De prime abord, le sommeil peut apparaître simple-ment comme un état de repos. Il constitue néanmoinsun état physiologique complexe, caractérisé par diffé-rentes phases de sommeil profond (ondes lentes électro-encéphalographiques) et de sommeil paradoxal (REMpour rapid-eye movement, à ondes rapides). Même si sonrôle n’est pas encore parfaitement identifié, le sommeilest nécessaire à la survie de l’organisme. Chez l’animal,une privation totale de sommeil est léthale à moyen terme[9]. Une privation de sommeil de courte durée ou chroni-que est néanmoins une pratique expérimentale courante

pour faire varier l’aspect homéostatique du sommeil. Eneffet, la durée du sommeil de récupération est corrélée àla durée de la privation.La privation totale de sommeil est une situation associée àune forte dépense énergétique, conduisant à une balanceénergétique négative en conditions chroniques chez le rat.Cependant, si la privation totale de sommeil est accompa-gnée d’un régime riche en lipides, une hyperphagiecompensatoire empêche l’amaigrissement des animaux[9]. Chez l’humain, une privation partielle de sommeil pen-dant quelques nuits consécutives est suffisante pour provo-quer une moins bonne tolérance au glucose, une baisse dela TSH et une augmentation du cortisol en fin de journée[10]. La privation partielle de sommeil chez l’humain estégalement corrélée à une augmentation des taux diurnesde ghréline, un peptide orexigène du tractus digestif, et àune diminution des taux diurnes de leptine plasmatique,une hormone anorexigène synthétisée par le tissu adipeux[11].L’effet synchroniseur (c’est-à-dire de remise à l’heure) dela lumière sur l’horloge suprachiasmatique est basé sur desdéphasages qui surviennent d’un jour sur l’autre en pré-sence d’un cycle lumière-obscurité [1]. Parallèlement à sonimpact sur le métabolisme et les sécrétions hormonales,un manque de sommeil agit également sur l’horlogesuprachiasmatique en réduisant les déphasages induits parla lumière (fig. 2). Cette réduction n’est plus détectable sila privation de sommeil est associée à une administrationde glucose [12].

Conséquences d’une restriction alimentaire sur le cycle veille-sommeil et le système circadien

La prise alimentaire spontanée présente une rythmicitéjournalière en opposition de phase à celle du sommeil.Lorsque la nourriture est disponible à volonté, l’organisa-tion temporelle des grandes fonctions et des oscillationsdans les organes périphériques dépend à la fois de signauxtemporels (nerveux et hormonaux) distribués par l’horlogesuprachiasmatique et d’autres facteurs, comme la prise ali-mentaire.

Figure 1.Représentation schématique des interactions entre sommeil, prise alimentaire et horloge circadienne (noyaux suprachiasmatiques).

Figure 2.Chez des souris maintenues à l’obscurité, la privation de sommeil réduit

les déphasages du rythme circadien d’activité-repos provoqués par un créneau de lumière (100 lux pendant 10 min) appliqué en début de période d’activité (« Lumière »). Les souris maintenues en obscurité

permanente (pas d’exposition à la lumière), qu’elles soient témoins ou privées de sommeil, ne présentent pas de déphasages significatifs

(« Obscurité »). D’après [12].

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Chez les rongeurs nocturnes, un accès limité à la nourri-ture pendant la période de repos (c’est-à-dire, de jour)est un puissant synchroniseur des oscillations des tissuspériphériques, comme le foie [13, 14]. Les décalages dephase des oscillations hépatiques en réponse à un accèsdiurne à la nourriture n’affectent pas le fonctionnementdes noyaux suprachiasmatiques et peuvent même persis-ter lorsque ceux-ci sont lésés [14]. Ces données indiquentainsi que les organes périphériques peuvent, dans certai-nes conditions, être synchronisés indépendamment del’horloge suprachiasmatique.Chez l’humain également, des altérations dans l’expres-sion des rythmes journaliers ont été constatées lorsque lesprises alimentaire et hydrique sont limitées à la période derepos (de nuit, dans ce cas), comme cela se fait pendantle Ramadan [15]. Ces altérations concernent en particulierun décalage de phase important du rythme journalier de

glycémie, décalage qui pourrait résulter d’un effet directsur le foie. De plus, un unique repas riche en glucides prisle matin ou le soir modifie la phase du rythme de tempé-rature corporelle (effets périphériques ?), mais n’entraînepas de changement significatif du rythme de mélatonine,suggérant que cette restriction alimentaire temporelle n’apas de propriété synchronisatrice suffisante pour modifierla phase de l’horloge suprachiasmatique [16].Chez l’animal cependant, contrairement à la restrictionalimentaire temporelle évoquée ci-dessus, un nourrissagehypocalorique diurne est un synchroniseur suffisammentefficace pour modifier la synchronisation des noyauxsuprachiasmatiques par la lumière, en provoquant uneavance de phase du rythme de synthèse de mélatonine(fig. 3) et du cycle veille-sommeil (fig. 4). Autrement dit,une restriction calorique conduit à un changement d’orga-nisation temporelle du cycle veille-sommeil : les animauxnocturnes deviennent alors partiellement diurnes [17, 18].La privation de nourriture s’accompagne d’une augmen-tation de la veille et d’une réduction du sommeil aussi bienparadoxal que lent [19].

Conséquences d’une désynchronisation sur le métabolisme et le sommeil

Chez des personnes travaillant de nuit, les paramètresdes rythmes de glycémie et d’insuline sont altérés et il enest de même pour la corrélation entre ces deux variables[20, 21]. Après une inversion du cycle veille-sommeil, undéphasage a été noté pour d’autres rythmes hormonaux :TSH, cortisol et mélatonine [22]. En outre, la structure dusommeil (diurne) est perturbée et la somnolence nocturneest fréquente [23]. Des animaux soumis à une inversionchronique du cycle lumière-obscurité présentent unedésynchronisation du rythme veille-sommeil. De plus, larégulation de l’insuline est perturbée par rapport à destémoins maintenus en cycle lumière-obscurité normal [24].Par ailleurs, une surcharge lipidique se traduit fréquem-ment par de légères modifications de l’organisation tem-porelle du cycle veille-sommeil [25-27]. Cependant, chez

Figure 3.Avance de phase du rythme circadien de sécrétion de mélatonine chez des rats exposés à un cycle lumière-obscurité et nourris avec seulement une ration hypocalorique quotidienne (flèche verticale) comparés à des

rats ayant un accès ad libitum à la nourriture. D’après [17].

Figure 4.À gauche, rythme d’activité-repos chez des rats exposés à un cycle lumière-obscurité et nourris ad libitum. À droite, avance de phase de ce rythme

quand les animaux ont un nourrissage hypocalorique quotidien, fourni de jour (flèche verticale). D’après [17, 18].

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l’animal, la surcharge lipidique causée par un régime richeen graisse saturée n’est pas augmentée par une désyn-chronisation du cycle veille-sommeil [24].En conclusion, les relations entre sommeil, prise alimen-taire et horloge circadienne sont complexes. Les exemplesévoqués révèlent la plasticité des interactions existant entreces trois facteurs, leur contribution respective pouvantvarier grandement en fonction des circonstances. À l’heureactuelle, ces interactions sont encore peu explorées. Unemeilleure connaissance des mécanismes impliqués permet-trait de proposer de nouveaux traitements, notammentnutritionnels, avec un contrôle temporel de leur adminis-tration pour prévenir ou corriger les dysfonctionnementscircadiens et les troubles du sommeil observés chez unnombre sans cesse croissant d’individus (vieillissement, tra-vail en horaire tournant, travail de nuit,…).

Résumé

Les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus, site denotre horloge circadienne principale, modulent le som-meil et la prise alimentaire de telle sorte que l’un et l’autrene surviennent pas aux mêmes moments du cycle journa-lier. Les rythmes hormonaux sont influencés, certains plusque d’autres, par le sommeil et/ou l’horloge suprachias-matique. Des changements radicaux de l’homéostasie dusommeil (par exemple, privation) ou de l’apport calorique(par exemple, restriction) influent sur le fonctionnementde l’horloge suprachiasmatique et les rythmes hormo-naux. De plus, une désynchronisation chronique retentitsur le sommeil et peut provoquer des altérations méta-boliques. Les interactions entre rythmicité circadienne,homéostasie veille-sommeil et prise alimentaire sont doncmultiples et réciproques, et leur dérèglement a des consé-quences pathogènes sur notre physiologie quotidienne.

Mots-clés : Noyau suprachiasmatique – Sommeil – Prisealimentaire – Homéostasie – Rythme circadien.

Abstract

The suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus are thesite of the master circadian clock in mammals. Thesuprachiasmatic clock modulates sleep and food intake,so that both do not occur at the same times of the dailycycle. Hormonal rhythms are, to various degrees, underthe control of sleep and/or the suprachiasmatic clock.Drastic changes in homeostatic processes of sleep (e.g.,sleep deprivation) or calorie intake (e.g., food restric-tion) can have an impact on the master circadian clock.Moreover, a chronic desynchronization affects sleepand it can also lead to metabolic changes. Interactionsbetween the circadian clock, sleep-wake cycle and foodintake are thus complex, and these systems regulateeach other. Their alterations are associated with a hostof major health problems.

Key-words: Suprachiasmatic nucleus – Sleep – Foodintake – Homeostasis – Circadian rhythm.

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