Qu'est-ce que l'horloge biologique et comment fonctionne-t-elle?

Les horloges biologiques dictent toute notre existence depuis le réveil jusqu'à l'endormissement. Voulez-vous savoir en quoi elles consistent?

Rédigé et vérifié par el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Dernière mise à jour : 21 mai, 2023

Les êtres vivants ont besoin d’un certain degré de routine dans leurs vies. Nous nous couchons à des heures socialement préétablies, mangeons à des heures précises de la journée et assignons une période spécifique au travail et au temps de jeu. Bien que toute cette organisation semble le fruit du hasard, nous avons en réalité une horloge biologique interne qui dicte toutes nos actions dès notre lever.

Le terme « horloge biologique » peut prêter à confusion, car on lui attribue parfois certaines connotations qui dépassent les capacités de ce système. Ou à défaut, il nous est difficile de comprendre dans quelle mesure le comportement humain est déterminé par une série de cycles et de rythmes. Lisez la suite pour en savoir plus sur ces mécanismes et sur le fonctionnement de notre horloge interne.

Qu’est-ce qu’une horloge biologique ?

Comme l’indique l’Institut national des sciences médicales générales, l’horloge biologique est un appareil de temps naturel de l’organisme vivant qui régule le cycle des rythmes circadiens. En d’autres termes, il s’agit d’un paramètre biologique dépendant d’une série de mécanismes internes synchronisés avec les événements environnementaux.

Plus qu’une seule « horloge biologique », le corps de tous les êtres vivants se compose de plusieurs « horloges », qui font référence à des protéines spécifiques qui interagissent avec les cellules de tout le corps. Presque tous les tissus et organes du corps humain ont des horloges biologiques, et les gènes qui les codent sont très similaires chez les humains, les plantes, les souris, les champignons et bien d’autres organismes.

Bien que les horloges biologiques représentent une fonction abstraite présente dans presque tous les tissus, il faut noter qu’il existe un endroit où toute cette activité est centralisée. Plus précisément, nous nous référons à un groupe d’environ 20 000 neurones qui composent le noyau suprachiasmatique. Nous vous expliquons les particularités de cette structure dans les lignes suivantes.

Le noyau suprachiasmatique : horloge centrale de l’organisme humain

Comme l’indiquent les études, le noyau suprachiasmatique (SCN) est la principale horloge biologique du corps. Par diverses projections, cette structure synchronise les rythmes périphériques et stimule la glande pinéale par une voie polysynaptique afin qu’elle libère de la mélatonine, une hormone qui joue un rôle essentiel dans les cycles du sommeil (entre autres).

Le NSQ est situé dans la section médiale de l’hypothalamus et est composé d’environ 20 000 neurones dorsaux au chiasma optique (d’où son nom). À son tour, le noyau suprachiasmatique peut être divisé en deux sections : ventrolatérale (noyau) et dorsolatérale (cortex).

Ces sections diffèrent par l’expression de leurs gènes et par la manière dont elles se synchronisent avec les rythmes externes. Alors que le noyau de la NSQ répond aux stimuli, le cortex exprime les gènes de manière constitutive. C’est-à-dire qu’ils sont transcrits en permanence, quelles que soient les conditions environnementales.

Lorsque nous parlons d’« expression » de gènes, nous nous référons aux mécanismes de transcription et de traduction. En termes simples, les protéines codées par le génome sont parfois synthétisées après exposition à un stimulus environnemental (exprimant ainsi l’événement codé), tandis que dans d’autres cas, la synthèse du matériel protéique est ininterrompue.

La glande pinéale

Le site Cancer.gov définit la glande pinéale comme “un petit organe situé dans le cerveau qui produit de la mélatonine”. Il est également connu sous le nom de “corps pinéal” et “organe pinéal”, bien que sa fonction soit toujours la même. Histologiquement, il est décrit comme une petite glande endocrine gris rougeâtre (qui libère des hormones dans le sang) et de la taille d’un grain de riz.

Comprendre le rôle de la glande pinéale dans l’horloge biologique centrale est très complexe, nous allons donc le résumer en quelques idées de base. Nous commençons par souligner que les cellules photosensibles présentes dans l’œil humain détectent la présence de lumière pendant la journée et envoient les signaux pertinents au noyau suprachiasmatique.

Les signaux circadiens créés voyagent vers le noyau paraventriculaire, la moelle épinière, le ganglion cervical supérieur et enfin la glande pinéale. Cette petite structure interprète les informations fournies par la NSQ et produit (ou ne produit pas) par conséquent de la mélatonine, que l’on appelle aujourd’hui “l’hormone du sommeil”. En termes simples, plus de mélatonine est synthétisée moins il y a de lumière.

L’horloge biologique et les rythmes

Vous savez maintenant ce qu’est l’horloge biologique centrale et comment elle régule notre cycle de sommeil de manière superficielle. Dans tous les cas, il convient de noter que ce système complexe ne fonctionne pas par lui-même. Car l’existence de certains “rythmes” ou “modèles” est nécessaire pour influencer son fonctionnement.

Ces paramètres sont appelés rythmes biologiques et font référence à une série d’oscillations des variables environnementales et internes de l’organisme. Les rythmes nous modulent en tant qu’êtres vivants, puisque toutes nos activités vitales se manifestent toujours avec une variation régulière (et non comme un continuum immobile). Dans les lignes suivantes, nous explorons les différents types de rythmes qui existent.

Rythmes cardiaques

Ce sont sans aucun doute les plus connus dans ce domaine. Le NIH définit ces paramètres comme des «oscillations de variables biologiques à intervalles de temps réguliers». Tous les êtres vivants ont des rythmes circadiens liés à l’horloge biologique qui se répètent cycliquement toutes les 24 heures. Ceux-ci commencent dans le corps (endogène) et répondent à des stimuli externes (exogènes).

Pour qu’un rythme circadien soit considéré comme tel, il doit répondre aux caractéristiques suivantes :

1. Il est endogène et persiste sans la présence d’indices temporels : les rythmes circadiens se répètent toutes les 24 heures même si les conditions environnementales sont constantes (par exemple, obscurité tout au long de la journée). S’il est vrai que ces paramètres répondent à des stimuli externes au corps de l’animal, ils sont capables de persister quel que soit l’environnement.
2. Il est sensible à la synchronisation (entraînement) : les rythmes circadiens peuvent être réinitialisés si le corps est exposé à certaines conditions environnementales, telles que la lumière et la chaleur. Un exemple très clair de ceci se produit lorsque nous voyageons d’un continent à l’autre. Bien que les conditions changent, les routines s’adaptent et sont maintenues.
3. Enfin, il se désynchronise face à certaines conditions perturbatrices : si un être humain est exposé à une lumière vive pendant 24 heures, il continuera à maintenir ses rythmes circadiens en tant que concept, mais ceux-ci seront perturbés et ne fonctionneront pas bien. Cela signifie qu’ils existent indépendamment de l’environnement, mais sont modulés par celui-ci.

Les rythmes circadiens sont régulés par l’horloge biologique (ou les horloges biologiques) présente dans le corps. Le mécanisme qui illustre le mieux ce conglomérat terminologique est le circuit noyau suprachiasmatique-glande pinéale-mélatonine. Cela dépend de la photopériode et la quantité de cette hormone synthétisée varie selon les heures d’ensoleillement auxquelles le corps est exposé.

Cependant, il convient de noter que les rythmes circadiens vont bien au-delà de la production de mélatonine. La sécrétion de ces hormones est également modulée par les substances suivantes :

• Hormone adrénocorticropique.
• Hormone stimulant la thyroïde.
• Cortisol.
• Hormone de stimulation de follicule.
• Hormone lutéinisante.

Rythmes lunaires

Bien que les circadiens soient les plus connus, ils ne sont pas les seuls rythmes existants. Par exemple, les variations lunaires (rythmes séléniens) sont très importantes pour expliquer certains comportements chez les êtres vivants. Certains cycles biologiques se produisent dans une phase spécifique de la lune, tandis que d’autres se produisent dans un cycle spécifique ou au milieu de celui-ci.

Plusieurs études ont exploré l’effet des cycles lunaires sur le sommeil et le comportement humains, mais les résultats restent controversés. À ce jour, beaucoup reste à étudier pour atteindre le même niveau de connaissances dans ce domaine que dans celui des rythmes circadiens.

Les autres rythmes et l’horloge biologique

Ensuite, nous vous apportons une liste d’autres rythmes qui ne sont ni lunaires ni circadiens. Il faut s’attendre à ce que ceux-ci affectent également le fonctionnement de l’horloge biologique humaine, mais il reste beaucoup à étudier :

• Rythmes infrarouges : ce sont ceux qui durent plus de 24 heures. Un exemple très clair dans ce domaine est le cycle menstruel (durée 1 mois).
• Rythmes ultradiens : durent moins de 24 heures. Le cycle de décongestion nasale a lieu toutes les 4 heures.
• Enfin, les rythmes des marées : les marées montent et descendent par intervalles de 12 heures. Les animaux marins ajustent leur période d’activité en fonction de ce paramètre.

Dans tous les rythmes biologiques, la période de plus grande activité est connue sous le nom d’acrophase. Par contre, lorsque les processus internes sont moins actifs, on dit que l’être vivant est en bathiphase. L’amplitude enregistre la différence entre les deux périodes le long du rythme biologique.

L’horloge biologique et l’esprit humain

L’horloge biologique contrôle les rythmes circadiens et, à leur tour, ces derniers modulent les réponses physiologiques du corps. Le résultat après exposition aux stimuli semble assez direct (si de la mélatonine est produite et qu’il fait sombre, l’humain s’endort), mais ce n’est pas tout à fait le cas. En effet, la science réalise de plus en plus que l’horloge biologique va bien au-delà de la production d’hormones.

Une étude très intéressante publiée dans la revue Frontiers in Behavioral Neuroscience a exploré le rôle de l’horloge biologique dans les circuits de colère et d’agression des êtres vivants. Pour cela, les hypothèses suivantes ont été émises :

1. Il existe des rythmes prévisibles aux comportements agressifs et colériques chez les animaux.
2. La perturbation des rythmes circadiens encourage l’agressivité.
3. L’expression chronique de la colère pourrait entraver le bon fonctionnement des rythmes physiologiques. Cela pourrait favoriser l’apparition de certaines affections, comme les maladies cardiovasculaires.

Des variations saisonnières dans le domaine émotionnel ont été démontrées chez des animaux non humains selon des rythmes infradiens. En général, les êtres vivants deviennent beaucoup plus territoriaux et hostiles lorsqu’ils sélectionnent des territoires ou s’accouplent. En d’autres termes, leur horloge biologique dicte qu’ils doivent s’attaquer à d’autres de leur espèce (ou d’espèces différentes).

Dans notre espèce, beaucoup reste à étudier, mais on a l’intuition que certains êtres humains avec des rythmes circadiens spécifiques (chronotypes différents) sont plus enclins à l’agressivité. D’autres études sont nécessaires dans ce domaine, mais on espère qu’une forte corrélation sera bientôt trouvée.

Horloge biologique et rythmes circadiens : l’environnement nous donne la vie

Dans cet article, nous avons traité des concepts assez complexes. Mais ils sont tous résumés en une seule prémisse : le centre de l’horloge biologique est le noyau suprachiasmatique (NSQ) et il existe de nombreuses autres “sous-unités” qui le composent dans presque tous les tissus de la corps. Les rythmes circadiens sont modulés par cet ensemble de tissus biologiques et sont endogènes.

Selon les conditions environnementales, les rythmes circadiens peuvent être déréglés ou varier, mais ils seront toujours là. Même si les conditions sont toujours les mêmes. Sans aucun doute, le meilleur exemple qui nous vient à l’esprit est le voyage d’un pays à l’autre : au-delà du décalage horaire initial, vous êtes capable de vous adapter à l’environnement. Vous savez maintenant que votre horloge biologique est responsable de cela et de bien d’autres choses.