La découverte d’un circuit cérébral éclaire les rythmes circadiens et les troubles psychiatriques avec poussées saisonnières

Des scientifiques de la faculté de médecine de Harvard ont découvert un circuit cérébral qui influence la capacité à s’adapter aux changements de durée du jour, comme ceux qui se produisent d’une saison à l’autre ou lorsque l’on voyage à travers des fuseaux horaires.

L’étude, basée sur des recherches sur des souris et publiée le 17 juillet dans Naturecomplète un autre élément du fonctionnement des rythmes circadiens : la manière dont le cerveau ajuste le comportement et les fonctions corporelles sur un cycle de 24 heures, en fonction de signaux externes tels que la présence et l’absence de lumière du jour.

Ces travaux révèlent également une nouvelle façon dont les cellules cérébrales peuvent se comporter.

Si ces résultats sont confirmés chez l’homme dans le cadre d’études ultérieures, ils pourraient aider les chercheurs à comprendre les causes des décalages entre les cycles veille-sommeil et d’activité, qui peuvent contribuer au développement de certaines maladies, notamment des troubles neurologiques, cardiaques et métaboliques.

D’autres résultats pourraient également éclairer la conception de traitements pour les personnes qui ont du mal à supporter des changements brusques de durée ou d’horaire du jour, comme les travailleurs postés et les voyageurs, ou les personnes qui ont des problèmes de santé exacerbés par des changements de durée ou d’horaire du jour, notamment la schizophrénie et les troubles affectifs saisonniers, dépressifs majeurs et bipolaires.

« Nous savons que la lumière solaire dicte la physiologie et le comportement de l’organisme, et que nous avons des problèmes de santé si notre corps n’anticipe pas correctement le cycle lumière-obscurité, mais nous avons tendance à y penser à l’échelle quotidienne, et non saisonnière », a déclaré Susan Dymecki, professeur George Fabyan de génétique dans le domaine de la pathologie comparée à l’Institut Blavatnik de HMS, dont le laboratoire a mené les travaux.

« Découvrir un circuit neuronal qui contribue de manière significative à la capacité d’adaptation aux changements du cycle jour-nuit est passionnant », a-t-elle déclaré. « Ce serait formidable si cela pouvait nous aider à mieux comprendre comment fonctionne notre cerveau et comment nous pourrions aider les gens à se synchroniser avec ces changements. »

En outre, selon les chercheurs, les résultats offrent un aperçu de la manière dont l’exposition à des formes de lumière artificielle la nuit, y compris les écrans numériques, peut perturber la perception de la durée du jour par le cerveau et affecter la santé humaine.

Une partie d’un circuit circadien

L’équipe, dirigée par Giacomo Maddaloni, chercheur en génétique au laboratoire Dymecki, a identifié un circuit cérébral composé de plusieurs groupes de neurones qui, ensemble, reconnaissent, décodent et pilotent l’adaptation comportementale aux changements de quantité de lumière du jour.

Au cœur de ce circuit se trouve un ensemble de neurones baptisés mrEn1-Pet1. Maddaloni et ses collègues ont découvert que ces neurones reçoivent des signaux d’une région du cerveau appelée zone préoptique, qui est directement informée de la luminosité ou de l’obscurité par les cellules nerveuses de la rétine, à l’arrière de l’œil.

L’équipe a déterminé que les neurones mrEn1-Pet1 envoient ensuite des signaux à trois zones du cerveau impliquées dans les rythmes circadiens et les schémas veille-sommeil, y compris l’horloge circadienne principale du corps, appelée noyau superchiasmatique ou SCN.

Cette découverte a placé les neurones mrEn1-Pet1 au sein d’un circuit cérébral qui commence par la détection de la lumière et se poursuit par la régulation du rythme circadien. Mais comment les neurones communiquent-ils, se sont demandés les chercheurs.

L’histoire de deux produits chimiques

Les scientifiques savaient déjà que les neurones mrEn1-Pet1 libèrent de la sérotonine, une substance chimique impliquée dans une multitude de fonctions, allant du rythme respiratoire à l’humeur en passant par l’appétit. Maddaloni et ses collègues ont cependant découvert que les cellules mrEn1-Pet1 peuvent également libérer du glutamate, une substance chimique qui active les neurones qui le reçoivent.

Les scientifiques s’accordent à dire que les neurones capables de libérer une ou plusieurs substances chimiques le font dans toutes les régions du cerveau auxquelles ils « communiquent ». À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que les neurones mrEn1-Pet1 déploient la sérotonine et le glutamate de manière indépendante (parfois ensemble, parfois séparément, parfois en quantités différentes) dans les trois régions du cerveau auxquelles ils sont connectés.

« C’est vraiment cool, le mécanisme utilisé par ces cellules », a déclaré Maddaloni.

Les expériences menées par l’équipe ont montré que les neurones mrEn1-Pet1 réagissent aux signaux environnementaux de durée de lumière ou d’obscurité et modifient leur déploiement de sérotonine et de glutamate en conséquence. Cela semble fournir des informations à l’horloge circadienne principale, qui les intègre à d’autres données pour décider si elle doit ajuster la réponse biologique de l’animal et, en fin de compte, son comportement.

Le blocage de diverses parties du circuit a altéré la capacité des souris à s’adapter aux changements de durée du jour. Lorsque l’équipe a allongé ou raccourci la durée du « jour » en laboratoire, imitant l’été ou l’hiver, les souris présentant des perturbations dans le système mrEn1-Pet1 ont mis beaucoup plus de temps à synchroniser leurs heures de sommeil et d’éveil avec la nouvelle durée du jour que les souris normales et ont tardé à adapter leur activité de course à pied aux heures et durées appropriées.

« Les résultats ont été vraiment impressionnants », a déclaré Maddaloni. « Les souris se réveillaient en fonction du cycle lumineux précédent. Elles étaient « aveugles » aux changements de saison. »

Lorsque les neurones mrEn1-Pet1 sont perturbés, le SCN ne s’ajuste pas correctement, a confirmé Dymecki. Elle a expliqué : « Cela affecte un mécanisme fondamental du régulateur circadien principal. »

Dymecki et Maddaloni veulent découvrir si cette capacité à déployer différents neurotransmetteurs dans différentes régions du cerveau est unique aux neurones mrEn1-Pet1.

De la souris à l’humain

L’applicabilité de ces résultats à la santé humaine dépendra de la présence ou non de neurones mrEn1-Pet1 et d’un circuit circadien comparable dans notre cerveau.

Bien que son équipe n’ait pas encore recherché de cellules mrEn1-Pet1 dans le tissu cérébral humain, Dymecki est encouragée par le fait que les neurones résident dans le tronc cérébral de la souris, une zone évolutivement ancienne qui change très peu chez les mammifères.

Un autre signe prometteur : chaque fois que l’équipe a cherché dans le tronc cérébral humain d’autres types de cellules libérant de la sérotonine présentes dans le tronc cérébral de la souris, elle les a trouvées.

En outre, des études d’imagerie ont montré un lien entre les anomalies de cette région du cerveau chez l’homme et des pathologies telles que le trouble bipolaire, a déclaré Dymecki.

« Nous pensons que les cellules seront là », a-t-elle déclaré. « Si c’est le cas, il serait très satisfaisant d’enrichir nos connaissances limitées sur la façon dont notre cerveau a évolué pour se synchroniser aux changements d’exposition à la lumière et d’aider éventuellement à atténuer les effets dévastateurs que la dysrégulation de l’adaptation aux changements de durée du jour peut avoir sur la santé des gens. »