La cronobiologia è una disciplina scientifica che studia l'organizzazione temporale degli esseri viventi, i meccanismi per il loro controllo (controllo, mantenimento) e le sue alterazioni. Questa disciplina si occupa principalmente dello studio dei ritmi biologici .
L'uomo preistorico ha già acquisito una conoscenza di base dell'organizzazione temporale degli esseri viventi (maturità dei frutti, migrazione della selvaggina, deposizione dei salmoni, ecc .). L'uomo del Neolitico controlla l'agricoltura e l'allevamento attraverso la conoscenza del ciclo vegetale e del ciclo riproduttivo degli animali.
I primi scritti che descrivono i ritmi biologici riguardano la biologia vegetale. Essi risalgono al IV ° secolo aC. aC : Teofrasto riporta nella sua Storia delle piante che Androstene osservò sull'isola di Tylos un albero "che gli indigeni dicono dorme" : questo fotoperiodismo riguarda probabilmente l'albero di tamarindo.
Nel XVII ° secolo , il medico italiano Santorio Santorio mette in evidenza il ritmo circadiano nell'uomo misurando la variazione di peso tutti i giorni.
Nel 1729, lo scienziato francese Jean-Jacques Dortous de Mairan studiò la nottinastia nella mimosa modesta, detta anche sensibile : anche posta al buio più totale e in un ambiente costante (temperatura, umidità), la pianta continuava ad aprire le sue foglie (come fa durante il giorno) e ripiegarli di notte. Sperimenta così per la prima volta i ritmi circadiani e mostra così la loro natura endogena. Nel 1751, il naturalista svedese Carl von Linné applicò questo fenomeno di nictinastia per progettare un orologio floreale . Nel 1814, il medico Julien Joseph Virey (1755-1836) pubblicò Ephemerides de la vie humaine, ovvero Ricerche sulla rivoluzione quotidiana e la periodicità dei suoi fenomeni nella salute e nelle malattie , la prima tesi di cronofarmacologia in cui espone la terminologia "vivere orologio” . Nel 1832, Augustin Pyrame de Candolle scoprì che la nictinastia sensibile si manifestava in un periodo compreso tra le 22 e le 23 ore, dimostrando l'esistenza di un periodo endogeno in corso libero. Effettuò anche il primo esperimento di risincronizzazione biologica esponendo i sensibili all'oscurità durante il giorno e all'illuminazione permanente di notte.
Nel 1910 , l'entomologo Auguste Forel fu il primo a mettere in luce un orologio interno negli animali: osservando che le api erano attratte dalla marmellata ogni volta che faceva colazione sulla terrazza del suo chalet, notò, in una giornata di brutto tempo, che tornavano al suo terrazzo contemporaneamente mentre faceva colazione dentro e non ne sentivano l'odore. Nel 1911 , l'etologo tedesco Karl von Frisch , mentre studiava il controllo fotico della pigmentazione cutanea di un pesce, il pesciolino , scoprì un meccanismo che chiamò "fotorecezione extraoculare", questa fotorecezione controllata dalla ghiandola pineale che svolge un ruolo importante nella fotoregolazione fisiologica e sincronizzazione metabolica. Dal 1914, ha concentrato tutte le sue ricerche sull'ape e ha mostrato con il suo allievo Ingeborg Beling (en) che l'insetto ha un orologio interno , con tre meccanismi di sincronizzazione o regolazione. Nel 1915 nella sua opera Contributi alla conoscenza sull'origine dei movimenti del sonno , il botanico Wilhelm Pfeffer fu il primo a proporre l'ipotesi di un orologio interno autonomo. Nel 1920 , i botanici americani Whigtman Garner e Henry Allard fecero uno studio approfondito del fotoperiodismo e classificarono un gran numero di piante in giorni brevi e lunghi . Nel 1925, il biofisico russo Alexander Chizhevsky stabilì una relazione tra tempeste solari e catastrofi sulla terra (guerre, epidemie, omicidi). Fondò l'eliobiologia che sarebbe poi stata integrata nella cronobiologia.
I primi laboratori scientifici che studiano le oscillazioni biologiche sono stati istituiti negli anni 1920. Nel 1935, il biologo tedesco Erwin Bünning ha mostrato l'origine genetica del ritmo circadiano nelle piante.
L'esaustivo lavoro di Jürgen Aschoff , Erwin Bünning e Colin Pittendrigh (en) negli anni '50 sugli orologi circadiani di uccelli e topi, li rende considerati i fondatori della cronobiologia. Franz Halberg dell'Università del Minnesota, che ha studiato l'influenza del tempo della somministrazione dei farmaci e ha coniato la parola circadiano nel 1959, è considerato il "padre della cronobiologia americana". In Francia, Alain Reinberg è il pioniere.
Nel 1960, il simposio al Cold Spring Harbor Laboratory (in) pone le basi per il campo della cronobiologia. Lo stesso anno, Patricia DeCoursey ha inventato la curva di risposta di fase (in) (curva di risposta di fase), uno dei principali strumenti utilizzati nel campo.
Negli anni '70, il primo gene orologio , denominato per (per periodo ) è stato identificato nel regno animale (Drosophila, nel 1971 nei roditori), altri geni di questo tipo sono stati identificati nel regno vegetale (alga Chlamydomonas reinhardtii ), fungina ( Neurospora crassa ).
Esperimenti "fuori dal tempo" (isolamento temporale secondo il protocollo del corso libero) sono condotti dai biologi tedeschi Jürgen Aschoff e Rutger Wever (1962) e da Michel Siffre (nel 1962 e 1999): mostrano che diverse funzioni umane (fisiologiche , cognitivo o comportamentale) sono controllati da un orologio circadiano di periodo endogeno a decorso libero (24 h e 9 minuti in media: 24 h 5 min per le donne, 24 h 11 min per gli uomini, il che spiega perché in media le donne hanno bisogno di andare a letto prima e sono più inclini all'insonnia rispetto agli uomini).
Nel 1992, Michael Rosbash ha rivelato gli orologi circadiani a livello molecolare ( RNA messaggero di per ). Nel 1997, uno studio ha rivelato che la maggior parte delle cellule ha un orologio molecolare indipendente. Nel 2005, un orologio di un cianobatterio viene ricostituito in una provetta.
Se l'attuale cronobiologia è interessata alla genetica e ai livelli molecolari (ad esempio il lavoro del Dr. James Bendayan che studia le differenze di ritmicità dei diversi genomi nelle donne e negli uomini) si concentra anche sugli impatti dei ritmi biologici in un quadro di riferimento modellato su la vita quotidiana degli esseri umani e delle società, attraverso la cronomedicina, la variazione delle prestazioni umane (sport, cognizione), la cronobiologia applicata o, più recentemente, la cronoprevenzione dei rischi (influenza dei turni di lavoro e del lavoro notturno sulla salute sul lavoro, analisi e copertura dei rischi, problemi di salute)
Sebbene l'idea del fattore tempo in biologia e medicina non sia nuova (nozione che troviamo in Aristotele e Plinio che notano la ritmicità nella riproduzione, fioritura, letargo o migrazione), le riflessioni, la ricerca e la pratica negli ultimi decenni hanno sono stati a lungo influenzati dalla credenza nell'invarianza "a breve termine" degli esseri viventi, su una scala di 24 ore, così come su una scala per tutto l'anno.
Alcuni parlano di dogma al riguardo , puntando più o meno direttamente sul concetto di omeostasi , che troviamo in Walter Cannon traendo ispirazione dalle idee di Claude Bernard sulla stabilità dell'ambiente interno .
La contraddizione tra il tema della cronobiologia e questo concetto è solo apparente ed è probabilmente dovuta a un'errata interpretazione.
In effetti, l' omeostasi si occupa della capacità dell'ambiente interno di un essere vivente di mantenersi in uno stato apparentemente o globalmente stabile, nonostante le fluttuazioni ei cambiamenti che si verificano all'interno del suo ambiente. Tuttavia, quest'ultimo non è mai costante, le sue caratteristiche percepibili sono in continua evoluzione:
L'effetto delle fluttuazioni ritmiche (come l'alternanza giorno/notte su 24 ore , o giorni corti/giorni lunghi su un anno) su un organismo che vuole essere omeostatico logicamente induce una compensazione dello stesso ordine al fine di mantenere l'organismo osservato. Queste risposte o regolare le risposte consentono quindi l'equilibrio di uno stato di "non-equilibrio".
La cronobiologia fa quindi parte dello studio dei processi non lineari, che si possono trovare in termodinamica con ricercatori come Prigogine o nella scienza dei sistemi . Si tratta quindi di oscillazioni di sistemi aperti e in evoluzione.
Secondo Alain Reinberg , molti cronobiologi concordano sul fatto che, nel complesso, i ritmi biologici corrispondano ad un adattamento degli esseri viventi alle prevedibili variazioni dell'ambiente. La domanda "Perché? “Di ritmi biologici rimane “imbarazzante”: secondo l'autore, tentare di rispondere ad essi corrisponderebbe ad introdurre la questione della finalità, e più precisamente quella dei meccanismi dell'evoluzione degli esseri organizzati, del loro specifico adattamento (relativo alle specie) e individuale all'ambiente. In questa situazione è quindi difficile fornire una "prova sperimentale" di ciò che stiamo dicendo. I ritmi biologici possono quindi apparire come una "condizione" per la sopravvivenza di individui o di una specie nella periodicità dell'ambiente terrestre. Tuttavia, va notato che ci sono alcuni ritmi che a prima vista non sembrano corrispondere a una necessità ambientale.
Il concetto di omeostasi deve quindi integrare imperativamente le nozioni di dinamica e bioperiodicità. La nozione di equilibrio in biologia, quando questo equilibrio non è dinamico (uno squilibrio perennemente raggiunto), è sinonimo di morte.
Un ritmo biologico è caratterizzato dal suo periodo, dalla posizione dell'acrofase (o picco, o apice, o zenit) della variazione nella scala temporale del periodo, l' ampiezza e il livello medio della variazione ( MESOR ).
Intervallo di tempo misurato tra due episodi che si riprodurranno identici a se stessi durante la variazione. Il periodo del ritmo di una variabile biologica può essere ottenuto mediante analisi spettrale , fornendo una stima del periodo fondamentale preponderante e delle sue armoniche . Può essere ottenuto anche conoscendo il ritmo dei sincronizzatori (condizioni sperimentali).
A seconda del periodo predominante, la cronobiologia distingue tre aree principali dei ritmi:
La stessa variabile biologica manifesta la sua ritmicità in diversi di questi domini (esempio di cortisolo plasmatico).
L'acrofase (picco, o zenit), il cui opposto è la "batifase" o "batifase", è la posizione del valore più alto della variabile biologica misurata nella scala temporale, per il periodo considerato in funzione di un riferimento temporale. Quando siamo nel dominio circadiano, il picco può essere dato in ore con un'ora come riferimento (ad esempio la mezzanotte dell'ora locale). È possibile dare la posizione dell'acrofase in relazione alla temperatura corporea, ma è molto più raro.
Quando si utilizza il metodo Cosinore , il picco sarà il punto più alto della funzione sinusoidale , ma il più delle volte si parla di picco rispetto ai valori sperimentali.
La caratterizzazione è la stessa delle scienze fisiche o della matematica . Rappresenta la variazione totale del valore biologico misurato nel periodo considerato.
MESOR per la statistica di stima della linea mediana del ritmo . Questa è la media aritmetica delle misurazioni della variabile biologica.
I ritmi biologici hanno origine sia endogena che esogena:
La loro origine è genetica, sono innate e non derivano dall'apprendimento individuale. Sono governati da orologi biologici (o segnatempo ). Questa caratteristica può essere dimostrata da un isolamento (protocollo di corso libero) durante il quale i ritmi persistono su una frequenza loro specifica.
Questi fattori endogeni sono guidati da fattori esogeni, gli Zeitgeber o sincronizzatori .
Le originali endogene origine costituzione genetica delle specie e dei suoi individui . È possibile che, da un lato, siano coinvolti geni che programmano direttamente il ritmo considerato e, dall'altro, la struttura complessiva dell'individuo dipendente sia da tutti gli altri dati genetici sia da fattori socio-psicologici biologici esogeni.
Conosciamo un orologio principale situato nell'ipotalamo e orologi secondari , molti dei quali gestiti, anche a livello cerebrale.
Esistono diversi geni che codificano diversi orologi biologici : abbiamo, ad esempio, descritto un orologio alimentare che regolerebbe la preparazione digestiva per il pasto a venire ( cfr. Étienne Challet et al. , Current Biology du24 ottobre 2006).
Infatti, tutte le cellule del corpo, e non solo quelle appartenenti a strutture cerebrali più specializzate, hanno un proprio orologio che è difficile dimostrare in vitro in normali condizioni di laboratorio. Benoît Kornmann ei suoi collaboratori scoprirono la possibilità di lasciare in attività o di annientare l'orologio delle cellule epatiche; ciò ha permesso di determinare che il loro ritmo circadiano è del 90% di origine “locale” ma che vi è un impatto “globale” (centrale e/o legato direttamente a sincronizzatori esterni) di almeno il 10%. Questa parte è molto robusta e persiste quando l'orologio proprio delle celle periferiche è bloccato.
Il sincronizzatore è un fattore ambientale, a volte sociale, ma sempre periodico, in grado di modificare il periodo o la fase di un ciclo biologico. I sincronizzatori non creano i ritmi biologici ma controllano il periodo e la fase.
I principali agenti per i ritmi di guida negli esseri umani sono di natura cognitiva, quindi gli indicatori socioecologici svolgono un ruolo importante.
Possiamo qui citare l'alternanza di attività/riposo, chiaro / scuro a livello giornaliero, oppure il fotoperiodo (giornate corte/giornate lunghe) e temperatura a livello annuale o stagionale.
I ritmi biologici sono quindi allenabili (regolazione del periodo dei ritmi) ma anche persistenti (dimostrato da protocolli di corsa libera o corsi liberi, in cui l'individuo è tagliato fuori da tutti i segnali che possono risincronizzarlo).
Possiamo spostare le loro fasi per induzione tramite la manipolazione di sincronizzatori (principalmente luce) e quindi creare anticipi o ritardi di queste fasi, possiamo quindi in caso di patologia resettare l'orologio biologico e quindi rimettere in fase l'organizzazione temporale dell'individuo . I ritmi circadiani, quasi onnipresenti, sono forse i ritmi biologici più notevoli e facilmente osservabili.
Altri sincronizzatori, specialmente quelli sociali, sono diretti alla nostra corteccia . Sono segnali e possono essere appresi. Grazie a un lavoro specifico del cervello, qualsiasi segnale percepito come un punto di riferimento temporale può diventare un sincronizzatore e orientare la nostra "esperienza" circadiana, ma anche, se del caso, circaannuale, ultradiana, ecc. Altrimenti formulato, il nostro "orologio" interno è influenzato dal rumore dei vicini, dal suono della sveglia, dall'ora del passaggio del postino, dal momento quotidiano durante il quale tale persona ha preso l'abitudine di telefonarci - l'elenco è lungo. Nell'uomo, i sincronizzatori sociali hanno un effetto maggiore dei sincronizzatori naturali, ma osserviamo fenomeni simili in alcuni animali sociali che si sincronizzano grazie alle informazioni fornite dai loro congeneri. Un sincronizzatore sociale può sostituirne un altro con un fenomeno di apprendimento.
La desincronizzazione corrisponde a una perdita della relazione di fase dei ritmi biologici. Può essere di origine esterna (legata a cambiamenti nell'ambiente) o interna (non direttamente correlata all'ambiente).
Il lavoro notturno o a turni può causare una desincronizzazione dell'organizzazione temporale dell'individuo (è difficile prevedere chi sia tollerante o meno a questo tipo di lavoro).
Jet lag o jet lagIn caso di volo transmeridiano superiore a circa cinque ore (fenomeno del jet lag ), si osserva negli individui una desincronizzazione.
I ciechi la cui retina è completamente inoperante (la retina contiene recettori non fotici che stimolano la secrezione di melatonina da parte della ghiandola pineale ) hanno numerosi disturbi della loro organizzazione temporale. Poiché la luce non può essere tradotta in un segnale di sincronizzazione ormonale, seguono sintomi simili a quelli che possono manifestarsi in altri casi di desincronizzazione.
Quest'ultimo è poco compreso. È influenzato dall'età, dalla depressione o dai tumori ormono-dipendenti (seno, ovaie, prostata, ecc .).
Può essere potenziato studiando i ritmi dei marker (cortisolo plasmatico, melatonina plasmatica, temperatura, ecc .). Se viene dimostrata la desincronizzazione, questi marcatori si diranno o in anticipo di fase, o in ritardo di fase rispetto all'organizzazione temporale di riferimento ( normale ) per l'individuo studiato.
L'orologio centrale, o quello situato nei nuclei soprachiasmatici (SCN), regola gli orologi periferici tramite input neurali diretti. D'altra parte, le voci simpatiche da sole non possono essere responsabili di tutte le attività circadiane. C'è un orologio in diversi organi legati all'assunzione di cibo come lo stomaco, l'intestino, il pancreas e il fegato. Un cambiamento nella dieta può influenzare i meccanismi degli orologi circadiani periferici mediante l'allenamento neuroumorale. Inoltre, la presenza di un orologio circadiano attivo nel tessuto adiposo suggerisce l'esistenza di una componente temporale nella regolazione della funzione del tessuto adiposo. L'orologio circadiano nell'adipocita modifica la sensibilità di quest'ultimo a diversi stimoli specifici durante le 24 ore al giorno, come l'insulina o l'adrenalina. L'orologio degli adipociti può anche influenzare la capacità di stoccaggio dei trigliceridi come la perilipina. Un'asincronia tra sonno e cibo altera l'orologio circadiano dell'adipocita e questa alterazione sarebbe responsabile dell'aumento dell'adiposità. Un cambiamento nel programma di alimentazione può anche alterare la fase dell'espressione genica con un ritmo circadiano fino a 12 h senza influenzare la fase dell'espressione circadiana nel NSC. In questo caso si ha quindi la disconnessione degli orologi periferici con l'orologio centrale. Questo riaggiustamento di fase effettuato dagli orologi periferici a seguito di un cambiamento nel programma alimentare si verifica rapidamente nel fegato, ma è più lento nei reni, nel cuore e nel pancreas.
Impatto dei tempi di assunzione di cibo sulla leptinaSebbene i meccanismi che collegano i tempi dei pasti e l'aumento di peso siano ancora poco conosciuti, sembra che gli ormoni abbiano un ruolo da svolgere. L'espressione ritmica e l'attività delle vie metaboliche sono principalmente attribuite alla robustezza e all'espressione coordinata dei geni orologio in diversi organi e tessuti. Tuttavia, i cambiamenti nella tempistica dell'apporto calorico possono alterare questo bene ben costruito e modificare la ritmicità di molti ormoni coinvolti nel metabolismo, come la leptina o la grelina. Infatti, studi di laboratorio hanno dimostrato che i momenti in cui i topi sono svegli e mangiano durante la loro notte biologica (cioè di giorno nel caso dei topi, poiché questi sono animali notturni) hanno provocato molteplici cambiamenti metabolici. Ciò include in particolare un cambiamento nella secrezione di leptina, un ormone anoressizzante che dà al corpo una sensazione di pienezza inibendo i neuroni NPY/AgRP e attivando i neuroni POMC/CART. Più precisamente, è stato dimostrato che i valori plasmatici della leptina notturna erano significativamente ridotti. Solitamente, cioè quando l'assunzione di cibo avviene durante il giorno biologico (di notte per i topi), la secrezione di leptina da parte dei tessuti adiposi avviene in proporzione alle riserve lipidiche. Tuttavia, maggiori sono le riserve, maggiore è la secrezione dell'ormone, il che significa un aumento della sensazione di sazietà e una diminuzione dell'apporto calorico. Pertanto, le variazioni giornaliere nell'assunzione di cibo influenzano direttamente la secrezione di leptina poiché aumenta dopo l'alimentazione e diminuisce durante il digiuno. Ora, il problema con i topi nutriti biologicamente durante la notte è che poiché il livello di leptina è significativamente più basso, la sensazione di pienezza è meno diversa da quella dei topi nutriti di notte. Pertanto, la piccola quantità di soppressore dell'appetito tende a promuovere un aumento dell'apporto calorico giornaliero, sebbene il fabbisogno energetico rimanga invariato. Questa sarebbe quindi una causa di aumento di peso. Si tratta inoltre di un fenomeno presente anche nell'uomo .
Impatto dello sfasamento di corticosterone e insulinaCome accennato in precedenza, la tempistica dell'apporto calorico ha un effetto diretto sulla secrezione di ormoni, di cui il corticosterone fa parte. È stato dimostrato sperimentalmente che un topo alimentato solitamente di notte e il cui ritmo alimentare è disturbato dall'assunzione dei pasti durante il giorno, mostra un alto picco di corticosterone durante i pasti. Si suggerisce quindi che questo ormone sia invariabilmente legato a un insolito aumento di peso. Rimuovendo la ghiandola surrenale, responsabile della produzione di corticosterone, è ora possibile osservare la perdita di peso. Si ritiene che ciò sia dovuto al fatto che il corticosterone aumenta la lipogenesi e l'accumulo di grasso addominale. La lipogenesi, normalmente eseguita quando l'animale è in un periodo di attività, limita la creazione di grasso addominale. Se invece si manifesta in una fase poco attiva della giornata, il suo effetto è notevolmente potenziato.
L'insulina è anche responsabile dell'aumento di peso negli esseri umani. Un esperimento condotto sui ratti ha mostrato i suoi effetti. Nei ratti che avevano sei pasti al giorno distribuiti su un periodo di 24 ore , il livello di glucosio nel sangue era molto regolare durante il periodo di luce. Al contrario, i due pasti somministrati durante la notte hanno prodotto un livello di insulina molto più alto. Pertanto, la glicemia è stata notevolmente ridotta per effetto dell'insulina. I ratti normalmente attivi di notte e che mangiano durante questo periodo hanno il loro metabolismo completamente sconvolto quando mangiano durante il giorno. La glicemia quindi diventa più alta, il che porta a rischi di aumentare la massa grassa dell'individuo.
Impatto dello sfasamento sul metabolismo del topoLa desincronizzazione dei vari elementi umorali del metabolismo sopra presentata è coinvolta nel disaccoppiamento di due importanti parametri del metabolismo: il rapporto di scambio respiratorio (RER) e il dispendio energetico delle cellule. In una situazione di restrizione alimentare nella notte soggettiva piuttosto che durante il giorno soggettivo, il RER subisce uno sfasamento di circa 10 ore nelle cellule epatiche. Ciò significa che l'assunzione di cibo ha un impatto maggiore sulle cellule del fegato rispetto all'orologio centrale. Nella nutrizione libera, il RER fluttua per sincronizzare i tempi in cui l'energia proviene dalle riserve di grasso o dagli input alimentari. Qui, la restrizione alimentare notturna soggettiva aumenta il valore medio di questo parametro durante l'intero periodo di 24 ore, indicando che meno riserve di grasso vengono consumate dal dispendio energetico. Durante la giornata il dispendio energetico deriva in gran parte dall'attività muscolare, che si basa sull'utilizzo di carboidrati (forniti direttamente dalla dieta) imposto da un alto valore del RER (sopra 1). Essendo questo meno sensibile allo Zeitgeber alimentare, il suo sfasamento è quindi compreso tra 5 e 7 ore, che lo desincronizza con lo sfasamento del RER del fegato (10h). Inoltre, il dispendio energetico è inferiore di circa il 9% durante l'intero periodo di 24 ore, il che significa che oltre a non essere in sintonia con il picco di consumo di carboidrati, l'organismo consuma meno energia. Pertanto, mantenere più grasso immagazzinato nei topi nutriti durante la loro notte soggettiva, insieme a una diminuzione del dispendio energetico, porta ad un aumento del numero di cellule adipose negli individui. La desincronizzazione dei ritmi del fegato, che fornisce gran parte dell'energia durante la notte, provoca un uso meno efficiente del glicogeno e un forte squilibrio dell'omeostasi energetica dell'organismo, che può avere ripercussioni sull'aumento di peso.
Per concludere, vengono fatte diverse ipotesi secondo cui il momento in cui si fa l'assunzione di cibo avrebbe un impatto sull'aumento di peso. Infatti, la variazione del tasso di secrezione di ormoni quali leptina, grelina, corticosterone e insulina, nonché la diminuzione dell'attività fisica dell'individuo sembrano essere le principali cause di questo guadagno. Tuttavia, il meccanismo preciso che spiega il legame diretto tra questi componenti e l'aumento di peso è ancora sconosciuto, sebbene sia stato dimostrato il legame tra questi componenti e il sovrappeso.
Genere: la nozione di ritmo nelle donne è meno facile da studiare che negli uomini (cicli mestruali).
Anche la superficie del corpo gioca un ruolo.
L'età è un fattore da considerare:
Ritmi circadiani durante lo sviluppo fetale
I ritmi circadiani nell'uomo sono generati dai nuclei soprachiasmatici (SCN) dell'ipotalamo. Queste NSC richiedono tempo per formarsi, ma la loro struttura completa può essere osservata da circa 18 a 20 settimane di gravidanza negli esseri umani.
Studiando lo sviluppo natale nei primati, si osserva che dopo l'esposizione alla luce notturna, c'è un forte aumento dell'attività metabolica e dell'espressione dei geni c-fos e per1 nelle NSC a età equivalenti a 24 settimane di gestazione per l'uomo. Ciò dimostra che l'orologio circadiano molto prematuro risponde ai segnali luminosi.
Poiché il feto è privo di qualsiasi Zeitgeber (gli input nell'ambiente), l'allenamento circadiano dei suoi NSC implica la comunicazione materna dei segnali circadiani. Infatti, i segnali materni sono necessari per l'allenamento della sincronizzazione dei ritmi postnatali del feto. I primi studi che suggerivano che l'orologio biologico fetale probabilmente doveva provenire dalla madre furono fatti sui ratti. I ricercatori hanno effettivamente determinato che l'enzima che produce la melatonina ha continuato a seguire un ritmo circadiano anche se i soggetti, che erano feti di ratti, sono stati messi in ambienti che non seguivano i cicli luce-buio (LD). Quindi, anche se erano in condizioni costanti, chiare o scure, l'enzima continuava a seguire un certo ritmo indipendentemente dall'ambiente esterno. I feti erano quindi sincronizzati con il ritmo della madre. Da lì, diversi studi sono stati condotti anche sugli esseri umani.
La madre può trasmettere efficacemente il suo ciclo circadiano al feto in molti modi, come attraverso la ritmicità della sua temperatura corporea, attraverso il rilascio di cortisolo e melatonina, attraverso le contrazioni del suo utero, attraverso cambiamenti nella concentrazione di glucosio, o ancora, attraverso il rilascio di CRF ("fattore di rilascio del corticosterone") dove il corticosterone influenza il ritmo circadiano dell'attività uterina. Per quanto riguarda la secrezione ritmica di cortisolo da parte della madre, è stato infatti dimostrato che il blocco del cortisolo materno, ad esempio con il triamcinolone, può causare la perdita del ritmo circadiano del battito cardiaco, della respirazione e della mobilità nel feto. Inoltre, i ricercatori hanno suggerito che, negli esseri umani, il livello di glucocorticoidi materni può influenzare la funzione della ghiandola surrenale fetale e, quindi, guidare il suo ritmo circadiano. I ritmi circadiani materni di CRF e cortisolo possono influenzare l'attività delle NSC fetali attraverso la loro grande quantità di recettori glucocorticoidi durante lo sviluppo fetale.
Un altro componente che partecipa molto allo sviluppo del feto e del neonato oltre che alla regolazione dei ritmi circadiani è la melatonina. Questo ormone è però particolare poiché la sua sintesi compare solo dopo la nascita del bambino. Pertanto, durante la gravidanza, deve essere trasmesso dalla madre attraverso la placenta. Sarà quindi in grado di agire sul feto attraverso i suoi recettori specifici sul NSC a partire dalla 18 ° settimana di gravidanza, o solo quando il NSC è completamente formato. Poiché la melatonina ha già una secrezione ritmica nella madre, è lei che detterà al feto il ritmo secondo il giorno e la notte. Dopo la nascita, è il neonato che inizia a produrlo in modo endogeno, ma si percepisce davvero un ritmo giorno-notte a partire da circa 3 mesi. Sappiamo che la melatonina è, tra l'altro, responsabile dei cicli veglia-sonno attraverso la sua maggiore secrezione durante la notte, ma partecipa anche alla regolazione di altri cicli compresa la temperatura corporea. Non può quindi essere trascurato.
I ritmi circadiani del feto compaiono in sequenza durante lo sviluppo. Infatti, dal 22 ° settimana, possiamo già osservare il ritmo del battito cardiaco che inizia. Verso la 29 ° settimana di gestazione si ha un ciclo di ritmicità riposo-attività e allenamento a temperatura corporea nell'arco delle 24 ore. Oltre alla 28a settimana di gravidanza, compaiono il sonno e il ciclo del sonno. Sono essenziali per lo sviluppo neurosensoriale e motorio, nonché per la creazione della memoria e il mantenimento della plasticità cerebrale. È importante notare che questo ciclo del sonno non corrisponde a quello che sperimenta un adulto, anzi è in fase di sviluppo e questo sviluppo continua anche dopo la nascita. Ad esempio, nel neonato, i periodi di sonno sono brevi e numerosi in una giornata in modo irregolare. Questi periodi dureranno tra le 2,5 e le 4 ore, il neonato quindi dorme in totale tra le 16 e le 18 ore al giorno. Nei mesi successivi alla nascita, il periodo di sonno ininterrotto si allunga gradualmente e la frequenza in una giornata diminuisce, dando infine luogo a un ciclo normale che segue il giorno e la notte. Infine, durante la 36a settimana di gestazione, si ha la formazione della via retinoidi-ipotalamica. Quest'ultimo trasmette la luce dall'ambiente alle NSC.
Condizioni esterne durante lo sviluppo
È importante notare che lo sviluppo dei cicli circadiani nei neonati non è solo dovuto alla maturità delle NSC, ma è anche influenzato dalle diverse esposizioni agli Zeitgeber nel periodo postnatale. Diversi studi sono stati fatti su questo argomento.
Ad esempio, in uno studio il primo gruppo era costituito da neonati a termine, che non hanno bisogno di essere tenuti a lungo termine in ospedale, in modo che possano prosperare in una casa esposta a condizioni di vita normali e dove l'unica badante è la madre. Sono quindi esposti al modello sociale e comportamentale circadiano di una singola persona. Il secondo gruppo è costituito da neonati prematuri che vengono tenuti in ospedale per un periodo di tempo più lungo, dove vengono collocati in una stanza con luce costante con molti assistenti. Al termine di questo studio, i ricercatori hanno scoperto che dal 6 ° al 12 ° settimana post-natale, è stato possibile osservare che i bambini che sono rimasti sotto un normale ciclo luce-buio avevano guadagnato più peso e dormivano più di quelli lasciati in condizioni di luce costante.
L'analisi di diverse situazioni simili mostra che i bambini esposti a un normale ciclo luce-buio sviluppano i loro cicli circadiani più velocemente di altri in condizioni di luce costante. Sarebbero anche meno malati e crescerebbero più velocemente. Infatti, per quanto riguarda la crescita dei bambini piccoli, il fatto di interrompere i cicli giorno-notte da un ambiente dove c'è sempre luce influisce sulla ritmicità dell'ormone della crescita. È quindi importante per i neonati che il loro orologio interno sia educato in età molto giovane. Un altro esempio che supporta queste osservazioni è lo studio di due gruppi di neonati prematuri, dove uno di loro aveva diritto a una maschera fototerapeutica diversi giorni prima della dimissione dall'ospedale, cioè dai 18 ai 52 giorni. I piccoli sono stati poi portati in un normale ambiente domestico dove l'illuminazione segue il ciclo giorno-notte. Il secondo gruppo non ha avuto accesso a questo trattamento ed è stato quindi sottoposto a luce ospedaliera costante. Come accennato in precedenza, l'esposizione costante a questa luce ha molte ripercussioni. In questo studio, è stato dimostrato che il primo gruppo, all'età di 52 settimane, aveva sviluppato un ritmo circadiano della melatonina identico a quello dei neonati non prematuri, ma il secondo gruppo impiegava più tempo per sviluppare i propri ritmi. melatonina. Ciò dimostra che in queste situazioni non è il fatto di essere prematuri a influenzare i ritmi, ma piuttosto le condizioni dell'ambiente esterno. Pertanto, questi studi mostrano che gli Zeitgeber, i cui fulmini ciclici durante il periodo postnatale, hanno un ruolo importante da svolgere nello sviluppo dei cicli circadiani nei neonati.
In Francia, Michel Siffre , speleologo, ha effettuato una delle prime esperienze di isolamento fuori dal tempo nella voragine di Scarasson, dal 18 luglio al14 settembre 1962a 2000 m di altitudine nelle Alpi italiane (tra Limone e Tende).
Le condizioni di questo esperimento possono avvicinarsi alle condizioni di corsa libera , situazione in cui gli individui studiati sono privi di tutti i sincronizzatori. La corsa libera permette di evidenziare i periodi dei ritmi endogeni di ogni individuo.
Il P R Christian Poirel (Canada) ha studiato i ritmi circadiani nei topi e nell'uomo fenomeni psicopatologici.
Nel 1967, in Psychologie du temps , Paul Fraisse ha creato e sviluppato la nozione di cronopsicologia.
François Testu ( Università di Tours ), ha studiato i ritmi di apprendimento nei bambini, facendogli fare semplici esercizi e osservando le percentuali di successo in base alle ore. Ha osservato la presenza di due acrophases, per 11 h e 17 h 30 (acrofase che non esiste nei bambini piccoli), e due batyphases, il primo a 13 h 30 (che non è direttamente ed unicamente legato durante la digestione del pranzo, altrimenti ci sarebbe anche una batyphase durante qualsiasi periodo post-pasto, dopo ogni assunzione di cibo). Dura circa 2 ore (tra 1 p.m. e 3 p.m. ). Questo calo è strettamente legato al calo fisiologico della vigilanza corrispondente alla cavità del meridiano. Il secondo si svolge intorno a 3 pm 30 del mattino. Claire Leconte è sorpresa di vedere un tale risultato sui ritmi di apprendimento nei bambini: si sveglia di notte per fare un test di attenzione? Quest'ultimo è indubbiamente legato al calo della temperatura, che è al minimo tra le 3 e le 5 del mattino.
Oltre a questo ciclo circadiano di attenzione, esiste anche un ciclo ultradiano di circa 90 minuti che Nathaniel Kleitman (in) ha chiamato BRAC ( Basic Rest-Activity Cycle , Ciclo fondamentale attività-riposo). Ad esempio dopo l'inizio di una lezione, l'attenzione è al massimo dopo circa 25 minuti, poi diminuisce e la batyphase è intorno ai 75 minuti . Nessuna ricerca ha permesso di confermare un tale risultato, la variazione dell'attenzione durante una lezione di un'ora dipende molto dal contenuto di questa lezione, dalla competenza del bambino in relazione all'attività da realizzare, dalla motivazione che questo bambino sente per questo corso, del contesto educativo in cui si svolge. Negli esperimenti effettuati, ci sono grandi differenze interindividuali.
Uno studio americano ha rivelato un ciclo di attenzione corrispondente all'intervallo tra le pubblicità che tagliano le trasmissioni televisive .
Gli studi e le scoperte in cronobiologia hanno portato a nuovi modi di trattare alcune patologie. Questa branca della cronobiologia si chiama cronoterapia e mira a trattare i pazienti secondo il loro orologio endogeno per massimizzare i benefici del trattamento e ridurre gli effetti collaterali. Questo potrebbe essere un possibile approccio terapeutico per il disturbo bipolare .
Alain Reinberg , citando Folkard, insiste sul posto della cronobiologia nell'accidentologia e fornisce alcune ragioni:
Queste variazioni di vigilanza sono ampiamente studiate nel caso di monitoraggio del pilotaggio di navi (organizzazione in turni) o sale di controllo di impianti industriali (impianti chimici, centrali nucleari ) o traffico ( torre di controllo , Croce ). I moderni disastri industriali sono avvenuti nel cuore della notte, in un momento di minore vigilanza; possiamo citare il famoso esempio dell'affondamento del Titanic avvenuto nel periodo critico intorno alle 23:00 e all'una di notte.
Nel 2011, uno studio sull'imparzialità della giustizia ha mostrato che la libertà vigilata concessa dai tribunali variava dal 65% (dopo un ripristino) a praticamente zero rilasci ottenuti prima della pausa pranzo.
L' orologio biologico è già ampiamente punta a XVIII ° secolo . Nel 1729 l'astronomo francese Jean-Jacques Dortous de Mairan cita come esempio le foglie della Mimosa che si chiudono al tramonto e si aprono all'alba (anche quando si mantiene [viva] al buio).
Insieme alla scoperta dell'importanza della melatonina , non è stato fino al 20esimo secolo che il meccanismo genetico e molecolare ha cominciato a essere spiegato. Seymour Benzer e Ronald Konopka presso il California Institute of Technology di Pasadena negli anni '70 hanno creato moscerini della frutta mutanti con un orologio biologico anormale e hanno dimostrato che queste mutazioni e anomalie provengono dallo stesso gene mutato che chiameranno con altri il gene "periodo" ( che sarà sequenziato nel 1984).
Nel 2017 il lavoro sui meccanismi dell'orologio biologico (identificazione dei geni coinvolti nel ritmo circadiano, nella Drosophila ) svolto da tre ricercatori americani: Jeffrey Hall , Michael Rosbash e Michael Young è stato insignito del Premio Nobel per la medicina . Nel 1984 il signor Rosbash aveva isolato un gene chiamato " periodo " che controllava il ritmo biologico circadiano. Con Jeffrey Hall ha mostrato che la proteina PER (codificata dal gene period ) viene accumulata nelle cellule con un picco notturno e poi degradata durante il giorno. Poi nel 1994 Michael Young mostra che un altro gene chiamato "timeless" codifica per una proteina chiamata "TIM" essenziale per lo sviluppo del ritmo circadiano, TIM si lega al PER per entrare nel nucleo della cellula e bloccare l'attività del gene del periodo . ( feedback negativo). Questo principio è stato rilevato in Drosophila, ma poi trovato nelle cellule di molte altre specie, tra cui l' Homo sapiens .