Perturbations des rythmes circadiens au cours des affections neurologiques B. CLAUSTRAT (1) INTRODUCTION Les rythmes circadiens sont générés par une horloge interne localisée dans les noyaux suprachiasmatiques (NSC) de l’hypothalamus. L’alternance lumière/obscurité constitue le principal synchroniseur de l’horloge circadienne, l’information photique étant transmise via les fibres rétinohypothalamiques. Les NSC reçoivent de nombreuses afférences et se projettent à la fois à l’intérieur de l’hypothalamus et vers d’autres structures participant au contrôle des rythmes, en particulier du rythme veillesommeil. Une atteinte fonctionnelle ou une lésion organique de ces réseaux complexes génère des perturbations des rythmes circadiens. Certaines d’entre elles présentent une signification physiopathologique en relation étroite avec le processus morbide. D’autres peuvent être considérées comme un épiphénomène, en comparaison de la gravité des symptômes neurologiques. Cependant, dans les deux situations, la perturbation des rythmes peut ajouter à la sévérité des symptômes ou modifier l’évolution de la maladie. ORGANISATION DU SYSTÈME CIRCADIEN Les rythmes circadiens ne sont pas organisés de façon isolée mais présentent une interdépendance qui assure une cohérence physiologique, conduisant à la notion de système circadien. L’idée générale est que la sécrétion de mélatonine, positionnée préférentiellement pendant la nuit constitue un synchroniseur endogène robuste capable de stabiliser les rythmes circadiens, de les renforcer et/ou de les maintenir en relation de phase (6). Sont principalement impliqués les phénomènes physiologiques qui surviennent la nuit. L’effet direct de la mélatonine sur le rythme de température répond à cette idée : la mélatonine renforce la diminution nocturne de la température cen- trale, un événement qui facilite l’installation du sommeil en abaissant le niveau de vigilance. Cette diminution de la température centrale est le résultat d’une vasodilatation périphérique, conséquence d’une stimulation de récepteurs à la mélatonine présents sur les vaisseaux sanguins (12, 14). Les arguments avancés pour justifier l’influence de la mélatonine sur les rythmes de cortisol et veille-sommeil sont plus indirects. Les rythmes de mélatonine et de cortisol conservent une relation de phase étroite chez les aveugles, en libre cours. De plus, un effet modulateur direct de la mélatonine sur le cortisol est probable puisque des récepteurs à la mélatonine ont été mis en évidence dans la corticosurrénale du primate et la mélatonine à dose physiologique inhibe la production in vitro de cortisol stimulée par l’ACTH. Le nadir de température ainsi que les pics de somnolence et de mélatonine coïncident, cette relation temporelle persistant lors d’une privation de sommeil de 72 heures. De plus, la suppression de mélatonine par une exposition unique à la lumière améliore la vigilance nocturne. Lorsque la sécrétion de mélatonine est décalée vers le matin par l’administration répétée d’une lumière forte, la vigilance nocturne est améliorée et le sommeil diurne de récupération, qui reste donc synchrone de la sécrétion de mélatonine, présente une architecture physiologique. Chez les longs dormeurs, « la nuit biologique » que constitue la sécrétion de mélatonine est allongée, de même que les valeurs basses de température et la somnolence nocturnes, comparativement aux petits dormeurs. Finalement, la maturation du rythme nycthéméral de mélatonine dans la petite enfance est contemporaine du déséquilibre qui s’installe progressivement dans la distribution du sommeil entre le jour et la nuit (le nourrisson reste éveillé une grande partie de la journée dès 3 à 4 mois) et qui s’accentue avec l’âge. Ces données physiologiques prises dans leur ensemble soutiennent l’idée que la mélatonine est (1) Service de Radioanalyse, Centre de Médecine Nucléaire, Groupement Hospitalier Est, 59, boulevard Pinel, 69677 Bron cedex. L’Encéphale, 2006 ; 32 : 813-7, cahier 2 S 813 B. Claustrat impliquée dans la régulation du cycle veille-sommeil. La mélatonine joue donc un rôle majeur dans la régulation du système circadien en le stabilisant : des récepteurs à la mélatonine ont été mis en évidence au niveau des NSC. Toute altération du système de contrôle de la sécrétion de mélatonine à quelque niveau que ce soit conduira à des perturbations des rythmes influencés par cette hormone, pouvant entraîner en particulier des troubles du rythme veille-sommeil et de la vigilance. En effet, la voie nerveuse issue des NSC vers la pinéale emprunte le système nerveux central (noyaux paraventriculaires de l’hypothalamus, tronc cérébral), puis la moelle cervicale et thoracique supérieure où des connexions sont établies avec les corps cellulaires des ganglions cervicaux supérieurs (GCS) de la chaîne sympathique (21). Des neurones situés dans les GCS se projettent vers la pinéale, exerçant un contrôle noradrénergique stimulant sur cette structure. Les données pharmacologiques chez l’homme le confirment : les β1-bloquants inhibent la sécrétion de mélatonine de même que les α2-mimétiques. En outre, la glande pinéale possède une innervation parasympathique par l’intermédiaire de fibres prenant leur origine dans les ganglions otiques et sphénopalatins ainsi qu’une innervation sensitive à partir des ganglions trigéminés. Enfin, il existe une innervation centrale à partir de l’habenula. PERTURBATIONS DES RYTHMES ET ATTEINTES NEUROLOGIQUES Les perturbations des rythmes biologiques observées au cours d’atteintes neurologiques ne sont pas homogènes, mais vont concerner un ou plusieurs secteurs. En effet, les voies de sortie à partir des NSC vers les systèmes effecteurs ne sont pas identiques et leur régulation, de complexité variable, présente une sensibilité différente aux processus pathologiques. Les troubles du rythme veille-sommeil souvent présents sont à distinguer de la somnolence souvent persistante ou du syndrome pseudonarcoleptique qui peut s’observer au cours des tumeurs cérébrales (13, 16). Troubles de la vision Un déficit de perception de la lumière a des conséquences sur les rythmes biologiques. Rappelons que dans les conditions physiologiques, la lumière exerce un effet synchroniseur sur la sécrétion de mélatonine ou inhibiteur selon l’heure à laquelle elle est appliquée (lumière artificielle ou naturelle lors du décalage horaire). Une plage de lumière d’intensité et de durée suffisantes supprime la production nocturne de mélatonine. Cette suppression est totale avec 2 000-2 500 lux pendant 2 heures (02:0004:00), tandis que la lumière domestique (50-300 lux) présente un effet plus modeste. La lumière plein spectre est habituellement mise en jeu mais les longueurs d’onde les plus efficaces se situent dans le bleu (460-480 nm). Le spectre d’action dérivé des courbes de réponse d’irradiance ne correspondant pas aux spectres d’action phoS 814 L’Encéphale, 2006 ; 32 : 813-7, cahier 2 topique ou scotopique, l’hypothèse de l’intervention de nouveaux récepteurs a été envisagée, d’autant que la suppression de mélatonine n’est pas différente entre les sujets témoins et les sujets déficients pour la vision de toutes les couleurs, protanopiques, ou deutéranopiques. Chez les aveugles dépourvus de toute perception de la lumière, les rythmes sont en libre cours avec une période endogène le plus souvent supérieure à 24 heures (voisine de 25 h). Les malvoyants présentent donc un trouble transitoire mais majeur du rythme veille-sommeil lorsque leur sécrétion de mélatonine est positionnée dans la journée, en opposition de phase avec la plage d’obscurité normalement perçue par l’ensemble de la population. Cependant, chez certains aveugles qui maintiennent un entraînement des rythmes sur 24 h, la suppression de mélatonine par la lumière reste fonctionnelle (9). Ceci n’est pas le résultat d’une phototransduction extra-oculaire, comme l’avaient suggéré des résultats remis en cause depuis lors, mais d’un phénomène impliquant l’œil (18). Chez les patients avec atteinte rétinienne en relation avec une uvéite, le pic nocturne de mélatonine est diminué. Une sécrétion anormale de mélatonine peut accompagner d’autres pathologies oculaires. Ainsi chez les patients glaucomateux, la production rétinienne de mélatonine qui influe sur la pression intra-oculaire pourrait être perturbée. Les troubles du sommeil chez ces patients pourraient être en relation avec une instabilité de la sécrétion de mélatonine à la fois locale et épiphysaire, au même titre que chez les patients présentant une rétinite pigmentaire (27). Dans les deux cas, le cycle perturbé de la mélatonine est la conséquence d’une perception anormale de la lumière. Tumeurs cérébrales Les troubles de la vigilance constituent un symptôme fréquemment observé dans les tumeurs cérébrales, localisées en particulier dans la région diencéphalique, qui ne traduit pas obligatoirement une anomalie chronobiologique stricto sensu. Les multiples thermostats et intégrateurs de température impliquent des structures comme la moelle, le diencéphale, le thalamus mais aussi l’aire préoptique de l’hypothalamus antérieur qui reçoit des afférences des NSC, de même que plusieurs structures impliquées dans la régulation du sommeil et de l’éveil. On comprend aisément que les lésions à ces différents niveaux pourront contribuer à une somnolence diurne en perturbant le profil de température et de mélatonine. Les lésions tumorales ou dégénératives de l’hypothalamus antérieur incluant en particulier les SCN pourront donc s’accompagner de perturbations des cycles veillesommeil et de la température, de la vigilance ainsi que des fonctions cognitives en relation ou non avec un rythme de mélatonine (8). Les tumeurs de la région pinéale montrent des profils de mélatonine hétérogènes, selon le type histologique. L’infiltration de la glande pinéale par un germinome conduit le plus souvent à un déficit complet de la sécrétion de L’Encéphale, 2006 ; 32 : 813-7, cahier 2 mélatonine, tandis que dans les tumeurs du parenchyme épiphysaire (pinéalocytomes ou pinéaloblastomes), une hypersécrétion de mélatonine reste l’exception. Une anomalie qualitative (perte de rythmicité ou modification de la phase) est plus volontiers observée. Les pubertés précoces observées dans quelques cas de tumeur de la région pinéale sont plutôt à rattacher à une sécrétion ectopique d’HCG et non à un trouble de la sécrétion de mélatonine. Ces considérations font que la mélatonine ne constitue pas un marqueur biochimique pour le diagnostic ou le suivi des tumeurs épiphysaires. Syndromes neurodégénératifs d’origine génétique Ils associent fréquemment un trouble du rythme veillesommeil. Dans le syndrome de Rett, un retard de phase de la sécrétion de mélatonine est observé, qui conduit à une difficulté d’endormissement. Dans le syndrome d’Angelman se surajoute un fractionnement du sommeil. Ces deux situations justifient l’utilisation de mélatonine. Dans le syndrome de Smith-Magenis, le trouble du rythme veille-sommeil qui se traduit par une avance de phase s’accompagne d’un rythme de mélatonine totalement inversé (10). Le trouble du sommeil peut être contrôlé par l’administration séquentielle d’un β-bloquant qui inhibe la sécrétion diurne de mélatonine et d’une préparation à libération prolongée de mélatonine qui rétablit le profil nocturne de cette hormone. Accidents vasculaires cérébraux Le pic nocturne de mélatonine est modifié chez les patients présentant une hémorragie cérébrale à la période aiguë (23). Les patients dont le tronc cérébral ou les ventricules sont atteints montrent une absence d’élévation nocturne des concentrations plasmatiques de mélatonine. Dans une étude japonaise, des patients avec hydrocéphalie à pression normale après rupture d’anévrysme présentaient un rythme de mélatonine perturbé (31). Le rythme de mélatonine est réapparu après établissement d’un shunt ventriculopéritonéal, suggérant un effet initial de la dilatation du troisième ventricule sur l’activité épiphysaire. Une étude récente a montré une perturbation majeure du rythme de mélatonine chez des patients présentant un accident vasculaire cérébral de type ischémique associé à un trouble de l’immunité cellulaire (11). Épilepsie Une diminution des concentrations de mélatonine a été rapportée chez des patients épileptiques (20). Chez ces patients, l’administration de mélatonine améliore à la fois la fréquence des crises et l’activité EEG. L’association avec d’autres antiépileptiques pourrait s’avérer bénéfique. Chez un enfant, l’association d’une très forte dose de mélatonine (100 mg) au phénobarbital a conduit à la stabilisation d’une épilepsie myoclonique sévère traitée sans Perturbations des rythmes circadiens au cours des affections neurologiques succès par une association d’anticonvulsivants. La diminution du pic de mélatonine pourrait signifier une baisse des défenses antioxydantes endogènes conduisant à une vulnérabilité cérébrale. À l’inverse, dans une étude impliquant des enfants présentant des troubles neurologiques sévères, la mélatonine a montré des effets proconvulsivants (25). Malgré un effet positif constant sur les troubles du sommeil, la fréquence des crises était augmentée chez quatre enfants sur six et retournait à la valeur basale à l’arrêt du traitement. Dans le syndrome de Lennox-Gastaut, un rythme veille-sommeil perturbé est observé chez environ la moitié des patients, associé plus volontiers à des rythmes de mélatonine et de température anormaux, plus rarement du cortisol (15). Déficit sympathique Plusieurs situations soulignent le rôle prédominant de l’innervation noradrénergique dans le contrôle de la sécrétion de mélatonine. Chez les patients présentant un déficit sympathique préganglionnaire (syndrome de Shy-Drager) ou une hypotension orthostatique idiopathique, ainsi que les patients ayant subi une ganglionectomie bilatérale au niveau T1-T2 pour hyperhydrose, l’augmentation de mélatonine plasmatique ou de ses métabolites urinaires est réduite ou absente (1, 26). Une diminution des concentrations de mélatonine plasmatique a été observée chez des diabétiques présentant une atteinte du système nerveux autonome (22). Dans la mort subite du nourrisson, la mélatonine sanguine ou présente dans le LCR montre des concentrations nocturnes effondrées, en comparaison des témoins. Cette situation pourrait correspondre à un défaut de maturation suggéré par l’absence d’innervation sympathique de l’épiphyse observée à l’autopsie. Chez les patients tétraplégiques, conséquence d’une lésion cervicale, la sécrétion rythmique de mélatonine est abolie, conduisant à des troubles du rythme veille-sommeil. Au contraire le rythme de cortisol est maintenu, confirmant l’intégrité des NSC (32). Céphalées primaires Elles constituent à notre avis un bon exemple où la mise en évidence de perturbations des rythmes biologiques constitue une contribution physiopathologique. La migraine et l’algie vasculaire de la face peuvent être considérées comme des troubles transitoires de la réponse adaptative de l’organisme à des changements environnementaux internes ou externes (7). Parmi ces facteurs, la lumière est un facteur déclenchant ou aggravant de la crise. Il existe une diminution de la sécrétion de mélatonine dans la migraine, persistant en dehors de la crise. Une avance de phase concernant à la fois le cortisol et la mélatonine a été observée dans l’algie vasculaire de la face (2). L’action vasoconstrictrice de la mélatonine à faible dose et la perturbation majeure du rythme de mélatonine dans l’état de mal migraineux ont fait envisager l’utilisation de cette substance dans les céphalées (3). Une telle utiS 815 B. Claustrat lisation nécessite préalablement d’optimiser la pharmacocinétique. Plusieurs mécanismes physiopathologiques qui ne sont pas exclusifs peuvent être envisagés dans les céphalées : déficit sympathique régional, hypersensibilité de la voie rétinohypothalamique, trouble fonctionnel au niveau des NSC (5, 19, 33). Considérant le rôle potentiel de la glande pinéale dans le maintien de l’équilibre homéostatique, un déficit de sécrétion de mélatonine pourrait renforcer la vulnérabilité de l’organisation rythmique du système nerveux central et faciliter la cascade d’événements en rapport avec l’inflammation périvasculaire impliquant le système trigéminovasculaire dont une branche assure le contrôle sensoriel de l’épiphyse. Pathologies infectieuses Dans l’insomnie fatale familiale, la dégradation progressive du profil de mélatonine suggère un rôle modulateur du thalamus dans le contrôle de sa sécrétion (24). Dans la trypanosomiase africaine, selon la gravité, le sommeil peut s’organiser en profil quasi ultradien, alors que le rythme circadien de température persiste et que le rythme de mélatonine présente une avance de phase, peut-être en rapport avec un déficit de la projection sérotoninergique du raphé vers les NSC (4). La perturbation dissociée des 3 rythmes précités suggère une anomalie entre l’horloge circadienne et les structures impliquées dans la régulation du cycle veille-sommeil. Maladies neurodégénératives Les perturbations des rythmes chez le parkinsonien, en particulier du rythme de mélatonine, ont été envisagées dans l’article de B. Bruguerolle. Concernant la maladie d’Alzheimer, la fragmentation du rythme veille-sommeil est plus prononcée que celle survenant chez les sujets âgés. Les patients présentent une agitation diurne, en particulier en fin de journée (sun downing). Plusieurs études ont montré que les concentrations nocturnes de mélatonine sont sélectivement diminuées et les concentrations diurnes augmentées dans l’Alzheimer (30). La disparition de sécrétion nocturne de mélatonine est corrélée avec les troubles circadiens. La concentration de mélatonine est aussi fortement diminuée dans le LCR prélevé en postmortem ainsi que dans la glande pinéale. Cette baisse est renforcée chez les patients possédant l’APOE 4/4, comparé aux patients exprimant le type APOE 3/4 (17). Mentionnons pour terminer cette revue que le rythme de mélatonine est aboli dans le syndrome de WernickeKorsakoff, alors que le cycle du cortisol persiste avec un profil normal (29). L’imagerie par IRM montrait une atrophie des corps mamillaires, qui constitue un caractère relativement spécifique de l’encéphalopathie de Wernicke, alors qu’aucune anomalie macroscopique de la pinéale ou de l’hypothalamus n’était révélée. S 816 L’Encéphale, 2006 ; 32 : 813-7, cahier 2 CONCLUSION Certaines atteintes neurologiques s’accompagnent de troubles des rythmes circadiens, du cycle veille-sommeil en particulier, qui peuvent contribuer au processus morbide. L’identification de véritables symptômes chronobiologiques a orienté vers une chronothérapie : administration de mélatonine en présence d’un déficit de sécrétion de cette hormone, associé à un sommeil instable ou un rythme veille-sommeil dégradé. À l’action chronobiotique de la mélatonine peuvent se surajouter ses effets soporifiques et antioxydants, potentiellement favorables dans les maladies neurodégénératives. Par ailleurs, la photothérapie s’est révélée efficace sur certains symptômes de la maladie d’Alzheimer (28). Des essais contrôlés sont nécessaires pour confirmer ces ouvertures thérapeutiques. Références 1. BRUCE J, TAMARKIN L, RIEDEL C et al. Sequential cerebrospinal fluid and plasma sampling in humans : 24-hour melatonin measurements in normal subjects and after peripheral sympathectomy. J Clin Endocrinol Metab 1991 ; 72 : 819-23. 2. CHAZOT G, CLAUSTRAT B, BRUN J et al. 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