Du soir ou du matin?

La revue Science a publié un article intitulé Homeostatic Sleep Pressure and Responses to Sustained Attention in the Suprachiasmatic Area, dont le premier auteur est Christina Schmidt, aspirante du FNRS au Centre de Recherches du Cyclotron de l'ULg. Pour la première fois, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle a été utilisée pour étudier l'influence du chronotype sur le fonctionnement cérébral chez des individus confrontés à une tâche cognitive. Résultats : des différences sensibles au niveau de l'activité de certaines régions du cerveau entre «extrêmes du matin» et «extrêmes du soir».

Tous les organismes vivants possèdent une horloge biologique interne qui leur permet de s'adapter aux variations périodiques du milieu, en particulier à l'alternance du jour et de la nuit. Chez l'homme comme chez les mammifères, elle se présente sous la forme d'un agrégat de cellules neuronales localisées dans la partie antéro-médiane de l'hypothalamus. Son nom ? Le noyau suprachiasmatique.

Son activité métabolique et électrophysiologique est rythmée naturellement sur une période légèrement supérieure à 24 heures. Du moins chez la grande majorité d'entre nous. Ce qui appelle la notion de rythmes circadiens (circa : environ, diem : jour). Néanmoins, dans des conditions normales, des éléments de l'environnement physique et social baptisés «synchroniseurs de temps» recalent notre horloge biologique sur l'échelle des 24 heures. Le principal est constitué des variations de luminosité induites par l'alternance du jour et de la nuit. Mais il y en a d'autres, tels les horaires de travail ou des repas. Depuis ses débuts, la chronobiologie a étudié de nombreuses variables physiologiques sous l'angle des rythmes circadiens : température corporelle, production de cortisol, vigilance, fréquence cardiaque, humeur, etc. Elle s'est également intéressée aux performances cognitives, dont le caractère fluctuant en fonction du moment de la journée a été bien démontré.

Une analyse plus fine nous indique cependant que plusieurs paramètres sont à prendre en considération : d'abord, les rythmes circadiens ; ensuite, la pression – le besoin - de sommeil, liée au nombre d'heures durant lesquelles le sujet est resté éveillé. Ces deux processus interagissent de concert ou en opposition selon le moment de la journée pour assurer un rythme de veille-sommeil adéquat. Il faut aussi tenir compte des différences interindividuelles qui modulent cette interaction entre rythme circadien et pression de sommeil. En effet, il existe des «chronotypes» spécifiques qui s'inscrivent sur une courbe gaussienne : 66% de la population est dite neutre, c'est-à-dire ni « du matin», ni «du soir», tandis que les 34 autres pour cent se répartissent harmonieusement dans des catégories que l'on pourrait qualifier de «modérément du matin», «modérément du soir», «extrêmes du matin» (5%) et «extrêmes du soir» (5%).

Deux processus

La plupart des travaux relatifs aux variations de la performance cognitive en cours de journée se sont focalisés sur l'influence du processus homéostatique, exprimant le besoin de sommeil, et du processus circadien qui, selon les termes de Christina Schmidt, aspirante du Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS) à l'Université de Liège, constitue une horloge de la propension au sommeil et module le seuil d'éveil au cours de la journée.

Le «jeu» auquel se livrent ces deux processus n'est pas anodin, puisqu'il détermine les variations journalières de fatigabilité ou de vigilance globale et, par là-même, peut affecter la performance dans une série de tâches cognitives : arithmétique, temps de réaction, mémoire de travail (Lire La mémoire multiple), etc. Les études menées jusqu'à présent ont permis de dissocier l'influence des deux composantes, homéostatique et circadienne, mais ne se sont habituellement attachées qu'à des tâches impliquant des processus cognitifs relativement simples, comme des épreuves de vitesse ou de vigilance.

Dans ces conditions, les performances obtenues par les sujets coïncident avec la courbe circadienne de température corporelle, laquelle constitue un fidèle reflet de l'état d'éveil au cours du nycthémère. En l'absence de données bien établies, on ignore cependant si des tâches plus évoluées, relevant par exemple de la mémoire ou des fonctions exécutives, sont logées à la même enseigne.

Quelques études se sont penchées sur les liens entre le chronotype et la performance cognitive. Elles révèlent que celle-ci est la meilleure ou, à l'inverse, la plus mauvaise à un moment précis de la journée, lui-même fonction du profil neutre, matinal ou vespéral du sujet. Comme l'indique Christina Schmidt, cette susceptibilité chronotypique a été observée pour des tâches explorant divers aspects du fonctionnement exécutif, mais semble affecter moins, voire pas du tout, la production de réponses routinières et surapprises.

Expériences suisses

Outre le processus homéostatique, le rythme circadien et le chronotype, il faut également tenir compte d'un quatrième facteur : l'âge. De fait, au cours du vieillissement, les êtres humains ont tendance à «devenir de plus en plus du matin». «L'interaction entre variables cognitives et moment de la journée se modifie au cours du vieillissement, les sujets jeunes et âgés différant significativement dans leur pic circadien optimal», commente Christina Schmidt.

Des expériences fort intéressantes ont été réalisées au Centre de Chronobiologie de l'Université de Bâle, sous la direction du professeur Christian Cajochen, laboratoire au sein duquel Christina Schmidt a effectué un stage d'un an et demi (2005-2006). Ces travaux se déroulèrent dans un environnement très contrôlé... et très contraignant pour les volontaires qui s'y sont prêtés. Durant une semaine complète, chacun d'eux dut rester dans une chambre où les conditions d'éclairage et d'alimentation, ainsi que la posture corporelle à adopter (position semi-couchée), étaient rigoureusement définies.

Les volontaires se voyaient proposer une tâche dite procédurale, en l'occurrence un test d'habileté motrice. Ils étaient invités à se placer devant un écran d'ordinateur sur lequel avaient été fixés des points en dessous desquels pouvait apparaître un indice visuel. À chacun des points correspondait une touche. La tâche consistait à appuyer le plus rapidement possible sur la bonne dès que le stimulus visuel se manifestait à l'écran.

Tous les volontaires furent soumis à deux modalités expérimentales. Dans la première, ils furent privés de sommeil durant 40 heures d'affilée ; quant à la seconde, elle était articulée autour de siestes d'une demi-heure toutes les 90 minutes. Dans le premier protocole, le but était d'accentuer la pression de sommeil au-delà d'un seuil permettant de distinguer l'impact individuel des mécanismes circadien et homéostatique sur la performance cognitive.

Ces deux processus interagissent en permanence, rappelons-le. Par exemple, à 19 heures, la pression de sommeil est déjà élevée et, à elle seule, pourrait pousser à aller dormir. Mais le signal circadien, lui, incite encore à l'éveil, contrebalançant en quelque sorte l'action du mécanisme homéostatique. Aussi des tests de performance cognitive pratiqués durant une journée normale ne permettent-ils pas de distinguer l'influence exacte des deux composantes étudiées. Toutefois, après 40 heures d'éveil, la pression de sommeil arrive à une forme de saturation. Dans ces conditions, si l'on constate que la performance des sujets s'améliore à certains moments de la journée malgré un besoin de dormir qui ne cesse de croître, on peut y voir l'empreinte d'un pic circadien.

C'est ce qu'a souligné de façon non équivoque l'expérience réalisée à Bâle : il existait bel et bien des variations circadiennes dans les performances à la tâche procédurale proposée. Les chercheurs n'ont pas constaté un déclin linéaire des résultats en fonction de la pression de sommeil ; on observait au contraire des modulations liées aux variations circadiennes de l'éveil, donc de la température corporelle. En d'autres termes, les performances étaient meilleures dans la " bonne phase circadienne ", quelle que fût la pression de sommeil. Des résultats similaires furent obtenus dans le second protocole, où la pression de sommeil était contrôlée différemment, par l'entremise d'une succession de siestes prescrites aux participants à l'expérience.

Vers 6 heures du matin, la température corporelle est minimale et la sécrétion de mélatonine, maximale. Dans des conditions de laboratoire contrôlées, c'est à ce moment que les performances à des tâches cognitives simples sont les plus mauvaises chez les sujets dont le chronotype peut être qualifié de neutre. Elles se bonifient ensuite au fil de la journée parallèlement à la montée de la température corporelle, dont la valeur maximale est atteinte vers 22 heures. Reste qu'on ignore ce qui se passe exactement dans la vie quotidienne, où interviennent d'autres facteurs : la lumière du jour, les motivations, les déplacements et les gestes accomplis par le sujet, etc.

La voie des extrêmes

Pour les tâches plus complexes, les données demeurent floues, les résultats expérimentaux faisant montre d'une grande variabilité. Faut-il incriminer des raisons méthodologiques ? Peut-être. Malgré tout, une expérience conduite par Christian Cajochen et son équipe de l'Université de Bâle semble mettre en exergue un pattern de performances analogue à celui qui avait été établi dans le cadre des tests portant sur la tâche procédurale susmentionnée. La seconde expérience reprenait les grandes lignes du protocole de la première - environnement strictement contrôlé, privation de sommeil, etc. -, mais ne concernait que des personnes âgées. Ces dernières devaient s'orienter dans des labyrinthes en version «papier-crayon». Il apparut que plus la tâche était ardue, plus la sensibilité des performances à l'influence circadienne était marquée. Les travaux réalisés à l'Université de Bâle faisaient appel à des sujets «neutres» sur le plan du chronotype. Sans quoi, dans la perspective qu'ils s'étaient fixée, il eût été quasi impossible de démêler l'écheveau.

À l'Université de Liège, c'est cependant une autre voie qu'a empruntée Christina Schmidt. En effet, les travaux qui lui ont permis de figurer comme premier auteur de l'article intitulé Homeostatic Sleep Pressure and Responses to Sustained Attention in the Suprachiasmatic Area(1), publié le 24 avril 2009 dans la revue Science, mettaient en scène des sujets plus «marginaux», à savoir des «extrêmes du matin» et des «extrêmes du soir». Il s'agissait en outre d'individus jeunes (18 à 30 ans). Pourquoi? Parce que, au-delà de 30 ans, les paramètres de sommeil tendent à changer – avec l'âge se manifeste une propension toujours plus affirmée à «devenir du matin». Deux groupes de 16 volontaires furent constitués, l'un composé d'«extrêmes du soir», l'autre d'«extrêmes du matin». « a sélection s'est opérée à partir d'un questionnaire auquel 6 000 personnes ont répondu, rapporte Christina Schmidt. Différentes variables furent prises en considération, car il faut se méfier des faux-semblants. Ainsi, certaines personnes se lèvent tôt parce qu'elles y sont contraintes par leur horaire de travail. Les individus qui nous intéressaient pour le groupe des «extrêmes du matin» n'étaient pas ceux-là, mais ceux qui se lèvent tôt de façon spontanée, sans réveil, y compris le week-end. De même, les «extrêmes du soir» sont par exemple des personnes qui, dès qu'elles en ont l'occasion, regardent la télévision jusqu'à trois ou quatre heures du matin et ne quittent leur lit que vers 11 heures ou midi.»

Une autre particularité des travaux relatés dans la revue Science du 24 avril est qu'ils font appel à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), alors que l'ensemble des études menées précédemment sur les relations entre les rythmes biologiques et la cognition étaient de nature comportementale et electrophysiologique.

L'influence du chronotype

Au cœur d'une collaboration entre l'Université de Liège (Centre de Recherches du Cyclotron, Département des Sciences Cognitives) et l'Université de Bâle (Centre de Chronobiologie), le programme géré par Christina Schmidt sous la supervision du professeur Philippe Peigneux (ULB) et de Fabienne Collette (ULg), avec le concours de Pierre Maquet (ULg) et de Christian Cajochen, a donc livré ses premiers résultats. Ils ont trait à une tâche d'attention visuelle mettant en jeu le temps de réaction du sujet. En quoi consistait-elle ? Les volontaires devaient fixer une croix sur un écran d'ordinateur. De temps à autre, et de façon aléatoire, celle-ci disparaissait et laissait la place à un compte à rebours digital. Il s'agissait alors d'appuyer le plus vite possible sur un bouton afin de le stopper. Parallèlement, l'activité cérébrale des sujets était enregistrée par IRMf. Le test, qui avait lieu à deux reprises au cours de la journée, durait 10 minutes et comportait 90 événements (apparitions du compte à rebours). Il ne se déroulait évidemment pas n'importe quand. Non, les épreuves étaient administrées à chaque volontaire une heure et demie et dix heures et demie après le moment de la journée où il se réveille habituellement.

Ce procédé original offre deux avantages essentiels. D'une part, il permet d'égaliser entre sujets le nombre d'heures passées à l'éveil et l'inertie de sommeil qui suit le réveil, deux variables qui peuvent influencer les résultats. D'autre part, il tient compte du fait que les sujets du soir et du matin pourraient se différencier par leur état de vigilance à des moments spécifiques de la journée. «En ne contrôlant pas cet aspect, l'hypothèse que la variabilité chronotypique des performances à la tâche prescrite ne serait que secondaire à une variation du niveau de vigilance ne pourrait être exclue», explique Christina Schmidt.

Résultats de l'expérience ? On n'observe pas de différence au niveau de la performance ou de l'activité cérébrale entre les deux catégories de sujets («extrêmes du matin», «extrêmes du soir») lorsque le test se déroule 1h30 après le réveil, c'est-à-dire à un moment où la pression de sommeil est faible. En revanche, 10h30 après l'éveil, sous une pression de sommeil plus élevée, la performance attentionnelle s'améliore chez les sujets possédant le chronotype «extrême du soir», ce qui n'est pas le cas chez leurs homologues «extrêmes du matin». Parallèlement, le noyau suprachiasmatique (SCA – horloge biologique circadienne) et le locus coeruleus (LC), deux régions cérébrales anatomiquement interconnectées et fortement impliquées dans le signal circadien qui sous-tend l'éveil et régule notre niveau de vigilance à l'éveil, connaissent un accroissement d'activité chez les sujets du soir.

«Sur la base de ces données, notre hypothèse était que la pression de sommeil s'accumule de façon plus rapide chez les "sujets du matin", de sorte qu'ils sont plus fatigués que les "sujets du soir" pour un même nombre d'heures passées en situation d'éveil», indique Christina Schmidt. Or il existe un excellent indicateur de la pression de sommeil : la densité des ondes lentes (enregistrées par électroencéphalographie) lors des premiers cycles de sommeil. Et, de fait, il apparut que les sujets dotés d'un chronotype du matin se caractérisaient par une plus forte densité de telles ondes en début de nuit.

D'où cette conclusion émise par les chercheurs «La pression de sommeil est inversement reliée au niveau d'activité dans la région du noyau suprachiasmatique pendant la tâche de vigilance, montrant pour la toute première fois chez l'homme que l'activité des circuits cérébraux responsables de la régulation circadienne est modulée par les processus homéostatiques du sommeil. Ceci suggère que les "sujets du matin" souffrent plus fortement que "ceux du soir" de l'impact de la pression de sommeil accumulée au cours de la journée, pression qui empêche l'expression optimale du signal d'alerte par les régions du noyau suprachiasmatique et du locus coeruleus.»

Tâches plus complexes

Les travaux de l'équipe belgo-suisse ne se sont pas arrêtés en si bon chemin. Outre la tâche (simple) d'attention visuelle, les chercheurs ont proposé aux deux groupes de 16 volontaires sélectionnés une tâche impliquant la mémoire de travail et une autre dite de gestion de conflits, faisant intervenir les fonctions exécutives.

Pour la tâche de mémoire de travail, les participants furent placés dans trois situations différentes. Dans la première, ils devaient indiquer au moyen de deux touches, une pour le «oui», l'autre pour le «non», si une lettre qui leur était présentée sur un écran correspondait à une lettre prédéfinie (T, par exemple). Il s'agissait là d'une condition de contrôle permettant de déterminer les zones cérébrales qui s'activent à la vue de lettres sans qu'une tâche de mémoire de travail soit prescrite. Dans la deuxième situation, où l'on faisait apparaître successivement des lettres, il était demandé aux participants de décider si la lettre qu'ils voyaient correspondait ou non à celle qui s'était imprimée sur l'écran deux «temps» auparavant. S'ajoutait ainsi une charge mnésique à la condition contrôle. Charge qui était encore accentuée dans la troisième situation, où il convenait de se référer à l'identité de la lettre apparue trois «temps» auparavant. Ici aussi, les tests eurent lieu, pour chaque participant, 1h30 et 10h30 après son heure habituelle de réveil. Leurs résultats (2), qui n'ont pas encore été analysés en détail ni publiés, semblent corroborer ceux de l'épreuve précédente (attention visuelle). Toutefois, les différences entre «sujets du matin» et «sujets du soir» ne portent plus sur le temps de réaction, mais sur le nombre de bonnes réponses fournies.

(2) Les résultats de l'IRMf, notamment, sont en cours de traitement.

Quant à la tâche de gestion de conflits, qui reposait sur l'utilisation du test de Stroop (il s'agit d'inhiber un processus automatique au profit d'un processus plus contrôlé), elle a livré une étrange vérité : les performances des « extrêmes du matin» sont équivalentes à celles des «extrêmes du soir», mais l'activité de certaines régions cérébrales impliquées dans la gestion des conflits (insula, cortex cingulaire antérieur...) s'accroît avec le temps d'éveil chez les seconds et uniquement chez eux. Pourquoi ? Les chercheurs vont s'efforcer de percer le mystère. «Si nous avions réalisé le test 16 heures après l'éveil, par exemple, il est possible que les performances des "sujets du soir" se seraient révélées supérieures à celles des "sujets du matin", souligne Christina Schmidt. De fait, on peut imaginer que les différences d'activation au niveau cérébral se seraient alors répercutées au niveau des performances, comme après franchissement d'un palier.» En ce qui concerne le noyau suprachiasmatique et le locus coeruleus, les résultats confirment les données du test d'attention visuelle, mais avec un seuil statistique plus bas.

Évaluations neuropsychologiques

Les travaux initiés à l'Université de Liège ne ressortissent pas seulement à la sphère de la recherche fondamentale, mais ambitionnent également d'influer sur les pratiques cliniques. En effet, les évaluations neuropsychologiques réalisées aujourd'hui pour explorer le fonctionnement cognitif de patients cérébrolésés ne tiennent généralement aucun compte du rapport existant entre le moment où les tests sont passés et le chronotype individuel du sujet examiné.

Admettons que l'on veuille suivre un patient de manière longitudinale en évaluant ses performances cognitives tous les trois mois. Si les tests ont lieu tantôt en début de matinée, tantôt à midi, tantôt en fin d'après-midi, par exemple, la mesure de l'évolution du cas pourrait être biaisée. Il pourrait en aller de même si, faisant abstraction du moment de la journée, on soumettait une personne à un test unique en vue d'analyser ses résultats à la lumière de ceux d'une population de contrôle. Par ailleurs, sujets jeunes et âgés sont placés sur le même pied, alors qu'on sait que plus on vieillit, plus on dérive vers un chronotype du matin. «Dans certains tests, on a montré que les différences de performance entre ces deux types de populations s'effaçaient quand les individus jeunes étaient testés à un moment non optimal et les individus âgés au moment de leur pic circadien», souligne d'autre part Christina Schmidt.