L’importance des rythmes circadiens pour la survie de l’individu est incontestable. Ces rythmes biologiques sont réglés sur le cycle de la lumière du jour et modulent le comportement de l’hôte pour optimiser la survie en ajustant les activités à l’heure appropriée de la journée. De tels changements ont été trouvés dans le cycle du sommeil, l’alimentation, la transmission nerveuse et les schémas de sécrétion hormonale, qui changent tous avec la durée du jour ou la photopériode.
Un article récent a examiné la différence de communication neuronale dans le réseau hypothalamique qui régule la fonction physiologique en réponse à la photopériode. Les chercheurs ont découvert un nouveau mécanisme d’adaptation aux changements saisonniers de la durée du jour, qui pourrait aider à développer de nouveaux traitements pour le trouble affectif saisonnier (TAS) et d’autres conditions liées aux changements saisonniers de la photopériode.
Introduction
Le TAS est un trouble de l’humeur qui entraîne l’apparition de symptômes dépressifs en hiver chez les personnes vivant dans l’hémisphère nord. Fait intéressant, l’exposition à une lumière vive à l’aube atténue les symptômes en quelques jours. Cela fonctionne également avec les troubles dépressifs majeurs, le trouble bipolaire et, dans une moindre mesure, les maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer.
Le cerveau des mammifères détecte la lumière via des cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles (ipRGC), qui se projettent vers le noyau suprachiasmatique (SCN) de l’hypothalamus. C’est le stimulateur cardiaque ou l’horloge maîtresse du système circadien. Il place le corps dans le cycle extérieur lumière-obscurité en coordonnant également les autres parties du cerveau à ce cycle.
Des recherches antérieures ont établi que les changements saisonniers de l’exposition à la lumière modifient le nombre de neurones AVP dans le SCN, les neurones contenant des neurotransmetteurs dans la région appelée noyau paraventriculaire (PVN) et une relation parallèle entre les deux. Le PVN n’est pas lié directement à la rétine mais reçoit de nombreuses projections SCN.
Le SCN contient environ 20 000 neurones. La partie ventrale du SCN sur laquelle les ipRGC se projettent via des terminaux exprimant le glutamate est appelée le tractus rétinohypothalamique (RHT). Les neurones receveurs expriment le peptide intestinal vasoactif (VIP). D’autres, dans le SCN dorsal, expriment l’arginine vasopressine (AVP).
Indépendamment de cela, la plupart des neurones SCN sécrètent (NT) de l’acide γ-aminobutyrique (GABA), un neurotransmetteur inhibiteur. Celui-ci agit avec le GABA pour relier entre elles les différentes parties du SCN. Cette fonction est intimement liée à la neuromédine S (NMS), un neuropeptide présent uniquement dans le SCN et sécrété par 40 % des neurones du SCN, dont presque tous ceux qui sécrètent du VIP et de l’AVP. Le NMS est la clé de la régulation circadienne des processus corporels.
L’activité coordonnée du SCN permet au cerveau de modifier son activité régulatrice avec la photopériode, agissant sur les réseaux cérébraux et les neurones individuels. Cela implique une plasticité neuronale via des changements dans les phases des rythmes électriques quotidiens, ainsi qu’une expression altérée des gènes de l’horloge dans cette région.
Chez les animaux, une durée de jour modifiée induit une plasticité dans les neurotransmetteurs, basculant entre la somatostatine et la dopamine dans le PVN, par exemple, avec des changements correspondants dans la réponse au stress.
Chez l’homme également, les altérations de la photopériode sont liées à des modifications du nombre de neurones dopaminergiques. La question abordée dans cette étude était de savoir si les changements saisonniers de l’exposition à la lumière qui affectaient les profils des neurotransmetteurs dans le SCN entraîneraient également la plasticité des neurotransmetteurs PVN, médiant la régulation centrale des processus physiologiques et des réponses comportementales.
Qu’a montré l’étude ?
L’étude actuelle, disponible en ligne en Avancées scientifiquesa été réalisée sur des souris.
Les résultats indiquent qu’avec une photopériode raccourcie, les neurones SCN exprimant le VIP diminuent en nombre, tandis que les neurones NMS qui se projettent vers les neurones dopaminergiques PVN augmentent en parallèle.
Les chercheurs ont observé qu’avec une exposition de courte durée, les neurones NMS négatifs passaient à une expression NMS positive sans ajouter de nouveaux neurones SCN.
Il a également modifié le rapport de coexpression du VIP et du NMS, soutenant l’apparition d’un commutateur de neurotransmetteur. Un phénomène similaire a été observé avec un sous-ensemble de neurones non VIP, qui ont acquis le phénotype VIP lorsqu’ils sont exposés à de longues journées. De plus, les neurones SCN-NMS ont formé un plus grand nombre de synapses sur les neurones dopaminergiques PVN avec une durée de jour courte.
Avec une exposition de courte durée, des altérations des signaux des neurones NMS ont provoqué une activation correspondante des neurones PVN exprimant la dopamine. À l’inverse, ils ont inhibé les neurones PVN exprimant l’hormone de libération de la corticotropine (CRH).
Autrement dit, les neurones dopaminergiques PVN se synchronisent à la photopériode de jours courts de l’hiver grâce à l’augmentation du nombre de stimuli provenant d’une population de neurones NMS élargie dans le SCN. Les neurones PVN semblent accomplir cela par des changements dans la signalisation des ions calcium.
Deuxièmement, ils ont découvert que les neurones NMS sont essentiels à la régulation de la physiologie induite par la photopériodicité par l’hypothalamus. Selon des études antérieures, l’activité locomotrice suit un schéma circadien régulé via un réseau SCN-PVN. Les neurones NMS des premiers sont impliqués dans la régulation de ces rythmes via leurs connexions synaptiques avec d’autres cellules nerveuses.
Lorsque la photopériode est constamment courte, l’inhibition chronique des neurones NMS entraîne une réduction correspondante des neurones exprimant la dopamine dans le PVN, une reprogrammation de l’activité au sein de ces neurones PVN qui entraîne le changement observé dans la signalisation calcique et le commutateur de neurotransmetteur. Ceci est associé à un retard dans le début de l’activité motrice. L’activité globale est restée la même, tout comme la période circadienne totale.
Lorsque les souris ont été exposées à une stimulation chimiogénétique chronique des neurones NMS avec une exposition à la lumière de 12 heures (longue photopériodicité), elles ont commencé à bouger sur leurs roues d’exercice plus tard dans la journée. C’est-à-dire que leur rythme locomoteur quotidien a montré un début retardé.
L’amplitude locomotrice a également diminué, ainsi que davantage de neurones dopaminergiques apparaissant dans le PVN. Cela n’a pas été observé avec la stimulation chronique des neurones VIP la nuit.
Ainsi, la stimulation des neurones NMS simule les effets d’une photopériode courte, mais celle-ci ceux d’expositions de longues journées, avec des nombres de neurones NMS réduits.
Quelles sont les implications ?
Les résultats de cet article montrent une réponse claire du réseau SCN-PVN à la photopériodicité, où il induit une plasticité neuronale dans le PVN, modifiant ses fonctions et modifiant le temps d’apparition des rythmes locomoteurs via les neurones NMS dans le SCN. La commutation des neurotransmetteurs dans le SCN « se produit via le recrutement de neurones résidents vers un destin qu’ils n’auraient normalement pas assumé.”
Certains des neurones exprimant nouvellement NMS proviennent de la commutation de cellules VIP et le reste d’autres cellules. La mémoire SCN pour la photopériode peut être médiée en partie par ce commutateur de neurotransmetteur.
Cela corrobore et étend les résultats d’études antérieures chez l’animal. Plus tôt, les chercheurs ont montré que le VIP assure la médiation de la connectivité synaptique entre les neurones du SCN pour produire une voie réorganisée en réponse à une longue journée d’exposition. Ce neurotransmetteur s’est avéré important pour synchroniser le réseau dans un tel scénario.
L’étude actuelle révèle que les neurones VIP et NMS changent de nombre avec la photopériode en réponse aux changements d’expression génique. L’activation chimiogénétique des neurones NMS montre que l’activation/inhibition de cette voie est suffisante pour modifier l’activité dopaminergique dans le PVN tout en conservant intact le nombre total de neurones NMS. Ce commutateur de neurotransmetteur conduit à réorganiser le circuit SCN-PVN, affectant l’activité locomotrice.
Les adaptations moléculaires révélées dans le réseau SCN-PVN pourraient s’avérer utiles pour le développement de nouvelles cibles et approches thérapeutiques pour le traitement de la dépression saisonnière et non saisonnière et d’autres troubles cognitifs induits par des cycles lumière-obscurité altérés..”
