Le sommeil et l’éveil sont contrôlés en partie par une horloge biologique interne. Les mécanismes qui permettent à cette horloge d’agir sur les circuits cérébraux restent cependant mal compris. Des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE) ont identifié, chez la mouche Drosophila melanogaster, un circuit neuronal reliant l’horloge biologique à une région du cerveau impliquée dans le sommeil et l’éveil. Leurs travaux, publiés dans la revue Current Biology, permettent de mieux comprendre comment les rythmes de l’horloge biologique sont transformés en activité neuronale pour coordonner des comportements complexes tels que le sommeil.
L’horloge circadienne est un système biologique interne qui régule les cycles de veille et de sommeil, mais aussi de nombreuses fonctions physiologiques comme la température corporelle et la production d’hormones. Chez de nombreux animaux, cette horloge repose sur un réseau de neurones qui génère des rythmes d’environ 24 heures.
Ces neurones doivent ensuite transmettre cette information à d’autres régions du cerveau afin d’adapter l’activité et le comportement selon le moment de la journée. Cependant, les neurones spécifiquement impliqués et les mécanismes qui permettent à cette horloge d’agir sur les circuits cérébraux restent encore mal compris.
Le laboratoire d’Emi Nagoshi, professeure de la Section de biologie de la Faculté des Sciences de l’UNIGE, utilise la drosophile, cette petite «mouche du vinaigre» friande de fruits bien mûrs, pour étudier ces mécanismes en détail. Grâce à une cartographie génétique des connexions entre neurones, les scientifiques ont identifié les cellules nerveuses situées en aval des neurones de l’horloge biologique.
Un circuit entre l’horloge biologique et l’éveil
Des techniques d’imagerie permettant de mesurer l’activité des neurones leur ont ensuite permis de montrer que cette activité varie au cours de la journée. Les chercheurs et chercheuses ont ainsi mis en évidence une connexion entre les neurones de l’horloge biologique et une population de neurones produisant de la dopamine, une molécule qui permet aux neurones de communiquer entre eux.
«Nous avons observé que les neurones de l’horloge exercent une action inhibitrice sur ces neurones dopaminergiques, qui stimulent à leur tour les neurones du corps pédonculé. Cette région du cerveau de la mouche joue notamment un rôle dans l’apprentissage, la mémoire et la régulation du sommeil et son activité contribue à favoriser l’éveil pendant la journée», expliquent Blanca Lago Solis et Rafael Koch, respectivement post-doctorante et chercheur dans le groupe d’Emi Nagoshi.
Lorsque les neurones de l’horloge inhibent les neurones dopaminergiques, le signal favorisant l’éveil diminue. À l’inverse, lorsque cette inhibition est levée, les neurones dopaminergiques peuvent davantage stimuler le corps pédonculé et favoriser l’éveil. L’horloge biologique, via ses neurones, peut donc transmettre une information liée au moment de la journée à un circuit cérébral impliqué dans la régulation du sommeil et de l’éveil.
Ces résultats apportent un éclairage sur la manière dont l’horloge biologique influence les états de sommeil et d’éveil. Ils soulignent notamment le rôle central de la dopamine dans la promotion de l’éveil et montrent comment l’information fournie par l’horloge biologique est relayée par différents circuits neuronaux au cours de la journée.
Les perturbations de l’horloge circadienne étant associées à différents troubles du sommeil et à des altérations du fonctionnement cérébral, mieux comprendre ces mécanismes fondamentaux pourrait à terme contribuer à expliquer comment le dérèglement des rythmes biologiques affecte le cerveau.