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La lumière et la courbe de réponse de phase

Introduction

La lumière est le signal temporel le plus puissant disponible pour le système circadien humain. Elle ne fait pas que vous réveiller, elle décale physiquement le rythme de votre horloge biologique, vers l’avance ou vers le retard selon le moment où l’exposition se produit. Comprendre cette relation est essentiel pour gérer efficacement le décalage horaire.

La courbe de réponse de phase (CRP) est un outil qui cartographie la façon dont l’horloge circadienne répond à la lumière au cours de la journée de 24 heures. Elle explique pourquoi une promenade matinale lumineuse peut accélérer l’adaptation après un voyage vers l’est, et pourquoi la mauvaise lumière au mauvais moment peut prolonger le décalage horaire de plusieurs jours.

Pourquoi la lumière contrôle l’horloge

L’œil humain contient deux types de photorécepteurs pertinents pour la fonction circadienne : les bâtonnets et cônes conventionnels utilisés pour la vision, et une troisième classe découverte dans les années 1990, les cellules ganglionnaires de la rétine intrinsèquement photosensibles (ipRGC). Contrairement aux bâtonnets et aux cônes, les ipRGC ne contribuent pas à la perception visuelle. Leur seule fonction est de relayer les informations lumineuses vers le noyau suprachiasmatique (NSC), le régulateur circadien maître situé dans l’hypothalamus (Berson et al., 2002 ; Hattar et al., 2002).

Les ipRGC sont maximalement sensibles à la lumière bleue à courte longueur d’onde autour de 460–480 nm (Thapan et al., 2001 ; Brainard et al., 2001). C’est pourquoi les sources lumineuses enrichies en bleu, notamment la lumière du jour, les écrans LED et les lampes à spectre bleu, ont l’effet le plus fort sur le système circadien par rapport aux sources plus chaudes et décalées vers le rouge de brillance photopique équivalente.

La réponse circadienne à la lumière dépend de trois paramètres :

  • Longueur d’onde : La lumière bleue (~460 nm) produit les plus grands décalages de phase et la plus grande suppression de mélatonine. La lumière rouge à des niveaux de lux équivalents a un effet circadien minimal.
  • Intensité : Une illuminance plus élevée produit des décalages plus importants, jusqu’à un point de saturation. L’éclairage intérieur ordinaire (~100–300 lux) a des effets mesurables mais modestes. La lumière solaire vive ou une lampe de luminothérapie dédiée (2 500–10 000 lux) produit des réponses substantiellement plus importantes (Zeitzer et al., 2000).
  • Durée : Des expositions plus longues produisent des décalages plus importants, mais avec des rendements décroissants. Même de brèves impulsions à haute intensité peuvent produire des décalages de phase significatifs.

La courbe de réponse de phase

La CRP cartographie l’amplitude et la direction des décalages de phase circadiens en réponse à un stimulus lumineux appliqué à différentes phases circadiennes. Deux caractéristiques clés la définissent :

  1. Le point de croisement coïncide avec le minimum de la température corporelle centrale (CBTmin). Le CBTmin survient généralement environ 2 heures avant l’heure habituelle de réveil, pour quelqu’un qui se réveille normalement à 7h00, le CBTmin tombe vers 5h00.
  2. La lumière avant le CBTmin provoque des retards de phase (l’horloge se décale vers un horaire plus tardif). La lumière après le CBTmin provoque des avances de phase (l’horloge se décale vers un horaire plus précoce).

Les plus grands décalages de phase se produisent dans les 3 à 6 heures de part et d’autre du CBTmin (Czeisler et al., 1989 ; Khalsa et al., 2003). Une seule nuit d’exposition à une lumière vive correctement synchronisée peut décaler l’horloge de 1 à 3 heures. Des expositions répétées sur des jours consécutifs accumulent ces décalages.

Avancer ou retarder l’horloge

La direction du décalage de phase requis dépend de la direction du voyage :

  • Les voyages vers l’est nécessitent des avances de phase, l’horloge doit se déplacer plus tôt pour correspondre au fuseau horaire de destination. Cela s’obtient en cherchant la lumière matinale et en évitant la lumière du soir dans les jours avant et après le voyage.
  • Les voyages vers l’ouest nécessitent des retards de phase, l’horloge doit se déplacer plus tard. L’exposition à la lumière du soir et l’évitement de la lumière matinale facilitent ce décalage.

Les avances de phase sont physiologiquement plus difficiles que les retards de phase. L’horloge circadienne humaine a une période naturelle légèrement supérieure à 24 heures (environ 24,2 heures en moyenne), ce qui signifie qu’elle dérive légèrement vers le retard chaque jour. Les voyages vers l’est exigent donc un effort contre la tendance naturelle de l’horloge, ce qui explique pourquoi la plupart des voyageurs trouvent les voyages vers l’est plus perturbateurs.

Lumière matinale

L’exposition à la lumière dans les heures qui suivent le CBTmin avance l’horloge circadienne. En pratique, cela signifie que la lumière pendant les premières heures du matin, d’environ 90 minutes avant l’heure habituelle de réveil jusqu’à plusieurs heures après le réveil, produit des avances de phase.

Après un voyage vers l’est, le CBTmin est ancré à l’heure de la ville de départ. Si le voyageur a volé de Paris à Tokyo (8 heures vers l’est), le CBTmin qui se produit normalement à 5h00 heure de Paris tombera initialement à 13h00 heure de Tokyo. L’exposition à la lumière pendant les heures matinales de Tokyo, qui chevauchent la zone d’avance de l’horloge décalée du voyageur, décalera progressivement le CBTmin plus tôt vers l’heure locale.

La lumière matinale optimale pour avancer l’horloge utilise :

  • La lumière extérieure vive ou une lampe de luminothérapie de 10 000 lux
  • Timing : dans les 1 à 3 premières heures après le réveil à l’heure de la destination
  • Durée : 30 à 60 minutes d’exposition continue sont efficaces ; la lumière intermittente est presque aussi efficace (voir ci-dessous)

Lumière du soir

La lumière dans les heures précédant le CBTmin, en soirée et en début de nuit, retarde l’horloge circadienne. Pour la plupart des individus, cela signifie une exposition à la lumière entre environ 20h00 et 3h00 du matin en temps biologique local (ancré à l’horloge déplacée, pas à l’horloge de la destination).

Après un voyage vers l’ouest, le CBTmin est déplacé en avance par rapport à l’heure de la destination. La lumière du soir à la destination tombe dans la zone de retard de l’horloge déplacée du voyageur, ce qui est précisément ce dont il a besoin. Les voyageurs volant de Tokyo à Paris devraient chercher la lumière du soir et les activités sociales pour faciliter le retard vers l’ouest.

Pour les voyageurs vers l’est, la lumière vive du soir est contre-productive. Elle retarde une horloge qui doit avancer, prolongeant potentiellement la durée totale du décalage horaire.

Pourquoi un timing incorrect aggrave le décalage horaire

La CRP montre clairement pourquoi les erreurs de timing de la lumière sont importantes. Appliquer de la lumière dans la zone de retard quand des avances sont nécessaires, ou des avances quand des retards sont nécessaires, s’oppose activement à l’adaptation. Dans les cas graves, cela peut provoquer un ré-entraînement antidromique : l’horloge se décale d’abord dans la mauvaise direction, complétant une correction presque complète d’un cycle dans la mauvaise direction avant d’atteindre finalement la phase cible de l’autre côté (Eastman et al., 2005).

Le ré-entraînement antidromique est le plus probable après de grands trajets vers l’est (8 fuseaux horaires ou plus). Sans gestion stratégique de la lumière, l’horloge d’un voyageur peut se retarder tout autour du cycle de 24 heures plutôt que d’avancer sur la distance plus courte. Cela peut prolonger le décalage horaire de 4 à 5 jours à 8 à 10 jours.

Un scénario courant : après un vol de 8 heures vers l’est atterrissant le matin à la destination, un voyageur qui reste dans une lumière vive tout au long de la matinée locale peut exposer son horloge à une lumière qui tombe dans la zone de retard (si son CBTmin déplacé se situe en fin de matinée ou en milieu de journée heure locale). La solution pratique est de connaître son CBTmin approximatif et d’éviter la lumière dans les heures qui le précèdent.

Lumière intermittente

Une lumière vive continue n’est pas nécessaire pour un décalage de phase efficace. Des recherches d’Eastman et collègues (2005) ont démontré que la lumière vive intermittente, environ 5 000 lux pendant 30 minutes alternant avec des conditions de faible luminosité pendant 30 minutes, produit des décalages de phase presque équivalents à une exposition continue à la même intensité.

Cette découverte a une importance pratique pour les voyageurs qui ne peuvent pas maintenir plusieurs heures d’exposition continue à l’extérieur ou à la luminothérapie. Une exposition intermittente structurée à la lumière (passer 30 minutes à l’extérieur, puis 30 minutes à l’intérieur dans une faible lumière, répétée sur la fenêtre d’avance) peut être aussi efficace qu’une exposition continue.

Implications pratiques

L’application de la CRP à la gestion du décalage horaire nécessite trois informations :

  1. Votre CBTmin estimé au départ : environ 2 heures avant votre heure habituelle de réveil à domicile.
  2. L’heure locale de votre destination à laquelle tombe votre CBTmin déplacé : décalez votre CBTmin de départ du changement de fuseau horaire.
  3. La direction du voyage : avance nécessaire (vers l’est) ou retard nécessaire (vers l’ouest).

Avec ces informations, les fenêtres d’avance et de retard peuvent être identifiées et l’exposition à la lumière planifiée en conséquence :

  • Cherchez la lumière dans la zone d’avance (après le CBTmin le matin) pour l’adaptation vers l’est.
  • Cherchez la lumière dans la zone de retard (avant le CBTmin le soir) pour l’adaptation vers l’ouest.
  • Évitez la lumière en dehors de la fenêtre cible, en particulier dans la zone opposée.
  • Utilisez des sources lumineuses enrichies en bleu pour un effet circadien maximal ; utilisez un éclairage ambré/rouge ou des lunettes anti-lumière bleue pour éviter la lumière circadienne.

Points clés

  • La lumière est le signal externe principal qui décale l’horloge circadienne, agissant via les ipRGC qui se projettent directement vers le NSC.
  • La lumière bleue (~460 nm) est la plus efficace pour le décalage de phase circadien ; l’intensité et la durée comptent également.
  • La courbe de réponse de phase définit les zones d’avance et de retard par rapport au minimum de la température corporelle centrale (CBTmin).
  • La lumière avant le CBTmin retarde l’horloge ; la lumière après le CBTmin avance l’horloge. Les effets les plus importants se produisent dans les 3 à 6 heures du CBTmin.
  • Les voyages vers l’est nécessitent des avances de phase (lumière matinale) ; les voyages vers l’ouest nécessitent des retards de phase (lumière du soir).
  • Une lumière mal synchronisée retarde l’adaptation et peut déclencher un ré-entraînement antidromique, prolongeant considérablement le décalage horaire.
  • La lumière vive intermittente (~5 000 lux, 30 min allumée/30 min éteinte) est presque aussi efficace qu’une exposition continue.

Références

  1. Berson, D. M., Dunn, F. A., & Takao, M. (2002). Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock. Science, 295(5557), 1070–1073.
  2. Brainard, G. C., Hanifin, J. P., Greeson, J. M., Byrne, B., Glickman, G., Gerner, E., & Rollag, M. D. (2001). Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. Journal of Neuroscience, 21(16), 6405–6412.
  3. Czeisler, C. A., Kronauer, R. E., Allan, J. S., Duffy, J. F., Jewett, M. E., Brown, E. N., & Ronda, J. M. (1989). Bright light induction of strong (Type 0) resetting of the human circadian pacemaker. Science, 244(4910), 1328–1333.
  4. Eastman, C. I., Gazda, C. J., Burgess, H. J., Crowley, S. J., & Fogg, L. F. (2005). Advancing circadian rhythms before eastward flight: a strategy to prevent or reduce jet lag. Sleep, 28(1), 33–44.
  5. Hattar, S., Liao, H. W., Takao, M., Berson, D. M., & Yau, K. W. (2002). Melanopsin-containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science, 295(5557), 1065–1070.
  6. Khalsa, S. B. S., Jewett, M. E., Cajochen, C., & Czeisler, C. A. (2003). A phase response curve to single bright light pulses in human subjects. Journal of Physiology, 549(3), 945–952.
  7. Roach, G. D., & Sargent, C. (2019). Interventions to minimize jet lag after westward and eastward flight. Frontiers in Physiology, 10, 927.
  8. Thapan, K., Arendt, J., & Skene, D. J. (2001). An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. Journal of Physiology, 535(1), 261–267.
  9. Zeitzer, J. M., Dijk, D.-J., Kronauer, R. E., Brown, E. N., & Czeisler, C. A. (2000). Sensitivity of the human circadian pacemaker to nocturnal light: melatonin phase resetting and suppression. Journal of Physiology, 526(3), 695–702.