Chronobiologie

La chronobiologie correspond à l’étude des rythmes biologiques dans l’organisme. Ce domaine a connu un boom au cours des dernières décennies : les chercheurs ont découvert de nombreux mécanismes de régulation des horloges internes et montré que leur dérèglement peut avoir des impacts majeurs sur la santé. Concrètement, presque toutes les fonctions de l’organisme sont soumises à des rythmes circadiens, c’est-à-dire à des cycles d’environ 24 heures. Les troubles de ces rythmes peuvent avoir des conséquences aussi bien sur le sommeil que sur le métabolisme, le fonctionnement du système cardiovasculaire, du système immunitaire… Les avancées en chronobiologie ont valu un prix Nobel à trois généticiens américains en 2017.

Dossier relu par Hélène Duez, directrice de recherche Inserm, responsable de l’équipe Récepteurs nucléaires et rythmes circadiens en physiopathologie (unité 1011 Inserm/Université de Lille/Institut Pasteur de Lille) et François Rouyer directeur de recherche Inserm à l’Institut des neurosciences Paris-Saclay (NeuroPSI, unité 9197 CNRS/CEA/Université Paris-Saclay).

Comprendre le fonctionnement de notre horloge interne

Dans notre organisme, des processus aussi divers que l’alternance veille/sommeil, les variations de la température corporelle ou de la pression artérielle, la production d’hormones, la fréquence cardiaque, mais aussi les capacités cognitives, l’humeur ou encore la mémoire sont calés sur des rythmes d’une durée proche de 24 heures – dits rythmes circadiens (du latin circa « autour » et dies « jour ») – générés par les horloges internes. 

Plus généralement, les données de la recherche montrent que presque toutes les fonctions biologiques sont soumises à ce rythme. Grâce aux horloges circadiennes, la sécrétion de mélatonine débute en fin de journée pour faciliter notre endormissement, le sommeil est profond durant la nuit, la température corporelle est plus basse le matin très tôt et plus élevée pendant la journée, les contractions intestinales diminuent la nuit, l’éveil est maximal du milieu de matinée jusqu’en fin d’après-midi, la mémoire se consolide pendant le sommeil nocturne…

Ces rythmes circadiens sont innés et endogènes, c’est-à-dire qu’ils sont générés par l’organisme lui-même et se maintiennent en dehors de tout signal extérieur.

L’horloge centrale, métronome de l’organisme

C’est une horloge interne, nichée au cœur du cerveau, qui impose le rythme circadien à l’organisme, tel un chef d’orchestre. Toutes les espèces animales ont leur propre horloge centrale, calée sur leur rythme. Chez les mammifères dont l’humain, cette horloge se trouve dans l’hypothalamus, une région cérébrale de la taille d’une amande située à la base du cerveau, et plus exactement dans deux structures nommées noyaux suprachiasmatiques. Ces derniers contiennent chacun environ 10 000 neurones qui présentent une activité électrique oscillant sur environ 24 heures, contrôlée par l’expression cyclique d’une quinzaine de gènes « horloge ».

Les noyaux suprachiasmatiques régulent différentes fonctions de l’organisme grâce à des messages directs ou indirects. Ils innervent directement et indirectement des régions cérébrales spécialisées dans différentes fonctions comme l’appétit, le sommeil ou la température corporelle. Ils entraînent en outre la production cyclique d’hormones qui agissent à distance sur d’autres fonctions.

Cette horloge interne possède son propre rythme : des expériences menées avec des personnes plongées dans le noir (ou soumises à très peu de lumière) pendant plusieurs jours, sans repère de temps, ont permis de montrer que le cycle imposé par l’horloge centrale dure spontanément entre 23h30 et 24h30, selon les individus. La moyenne chez les personnes en bonne santé est estimée à 24h10. Autant dire que si cette horloge contrôlait seule les rythmes biologiques sans être remise à l’heure par d’autres facteurs, elle se décalerait chaque jour de 10 minutes en moyenne. Résultat, chacun verrait ses horaires de lever et de coucher devenir de plus en plus tardifs et finir par être complètement en décalage de phase avec les cycles jour-nuit. Alors, le fonctionnement de notre organisme serait perturbé et la vie en société deviendrait compliquée. L’horloge interne est donc resynchronisée en permanence sur un cycle de 24 heures par des agents extérieurs.

Plusieurs synchroniseurs agissent simultanément. Le plus puissant est la lumière, mais la prise des repas, l’activité physique et la température extérieure jouent aussi un rôle, plus modeste. 

La lumière, indispensable à la synchronisation de l’horloge centrale

La lumière est captée au niveau de la rétine, au fond de l’œil, par un groupe de cellules photoréceptrices particulières : les cellules ganglionnaires à mélanopsine, sensibles au bleu. Ces cellules sont reliées aux noyaux suprachiasmatiques par un système nerveux différent de celui impliqué dans la perception visuelle, appelé voie rétinohypothalamique. Le signal lumineux ainsi transmis à l’horloge centrale provoque sa synchronisation sur le cycle journalier de 24 heures. Ce même signal est aussi transmis à d’autres structures cérébrales dites « non visuelles », qui sont notamment impliquées dans la régulation de l’humeur, de la mémoire, de la cognition et du sommeil. 

C’est donc l’exposition à la lumière pendant la journée qui permet de synchroniser l’horloge circadienne avec le cycle jour-nuit de 24 heures. L’effet de la lumière dépend de l’heure : une exposition tardive (entre 17h et 5h en moyenne) retarde l’horloge, alors qu’une exposition précoce (entre 5h et 17h en moyenne) l’avance.

L’effet de la lumière dépend aussi de son intensité. On a longtemps cru qu’il fallait des niveaux de lumière supérieurs à 1 000 lux pour affecter l’horloge, mais des études récentes montrent que quelques lux suffisent : la luminosité d’une nuit de pleine lune peut bloquer la sécrétion de mélatonine ! 

Enfin, l’effet de la lumière sur l’horloge dépend de son spectre (sa couleur) et sera d’autant plus important qu’il sera riche en longueurs d’ondes bleues (~460–500 nm). 

Des horloges secondaires et périphériques optimisent les fonctions locales

Si l’horloge centrale est le chef d’orchestre de l’organisme, il existe de nombreux musiciens qui adaptent localement son tempo : ce sont les horloges cérébrales secondaires, situées dans d’autres zones du cerveau (hypothalamus médiobasal, tronc cérébral), et les horloges périphériques, actives dans quasiment chacune des cellules de nos organes ou en circulation dans notre sang.

Chaque fonction biologique importante est régie par une horloge à elle, destinée à optimiser son efficacité en fonction du contexte environnemental local. Ces horloges périphériques sont présentes dans tous les organes et tissus aux fonctions essentielles : cœur, poumon, foie, muscles, reins, rétine, différentes aires du cerveau (cervelet, lobe frontal...). Elles permettent d’adapter l’activité au cas par cas, par exemple s’il y a travail de nuit, alimentation très riche ou encore activité physique intense. Une étude américaine menée chez le primate, en collaboration avec l’Inserm, indique que deux tiers des gènes codants sont exprimés de façon cyclique au cours des 24 heures dans au moins un des 64 organes et tissus analysés, avec de grandes variations d’un tissu à l’autre. En effet, moins de 1 % des gènes dont l’expression est rythmique dans un tissu le sont également dans les autres tissus confirmant le rôle majeur des horloges secondaires et périphériques et leur spécificité.

Ces horloges secondaires et périphériques sont largement contrôlées par l’horloge centrale : si les noyaux suprachiasmatiques sont lésés, elles se désynchronisent et se mettent à travailler en cacophonie. Une telle désynchronisation s’observe aussi au cours du vieillissement et dans certaines pathologies. Mais d’autres synchroniseurs agissent sur les différentes horloges secondaires et périphériques. C’est le cas de l’alimentation, en particulier au niveau du foie, ou encore de la température corporelle ou de l’exercice physique, notamment pour l’horloge des muscles. En outre, ces horloges communiquent entre elles, par des moyens qui restent largement à décrypter.

Des signaux extérieurs peuvent perturber la synchronisation de ces horloges secondaires et périphériques. Par exemple, des travaux ont permis de constater des bouleversements des horloges de plusieurs organes (foie, cerveau...) en réponse à une alimentation riche en graisse, avec une altération de l’expression cyclique des gènes de l’horloge dans ces organes.

Le fonctionnement des horloges secondaires et périphériques repose sur des mécanismes moléculaires identiques à ceux de l’horloge centrale, passant par l’expression locale cyclique des gènes « horloges ». Au niveau de la rétine par exemple, ces gènes s’expriment dans des neurones. Le fait d’altérer leur expression perturbe le fonctionnement de la rétine même si les noyaux suprachiasmatiques de l’horloge centrale sont totalement fonctionnels.

Comprendre les troubles du rythme circadien

Les troubles circadiens sont souvent décelés par des troubles du sommeil. Mais ils sont associés à bien d’autres perturbations : métaboliques, cardiovasculaires, immunitaires, cognitives et cellulaires. Il semble en effet de plus en plus évident que pas une seule fonction biologique n’échappe au contrôle circadien.

La classification internationale des troubles du sommeil distingue différents types de troubles des rythmes circadiens du sommeil, dont les plus fréquents sont :

• L’avance de phase : les individus s’endorment très tôt, par exemple vers 20h, et se réveillent très tôt, comme vers 4h du matin. Ce phénomène s’observe davantage chez les personnes âgées, mais il peut concerner tous les âges.
• Le retard de phase : les individus s’endorment très tard, au milieu de la nuit et s’éveillent spontanément en fin de matinée, s’ils en ont la possibilité. Ce syndrome émerge souvent au cours de la puberté. Il est relativement commun chez les adolescents et les jeunes adultes.
• Le libre court est un phénomène fréquent chez les personnes aveugles, souvent mal diagnostiqué et traité. En absence d’un œil fonctionnel, l’horloge centrale n’est pas synchronisée par la lumière. Les rythmes biologiques exprimés sont ceux de l’horloge centrale non synchronisée (sur un cycle de 23h30 à 24h30 selon les individus). La personne décale dès lors tous les jours son horaire de coucher, par exemple d’une demi-heure plus tard si son horloge fonctionne sur un cycle de 24h30. Dans ce cas précis, le sommeil n’est nocturne et de bonne qualité que pendant quelques jours tous les 48 jours !

Dans les cas d’avance ou de retard de phase, les personnes sont incapables de s’endormir et de se réveiller aux heures voulues. Si elles s’obligent à respecter des horaires normaux, des troubles quantitatifs et qualitatifs du sommeil, une fatigue chronique, des troubles cardiovasculaires, métaboliques, ou encore des troubles du comportement (irritabilité ou apathie) risquent d’apparaître.

Les troubles circadiens du sommeil ont vraisemblablement différentes origines selon les individus. Les avances ou retards de phase ont une base génétique. Il existe en effet des familles dont plusieurs membres présentent l’un de ces syndromes. Les études montrent que des mutations ou des polymorphismes de certains gènes « horloges » peuvent en être responsables. D’autres facteurs, notamment des maladies (dépression, anxiété, cancer) pourraient également favoriser une désynchronisation de l’horloge centrale. Les comportements individuels (mauvaise hygiène de sommeil et de lumière) peuvent aussi être responsables ou accentuer des désynchronisations circadiennes. Enfin, des sensibilités différentes à la lumière ou aux autres synchroniseurs pourraient expliquer ce phénomène.

Le travail de nuit : une plaie pour la santé

L’étude des conséquences des troubles circadiens a principalement été menée chez les travailleurs postés (organisation du travail en rotation en 3 x 8 heures sur 24 heures). Le travail de nuit induit une désynchronisation des horloges biologiques en raison des changements d’exposition à la lumière et d’une dette de sommeil. De nombreuses études sont parues sur les liens entre ce rythme de travail et les risques pour la santé, notamment la survenue de cancers. Une étude Inserm basée entre autres sur le suivi de la cohorte CECILE, montre que les femmes non ménopausées qui travaillent au moins 3 heures entre minuit et 5h du matin ont un risque de cancer du sein augmenté de 26 %, et que ce risque croît avec la fréquence des nuits travaillées et la durée de l’emploi. Le Centre international de recherche sur le cancer (Circ), sous l’égide de l’Organisation mondiale de la santé, a d’ailleurs inscrit le travail posté à la liste des agents « probablement cancérogènes » en 2007. Une position confirmée en 2019 par l’agence onusienne, suite à une analyse exhaustive de la littérature scientifique.

À lire aussi : Cancers du sein : La lumière artificielle nocturne incriminée ?

Une expertise collective de l’Anses (2016) va plus loin encore en concluant que le travail de nuit est un facteur de risque probable de cancer et en mettant en avant de très nombreux autres troubles induits de manière avérée ou probable par le travail de nuit : la somnolence, les troubles du sommeil, une altération des performances cognitives, une augmentation du risque d’obésité, de diabète de type 2, de maladies coronariennes, de dyslipidémies, d’hypertension artérielle et d’accidents vasculaires cérébraux ischémiques. Pour ces raisons, l’Anses a émis plusieurs recommandations afin de limiter le travail de nuit à des situations nécessaires pour assurer les services d’utilité sociale ou la continuité de l’activité économique (hôpitaux, services d’utilité publique...) et avec une organisation qui permet d’en minimiser l’impact pour la santé des salariés. Cependant, en fin 2025, ce rapport n’avait pas encore été investi par les pouvoirs publics pour prévenir les troubles liés au travail de nuit.

D’autres travaux sont nécessaires pour démontrer rigoureusement le lien de cause à effet entre perturbations des horloges et pathologies chroniques. Cependant, les données disponibles ont suffi à amener l’Association américaine de cardiologie à reconnaître officiellement en fin 2025 que ces altérations peuvent avoir des effets néfastes sur le cœur et la santé cardiaque.

Le changement d’heure, un autre perturbateur

Souvent jugé bénin, le changement d’heure en hiver et en été bouscule nos horloges biologiques. Instauré en 1976 pour limiter la consommation d’énergie suite au choc pétrolier, il implique d’avancer d’une heure notre cycle éveil-sommeil chaque printemps et de le retarder d’une heure chaque automne. Résultat : notre sommeil n’est plus en phase avec notre horloge interne. Chez certains, notamment les enfants et les personnes âgées, il faut plusieurs jours pour qu’elle se remette à l’heure. L’heure d’été est la plus impactante : elle induit un décalage de deux heures entre nos horloges et l’heure solaire, contre seulement une pour l’heure d’hiver. Or tous nos rythmes biologiques sont calés sur l’alternance lumière/obscurité. D’où l’importance de rester le plus en phase possible avec le soleil. Voilà pourquoi les sociétés savantes en chronobiologie recommandent de supprimer l’heure d’été et de rester à l’heure d’hiver toute l’année.

La lumière artificielle, puissant désynchronisateur

Pour une même intensité lumineuse perçue, la lumière bleue émise par les LEDs active 70 fois plus les cellules photosensibles non visuelles de la rétine que la lumière blanche d’une lampe fluorescente de même intensité. Elle génère donc le message d’une exposition massive à la lumière, directement transmis aux noyaux suprachiasmatiques. L’Anses a mené plusieurs expertises pour mieux comprendre les effets des LEDs et de la lumière bleue sur la santé. Elle recommande de limiter l’exposition à ces sources lumineuses, en particulier le soir et la nuit, de privilégier les éclairages domestiques de type « blanc chaud » et d’opter pour un éclairage indirect ou utilisant des diffuseurs.

Cette lumière bleue est en particulier émise par les écrans des téléviseurs, des ordinateurs, des téléphones mobiles et autres tablettes. S’exposer en excès à ce type d’écran, notamment le soir, provoque une baisse de somnolence, un regain de vigilance et retarde l’endormissement avec une dette de sommeil si l’heure de lever ne peut être retardée. Des études attestent de l’impact négatif de leur utilisation le soir, notamment chez les enfants et les adolescents : ceux qui passent le plus de temps devant un écran le soir voient leur temps de sommeil diminuer d’une heure trente en moyenne par rapport aux faibles utilisateurs, avec un risque accru de troubles de l’humeur et d’échec scolaire. La durée passée sur les écrans est également corrélée à une augmentation du risque de troubles métaboliques : surpoids, obésité et diabète. Ce risque est en effet associé aux perturbations du rythme circadien et pas uniquement à la sédentarité. Pour le limiter, il faut veiller à réduire la durée d’exposition aux écrans, les sortir de la chambre à coucher et interrompre leur l’utilisation au moins 1 h avant d’aller dormir. Il est aujourd’hui possible d’acheter des filtres à lumière bleue ou de télécharger des applications permettant de réduire l’émission de ces lumières à partir des écrans, mais ces dispositifs n’ont pas été évalués scientifiquement et leur intérêt reste à vérifier.

La lumière bleue est également extrêmement présente en ville, notamment via les éclairages urbains de plus en plus fréquemment équipés de LEDs, qui restent allumés en permanence, ou a minima tard dans la nuit. Plusieurs études épidémiologiques montrent une association (qui reste à confirmer) entre le niveau d’exposition aux éclairages nocturnes et – entre autres – les troubles du sommeil, des problèmes métaboliques et les cancers, notamment celui du sein.

En outre, des travaux conduits en laboratoire montrent qu’une faible intensité de lumière (quelques lux) ou même des durées d’exposition très courtes tels que des flashs lumineux de quelques millisecondes sont suffisants pour affecter l’horloge biologique. Cela interpelle sur l’impact de toutes sortes de pollution lumineuse sur la qualité du sommeil et la santé : utilisation d’écrans pendant la nuit, absence d’obscurité durant le sommeil... même pendant de courtes durées et même à faible intensité. Cela permet aussi d’envisager de belles applications en perspectives pour le traitement de certains troubles du sommeil. Certaines sont en cours d’étude.

L’importance de la régularité et de l’horaire des repas

Le rythme des prises alimentaires a un impact direct sur la santé et peut contribuer à synchroniser les horloges biologiques ou, au contraire, les perturber. Par exemple, une alimentation très distribuée sur 24 heures désynchronise les horloges périphériques qui régulent le métabolisme. Surtout si les repas sont pris la nuit. Les animaux nourris de cette façon (ad libitum) ont davantage de troubles métaboliques que ceux qui mangent en même quantité mais à l’occasion de repas réguliers ou seulement pendant une partie de la journée. Chez la souris, imposer cette discipline protège de l’obésité. Chez l’humain, des suivis de cohorte ont permis d’établir que les individus qui mangent dans l’heure qui précède le coucher ont un risque accru de cancer du sein ou de la prostate par rapport à ceux dont le dernier repas se termine plusieurs heures avant.

Ces observations ont mené à l’émergence de la chrononutrition, un mode d’alimentation qui prend en compte les rythmes biologiques. Un rapport de l’Anses de 2024, dédié à ce nouveau domaine, préconise de réduire la proportion de l’énergie journalière ingérée le soir et de respecter un délai minimal de deux heures entre le dîner et le coucher. 

De nombreux régimes, dits chronorégimes, ou reposant sur la chrononutrition sont proposés dans le commerce et dans des ouvrages. Des études – conduites chez un nombre de participants relativement réduit – montrent qu’il existe des bénéfices à limiter la prise alimentaire à une fenêtre de temps réduite et régulière, en particulier sur le risque de maladies métaboliques et cardiovasculaires (diabète, infarctus du myocarde...). Mais des études plus vastes sont nécessaires pour confirmer ces résultats.

La luminothérapie, traitement de référence

De plus en plus de maladies ou de troubles s’avèrent liés à des perturbations des horloges biologiques, suggérant le potentiel important de certaines approches chronobiologiques pour les traiter. La luminothérapie, ou photothérapie, est actuellement le traitement de référence de certaines pathologies. Des protocoles cliniques existent pour traiter les troubles des rythmes circadiens du sommeil, mais aussi des troubles de l’humeur (y compris chez les patients atteints de maladie de Parkinson et chez les personnes âgées, voir plus loin) ainsi que des dépressions, saisonnières ou non. En 2025, sont parues des recommandations internationales favorable à l’utilisation de la luminothérapie contre les troubles bipolaires, caractérisés par des phases d’exaltation et de dépression. Et il ne fait pas de doute que la liste des indications s’allongera dans les années à venir, tant l’horloge biologique est au cœur du fonctionnement optimal de l’organisme.

Ces traitements doivent être prescrits par des spécialistes du sommeil ou des médecins formés à la chronobiologie, après évaluation des potentielles contre-indications. Un diagnostic précis doit toujours être posé, et le traitement prescrit doit être adapté à chaque patient. La luminothérapie peut être réalisée dans certains centres du sommeil et services de psychiatrie, mais elle est aussi réalisable à domicile grâce à des lampes dédiées et – point important dotées d’un marquage CE (qui garantit la présence d’un filtre UV protégeant les yeux). Cette thérapie repose sur une exposition à une lumière de forte intensité et de durée précise (entre 30 minutes à 1 heure en général), à un horaire particulier qui dépend des individus et du trouble à traiter. Par exemple, un adolescent ou un adulte en retard de phase devra s’exposer pendant 30 à 60 min à une lumière blanche de 10 000 lux à l’heure de réveil souhaitée, quotidiennement. Il devra aussi diminuer son exposition à la lumière le soir, et supprimer tout appareil électronique avec écran de sa chambre au moins une heure avant l’heure de coucher souhaitée. Dans certains cas, un comprimé de mélatonine à prendre le soir peut être additionnellement prescrit.

Une hygiène de lumière particulière, avec des horaires précis d’exposition, est également conseillée aux travailleurs postés. Les études montrent que le fait d’augmenter l’intensité lumineuse pendant le travail de nuit, puis de diminuer l’exposition un peu avant le coucher à domicile et de dormir dans des conditions d’obscurité totale sont favorables à la resynchronisation de l’horloge biologique. Cela permet une meilleure vigilance pendant les heures de travail puis un sommeil de meilleure qualité.

Des règles élémentaires d’hygiène de sommeil sont en outre nécessaires pour favoriser la resynchronisation : éviter le sport et les écrans avant de dormir, se coucher à une heure raisonnable (correspondant aux besoins de sommeil), dans le noir et au calme, ou encore se relever en cas d’impossibilité à s’endormir, sans s’exposer à des lumières riches en bleu (LEDs, ampoules fluorescentes froides) ou de forte intensité. Pour en savoir plus, consulter notre dossier Sommeil

L’utilisation de la mélatonine pourrait également se développer. Elle est actuellement recommandée dans le traitement du retard de phase, le libre-cours de l’aveugle, le décalage horaire, et dans certaines situations de travail de nuit. Elle est aussi recommandée dans les troubles du spectre autistique et dans le trouble du déficit de l’attention. Là encore, ce traitement doit être prescrit par des médecins formés à la chronobiologie. La bonne efficacité de la mélatonine est reconnue, mais des études sont encore nécessaires pour optimiser la dose et l’horaire de traitements qui peut dépendre du chronotype du patient, à savoir sa tendance à être plutôt du soir ou du matin, ou à avoir un chronotype intermédiaire.

Enfin, des médicaments qui agissent sur l’horloge biologique pourraient voir le jour dans le futur, afin de la retarder ou de l’avancer. Des travaux sont actuellement conduits dans ce sens, avec par exemple des molécules destinées à bloquer le signal des cellules ganglionnaires à mélanopsine. Les patients pourraient toujours voir (grâce à leurs cônes et leurs bâtonnets), mais l’horloge centrale ne percevrait pas ou peu la lumière externe. Reste à savoir si ces molécules présenteront un avantage par rapport à des lunettes de soleil, faciles d’utilisation. D’autres molécules en cours de développement ciblent directement la mécanique de l’horloge biologique. Elles pourraient avoir un intérêt dans les troubles circadiens décrits plus haut.

Pour aller plus loin

• Une brève histoire de notre horloge biologique – dans l’émission La terre au carré (France Inter), décembre 2024
• Rythmes circadiens : remettre les pendules à l’heure – dans l’émission La science CQFD (France Culture), mai 2023
• La chronobiologie – le Cerveau à tous les niveaux
• Groupe Sommeil et rythmicité circadienne chez l’humain : épidémiologie populationnelle, recherche fondamentale et clinique – Centre de recherche en neurosciences de Lyon, unité Inserm 1028, Lyon 
• Équipe Chronobiologie – Institut de biologie Valrose, unité Inserm 1091, Nice
• Équipe Chronobiologie et troubles affectifs (en anglais) – Institut cellule souche et cerveau, unité Inserm 1208, Lyon/Bron
• Équipe Récepteurs nucléaires et rythmes circadiens en physio-pathologie – unité Inserm 1011, Lille