La mélatonine, souvent qualifiée d'"hormone du sommeil", est principalement produite par la glande pinéale (ou "épiphyse"), une glande endocrine située au cœur de notre cerveau. Elle est synthétisée à partir de la sérotonine, connue par ailleurs pour son rôle de neurotransmetteur du système nerveux, puis rapidement libérée dans la circulation sanguine.

La caractéristique majeure de la sécrétion de mélatonine est d'être principalement sous le contrôle de la lumière. Celle-ci, et plus spécifiquement le rayonnement bleu du spectre lumineux (courte longueur d'onde), exerce un frein puissant sur la production de l'hormone, si bien que les concentrations sanguines en mélatonine, basses et relativement stables dans la journée, s'élèvent brutalement en début de soirée (entre 20 et 22h) pour atteindre un maximum au milieu de la nuit. Il s'agit donc d'une hormone à sécrétion typiquement nocturne.

        On reconnait à la mélatonine une palette très diversifiée d'actions physiologiques. De fait, ses cibles sont multiples dans l'organisme, ce qui s'explique par une distribution très large des "récepteurs" capables de la reconnaître sélectivement à la surface des cellules. Outre son rôle bien établi en tant que régulateur du cycle veille/sommeil et des variations journalières de la température corporelle, la mélatonine agit sur la sécrétion de la plupart de nos hormones. Via ses interactions avec le cortisol, l'insuline et la leptine, elle participe notamment à la régulation de la prise alimentaire, de l'appétit et, au final, de la balance énergétique de l'organisme, d'où son implication possible dans certains cas d'obésité. Mais depuis une dizaine d'années, ce sont surtout d'autres propriétés de la mélatonine qui suscitent un intérêt croissant.

        On sait notamment que la mélatonine a une puissante activité anti-oxydante qui protège les systèmes cellulaires et qu'elle stimule par ailleurs la réponse de notre système immunitaire aux agressions, ce qui pose actuellement les bases de recherches très actives sur son potentiel préventif, voire thérapeutique, en cancérologie. On dispose également de données expérimentales indiquant une action significative de la mélatonine dans le vieillissement normal et pathologique. Son intérêt potentiel pour retarder le vieillissement des tissus et organes, voire améliorer la prévention et le traitement des maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson, maladie de Huntington, sclérose en plaques) a ainsi été mis en exergue.

        Les multiples fonctions biologiques de la mélatonine sont pour l'essentiel indissociables d'une action majeure sur l'expression de nos rythmes biologiques et le fonctionnement de l'horloge qui les gouverne. La mélatonine est en effet un "donneur de temps" qui joue un rôle prépondérant dans la stabilisation et l'adaptation à l'environnement de nos rythmes intrinsèques, c'est-à-dire produits spontanément en l'absence de tout stimulus extérieur, et dits "circadiens" lorsqu'ils s'expriment selon une échelle de temps proche de 24h (répétition d'un cycle par période de 24h environ définie génétiquement chez chaque espèce). Remis à l'heure par divers synchroniseurs, parmi lesquels le plus puissant est l'alternance jour/nuit, ceux-ci deviennent alors très précisément "journaliers" en s'ajustant au temps astronomique imposé par la rotation de la terre autour son axe (24h exactement).

        Outre le fait que la production de mélatonine est nocturne, la durée de sa sécrétion est calquée très précisément sur la durée de la nuit, ce qui fait de cette hormone un indicateur fiable, pour tout l'organisme, de la longueur du jour en fonction des saisons. Cette information temporelle joue donc un rôle essentiel non seulement dans la synchronisation des rythmes circadiens mais aussi dans l'élaboration des rythmes saisonniers déterminés par la rotation de la terre autour du soleil. Elle est cruciale chez les espèces à reproduction saisonnière.

        La clé de ce "timing" extrêmement précis réside dans une petite structure de notre cerveau qui fait partie de l'hypothalamus, une région essentielle pour le maintien de nos fonctions vitales, et nommée "noyau suprachiasmatique". Nous l'appellerons "NSC". Celui-ci renferme un mécanisme d'horlogerie très précis reposant sur des interactions complexes entre différents acteurs moléculaires. Cela n'est pas l'apanage du NSC puisque pratiquement tous nos tissus et organes possèdent cette machinerie moléculaire qui leur confère un statut d'horloges à part entière. Toutefois, la spécificité du NSC est d'intégrer les signaux lumière/obscurité. Cette information lui est transmise par un petit groupe de neurones de la rétine, distincts de ceux qui sont responsables de la vision, puis traduite en signaux nerveux et hormonaux qui seront délivrés à l'ensemble de l'organisme. Le NSC coordonne ainsi l'activité de tout le réseau d'horloges, centrales comme périphériques, en permettant l'orchestration de nos rythmes cellulaires, physiologiques et comportementaux, parmi lesquels le rythme veille/sommeil, selon une symphonie parfaitement réglée et ajustée sur le cycle solaire de 24h. Par le signal rythmique qu'elle véhicule, la mélatonine est donc un messager hormonal essentiel à la bonne synchronisation de nos rythmes. D'autres facteurs sanguins y contribuent, notamment le cortisol, hormone "énergisante" produite par les glandes surrénales et dont le pic de sécrétion, à l'inverse de celui de la mélatonine, se situe au réveil.

        Le rythme veille/sommeil est l'un des principaux rythmes comportementaux régis par notre horloge biologique. Il n'est donc pas étonnant que la mélatonine, parmi ses multiples fonctions biologiques, en soit un important régulateur. Elle agit plus spécifiquement sur l'endormissement, qui doit être en phase avec la période nocturne du cycle journalier, mais n'a pas d'effet majeur sur la structure proprement dite du sommeil qui dépend de mécanismes cérébraux très complexes. Cela résulte d'une action de la mélatonine sur le système de mesure du temps lui-même, c'est-à-dire sur le NSC. Son rôle au cœur de notre horloge biologique est donc double puisque tout en délivrant un message rythmique à tout l'organisme, elle agit en retour sur le fonctionnement même de l'horloge centrale. De fait, on sait très bien qu'une prise de mélatonine peut décaler l'horloge dans un sens ou dans l'autre (endormissement avancé ou retardé) selon le moment de la journée. 

        L'utilisation thérapeutique de ces propriétés dites "chronobiotiques" de la mélatonine, dont témoigne la présence de nombreux récepteurs spécifique à cette hormone au sein même du NSC, a été envisagée dans certains cas de désynchronisation de l'horloge. Les personnes non-voyantes inaptes à intégrer les variations lumière/obscurité sont des cas typiques de désynchronisation puisque leurs rythmes circadiens ne peuvent pas être ajustés à la durée d'une journée classique, au moins lorsque d'autres synchroniseurs, notamment sociaux, ne peuvent pas prendre efficacement le relais. Des études ont montré que, dans ce cas, la prise de mélatonine pouvait permettre une resynchronisation sur le rythme journalier de 24h en normalisant le sommeil.

        Parmi les autres cas typiques de désynchronisation, citons les symptômes induits par le décalage horaire lié aux vols transméridiens (le "jet lag" des anglo-saxons). Les symptômes résultent d'un déphasage entre les rythmes endogènes (internes à l'organisme) et les rythmes exogènes (variations de l'environnement), ce qui a pour effet de produire un état de "désynchronisation interne" dû à la vitesse variable avec laquelle les divers systèmes physiologiques s'adaptent à un décalage brutal des cycles lumière/obscurité et veille/sommeil. La prise de mélatonine à un moment approprié de la journée et selon un dosage bien déterminé peut alors permettre d'accélérer l'adaptation au nouveau cycle jour/nuit. Quant au travail de nuit, et surtout au travail posté, la problématique est beaucoup plus complexe car il s'agit de conditions de désynchronisation chronique pour lesquelles on assiste à un conflit permanent entre les rythmes jour/nuit et veille/sommeil.

        Plutôt que la prise de mélatonine, la luminothérapie constitue aujourd'hui une approche de choix dont l'efficacité a été prouvée pour la prise en charge d'affections typiques d'une désynchronisation des rythmes circadiens, notamment certains troubles du sommeil (dont ceux liés au travail posté) et la dépression saisonnière hivernale consécutive à une diminution de la luminosité en durée et en intensité. Initialement développée pour traiter ce type de dépression, l'approche consiste en une exposition quotidienne à une lumière de forte intensité à des moments précis de la journée, définis selon l'effet recherché (avance ou retard des horaires de sommeil) mais aussi le "chronotype" individuel (le temps interne de chacun). Celui-ci peut être déterminé par une évaluation du profil rythmique de mélatonine dans le sang, ou plus simplement dans la salive.

        Les recherches actuelles permettent d'envisager également l'utilisation de la luminothérapie dans d'autres conditions, normales ou pathologiques, telles que le vieillissement ou certaines maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer). De fait, il s'agit là d'autres situations généralement associées à une désynchronisation de l'horloge. S'agissant du vieillissement, on sait par exemple qu'il s'accompagne de décalages dans les pics de sécrétion de plusieurs hormones, dont la mélatonine qui voit également sa production globale sensiblement réduite. Cela peut rendre compte, au moins en partie, des troubles du sommeil souvent rencontrés chez le sujet âgé.

        Au final, force est de constater que la mélatonine a bien des vertus. Prenons donc soin de permettre sa sécrétion dans des conditions optimales propres à préserver l'harmonie de nos rythmes biologiques et à assurer une bonne régulation de l'horloge centrale qui les orchestre. Les dérèglements de celle-ci peuvent en effet avoir des effets néfastes sur notre santé, ce dont nous aurons l'occasion de reparler.

Olivier Bosler

Le Dr Olivier Bosler est directeur de Recherche émérite au CNRS, rattaché à l’Institut de NeuroPhysiopathologie de Marseille. Il a effectué ses recherches, créé et animé pendant de longues années une équipe de recherche spécialisée en chronobiologie. Il est également membre actif de l'Association ValBioMe.

Le Dr Olivier Bosler est directeur de Recherche émérite au CNRS, rattaché à l’Institut de NeuroPhysiopathologie de Marseille. Il a effectué ses recherches, créé et animé pendant de longues années une équipe de recherche spécialisée en chronobiologie. Il est également membre actif de l'Association ValBioMe.

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Valbiome est une association Loi 1901 qui œuvre pour la diffusion de la culture scientifique auprès du public de 3 à 103 ans. Elle regroupe des scientifiques vulgarisateurs qui ont à cœur de partager leurs passions pour la recherche, de diffuser les savoirs et de décrypter les dernières découvertes en sciences biomédicales. Valbiome organise ou participe à divers évènements (Ateliers, animations, fête de la science, conférences) et diffuse à travers plusieurs media.

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