Utilisation des mesures ambulatoires pour l’étude des perturbations du rythme circadien veille-sommeil

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D)Les rythmes biologiques sont une caractéristique universelle de la vie sur terre, présents des organismes unicellulaires jusqu’aux humains. Le rythme biologique le plus connu est le rythme circadien, d’environ une journée, reflétant l’alternance jour et nuit sur notre planète. Le rythme circadien est essentiel à la régulation d’une myriade de fonctions biologiques, telles que le sommeil, la température corporelle, la pression artérielle, la sécrétion de nombreuses hormones et bien d’autres. Le rythme circadien est généré intrinsèquement par notre horloge biologique interne, mais dépend aussi des signaux de l’environnement, dont le plus puissant est l’exposition à la lumière, pour son ajustement au cycle jour-nuit. Par ailleurs, des relations étroites existent entre les rythmes circadiens et diverses problématiques de santé physique et mentale. Les troubles du cycle veille-sommeil sont la conséquence la plus manifeste d’un problème de l’horloge biologique ou de l’entrainement de celle-ci avec son environnement. Cette thèse vise à décrire plusieurs des déterminants intrinsèques et environnementaux qui contribuent à l’étiologie des troubles du rythme circadien. Pour y parvenir, des techniques ambulatoires de mesures continues sur plusieurs jours ont été utilisées dans deux populations de jeunes adultes qui présentent une désynchronisation de l’horaire de sommeil par rapport au rythme jour-nuit environnemental. La première étude de cette thèse utilise l’enregistrement continu de l’exposition à la lumière pour illustrer la contribution de l’environnement lumineux au maintien d’un horaire de sommeil inadapté chez des jeunes adultes avec une plainte de sommeil trop tardif, une catégorie sous-clinique du trouble du sommeil en retard de phase. Ces travaux mettent en relief une possible contribution de l’environnement et des habitudes de vie à ces difficultés de sommeil. Plus précisément, les résultats présentés montrent que l’exposition à la lumière bleue tardivement dans la journée, ainsi qu’une diminution du contraste jour-nuit dans le profil quotidien d’exposition à la lumière sont associées à un délai dans l’horaire de sommeil. Dans cette population, l’exposition tardive à la lumière bleue semble liée à l’utilisation d’appareils électroniques en soirée. La deuxième étude porte sur des patients ayant survécu à un traumatisme craniocérébral modéré à grave et hospitalisés dans la phase aiguë de leur traumatisme. Les patients étudiés présentent une désorganisation du rythme veille-sommeil, qui s’apparente au trouble du rythme veille-sommeil irrégulier. Les analyses de mesures continues de l’activité sur plusieurs jours révèlent que des rythmes activité-repos plus courts que 24 heures sont présents après un traumatisme craniocérébral, et que ces rythmes ne semblent pas être une simple conséquence de l’environnement hospitalier. Ces rythmes, appelés « ultradiens », ont une période de 3 à 8 heures et il semble possible de les observer lorsque le rythme circadien d’activité-repos est sévèrement affaibli. Ces rythmes comportementaux pourraient soit refléter une conséquence du traumatisme, tel qu’une augmentation du besoin de sommeil, mais pourraient aussi représenter une composante plus fondamentale de l’organisation du rythme veille-sommeil, tel que la présence d’un rythme intrinsèque ultradien. Cette thèse contribue à la compréhension de l’étiologie des troubles du rythme circadien veille-sommeil en élargissant les facteurs contributifs au-delà d’une dysfonction des mécanismes physiologiques de l’horloge biologique circadienne. Une compréhension plus holistique des déterminants de ces troubles est essentielle au développement de traitements efficaces.From single-cell organisms to humans, biological rhythms are a ubiquitous feature of life on earth. The most well-known biological rhythm is the circadian rhythm with a duration of approximately 24h that reflects the night and day cycle on our planet. Circadian rhythms are essential for multiple biological functions, including sleep, body temperature, arterial pressure, hormone production, and so on. The endogenous circadian rhythm is generated by a central biological clock but also relies on external, environmental cues such as light to stay synchronized to the day-night cycle. Furthermore, strong links have been documented between circadian rhythms and multiple heath and mental health conditions. Circadian rhythm sleep-wake disorders are a consequence of a dysfunction of the biological clock or of its entrainment to the environment. This thesis aims to describe multiple intrinsic and exogenous factors that may contribute to the etiology of circadian rhythm disorders. To achieve this objective, ambulatory measurements on multiple days were used in two clinical populations of young adults suffering from a severe desynchronization of the sleep-wake cycle from the environmental cycle. The first study included in this thesis used continuous light measurements to describe the contribution of light exposure profiles in the maintenance of a delayed sleep schedule in young adults with a complaint of a late sleep schedule, a sub-clinical population of delayed sleep-wake phase disorder. These results highlight the role of the environment and daily habits in delayed sleep-wake phase disorder. More precisely, this study shows that blue light exposure in the later part of the day as well as a reduced amplitude of day-night contrast are associated with a delayed sleep schedule. In this population, light exposure to blue light could be linked to electronic media use in the evening. The second study focuses on patients hospitalized after a moderate or severe traumatic brain injury (TBI) during the acute phase. These patients present a severe disturbance of the sleep-wake cycle that is similar to the irregular sleep-wake rhythm disorder. Analyses of continuous actigraphy data revealed that sleep-wake cycles of shorter duration are present after a traumatic brain injury and that those rhythms don’t seem to be a simple consequence of being in a care unit of a hospital. These rhythms, referred to as ultradian, have a period of 3 to 8h, and they may be observed when the circadian rhythm is weak or absent. These behavioral rhythms could either be a consequence of the trauma, such as an increased need for sleep, or represent a more fundamental component of the organization of the sleep-wake rhythm, for example an intrinsic ultradian rhythm. This thesis contributes to the understanding of the etiology of circadian sleep-wake rhythm disorders by broadening our understanding of their antecedents beyond a mere dysfunction of physiological mechanisms of the circadian biological clock. A more holistic understanding of the determinants of these disorders is essential for the development of effective treatments

Sleep-wake disturbances in hospitalized patients with traumatic brain injury: association with brain trauma but not with an abnormal melatonin circadian rhythm.

STUDY OBJECTIVES: To test whether the sleep-wake cycle disruption in patients hospitalized with traumatic brain injury (TBI) (1) is also found in patients with traumatic injuries other than TBI (non-TBI) and (2) is associated with a weaker or abnormal circadian clock signal. METHODS: Forty-two non-mechanically ventilated and non-sedated patients hospitalized for moderate-to-severe TBI were compared to 34 non-TBI patients. They wore wrist actigraphs for 9.4 ± 4.2 days, starting 19.3 ± 12.6 days post-injury. Of these, 17 TBI and 14 non-TBI patients had their urine collected every hour for 25 hours, starting 18.3 ± 12.3 days post-injury. We calculated urinary 6-sulfatoxymelatonin concentration to obtain total 24-hour excretion, excretion onset, offset, duration, amplitude, and acrophase. Using Student's t-tests, we compared groups on actigraphy (daytime activity ratio, nighttime total sleep time, and fragmentation index) and melatonin variables. We investigated associations between melatonin and actigraphy variables using Pearson's correlations. RESULTS: TBI patients had poorer daytime activity ratio (TBI: 77.5 ± 9.4%; non-TBI: 84.6 ± 6.9%), shorter nighttime total sleep time (TBI: 353.5 ± 96.6 min; non-TBI: 421.2 ± 72.2 min), and higher fragmentation index (TBI: 72.2 ± 30.0; non-TBI: 53.5 ± 23.6) (all p-values < 0.01). A melatonin rhythm was present in both groups, and no group differences were found on melatonin variables. No associations were found between melatonin and actigraphy variables in TBI patients. CONCLUSION: Moderate-to-severe TBI patients have more serious sleep-wake disturbances than non-TBI patients hospitalized in the same environment, suggesting that the brain injury itself alters the sleep-wake cycle. Despite their deregulated 24-hour sleep-wake cycle, TBI patients have a normal circadian clock signal