sommeil et vols spatiaux

Médecine du sommeil (2010) 7, 8—14

MISE AU POINT

Sommeil et vols spatiaux

Sleep and space flights

A. Pavy-Le Traona,∗,b,c, J. Taillardd

a Service d’explorations fonctionnelles, hôpital de la Cavale-Blanche,CHU de Brest, 29609 Brest cedex, Franceb Université européenne de Bretagne, Brest, Francec EA 4326, faculté de médecine et des sciences de la santé, université de Brest,22, avenue Camille-Desmoulin, 29238 Brest cedex 03, Franced UMR5227 CNRS, GENPPHASS, CHU de Bordeaux, Bordeaux, France

Recu le 26 fevrier 2009 ; accepté le 15 mai 2009Disponible sur Internet le 6 decembre 2009

MOTS CLÉSVols spatiaux ;Microgravité ;Sommeil ;Rythmes circadiens ;Alternancelumière/obscurité

Résumé Les vols spatiaux effectués depuis plus de 40 ans ont montré que le sommeil dansl’Espace était possible. Cependant, les études menées en vol ont mis en évidence des troublesdu sommeil et un temps de sommeil généralement diminué, avec des conséquences possiblessur les performances. Les causes en sont mal connues. Cela est particulièrement observé encas d’horaires de travail décalés imposés par les contraintes opérationnelles de la mission.Mais l’environnement spatial, et en particulier la microgravité et les modifications du rythmelumière-obscurité, sont aussi susceptibles de retentir sur le sommeil et les rythmes circadiens.À partir des études menées en vol spatial et lors de simulations au sol, cette revue discute desfacteurs qui peuvent influencer le sommeil et les rythmes biologiques.© 2009 Publie par Elsevier Masson SAS.

KEYWORDSSpace flights;Microgravity;Sleep;Circadian rhythms;

Summary Since more than 40 years, manned Space flights have shown that sleep in space ispossible. However, in-flight studies have reported reduced sleep duration and sleep disturbanceswhich may lead to performance impairment. The causes of these changes are not well known.These disturbances have been particularly reported in case of abnormal work-rest scheduledue to operational constraints. But space environment factors as microgravity and changes inlight/dark cycle may also induce changes in sleep and circadian rhythms. This review discusses
Light/dark cyclehow different factors may influence sleep and biological rhythms in space flight and simulationexperiments.© 2009 Published by Elsevier Masson SAS.
∗ Auteur correspondant.Adresse e-mail : [email protected] (A. Pavy-Le Traon).

1769-4493/$ — see front matter © 2009 Publie par Elsevier Masson SAS.doi:10.1016/j.msom.2009.10.014

mailto:[email protected]

dx.doi.org/10.1016/j.msom.2009.10.014

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IntroductionEn novembre 2008, la station spatiale internationale (inter-national space station [ISS]) a fêté ses dix ans et depuisle premier vol de Youri Gagarine le 12 avril 1961, plus de400 astronautes sont allés dans l’Espace. Le record du séjourle plus long est toujours détenu par le cosmonaute russeValery Poliakov qui a passé 437 jours à bord de la stationMIR. Ces nombreux vols spatiaux ont montré que le sommeilétait possible dans l’Espace. Pourtant, différents facteurspeuvent le modifier : les astronautes vivent en apesanteuret en milieu confiné avec une activité physique diminuée,ils ne sont plus soumis à un rythme lumière/obscurité nor-mal ; leur rythme activité/repos est souvent modifié. Ceschangements associés à l’excitation du vol spatial et àd’autres facteurs environnementaux (bruit, intensité lumi-neuse, etc.) vont avoir un impact sur la quantité et la qualitédu sommeil qui peut retentir sur les performances cogni-tives des astronautes comme le démontrent les études envol et les différentes expérimentations en environnementcontrôlé et extrême. Nous verrons, en particulier, commentl’environnement spatial affecte les rythmes biologiques.

L’environnement spatialPlusieurs facteurs caractérisent l’environnement spatial etpeuvent retentir sur le sommeil des astronautes [1—3]. Lefacteur le plus marquant de l’environnement spatial est lamicrogravité (ou apesanteur). En vol, les effets de la graviténe sont plus ressentis et la notion de poids n’existe plus —la vitesse initiale conférée au vaisseau spatial (7,8 km/sec)pour qu’il se maintienne en orbite fait que le vaisseau spatialet ses occupants sont en continuelle chute libre autour de laTerre. Nous verrons que les effets de la microgravité peuventretentir indirectement ou plus directement sur le som-meil. L’alternance lumière-obscurité est modifiée puisqu’enorbite terrestre basse, les astronautes voient le soleil selever 16 fois/24 heures (il faut environ 90 minutes pour par-courir une orbite terrestre avec 45 minutes de lumière et45 minutes d’obscurité). Le rythme activité/repos dans l’ISSest globalement calqué sur celui du centre de contrôle. Tou-tefois, ce rythme est souvent modifié pour des contraintesopérationnelles, en particulier en début et en fin de mission.Nous verrons également quelle peut être l’influence desconditions d’illumination dans l’ISS ou dans le vaisseau spa-tial. L’isolement, le confinement (actuellement le volumede l’ISS est équivalent à celui d’une habitation avec quatrechambres) et la relative inactivité physique caractérisentaussi cet environnement. Les systèmes de support vie per-mettent de pressuriser les vaisseaux spatiaux à une pressionéquivalente à la pression atmosphérique au niveau de la meret de maintenir, dans les conditions nominales, une tem-pérature de confort. En ce qui concerne l’environnementradiatif, les radiations ionisantes représentent un des fac-teurs limitants des vols de longue durée. À ce propos, nousmentionnerons la notion de flashes lumineux percus par lesastronautes essentiellement durant le sommeil et interpré-
tés, au moins en partie, comme l’action d’ions lourds auniveau de la rétine [4].
Des expériences de simulation sont organisées au solpour mieux comprendre les effets de l’environnement spa-tial et mettre au point des moyens préventifs des effets

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élétères de l’exposition à cet environnement (appelésontre-mesures). Pour simuler les effets de la microgravité,e modèle le plus utilisé est celui de l’alitement antiortho-tatique (ou head down bed rest) qui permet de reproduirea migration liquidienne thoracocéphalique et l’inactivitéhysique observés dans l’Espace [5]. Des expériences enaisson ou en laboratoire permettent d’étudier plus spé-ifiquement les modifications liées au confinement et à’isolement [6] ; dans ce cadre sont aussi utilisées les don-ées provenant des milieux dits « analogues » comme lesases polaires [7,8].

Nous verrons comment ces expériences au sol contribuentune meilleure compréhension des modifications du som-eil et des rythmes circadiens dans l’Espace.

es études du sommeil au cours des volspatiaux

es premiers enregistrements EEG en vol ont été réalisésors des premières missions spatiales au cours du programmeemini (mission Gemini VII). Bien que ces enregistrementsient été limités par des problèmes techniques, quatreycles de sommeil de 90 minutes considérés comme nor-aux ont pu être enregistrés chez un des astronautes avec

outefois de nombreux éveils [9]. Des troubles du sommeilnt été rapportés lors des missions Apollo lunaires ou nonunaires [10]. Lors des séjours sur la Lune, les troubles duommeil ont été rapportés au bruit, à la sensation de froidt au manque de confort de l’équipement. Des enregistre-ents polysomnographiques (EEG — EOG et mouvements de

a tête) ont été réalisés lors des missions Skylab [11]. Leommeil était autorisé de 22 à six heures (heure du centre deontrôle) à l’exception des derniers trois à huit jours où lesoraires étaient avancés de quatre heures. Une réduction duemps de sommeil a été observée (surtout en première par-ie de vol pour la mission de 84 jours) avec un effet rebondors du retour au sol. L’architecture du sommeil était globa-ement conservée avec une tendance à une augmentation dutade 3 et à une diminution du sommeil paradoxal (SP). Auetour au sol, ont été observés au contraire, une diminutione la durée des stades 3 et 4 et une augmentation du SP, asso-iée à une diminution de sa latence d’apparition. Parmi lesacteurs favorisant les troubles du sommeil, les astronautesnt rapporté : les conditions environnementales, en particu-ier le bruit, la lumière et une température excessive, ainsiue la charge de travail élevée.

Les perturbations du sommeil ont amené rapidementes astronautes à utiliser des hypnotiques. Lors des mis-ions Apollo lunaires ou non lunaires, plusieurs astronautesnt pris des hypnotiques, et plus rarement des amphéta-ines pour se maintenir éveillés, essentiellement lorsque

es horaires de travail étaient décalés pour des contraintespérationnelles [10]. Une enquête sur la quantité et la qua-ité de sommeil, ainsi que sur la prise d’hypnotiques a étééalisée sur neuf vols-navette (dont trois ou la moitié de’équipage travaillait en horaire décalé) [1]. Lors de ces
rois missions avec horaire décalé, la moitié des membres’équipage a mentionné un sommeil de mauvaise qualitét a pris des hypnotiques au moins une fois, alors queette prise d’hypnotiques n’a été rapportée que chez septembres d’équipage sur 36 (19 %) lors des missions avec un

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eul horaire de travail pour tout l’équipage. Ces troublesu sommeil ont été rapportés à l’excitation de la mission,u mal de l’Espace, au bruit et à l’activité d’une partie de’équipage.

Cette prise d’hypnotiques a été confirmée par Putchat al. [12] qui ont évalué la prise de médicamentsors de 79 missions à bord de la Navette (d’avril 1981 àovembre 1996), correspondant à 446 personnes — vol repré-entées par 213 astronautes (certains astronautes ayant volélusieurs fois au cours des ces missions). Les rapports sur larise de médicaments ont été extraits des bilans médicauxaits systématiquement après chaque mission. Deux centix-neuf rapports (correspondant chacun à une personne-ol) ont été analysés. Leur analyse a montré que dans 94 %es cas, les astronautes avaient pris des médicaments en volt que 45 % de ces prises médicamenteuses au cours du voltaient des hypnotiques (et 47 % des médicaments contre leal de l’Espace).Les données sur les vols russes sont plus réduites ; toute-

ois la prise d’hypnotiques semble y avoir été plus limitée13]. Les études menées sur les vols russes ont aussi mon-ré des perturbations et un manque de sommeil en début deission ou lorsque des décalages d’horaires ont été imposésour des raisons opérationnelles [14—16]. Ainsi, un déca-age progressif d’une demi-heure par jour pour arriver à unevance de 7,5 heures sur les horaires habituels ont conduitune diminution du temps de sommeil, une augmentation

e la fatigue et une diminution de la capacité de travail.n autre fait marquant des vols de longue durée est uneérive des horaires à des périodes ou les cosmonautes n’ontas eu de rythme imposé (libre cours). Ainsi, durant uneission de 211 jours où les cosmonautes n’avaient pas de

ythme travail-repos imposé, ceux-ci ont augmenté progres-ivement leur temps de sommeil à partir du quatrième mois.ette augmentation du temps de sommeil a été associée àne diminution de l’efficacité dans le travail.

Plus tard, des enregistrements de sommeil et de tem-érature corporelle réalisés chez quatre cosmonautes àord de la station MIR ont mis en évidence un décalage deeux heures du rythme de température corporelle ; la struc-ure du sommeil était caractérisée par une réduction de laatence du SP et une augmentation du sommeil lent profondans le second cycle de sommeil lent [3]. Sur quatre astro-autes de vols Navette, Monk et al. [17] mettent en évidencene réduction du temps de sommeil (en moyenne 6,1 heures)ssociée à une diminution du sommeil lent profond.

Plus récemment, des études menées chez cinq astro-autes lors de vols courts de dix ou 16 jours ont confirméne durée réduite de sommeil d’environ 6,5 heures aveces périodes d’éveil plus importantes et une diminution duommeil lent profond durant le dernier tiers des épisodese sommeil [18]. Les auteurs retrouvent l’augmentation duP au retour sur Terre, déjà observée dans de précédentestudes.

ne observation très fréquente : la
iminution du temps de sommeil
outes les études du sommeil dans l’Espace retrouvent quee coucher est retardé de deux heures environ, ce quionduit à une diminution de la durée moyenne de sommeil.

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A. Pavy-Le Traon, J. Taillard

énéralement, la durée du sommeil est abaissée à six heuresar jour, voire moins lors de la réalisation d’interventionsmportantes ou en cas d’urgences.

Dans tous les cas, Van Dongen et al. [19] ont démon-ré qu’une dette de sommeil s’accumule de jour en jourt qu’une dette journalière de deux heures, va au bout deuit jours diminuer les performances cognitives diurnes àn niveau comparable à ceux obtenus après une privationotale de sommeil.

Au cours des vols spatiaux et à bord des stations spatiales,l est clair que les astronautes présentent une réductione leur sommeil, en partie liée à un coucher tardif. Cetteéduction quotidienne de sommeil va donc induire unerivation de sommeil chronique qui peut diminuer leurserformances cognitives. Toutefois, l’effet de la privationhronique de sommeil n’a pas été mesuré chez les astro-autes.

En revanche, il est difficile d’expliquer pourquoi lesstronautes ont des difficultés à se coucher et/ou à’endormir. Il semblerait que plusieurs causes soientnvisageables : effets de la microgravité et absence dehangement de posture, facteurs psychologiques, possibleelation de phase anormale entre les rythmes, etc.

uels facteurs en cause dans les troublesu sommeil ?

utant certains facteurs comme ceux liés à l’ergonomieu vaisseau sont facilement identifiables, autant les effetse la microgravité et des modifications de l’alternanceumière/obscurité ne sont pas parfaitement connus.

rgonomie

n bruit trop important a été souvent rapporté commene des causes des troubles du sommeil notamment lorse premiers vols spatiaux. Le niveau sonore dans l’ISS estelativement élevé, du au fonctionnement des différentsquipements comme des ventilateurs, des pompes ou desompresseurs ; il varie en fonction des modules et des activi-és et est en moyenne d’environ 50 à 60 dB pendant la phase’activité et ne dépasse pas 50 dB pendant la période nuit.

Au cours de certaines missions spatiales, un mauvaisontrôle thermique de l’équipement ou du vaisseau a pro-oqué des troubles du sommeil.

Le manque de place a aussi pu favoriser des troubles duommeil. À bord de l’ISS, les astronautes peuvent dormir soitans « des couchettes », mais qui sont exiguës et en nombreimité, soit dans des sacs de couchage attachés à la paroi.

acteurs pyschologiques

armi les facteurs psychologiques, l’excitation de la missiont le fait de vouloir profiter un maximum du séjour dans’Espace et de la vue de la Terre contribuent à la réduc-ion du temps de sommeil, notamment lors des missions de
ourte durée. La diminution volontaire du temps de sommeilst assez souvent la conséquence des contraintes opération-elles particulièrement en début et en fin de mission ou lorses missions de courte durée. La déprivation sensorielle,’ennui et la dépression ont été invoqués comme facteurs

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favorisant les troubles du sommeil lors des vols de longuedurée, à partir des deuxième et troisième mois en vol [20].

Microgravité

Différents éléments liés directement ou indirectement à lamicrogravité peuvent agir sur le sommeil des astronautes.

On comprend aisément que le sommeil puisse être per-turbé les premiers jours en microgravité par le syndromed’adaptation spatiale. Ce syndrome qui concerne environ70 % des astronautes est une cinétose se traduisant parune pesanteur gastrique, des nausées, parfois des vomis-sements, des maux de tête et une sensation de malaisegénéral ; ce syndrome apparaît dès les premières heuresen microgravité et persiste en moyenne 48 heures. Une deshypothèses du « mal de l’Espace », est celle d’un conflitneurosensoriel analogue à celui observé lors du mal destransports. Certaines informations sensorielles, en particu-lier les informations vestibulaires otolithiques, vont êtremodifiées par la microgravité et considérées par le systèmenerveux central (SNC) comme inhabituelles par rapport àcelles rencontrées en situation terrestre ; les otolithes sen-sibles aux accélérations linéaires sont de véritables capteursde gravité qui ne seront plus stimulés de la même faconau cours du vol spatial. Le SNC va ensuite réinterpréterles informations et s’adapter à cette nouvelle situation. Àcette cinétose, s’ajoute, les premiers jours, la survenue pos-sible de céphalées et d’une sensation de rhume permanentfavorisée par la migration liquidienne vers la région thora-cocéphalique qui peuvent majorer les troubles du sommeil.Enfin, le traitement du mal de l’Espace peut aussi influersur la vigilance puisque le médicament le plus utilisé estla prométhazine dont les effets secondaires, notamment lasomnolence, sont bien connus et peuvent retentir sur lesperformances [21].

Il semble que l’absence de changement de posture et desensation de « déclic » lors du passage en position allongéene facilite pas l’endormissement. Des douleurs lombairesfavorisées par les modifications de la statique vertébrale(étirement des disques intervertébraux) peuvent aussi per-turber le sommeil.

À côté de ces effets de la microgravité mentionnés parles astronautes comme pouvant perturber leur sommeil, desétudes ont montré que la microgravité intervient aussi surles paramètres respiratoires du sommeil. Ainsi, en analy-sant le sommeil dans des Vols Navette de neuf ou 16 jours,Elliott et al. [22] ont mis en évidence une réduction de50 % de l’index d’apnées-hypopnées (de 8,3 ± 1,6 avant volà 3,4 ± 0,8 évènements/heure pendant le vol). Le nombred’éveils lié à ces évènements diminue également. Celasemble en rapport avec les modifications des voies aériennessupérieures ; il n’y a plus d’augmentation de résistancedes voies aériennes supérieures et d’obstruction liées à lagravité lors du passage en position allongée. Takasaki etal. [23] ont également mis en évidence une réduction del’activité EMG du diaphragme durant le sommeil en micro-gravité qu’ils rapportent à une diminution de la résistance
des voies aériennes supérieures.
Toutefois ces derniers résultats ne permettent pasd’expliquer les troubles du sommeil dans l’Espace, puisqu’àl’inverse ils rapportent une diminution du nombre d’apnéeset des éveils correspondants.

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Des travaux plus fondamentaux ont été menés chez’animal au niveau du système nerveux (vestibulaire en par-iculier) pour étudier la plasticité neuronale et l’adaptatione l’expression des gênes aux modifications des contraintesravitaires. Certains travaux ont porté sur des structuresmpliquées dans le sommeil. Ainsi, lors de la mission Neu-olab effectuée sur la Navette, Pompeiano et al. [24] onttudié l’expression du gène de réponse précoce codant larotéine C-FOS (marqueur d’activité neuronale), dans deserveaux de rats sacrifiés à différents temps de la mission.ls ont étudié l’expression de ce gène au niveau d’une struc-ure du tronc cérébral, le locus cœruleus dont les neuronesoradrénergiques sont impliqués dans l’alternance veille-ommeil (augmentation de l’activité pendant la veille etiminution ou cessation pendant le sommeil). Les auteursapportent une augmentation de l’expression des gênesreflétant l’activité neuronale) significative en vol et encorelus importante 24 heures après le retour sur Terre, sansoutefois attribuer ces changements aux modifications duythme veille-sommeil. Nous ne détaillerons pas dans leadre de cette revue l’ensemble des études menées chez’animal en microgravité et en hypergravité (centrifugeuse)ais ces travaux illustrent l’intérêt des études chez l’animalour préciser l’influence des contraintes gravitaires auiveau tissulaire et cellulaire.

D’autres équipes ont aussi montré sur différentes espècesnimales que les rythmes circadiens et les paramètresoméostatiques comme la température étaient sensiblesu niveau de gravité [25] ; toutefois, les données obtenuesn microgravité sont encore limitées. Les modifications desythmes circadiens au cours du vol spatial chez l’homme sontétaillées plus loin.

onfinement

’effet du confinement sur le sommeil est très peu étudié.e plus, les résultats sont contradictoires. Tandis que cer-aines études ne montrent pas d’effet du confinement sura qualité et la quantité de sommeil [6], d’autres montrentne augmentation de l’activité motrice au cours du sommeil26]. De plus, il est intéressant de noter que le confinementugmente la propension à prendre des risques [27].

uelles modifications des rythmesiologiques au cours des vols spatiaux ?

n plus des facteurs décrits plus haut, la réduction deommeil lors des vols spatiaux pourrait être liée à laésynchronisation entre le rythme repos/activité et lesythmes circadiens. Les protocoles de désynchronisation (lesujets vivant suivant un rythme activité/repos différente 24 heures) montrent bien que la durée et la qua-ité du sommeil dépendent du moment circadien (souventaractérisé par la variation circadienne de la températureorporelle ou de la mélatonine). Le système circadien va
mposer une zone d’éveil (en fin de journée) et une zonee sommeil (dans la seconde moitié de la nuit). Ainsi,n sommeil initié entre minuit et six heures du matinjusqu’au minimum thermique) sera long et continu, tan-is qu’un sommeil initié vers le maximum thermique sera

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ourt et discontinu [28]. Toutefois, dans les vols spatiauxTS 90 (navette spatiale Columbia, 1998) et STS 95 (navettepatiale Discovery, 1998), le rythme circadien de la tem-érature semble garder une relation de phase normalevec le rythme activité/repos. Seul un aplatissement duythme circadien de la température est observé au course ces vols spatiaux [18]. Lors du vol STS 90, l’amplitudeu rythme s’aplatit régulièrement tout au long du vol. Laiminution de l’amplitude et un retard de phase ont étéussi retrouvés chez quatre cosmonautes après 30 jours dansa station MIR [3]. Remarquons que le rythme circadiene la température de ces quatre cosmonautes n’exprimeas de période de libre cours. L’aplatissement du rythmeircadien de la température pourrait être lié à la réduc-ion de l’activité physique et l’absence de changemente posture. En effet dans une expérimentation de bedest de 17 jours (les sujets doivent dormir pendant lauit, l’exposition à la lumière est de 200 à 500 lux le jourt inférieure à dix lux la nuit), l’amplitude du rythmeircadien de la température est diminuée et la phase retar-ée. Ces deux modifications s’accentuent tout au long de’expérimentation. Les latences d’endormissement du som-eil nocturne s’allongent au début de l’expérimentation deed rest mais tendent à diminuer en fin d’expérimentation.insi, l’absence de changement de posture pourrait expli-uer ce phénomène (réduction progressive de l’amplitude etetard progressif du rythme circadien de la température). Enevanche, pour Dijk et al. [18], la réduction progressive de’amplitude pourrait être aussi le reflet d’une modificationrogressive de la relation de phase entre le rythme circadiene la température et le rythme activité/repos.

Au cours des missions STS 90 et 95, la prise de mélatoninevait été recommandée pour lutter contre les troubles duommeil. Ces prises de mélatonine n’ont eu aucun effet sure sommeil des astronautes. Cette absence d’effet pouvaittre liée au fait que le rythme veille/sommeil et les rythmesircadiens (i.e. la température corporelle) ne sont pas suffi-amment désynchronisés. En effet, l’apport de mélatonineugmente le temps total de sommeil et l’efficacité du som-eil, seulement quand les taux de mélatonine sont bas

29,30].

ffet d’une intensité lumineuse faible sur lesythmes biologiques

ors des vols spatiaux les spationautes sont soumis à unycle lumière/obscurité anormal et très complexe. Tout’abord, dans la cabine de pilotage, ils subissent, en outre,e cycle lumière/obscurité choisi en fonction du rythme acti-ité/repos, mais se surajoute le rythme lumière/obscuritée 90 minutes associé à l’orbite terrestre effectuée para navette. Dans la cabine de pilotage de la missionTS 90, pendant l’activité, les astronautes sont soumis àes intensités lumineuses pouvant aller de 0,1 à 80 000 luxmoyenne = 1200 lux) et pendant le repos, ils sont soumis àes intensités lumineuses pouvant aller de 0,1 à 70 000 lux
moyenne = 74 lux). Dans les autres compartiments de laavette, les astronautes sont soumis à des intensités lumi-euses allant de 0,1 à 200 lux (moyenne : neuf lux) pendant’activité et allant de 0,1 à 50 lux (moyenne : un lux) pendante repos.
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Dans l’ISS, l’éclairage est faible, mais il est très difficile’obtenir une intensité lumineuse précise. Dans ce cas, lesstronautes sont soumis à des intensités lumineuses faibles.

L’alternance jour/nuit est le synchroniseur du sys-ème circadien le plus puissant même chez l’homme. Leycle jour/nuit va synchroniser le pacemaker circadien sur4 heures. La capacité de la lumière à synchroniser le sys-ème circadien dépend de son intensité (exprimée en luxans le cas du système visuel), de l’heure d’éclairementcourbe réponse de phase) et de sa composition spectralelongueurs d’ondes courtes [< 440 nm], moyennes ou longues> 540 nm]). En condition expérimentale [31] où les sujetsivent des jours de plus de 24 heures pendant 30 jours, lesythmes circadiens adoptent une période de libre cours si’intensité lumineuse de la photopériode est de 25 lux. Lesythmes circadiens se synchronisent à la nouvelle durée desours si l’intensité de la photopériode est de 100 lux. Laelation de phase (durée) entre la fin de la sécrétion deélatonine et le lever est raccourcie.Il existe donc une avance de phase du cycle

eille/sommeil dans un environnement lumineux deaible intensité.

Si le rythme activité/repos est de 24 heures et si’intensité lumineuse de la photopériode est très faible< 1,5 lux), les rythmes circadiens restent synchronisés entreux [32]. Toutefois, les rythmes circadiens restent syn-hronisés aux 24 heures chez les sujets qui présententne période circadienne endogène proche de 24 heures. Enevanche, si la durée du rythme activité/repos est légè-ement diminuée (23,5 heures) ou légèrement augmentée24,6 heures) et que l’intensité lumineuse de la photopé-iode est très faible, les rythmes circadiens adoptent desériodes de libre cours. En fait, plus la période du pacema-er circadien des sujets est proche de la période du cycleeille/sommeil imposé meilleur sera l’ajustement.

tudes chronobiologiques en milieuxnalogues

es données proviennent également des milieuxanalogues ». Les personnes vivant en Antarctique subissentes conditions extrêmes (froid, altitude élevée, obscuritéu éclairement continu, isolation sociale, réduction de’activité) qui peuvent être en partie comparables à ce queubissent les astronautes. Ces conditions extrêmes vontodifier les caractéristiques des rythmes biologiques. Soit

es rythmes se mettent en libre cours [33], soit ils sont enetard de phase [7,34]. Quoiqu’il en soit, les sujets vivantn antarctique, en particulier au cours de l’hiver polaireobscurité continue) vont présenter souvent des troublesu sommeil (difficulté d’endormissement et de maintienu sommeil) qui sont souvent associés à une dégradationes capacités cognitives et l’apparition de troubles de’humeur [8]. L’utilisation de lampe personnelle générantne lumière intense blanche ou enrichie en bleu chez les
ujets vivant dans la base polaire Halley Bay pendant l’hiver’avance pas l’heure du coucher et ne conduit pas à unommeil de meilleure qualité [35]. Toutefois, l’exposition àa lumière enrichie en bleu améliore légèrement l’efficacitéu sommeil.

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Contremesures chronobiologiques

Pour améliorer l’ajustement des rythmes circadiens auxconditions extrêmes, le sommeil et les performances desspationautes, des stratégies ont été proposées. Avant ledépart, un décalage progressif de cycle veille/sommeil aété étudié en laboratoire. Un retard de deux heures del’heure de coucher pendant neuf jours n’est pas satisfai-sant car l’ajustement des rythmes circadiens aux nouveauxhoraires n’est pas parfait et il conduit à des troubles du som-meil et une diminution du niveau subjectif de la vigilance[36]. En revanche, toujours avant le départ, une avancede 30 minutes de l’heure du coucher pendant 12 jours per-met un meilleur ajustement des rythmes circadiens auxnouveaux horaires, ce qui conduit à un sommeil et une vigi-lance subjective meilleurs [37]. Une autre stratégie seraitd’augmenter l’ambiance lumineuse des navettes ou de lastation spatiale. En effet, deux expositions de 45 minutesde lumière de forte intensité (10 000 lux), quelques heuresavant le coucher s’avèrent efficaces puisqu’elles per-mettent de maintenir synchronisé le système circadien avecle cycle veille-sommeil en maintenant une qualité opti-male de sommeil et de performances cognitives [31]. Desrecherches sont aussi axées sur l’utilisation de la lumièrebleue dans l’Espace.

Conclusion

Cette revue montre que de nombreux facteurs peuventretentir sur la quantité et la qualité de sommeil au coursdes vols spatiaux. Les effets de la microgravité per se restentmal connus. Des études supplémentaires sont probablementnécessaires pour réellement évaluer les conséquences surles performances notamment lors des vols de longue durée.Les études sol permettent de mieux appréhender les effetsde décalage de phase et de mettre au point d’éventuellescontremesures.

Références

[1] Santy PA, Kapanka H, Davis JR, Stewart DF. Analysis of sleep onShuttle missions. Aviat Space Environ Med 1988;59:1094—7.

[2] Pavy Le-Traon A, Roussel B. Sleep in space. Acta Astronaut1993;29:945—50.

[3] Gundel A, Polyakov V, Zulley J. The alteration of humansleep and circadian rhythms during spaceflight. J Sleep Res1997;6:1—8.

[4] Fuglesang C, Narici L, Picozza P, Sannita WG. Phosphenes in lowearth orbit: survey responses from 59 astronauts. Aviat SpaceEnviron Med 2006;77:449—52.

[5] Pavy-Le Traon A, Heer M, Narici MV, et al. From space to Earth:advances in human physiology from 20 years of bed rest studies(1986—2006). Eur J Appl Physiol 2007;101:143—94.

[6] Tobler I, Borbély AA. European isolation and confine-ment study. Twenty-four hour rhythm of rest/activity andsleep/wakefulness: comparison of subjective and objectivemeasures. Adv Space Biol Med 1993;3:163—83.

[7] Yoneyama S, Hashimoto S, Honma K. Seasonal changesof human circadian rhythms in Antarctica. Am J Physiol1999;277:1091—7.

[8] Palinkas LA, Suedfeld P. Psychological effects of polar expedi-tions. Lancet 2008;371:153—63.

[

13

[9] Adey WR, Kado RT, Walter DO. Computer analysis of EEG datafrom Gemini flight GT-7. Aerosp Med 1967;38:345—59.

10] Berry CA. Summary of medical experience in theApollo 7 through 11 manned spaceflights. Aerosp Med1970;41:500—19.

11] Frost Jr JD, Shumate WH, Salamy JG, Booher CR. Sleep moni-toring: the second manned Skylab mission. Aviat Space EnvironMed 1976;47:372—82.

12] Putcha L, Berens KL, Marshburn TH, et al. Pharmaceutical useby US astronauts on space shuttle missions. Aviat Space EnvironMed 1999;70:705—8.

13] Graeber RC. Sleep in Space. In: Actes du 27e séminaire du GRDde l’OTAN (Edited by Roussel and Jouvet). Lyon: ACEML; 1988[pp. 59—69].

14] Litsov AN. Sleep and wakefulness rhythms in the crews of Soiuz3-9 spaceships before, during and after space flight. Izv AkadNauk SSSR Biol 1972;6:836—45.

15] Litsov AN, Bulyko VI. Principles of organizing efficient work andrest regimens for crews on prolonged space flights. Kosm BiolAviakosm Med 1983;17:9—12.

16] Litsov AN, Shevchenko VF. Psychophysiological characteristicsof the organization and regulation of the daily work-rest cyclesfor the crew on a prolonged space flight. Kosm Biol AviakosmMed 1985;19:12—6.

17] Monk TH, Buysse DJ, Billy BD, et al. Sleep and circadianrhythms in four orbiting astronauts. J Biol Rhythms 1998;13:188—201.

18] Dijk DJ, Neri DF, Wyatt JK, et al. Sleep, performance, circadianrhythms, and light-dark cycles during two space shuttle flights.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2001;281:1647—64.

19] Van Dongen HP, Maislin G, Mullington JM, Dinges DF. Thecumulative cost of additional wakefulness: dose-responseeffects on neurobehavioral functions and sleep physiology fromchronic sleep restriction and total sleep deprivation. Sleep2003;26:117—26.

20] Winstead CL. Rhythmic disruption in crew adjustment and per-formance in long duration Space mission. Doc NASA T 1082K1989.

21] Cowings PS, Toscano WB, DeRoshia C, Miller NE. Promethazineas a motion sickness treatment: impact on human performanceand mood states. Aviat Space Environ Med 2000;71:1013—22.

22] Elliott AR, Shea SA, Dijk DJ, et al. Microgravity reduces sleep-disordered breathing in humans. Am J Respir Crit Care Med2001;164:478—85.

23] Takasaki Y, Kamio K, Okamoto M, et al. Changes in diaphrag-matic EMG activity during sleep in space. Am Rev Respir Dis1993;148:612—7.

24] Pompeiano M, d’Ascanio P, Centini C, et al. Short-term (Fos)and long-term (FRA) protein expression in rat locus coeruleusneurons during the neurolab mission: contribution of alteredgravitational fields, stress, and other factors. Neuroscience2002;115:111—23.

25] Fuller CA, Hoban-Higgins TM, Griffin DW, Murakami DM.Influence of gravity on the circadian timing system. Adv SpaceRes 1994;14:399—408.

26] Kraft NO, Inoue N, Mizuno K, et al. Psychological changes andgroup dynamics during confinement in an isolated environ-ment. Aviat Space Environ Med 2002;73:85—90.

27] Chaumet G, Taillard J, Sagaspe P, et al. Confinement and sleepdeprivation effects on propensity to take risks. Aviat SpaceEnviron Med 2009;80:73—80.

28] Dijk DJ, Czeisler CA. Contribution of the circadian pacemakerand the sleep homeostat to sleep propensity, sleep structure,
electroencephalographic slow waves, and sleep spindle activityin humans. J Neurosci 1995;15:3526—38.
29] Monk TH, Buysse DJ, Billy BD, et al. The effects on human sleepand circadian rhythms of 17 days of continuous bedrest in theabsence of daylight. Sleep 1997;20:858—64.

1

[

[

[

[

[

[

[

4

30] Hughes RJ, Badia P. Sleep-promoting and hypothermic effectsof daytime melatonin administration in humans. Sleep1997;20:124—31.

31] Gronfier C, Wright Jr KP, Kronauer RE, Czeisler CA.Entrainment of the human circadian pacemaker to longer-than-24-hour days. Proc Natl Acad Sci U S A 2007;104:9081—6.

32] Wright Jr KP, Hughes RJ, Kronauer RE, et al. Intrinsic near-24-hour pacemaker period determines limits of circadian
entrainment to a weak synchronizer in humans. Proc Natl AcadSci U S A 2001;98:14027—32.
33] Kennaway DJ, Van Dorp CF. Free-running rhythms of melatonin,cortisol, electrolytes, and sleep in humans in Antarctica. Am JPhysiol 1991;260:1137—44.

[


34] Gander PH, Macdonald JA, Montgomery JC, Paulin MG. Adapta-tion of sleep and circadian rhythms to the Antarctic summer:a question of zeitgeber strength. Aviat Space Environ Med1991;62:1019—25.

35] Francis G, Bishop L, Luke C, et al. Sleep during the Antarc-tic winter: preliminary observations on changing the spectralcomposition of artificial light. J Sleep Res 2008;17:354—60.

36] Monk TH, Buysse DJ, Billy BD, DeGrazia JM. Using nine 2-hour delays to achieve a 6-hour advance disrupts sleep,
alertness, and circadian rhythm. Aviat Space Environ Med2004;75:1049—57.
37] Monk TH, Buysse DJ, Billy BD. Using daily 30-minute phaseadvances to achieve a 6-hour advance: circadian rhythm, sleep,and alertness. Aviat Space Environ Med 2006;77:677—86.

sommeil et vols spatiaux

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