Une autre composante dédiée au temps dans le cerveau ressemble davantage à un chronomètre qu’à une horloge. Au lieu de donner une référence temporelle absolue comme une horloge, ce « chronomètre mental » nous permet d’estimer le temps qui s’écoule à partir d’un événement donné. Par exemple, quand un feu de circulation passe au jaune, nous déciderons de continuer ou pas en fonction du temps écoulé depuis le passage au jaune.

Ce chronomètre interne qui nous permet d’avoir conscience du temps qui s’écoule mettrait en jeu le cortex, le thalamus, ainsi qu’une structure dont le rôle serait central dans ce calcul : le striatum des ganglions de la base.

Comment cette boucle de rétroaction complexe peut-elle subir l’influence lumineuse nécessaire à sa synchronisation avec le cycle jour / nuit ? La question a fait couler beaucoup d’encre, en particulier en ce qui concerne le type de photopigment permettant aux mammifères de remettre quotidiennement en phase leur horloge biologique avec la lumière du jour. Le débat qui a cours depuis le début des années 2000 oppose les tenants de la mélanopsine et ceux du cryptochrome comme premier maillon pour assurer cette conversion de l’énergie lumineuse en signal électrique. Et comme souvent quand il y a des batailles de clocher en science, les deux camps disposent de données qui semblent prouver leur dire. C’est d’ailleurs ce qui fait la beauté de ce débat.

Les cryptochromes ont d’abord été mis en évidence dans les cellules végétales. Les protéines CRY1 et CRY2 y déclenchent la croissance des plantes en réponse à la lumière bleu et ultraviolette du spectre lumineux (voir capsule outil à gauche).  On a ensuite démontré que le cryptochrome était aussi un élément clé de la boucle de rétroaction de l’horloge biologique des mammifères. Chez la drosophile, il agit comme un pigment photosensible capable de réinitialiser l’horloge biologique de la mouche. C’est donc cette protéine qui rend possible l’adaptation du cycle circadien lors d’expériences reproduisant les effets du décalage horaire chez la mouche.

Structure hypothétique de la protéine Cryptochrome. Source: The Zhong group, Ohio State University

Or pour certains chercheurs, le cryptochrome des mammifères a définitivement perdu cette fonction photoréceptrice encore présente chez la mouche et est devenu qu’un simple rouage de l’horloge biologique dont l’activité ne dépend plus de la lumière. Cette conception est appuyée par les expériences montrant que la mouche privée de toutes ses opsines et de son cryptochrome ne synchronise plus son cycle circadien, alors qu’une souris privée de ses cônes, de ses bâtonnets et de ses cryptochromes conserve une réponse résiduelle à la lumière.

Car d’autres observations appuient un rôle du cryptochrome pour la photoréception. Par exemple, les souris sans cônes, sans bâtonnets et sans cryptochrome montrent une sensibilité de la réponse pupillaire 20 fois moindre pour la lumière bleue que les souris sans cônes et sans bâtonnets seulement. Ou encore, en privant la souris de toute source de vitamine A, on empêche la formation de la rétinaldéhyde, le cofacteur essentiel à toutes les opsines. Or, bien que ces animaux soient aveugles et montre une réduction de la réponse pupillaire de l’ordre de 10 000 fois, leur transmission aux noyaux suprachiasmatiques du signal lumineux semble peu affectée.

Contrairement aux résultats obtenus avec des souris possédant des gènes de l’opsine rendus inactifs et n’ayant aucune réponse à la lumière, les expériences avec des souris carencées en vitamine A semblent paradoxalement montrer qu’il persiste une forme de phototransduction. Celle-ci pourrait donc être attribuable aux cryptochromes, avancent certains chercheurs.  

Un nouveau modèle où les cryptochromes et la mélanopsine travailleraient en coopération pour générer le signal rétinohypothalamique sera donc peut-être nécessaire pour réconcilier ces résultats apparemment contradictoires. Mais il faudra sans doute attendre d’en savoir plus, en particulier sur la cascade de réactions biochimiques impliquant les cryptochromes.