Neurosciences/La thermorégulation

Le corps humain a une température relativement constante, aux alentours de 37°c, à quelques degrés près. Ce n'est que dans des situations pathologiques et/ou particulières que la température dépasse sa valeur normale : on n'a pas de fièvre sans raison. Ce fait trahit quelque chose de plus fondamental : le contrôle de la température corporelle est d'une importance capitale pour la survie. La raison principale est que les multiples réactions chimiques qui permettent à notre corps de fonctionner n'ont lieu efficacement que dans un intervalle de température bien précis. En dehors de cet intervalle, ces réactions chimiques sont soit trop lentes, soit n'ont tout simplement pas lieu. De plus, la forme des protéines dépend fortement de la température, une température trop faible ou trop forte dénature les protéines ou les empêche de fonctionner. Le métabolisme demande donc que la température soit finement contrôlée pour rester dans cet intervalle. La thermorégulation fait partie des fonctions dites végétatives, à savoir des fonctions importantes pour la survie qui sont commandées par des "réflexes" primordiaux. Outre la thermorégulation, on pourrait citer comme autre fonction végétative, le rythme cardiaque, la respiration, la motilité gastro-intestinale, etc. Comme les processus précédents, la thermorégulation est pris en charge par le cerveau, et notamment l'hypothalamus. Nous allons détailler ce processus de contrôle dans ce chapitre.

Les mécanismes de la thermorégulation

Illustration stylisée de la différence entre un endotherme et un ectotherme.

Comme dit plus haut, la température corporelle d'un humain reste plus ou moins constante, proche de 37°c. Cependant, tous les animaux n'ont pas une température corporelle constante. Ce détail nous permet de distinguer les animaux à sang chaud et à sang froid. Il faut cependant signaler que les appellations "à sang chaud/froid" sont assez trompeuses. En effet, le sang et le corps ne sont pas forcément froids chez les animaux à sang froid, et réciproquement. Par exemple, un serpent dans le désert a une température très chaud, la température interne s'adaptant à la température externe. De même, certains organismes à sang chaud peuvent cependant avoir une température corporelle basse en permanence.

Les animaux à sang chaud, aussi appelés homéothermes, gardent une température corporelle constante, ou tout du moins dans un intervalle de température très étroit. En comparaison, les animaux à sang froid, aussi appelés poïkilothermes, n'ont pas une température corporelle constante. Leur température peut varier dans des proportions assez importantes, de plusieurs dizaines de degrés. Les homéothermes vont contrôler leur température interne, histoire qu'elle reste proche d'une valeur "normale", appelée valeur de consigne. Les poïkilothermes ne vont pas tenter de contrôler leur température interne, bien que cela puisse arriver quand leur température chute ou augmente trop.

L'homéothermie et la poïkilothermie ont chacun des avantages et des inconvénients. Le désavantage principal de la poïkilothermie est que le métabolisme doit s’accommoder de températures variables, l'animal devant continuer de fonctionner quel que soit la température. Pour cela, divers mécanismes métaboliques sont utilisés par les poïkilothermes, chacun s'activant selon la température. Par exemple, un poïkilotherme va utiliser des mécanismes différents pour produire de l'ATP, selon la température : l'un s'activera à basse température, l'autre pour des températures moyennes, d'autres pour de fortes températures. Cela fait que l'animal doit produire une grande quantité d'enzymes pour catalyser ces nombreuses voies métaboliques. Le nombre de gènes qui codent ces enzymes est donc plus important que pour un homéotherme, qui n'a pas ce problème. Ce dernier peut se contenter de quelques enzymes, qui fonctionnent dans un intervalle de température restreint, ce qui simplifie fortement son fonctionnement métabolique et sa génétique. Mais ces avantages sont accompagnés d'inconvénients, l'homéotherme devant disposer de mécanismes pour garder sa température constante. Pour cela, il doit soit produire de la chaleur, soit disposer de mécanismes comportementaux pour la conserver. Pour comprendre comment un animal contrôle sa température interne, on doit comprendre comment cette chaleur est produite et comment elle est perdue par l'animal. Nous allons d'abord voir la production de chaleur, avant de passer aux échanges thermiques.

La production de chaleur interne

Les animaux à sang froid et sang chaud ne sont pas à confondre avec la nature de la production de chaleur. Il est facile de croire que les animaux à sang chaud produisent leur propre chaleur, mais pas les animaux à sang froid. En réalité, il faut faire une seconde distinction, entre les animaux qui produisent leur chaleur par des mécanismes internes, et ceux qui se contentent d'absorber la chaleur de l'environnement. On parle respectivement d'animaux endothermes et ectothermes. L'origine de la chaleur d'un animal est donc interne pour les endotherme et externe (de l'environnement) pour les ectothermes. La production de chaleur est donc le fait de réactions chimiques internes à l’animal, sur lesquelles nous n'allons par nous appesantir. Tout juste peut-on dire que certains hormones vont jouer on rôle dans la production de chaleur, les hormones thyroïdiennes étant les plus importantes. De même, certains neurotransmetteurs favorisent la production de chaleur, comme la noradrénaline.

Endothermie et ectothermie

Les endothermes sont le plus souvent des homéothermes, ce qui est logique : pour garder une température interne constante, il faut être capable d'en produire pour compenser un environnement trop froid. Inversement, les ectothermes sont souvent à sang froid : si l'animal ne produit pas de chaleur, sa température interne va naturellement varier avec la température externe. Par abus de langage, les animaux à sang chaud désignent des animaux à la fois endothermes et homéothermes, alors que les animaux à sang froid sont à la fois ectothermes et poïkilothermes. Cependant, il existe quelques exceptions, des animaux qui ne sont pas à sang froid ou à sang chaud. Par exemple, certains animaux à sang froid produisent leur propre chaleur. Dans le détail, on peut ranger ces exceptions dans quelques grands types : les animaux endothermes et poïkilothermes, les animaux ectothermes et homéothermes, et une dernière catégorie plus complexe. Les animaux qui sont à la fois endothermes et poïkilothermes sont appelés des hétérothermes. Pour simplifier, ce sont des animaux qui tolèrent des variations de température interne assez importante, mais qui produisent de la chaleur quand leur température baisse trop. Les animaux ectothermes qui sont aussi homéothermes sont dénommés sous le nom d'exothermes. Ces derniers gardent leur température constante en se déplaçant dans des zones à la température ambiante adéquate. Ils vont par exemple se mettre au soleil pour se réchauffer ou se mettre à l'ombre pour refroidir. Certains lézards sont dans cette catégorie. Le nom exo-therme traduit bien le fait que ces animaux utilisent la chaleur de l'environnement (exo pour environnement, therme pour température). Certains animaux ectothermes utilisent enfin une dernière technique : ils ralentissent leur métabolisme quand la température chute trop. Ceux-ci se mettent en stase quand le froid devient trop mordant et cessent toute réaction chimique tant que la température ne revient pas à un niveau acceptable. On parle alors de bradymétabolisme. Un bon exemple, assez connu, est certainement celui du tardigrade, un petit animal qui peut rester en stase durant des siècles, mais se réveille si les conditions extérieures reviennent à la normale.

	Homéotherme	Poïkilotherme
Endotherme	Sang chaud	Hétérotherme
Ectotherme	Exotherme ou bradymétabolisme	Sang froid

Mécanismes de production de chaleur

La chaleur d'un animal peut avoir diverses sources, mais toutes se basent sur un principe identique pour produire de la chaleur : toutes utilisent des réactions chimiques qui produisent de la chaleur. Ces réactions chimiques font partie intégrante du métabolisme de l'animal, et font toutes intervenir une molécule appelée ATP. Le mécanisme de production de chaleur le plus simple est de loin le frisson, à savoir une série de tremblements musculaires rapides. Lorsque l’animal frissonne, il va consommer des molécules d'ATP pour alimenter le tremblements. Ce faisant, de l'énergie chimique est transformée en énergie cinétique. Une partie de cette énergie cinétique musculaire est elle-même perdue sous forme de chaleur, ce qui réchauffe quelque peu l'animal. Mais ce mécanisme n'est pas vraiment efficace, ce qui fait qu'il a été complémenté par d'autres mécanismes.

Adipocytes.

Un mécanisme plus efficace n'est autre que le "brûlage des graisses" ! Les animaux contiennent souvent des tissus spécialement destinés au stockage de la graisse. Ce tissu adipeux contient des cellules, les adipocytes, qui stockent de grandes quantités de graisses dans une poche localisée dans leur cytoplasme. Ces cellules contiennent tellement de graisses que le reste de la cellule est une portion particulièrement petite face à la poche de graisses, le noyau étant écrasé sur les parois de la cellule. Ces cellules se classent en deux types : les adipocytes bruns et blancs. Les premiers brûlent la graisse pour produire de la chaleur, alors que les second stockent les graisses pour une utilisation future. La production de chaleur à partir de graisses se base sur toute une série de réactions chimiques assez compliquées faisant intervenir de l'ATP, que nous n'aborderons pas ici. Mais on peut cependant signaler que les adipocytes sont sensibles à divers hormones, comme les hormones thyroïdiennes ou la noradrénaline. Ces hormones vont stimuler la production d'énergie, et donc de chaleur. Il y a donc une part hormonale dans la thermorégulation.

Les échanges thermiques

Pour ce qui est des échanges de chaleur avec l'environnement, tout animal peut être vu comme une sorte de boite noire avec une température homogène. La chaleur est échangée à travers la peau, via divers mécanismes que nous allons voir maintenant. D'un point de vue physique, le transfert de chaleur à travers une surface peut se faire par quatre processus : la conduction, la convection, le rayonnement et l'évaporation. La conduction est simplement le fait que la chaleur se transmet à travers les surfaces solides, elle se propage de proche en proche, du chaud vers le froid. Cette transmission se fait sans déplacement de matière, sans que les atomes ne se déplacent réellement. Tel n'est pas le cas avec la convection : cette fois, le transfert de chaleur implique un transfert de matière. Avec la convection, c'est de la matière chaude qui transporte sa chaleur jusqu’à sa destination. Enfin, le rayonnement est le fait que tout corps chaud émet du rayonnement, un rayonnement de corps noir pour être précis. Ce rayonnement emporte avec lui une partie de la chaleur de l'émetteur, ce qui le refroidit quelque peu. Pour la plupart des animaux, si ce n'est la totalité, ce rayonnement est un rayonnement infrarouge. C'est ce qui explique le fonctionnement des caméras thermiques. Pour résumer, tout transfert de chaleur devra exploiter l'un de ces quatre phénomènes. Les animaux utilisent divers stratégies pour contrôler leur température internes. Toutes tentent de maîtriser les fuites de chaleur ou les apports caloriques. Ces stratégies modifient le fonctionnement des quatre phénomènes vus plus haut. Voyons-les en détail.

La conduction

La conduction permet à la chaleur, produite dans le corps, de s'évacuer par la peau. Un bon moyen de conserver la température interne est donc de limiter l'évacuation de la chaleur par la peau. Ce principe est assez simple en apparence, mais il est très puissant. Il faut dire que la chaleur est produite au niveau des organes internes : dans le foie, dans les poumons, au niveau du cœur, du tube digestif, etc. Cette chaleur va réchauffer les portions internes du corps, qui forment une sorte de noyau central. Ce noyau central est entouré par des tissus qui produisent peu de chaleur et qui sont chauffés par le noyau : l'ensemble est appelé l'écorce. Techniquement, plus la peau est chaude par rapport à l'extérieur, plus le transfert de chaleur sera important. Dans une ambiance froide, la peau sera beaucoup plus chaude que l'extérieur : la fuite de chaleur sera importante. L'écorce va donc se refroidir progressivement, alors que le noyau restera plus ou moins à la même température (du fait de la production calorique). Dans une ambiance chaude, la fuite de chaleur sera plus lente, le gradient de température étant plus faible. Ce faisant, l'écorce restera relativement chaude, à une température proche du noyau.

La convection

Le premier mécanisme de thermorégulation fait intervenir les vaisseaux sanguins. Le sang est en effet un fluide caloporteur, à savoir qu'il transporte la chaleur des régions froides vers les régions chaudes. Or, la production de chaleur a surtout lieu au niveau des organes internes, à l'intérieur du corps. Le système circulatoire permet ainsi de répartir la chaleur dans l'ensemble du corps, il homogénéise la température corporelle.

Il va de soit que plus le débit sanguin est fort, plus le transfert de chaleur sera important. Et le cerveau peut réguler la pression sanguine et le débit sanguin par divers réflexes. Le principal est la régulation du diamètre des vaisseaux sanguins. Les vaisseaux sanguins peuvent en effet se contracter ou se dilater et le cerveau commande cette constriction/dilatation. Plus les vaisseaux se dilatent, plus le débit sanguin est important et plus la chaleur circule facilement. Inversement, plus les vaisseaux sont contractés, plus le sang circule lentement et plus la chaleur stagnent là où elle est. Pour conserver la chaleur corporelle, le cerveau contracte les vaisseaux sanguins dans l'écorce, afin de faire refluer le sang vers le centre du corps. Inversement, si le corps doit évacuer de la chaleur en excès, il dilate les vaisseaux sanguins périphériques pour que la chaleur se répande dans l'écorce et s'évacue.

Thermorégulation par vasodilatation/vasoconstriction.

À ce titre, la circulation du sang dans la peau est un mécanisme efficace pour évacuer la chaleur vers l'extérieur. La chaleur transportée par le sang va se répartir dans la peau, qui se refroidit au contact de l'air. Plus le débit sanguin est fort, plus la déperdition de chaleur dans la peau sera forte. Certains réflexes permettent de contrôler la déperdition thermique en jouant sur le débit sanguin. Si on réduit le débit sanguin dans la peau, la chaleur est conservée et reflue vers le noyau. À l'opposée, une augmentation du débit sanguin permet d'augmenter la déperdition thermique et donc de refroidir plus efficacement le corps. Vasoconstriction et vasodilatation sont donc deux mécanismes de refroidissement et de réchauffement efficaces.

Thermorégulation par vasoconstriction ou vasodilatation.

L'évaporation

L'évaporation est un bon moyen pour libérer de la chaleur. Sur les animaux, ce mécanisme est ce qui fait que la transpiration fonctionne. Les mammifères, tout du moins en majorité, disposent de glandes sudoripares qui secrètent de la transpiration quand la chaleur est trop importante. L'eau transpirée s'évapore au contact de l'air chaud, ce qui dissipe de la chaleur. Pour l'anecdote, vous savez peut-être déjà que les chiens ne transpirent pas. À la place, ils halètent : c'est l'eau de leur langue qui s'évapore et dissipe ainsi la chaleur.

Le rayonnement

Les pertes par rayonnement ne sont pas contrôlables par le moindre phénomène physiologique. On ne peut donc pas empêcher un animal de perdre de la chaleur par rayonnement. Cependant, l'apport de chaleur par rayonnement peut être contrôlé : il suffit de se mettre à l'ombre. Les vacanciers sont les premiers à connaître cette astuce : beaucoup se mettent à l'ombre quand le soleil tape trop. Fait intéressant, certains animaux font de même : ils se mettent au soleil pour se réchauffer et à l'ombre pour refroidir. Par exemple, les lézards ont tendance à se mettre au soleil pour se réchauffer (on rappelle que ce sont des animaux à sang froid). Généralement, les lézards s'exposent au soleil le matin et dans la soirée. C'est en effet lors de ces périodes que le soleil tape suffisamment pour les réchauffer, mais pas trop pour éviter de les cuire sur place. À midi, quand le soleil est à son maximum, les lézards se mettent à l'ombre pour éviter à leur température de trop monter.

Thermoregulation chez les lézards.

L'hypothalamus et la thermorégulation

Contrôle hypothalamique de la température corporelle.

La thermorégulation est le fait du système nerveux central, contrairement à ce qu'on pourrait croire intuitivement. Comme tout contrôle nerveux, celui-ci demande que le cerveau puisse connaître à tout moment la température. Divers thermorécepteurs permettent de mesurer plus ou moins précisément la température corporelle. La plupart d'entre eux sont localisés dans la peau, et permettent de capter les sensations de chaud et de froid sur la peau. Mais d'autres thermorécepteurs sont internes, situés dans le corps. On trouve notamment des thermorécepteurs centraux, situées dans la moelle épinière, près de l'hypothalamus, ou dans des zone cérébrales diverses. Ces thermorécepteurs envoient leurs informations au système nerveux, dans un centre thermorégulateur. Celui-ci active alors divers mécanismes qui permettent de contrôler la sudation, le frisson, la production de chaleur et la vasoconstriction/vasodilatation.

Le noyau paraventriculaire

Le centre intégrateur est localisé dans l'hypothalamus, plus précisément dans le noyau paraventriculaire. Ce noyau compare la température mesurée à une valeur de consigne qui représente la température désirée. Cette comparaison n'est cependant pas précise au centième de degré près : elle accepte une tolérance d'environ 1 degré Celsius. Si la température est plus grande que la consigne, le noyau paraventriculaire favorise la déperdition de chaleur : il stimule la sudation, dilate les vaisseaux sanguins et limite la production de chaleur. Dans le cas contraire, si la température est plus basse que la consigne, il fait frissonner, stimule la production de chaleur et contracte les vaisseaux sanguins.

Il faut préciser que certains circonstances permettent de changer la température de consigne. C'est le cas lors d'une infection, ce qui explique la fièvre. En raison de l'infection, l'organisme libère dans le sang des hormones comme les prostaglandines qui vont agir sur l'hypothalamus. Elles vont modifier la valeur de consigne pour l'augmenter quelque peu : l'organisme devient donc fiévreux. L'hypothalamus contrôle parfaitement la production de chaleur et la température corporelle, mais décide que celle-ci doit être augmentée. La fièvre est donc un mécanisme différent du coup de chaleur ou de l'hydrocution. Dans ces deux cas, la valeur de consigne reste la même, mais l'organisme ne peut pas évacuer suffisamment de chaleur. La température monte donc, sans que le corps puisse y faire grand chose : l'hypothalamus ne contrôle plus la température corporelle.

Les motoneurones effecteurs

L'hypothalamus commande directement des motoneurones qui commandent les processus thermorégulateurs. Par exemple, il commande les motoneurones des muscles impliqués dans le frisson. Cela lui permet de faire frissonner ces muscles par une commande directe. Il commande aussi les motoneurones qui entourent les vaisseaux sanguins, ceux responsables de la vasoconstriction/vasodilatation. Les glandes sudoripares sont elles aussi sous le contrôle de motoneurones qui appartiennent au système nerveux sympathique, de même que la graisse brune l'est. Bref, tous les processus de thermorégulation sont commandés par des motoneurones. Ceux-ci appartiennent au système nerveux sympathique, à l'exception des motoneurones du frisson qui font partie du système nerveux somatique.

Anatomie de la thermorégulation

La fièvre (pyrexie) et les troubles de la thermorégulation

La fièvre signifie souvent que le corps lutte contre une infection, la fièvre servant de mécanisme de défense, mais elle peut aussi avoir d'autres origines. Précisons qu'il faut faire la distinction entre la fièvre et l'hyperthermie. Avec l’hyperthermie, le corps tente par tous les moyens de conserver une température normale, mais n'y arrive pas. Par contre, avec la fièvre, la valeur de consigne de l'hypothalamus est augmentée, sous l'effet de substances chimiques circulant dans le sang (prostaglandines, autres).

La fièvre d'origine infectieuse

Autrefois, on pensait que la fièvre avait un mécanisme très simple. Les cellules immunitaires relâchent des cytokines (des "hormones immunitaires") dans le sang, celles-ci atteignent le cerveau, qui réagit en déclenchant une fièvre. L'action des cytokines sur le cerveau n'est pas directe, dans le sens où elles n'agissent pas sur l'hypothalamus directement, mais sur d'autres aires cérébrales qui, elles, agissent sur l'hypothalamus. Les cytokines agissent se fait au niveau d'organes circumventriculaires, qui sont des aires cérébrales non-protégées par la barrière hémato-encéphalique, auxquelles le sang a un accès direct. Pour la fièvre, l'organe circumventriculaire était supposé être l'organum vasculosum laminae terminalis (OVLT). Les cytokines agissent sur cet OVLT et y activent une cascade de réactions chimiques qui augmente la synthèse de prostaglandines E2. Les prostaglandines se propagent dans le cerveau, jusqu’à atteindre les neurones hypothalamiques du noyau pré-optique médian, dont la membrane contient des récepteurs aux prostaglandines de type 3. L'action de ces récepteurs est inhibitrice, ce qui a pour effet d'augmenter la température de consigne. Les neurones de ce noyau agissent indirectement sur le tissu adipeux et les vaisseaux sanguins (vasoconstriction), par le biais du système nerveux autonome.

De nos jours, la théorie du paragraphe précédent est quelque peu modifiée, le tableau étant bien plus complexe que prévu. Déjà, divers mécanismes, impliquant le céramide et d'autres cytokines, induisent la production de prostaglandines E2 dans l'espace périvasculaire et les cellules endothéliales cérébrales. Ensuite, ce mécanisme n'est qu'une étape dans la production de la fièvre. Dans les faits, la fièvre se produit en deux temps : un commandé par le foie, et l'autre décrit ci-dessus (production de prostaglandine intracérébrale). La première étape est gouvernée par la production de prostaglandine par le foie. La prostaglandine traverse la barrière hémato-encéphalique et agit directement sur les noyaux hypothalamiques qui gèrent la fièvre. De plus, les prostaglandines agissent sur des récepteurs dans le corps, qui stimulent des voies ascendantes vers le noyau solitaire, qui lui-même stimule les noyaux hypothalamiques. L'effet intracérébral des cytokines vient après cette première vague.

Mécanismes de la fièvre.

Les fièvres d'origine traumatique ou toxique

Les situations où la température corporelle augmente rapidement peuvent aussi survenir en dehors de tout épisode infectieux : la prise de certains médicaments, un dysfonctionnement cérébral, ou autre.

Un cas classique est la fièvre qui fait suite à un traumatisme crânien, un AVC, une hémorragie, ou tout autre dysfonctionnement cérébral. Son occurrence est généralement un très mauvais signe pour le patient, qui a de fortes chance de mourir ou d'avoir de graves séquelles neurologiques. Ses causes sont multiples et la plus facile à comprendre est un dysfonctionnement lésionnel/traumatique des noyaux thermorégulateurs. Mais on peut aussi citer les altérations métaboliques liées à l'ischémie ou au traumatisme. Tout traumatisme cérébral entraîne une inflammation intracérébrale, qui entraîne elle-même la production de cytokines intracérébrales. Si ces cytokines sont produites en trop grandes quantités, l'hypothalamus réagit au point de créer une fièvre assez importante.

Un autre cas de fièvre non-liée à une infection est celle induite par les médicaments. On sait que certains médicaments favorisent la production de cytokines, ce qui peut induire de la fièvre. Notons que les médicaments qui luttent contre la fièvre, les antipyrétiques, agissent sur la production de prostaglandine. D'autres médicaments inducteurs de fièvres sont des médicaments qui agissent indirectement sur l'hypothalamus, mais ils sont rares.

Les troubles de la thermorégulation : hyperthermie et hypothermie

Il est évident que la thermorégulation n'est pas toute puissante et qu'ils peuvent être dépassés. Un trop grand froid une trop forte chaleur est une épreuve que le corps peut ne pas supporter. Dans ce cas, la température augmente ou diminue, sans pour autant que la thermorégulation soit perturbée. Si la température est supérieure à la normale suite à une trop forte chaleur, on parle d'hyperthermie ou fièvre. Ses causes sont une accumulation de chaleur externe, comme lors d'un coup de chaleur ou d'une hydrocution, rarement de troubles de la transpiration. Pour une température trop faible induite par un grand froid, on parle d'hypothermie.

Une température trop élevée peut avoir des conséquences très graves, pouvant aller jusqu'à la mort. Le corps ne tolère pas de températures trop élevées. Les protéines qui constituent le corps se dégradent définitivement quand elles sont soumises à une trop forte température, notamment les protéines cérébrales. Au-delà de 41°c, des crises d'épilepsie surviennent et des dommages neurologiques définitifs peuvent survenir assez rapidement. Et l'hypothermie n'est pas en reste : une trop faible température entraîne rapidement une somnolence, pouvant aller jusqu’à une perte de conscience, puis un coma permanent. L'hypothermie signifie le trépas en dessous de 25°c si elle est prolongée.