13. La réponse au stress

Introduction au sujet

Dans ce chapitre, nous étudierons une réponse rapide qui permet de maintenir et de rétablir l’homéostasie et qui a lieu des milliers de fois durant la vie d’un individu. Nous aborderons la réponse au stress d’un point de vue physiologique et comportemental, c’est-à-dire les changements qu’on peut observer dans un individu qui fait face à un stress. Nous nous concentrerons sur la réponse au stress chez les vertébrés. Nous verrons qu’une des caractéristiques de la réponse au stress est qu’elle est non spécifique et conservée évolutivement. Nous verrons aussi les informations qui nous permettent de proposer que la réponse au stress est une adaptation. Nous allons voir ce qui se passe au niveau nerveux et hormonal pour créer les réponses physiologiques et comportementales qu’on observe lorsqu’un vertébré répond à un stress aigu. Nous allons disséquer le réseau de régulation physiologique de la réponse au stress, car c’est un très bon exemple d’une cascade hormonale qui cause des effets dans de nombreux tissus en même temps et qui est basée sur une boucle de rétrocontrôle négatif. Nous verrons comment la réponse au stress contribue à la charge allostatique d’un individu.

1. Le stress

La première chose à faire quand on parle de la réponse au stress est de bien définir de quoi on parle au juste. Lorsqu’on parle du « stress », qu’est-ce qui nous vient en tête? La définition la plus universelle du stress est « tout ce qui fait sortir l’organisme de l’état d’homéostasie ». Un facteur de stress peut être une variable environnementale abiotique comme la température. Ça peut aussi être un facteur physiologique, comme une mauvaise qualité ou une faible quantité de nourriture, un manque d’eau, un pathogène, etc. De plus, le stress peut provenir d’un facteur psychosocial comme son rang dans une hiérarchie de dominance, le fait d’avoir à combattre un conspécifique, ou de faire face à de la nouveauté.

Cette courte vidéo présente l’ensemble des sujets dont nous discuterons dans ce chapitre en utilisant les humains comme exemple. Vous pouvez la regarder avant de lire le chapitre et la revisionner après avoir appris toutes les notions sur la réponse au stress, pour comparer tout ce que vous avez compris la deuxième fois!

2. La réponse au stress

Nous avons maintenant une définition claire du stress. On peut ainsi définir la réponse au stress comme une série de réponses physiologiques et comportementales chez un individu qui aide à rétablir son homéostasie perturbée par un stresseur. Dans ce chapitre, nous nous concentrerons sur la réponse au stress des vertébrés.

Chez les vertébrés, face à un stress, l’organisme montre une réponse physiologique à très court terme, ce qui implique une dépense d’énergie très rapide qui doit éventuellement être compensée à moyen terme, en regarnissant les réserves grâce à différentes réponses physiologiques secondaires. Toutes ses réponses visent à rétablir l’homéostasie. En pratique, si on décrit la réponse au stress d’un mammifère en termes des effets physiologiques et neurologiques, on se rend compte que les effets sont les mêmes, peu importe la source du stress (figure 13.1). De plus, afin de rétablir l’homéostasie, les dépenses énergétiques sont dirigées vers certains compartiments alors que d’autres sont mis de côté, comme la croissance, l’immunité et la reproduction.

3. Les caractéristiques de la réponse de fuite ou d’attaque

Les changements physiologiques que l’on vient de décrire peuvent supporter deux types de réponses comportementales : c’est la réponse de fuite ou d’attaque proposée par Walter Cannon (« flight or fight »). Si on pense à un prédateur et sa proie, lequel des deux montre cette réponse au stress? La réponse est les deux (figure 13.2)! Cette réponse physiologique prépare aux deux options : fuir ou attaquer. La réponse au stress permet de survivre immédiatement (se sauver, se battre) et à moyen terme. Dans certains cas, la réponse au stress se caractérise par une troisième réponse comportementale : figer. Dans ce cas, l’animal reste en position immobile en réponse à un stresseur.

On observe que la réponse au stress a deux caractéristiques spécifiques : elle est non spécifique et conservée. On dit que la réponse au stress est non spécifique, car la source de stress n’affecte pas la réponse physiologique. Peu importe la source, qu’elle soit abiotique, biotique, sociale, et peu importe que la réponse soit d’attaquer ou de fuir, on verra la réponse illustrée à la figure 13.1. La deuxième caractéristique de la réponse au stress est qu’elle est conservée durant l’évolution chez les vertébrés. En effet, les changements physiologiques et comportementaux sont très similaires d’une espèce à l’autre et nous verrons que les hormones impliquées sont aussi similaires ou identiques entre les poissons, les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères.

4. Est-ce que la réponse au stress est une adaptation

La réponse au stress permet de rétablir l’homéostasie et ensuite de regarnir les réserves pour permettre la réponse immunitaire, la croissance et la reproduction. Est-ce à dire que la réponse au stress est une adaptation, c’est-à-dire un trait qui augmente le fitness? Nous venons de voir plusieurs caractéristiques de la réponse au stress qui supportent cette hypothèse : elle est très similaire dans de nombreuses espèces de vertébrés et elle permet d’agir très rapidement face à un défi en mobilisant plusieurs composantes de façon coordonnée, comme l’énergie disponible, l’activité du système nerveux, le système musculaire et le système respiratoire. Elle permet ainsi la survie face à un stress aigu pour permettre la reproduction plus tard.

En se basant sur ces observations, on peut émettre l’hypothèse que la capacité de répondre à un stress en enclenchant toute cette gamme de réponses physiologiques et comportementales est une adaptation. De cette hypothèse découle la prédiction que, face à un stresseur, un individu qui n’a pas de réponse au stress aura un moins bon fitness qu’un individu qui en a une. Notre prédiction nous donne déjà une bonne idée de notre design expérimental (figure 13.3). Nous devons comparer un groupe d’individus qui montrent une réponse au stress et un groupe d’individus qui n’en montrent pas, dans un environnement contenant un ou plusieurs stresseurs. On peut créer le groupe qui ne montre pas de réponse au stress en utilisant un antagoniste, comme une molécule qui bloque un récepteur impliqué dans le réseau de régulation de la réponse au stress (nous verrons quels sont ces acteurs moléculaires dans une prochaine section). La variable comparée entre ces deux groupes sera une mesure du fitness, comme la survie (figure 13.3). On pourrait aussi mesurer une forme de performance (par exemple, la vitesse de course durant la fuite face à un prédateur) et ensuite relier cette mesure de performance au fitness (la survie).

5. Les réseaux de régulation physiologique

On a vu que la réponse au stress est caractérisée par de nombreux changements dans les systèmes physiologiques (taux de ventilation, rythme cardiaque, activation du système nerveux et de la mémoire), ainsi qu’une redistribution de l’énergie vers la survie immédiate et non vers la reproduction, la croissance et l’immunité. Comment cette réponse coordonnée de différents niveaux de systèmes physiologiques et niveaux d’organisation biologique est-elle régulée? Qu’est-ce qui contrôle son enclenchement, son amplitude et sa durée? En résumé, la réponse est que la cascade de la réponse au stress est une suite de réponses hormonales qui mènent à des effets à court et à long terme. Prenons l’exemple de ce qui se passe au niveau hormonal chez nous les humains ou chez un autre vertébré :

1. le système sensoriel externe ou interne détecte un stresseur
2. le cerveau transforme ce signal externe en signal interne (hormonal)
3. le signal de l’hormone affecte les tissus qui expriment ses récepteurs
4. les fonctions des tissus sont affectées

Toute cette cascade s’appelle un réseau de régulation physiologique. On parle de réseau de régulation physiologique par similarité avec un réseau de régulation métabolique ou de gènes. Ici, un réseau physiologique est l’ensemble des glandes qui sécrètent des hormones qui à leur tour affectent une autre glande qui sécrète une autre hormone qui entraine des effets sur différents tissus et différents traits, dans le but de ramener l’homéostasie (figure 13.4)[5].

Des biologistes ont appelé ces réseaux les « chefs d’orchestre de la vie », car ils coordonnent des effets dans plusieurs tissus, qui se produisent de manière coordonnée, comme l’orchestre qui joue en harmonie. Cela ramène l’homéostasie et ultimement augmente le fitness. On voit bien que pour rétablir l’équilibre, c’est-à-dire l’homéostasie, il faut que plusieurs choses changent! La réponse au stress est un acteur central dans le processus de « changer pour rester stable ».

6. La régulation de la réponse au stress se fait en deux temps

On peut diviser la réponse au stress en deux branches distinctes de régulation qui entrainent une réponse en deux temps (figure 13.5). Ces deux branches sont composées du 1) système nerveux sympathique qui agit rapidement et du 2) système nerveux central. La réponse rapide découle de l’activation du système sympathique qui provoque une sécrétion de noradrénaline et d’adrénaline dans la circulation sanguine. La réponse secondaire lente est orchestrée par le système nerveux central et la cascade résultante mène, selon l’espèce, à la sécrétion de glucocorticoïdes tels que le cortisol ou la corticostérone.

6.1 Le système nerveux sympathique : effets immédiats

À la suite de la détection d’un stresseur, l’organisme enclenche la réponse au stress. Le premier signal va directement aux glandes surrénales par stimulation nerveuse. C’est la médullaire surrénale spécifiquement qui sécrète dans la circulation sanguine générale de l’adrénaline, qui agit sur tous les tissus qui ont des récepteurs pour l’adrénaline. Cette activation est donc très rapide. De nombreuses analyses fonctionnelles, telles que des manipulations, ont permis de déterminer les effets de cette hormone : le système cardiovasculaire et respiratoire sont activés, du glucose est remis en circulation à partir des muscles et du foie et le flux sanguin est redistribué vers les tissus essentiels alors que ce flux est diminué par vasoconstriction du système circulatoire irriguant vers des tissus non essentiels pour la survie immédiate (figure 13.5). L’idée de cette réponse au stress est même passée dans la culture populaire, puisqu’on parle de « dose d’adrénaline » par exemple en parlant d’un saut en parachute!

6.2 Le système nerveux central : effets plus lents et prolongés

On peut caractériser cette branche comme ayant trois sous-compartiments. On appelle d’ailleurs ce réseau de régulation l’axe hypothalamo-hypophysien-surrénalien. L’origine de ce réseau de régulation physiologique est l’hypothalamus, une région du cerveau. L’hypothalamus sécrète la corticolibérine, une hormone qui active la sécrétion d’autres hormones. Le deuxième compartiment est l’hypophyse, une glande endocrine connectée de très près au cerveau par un système sanguin spécialisé. Les cellules de cette glande contiennent des récepteurs pour la corticolibérine. L’action de la corticolibérine sur ces récepteurs entraine la sécrétion par l’hypophyse de la corticotropine. Cette hormone va dans la circulation sanguine générale et circule jusqu’aux glandes surrénales (« sur » veut dire « au-dessus » et « rénale » veut dire « rein »). Le cortex surrénal des glandes surrénales est le troisième sous-compartiment de la branche lente. Ce tissu sécrète les glucocorticoïdes (cortisol ou corticostérone) qui vont avoir un effet sur tous les tissus qui expriment les récepteurs de cette hormone. On connait plusieurs des fonctions de ces hormones glucocorticoïdes grâce à des analyses fonctionnelles : elles modifient le métabolisme et activent des cascades menant à une augmentation du glucose sanguin en remettant en circulation des réserves, tout en inhibant certaines fonctions couteuses énergétiquement comme l’immunité, la reproduction et la croissance. Elles activent des processus comme la mémoire. Éventuellement, elles ont aussi pour effet de regarnir les réserves énergétiques situées dans le foie et les tissus adipeux (figure 5).

En résumé, cette réponse coordonnée des deux branches vise à rétablir l’homéostasie en permettant de survivre puis de refaire des réserves pour survivre et se reproduire, ce qui est atteint par l’action conjointe de toutes ces hormones. On observe une augmentation de la disponibilité d’énergie, de l’apport en oxygène et des fonctions sensorielles et de la mémoire. On observe aussi une diminution de l’apport sanguin aux régions non utilisées pour le mouvement, de la perception de la douleur, ainsi que des processus énergétiquement couteux qui ne sont pas immédiatement reliés à la survie.

7. Importance des récepteurs dans les réseaux physiologiques

Les hormones de la réponse au stress affectent des tissus spécifiques, c’est-à-dire ceux qui expriment des récepteurs. Dans la figure 13.6, on voit que plus la concentration en hormone augmente sur l’axe des x, plus on va avoir de liaison avec un récepteur (axe des y), ce qui concrètement peut être traduit comme représentant un plus fort signal à la cellule. Cependant, on voit bien qu’on atteint un maximum de signal, qui est représenté par un plateau. Même si on augmente le niveau d’hormone en circulation, nous n’aurons pas un effet plus fort sur la cellule, et cela est dû au fait qu’il n’y a plus de récepteurs à lier. La courbe devient plate. On voit ce phénomène de plateau lorsque tous les récepteurs sont liés et qu’il y a saturation. Cela est très important, car ça veut dire que le nombre de récepteurs affecte la réponse cellulaire. S’il y a seulement un petit nombre de récepteurs sur un tissu et qu’ils sont tous liés, il y a saturation et le signal de l’hormone atteint un plateau à une basse concentration. Son signal ne peut pas être plus fort même si on ajoute plus d’hormone.

Le nombre de récepteurs joue donc un rôle biologique significatif dans le signal d’une hormone à un tissu donné. On peut dire que le nombre de récepteurs est aussi important que la quantité d’hormone. C’est un principe très important pour nous en écophysiologie, car le nombre de récepteurs d’un tissu pour une hormone donnée peut être affecté par l’environnement (plasticité phénotypique) et/ou durant l’évolution (divergence génétique).

8. Le fonctionnement des boucles de rétrocontrôle

La réponse au stress peut être mesurée comme le niveau de cortisol dans la circulation sanguine en fonction du temps (figure 13.7). Dans une réponse hormonale typique, la sécrétion se déclenche et le niveau de cortisol dans le sang augmente. Ce niveau atteint un maximum, puis la réponse se termine éventuellement lorsque les niveaux de cortisol reviennent à des valeurs de base. Le mécanisme qui fait que la réponse au stress se termine est basé sur le fait que le cortisol constitue aussi un message de cesser la production des hormones qui enclenchent la cascade, à la tête du réseau de régulation physiologique. Le cortisol active ses récepteurs dans une partie du cerveau qui contrôle le début de la cascade et cela a comme résultat d’inhiber sa propre sécrétion. C’est une boucle de rétrocontrôle négatif, car la quantité du produit affecte négativement sa propre production.

Le nombre de récepteurs affecte l’efficacité de la boucle de rétrocontrôle. Si on a un nombre élevé de récepteurs dans la région du cerveau qui enclenche l’activation du réseau de régulation physiologique de la réponse au stress, cette région reçoit un signal clair de cesser la réponse, car la quantité de cortisol est bien « mesurée » par l’activation des récepteurs et transformée en signal cellulaire. Si on a moins de récepteurs à cortisol dans l’hypothalamus, le signal de rétrocontrôle est moins efficace, car les récepteurs sont saturés. La réponse hormonale à un stress est prolongée car le rétrocontrôle négatif ne se fait pas correctement.

La réponse au stress peut donc varier en amplitude et en durée selon les individus ou les populations. Le fait que les individus varient dans leur réponse hormonale au stress est intéressant pour l’étude de la physiologie. On peut étudier si ces différences sont le résultat de la plasticité phénotypique, de l’environnement durant le début de la vie, ou au contraire sont le résultat de variation génétique, par exemple dans le nombre de récepteurs produits dans le cerveau, c’est-à-dire qu’il y a une haute héritabilité de la forme (amplitude et durée) de la réponse au stress.

9. La charge allostatique

La réponse au stress est impliquée dans les processus liés à l’allostasie. L’allostasie fait référence au processus actif de maintien ou de rétablissement de l’homéostasie via des changements temporaires dans l’organisme. Certains de ces changements sont modulés par les niveaux de glucocorticoïdes, par exemple en réponse aux variations saisonnières de la disponibilité des ressources et à l’effort de reproduction. La charge allostatique est le résultat cumulatif de ces réponses au stress répétées ou chroniques. En effet, les effets des glucocorticoïdes sur les cellules et l’énergie dépensée ont un coût. Ce coût total a été appelé « charge allostatique » (figure 13.8). Si la charge allostatique augmente de sorte que l’individu contracte une dette énergétique ou dépasse sa capacité à faire face à un défi de l’environnement, un état de surcharge allostatique peut être atteint, ce qui peut compromettre la santé et la forme physique en augmentant les dommages cellulaires, la pathologie tissulaire et le risque de maladie. Ainsi, la réponse au stress est bénéfique pour le fitness à court terme, mais si elle est répétée ou est exprimée de façon chronique et résulte en une surcharge allostatique, elle peut nuire à la performance et au fitness de l’individu.

Cas appliqué

Les perturbations de l’habitat associées aux changements climatiques sont maintenant fréquentes et mesurables. En milieu marin, des changements de température de plusieurs degrés au-delà des variations saisonnières habituelles ont été quantifiés. C’est le cas d’une anomalie de température survenue en 2016 en Polynésie française, dans le lagon Moorea (figure 13.9).

Ce lagon contient des anémones magnifiques (Heteractis magnifica) qui vivent en symbiose avec des dinoflagellés, un peu à la manière des coraux. Ces anémones, tout comme les coraux, peuvent vivre des épisodes de blanchissement si la température élevée les pousse à expulser leur symbionte, une zooxanthelle, ce qui est arrivé pour de nombreuses anémones en 2016 (figure 13.10). Environ la moitié des anémones de ce lagon ont démontré du blanchissement.

Cependant, environ la moitié des anémones n’ont pas perdu leur symbionte durant cet évènement de température à la hausse (figure 13.11).

Il a déjà été démontré que ces épisodes de température qui mènent au bris de la symbiose des anémones n’ont pas des effets négatifs seulement pour l’anémone, mais aussi pour les espèces qu’elle héberge, notamment le poisson-clown à nageoire orange, Amphiprion chrysopterus ( photographié ici dans une anémone qui a subi un blanchiment, figure 13.12).

Il est déjà connu que les poissons-clowns qui vivent sur une anémone blanchie montrent des changements de comportement risqués face aux prédateurs, une baisse de la production d’œufs, des baisses de taille des individus d’une paire reproductrice et un déclin de l’abondance des populations. Cependant, ce qui cause ces cascades d’effets allant de l’hôte anémone jusqu’au poisson est encore inconnu.

Dans l’étude de Beldade et al. (2017), les biologistes savaient à l’avance qu’il y aurait un épisode d’augmentation de température, grâce à la modélisation des températures océaniques. Ils ont donc étudié des anémones, leurs symbiontes zooxanthelles, ainsi que les poissons-clowns qui vivent sur les anémones de 2015 à 2016, soit avant la hausse de température et pendant celle-ci. Ils ont pu comparer ces deux périodes, mais aussi les anémones qui ont perdu leurs symbiontes avec celles qui les ont conservés durant la hausse de température.

Leur hypothèse était que les effets observés précédemment chez les poissons-clowns dont les anémones sont blanchies avaient pour causes proximales une activation chronique de l’axe du stress qui mène à une cascade d’effets physiologiques, incluant une perturbation des hormones liées à la reproduction. Leur prédiction était que les niveaux de cortisol, l’hormone de réponse au stress chez les poissons, serait plus élevés chez les poissons pendant l’anomalie de température de 2016 comparativement à avant le réchauffement de l’eau, mais seulement chez les individus qui vivent sur une anémone ayant perdu ses symbiontes zooxanthelles. Ils ont aussi prédit que les niveaux en circulation des hormones liées à la maturation sexuelle chez chaque sexe seraient diminués. Le niveau de cortisol sanguin était effectivement plus élevé seulement chez les individus ayant une anémone blanchie comme hôte (figure 13.13). En effet, les poissons-clowns vivant sur anémone ayant résisté au blanchissement avaient des niveaux de cortisol en circulation similaires à ceux des poissons étudiés l’année précédente, suggérant que l’effet mesuré provenait directement de l’effet sur leur hôte anémone.

Les femelles montraient une diminution significative des niveaux sanguins d’estradiol, une hormone de la famille des estrogènes impliquée dans la maturation sexuelle des femelles (figure 13.14A). Cet effet n’était pas visible chez les mâles. Inversement, chez les mâles, mais pas les femelles, les niveaux de l’hormone 11-keto testostérone (11KT), une hormone de la famille des androgènes associée avec les traits sexuels chez plusieurs espèces de poissons, étaient diminués chez les poissons-clowns vivant sur une anémone blanchie, comparativement à celles non blanchies (figure 13.14B).

Ces effets au niveau physiologique se sont répercutés sur l’animal entier. En effet les chercheurs ont mesuré différents traits, dont la reproduction durant toute l’année 2015 et 2016. Ils ont pu donc voir les effets de ces perturbations hormonales sur le fitness. La forte réponse au stress qui a perturbé les hormones sexuelles a mené à une baisse significative de la viabilité des œufs pondus par les poissons-clowns associés à une anémone blanchie comparativement à ceux vivant sur une anémone en santé (figure 13.15, en rouge les poissons vivant sur une anémone blanchie).

Les biologistes ont donc démontré qu’un stress environnemental a des effets sur la réponse au stress qui, lorsqu’elle se prolonge, a des effets délétères sur la reproduction, en passant par une modification directe des niveaux d’hormones cruciales pour la reproduction.

Résumé

La réponse au stress des vertébrés est non spécifique et conservée évolutivement. Elle est composée de deux axes qui agissent à des vitesses différentes et sur des compartiments physiologiques différents. Un réseau de régulation physiologique est une cascade de signalisation qui affecte de nombreux traits et s’autorégule grâce aux boucles de rétroaction négative. Les récepteurs des hormones qui forment le réseau de régulation physiologique sont un joueur clé dans leur fonctionnement et dans la forme que prend la boucle de rétrocontrôle négative. En soi, la réponse au stress physiologique peut être bénéfique. Son activation rétablit l’homéostasie. Cependant, si elle est activée trop souvent ou trop longtemps, l’organisme subit des répercussions négatives. On peut estimer la « charge allostatique » et elle peut varier entre les individus selon ce qu’ils ont vécu.

Activité de révision

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