Circadian and sleep-wake dependent regulation of heart rate variability in humans

Cardiovascular disease is the leading cause of death in high income countries, with maximal risk of acute events between 06:00 and noon. Behavioral changes associated with the sleep-wake cycle were first implicated in the risk clustering of cardiovascular events. The circadian system orchestrates the endogenous 24-hour variation of a variety of biological processes, including within the cardiovascular system. Epidemiological evidence supports the involvement of both circadian and sleep-wake processes in the occurrence of adverse cardiovascular events, but causal pathways are only starting to emerge. The aim of the present thesis was to investigate a possible interaction between the circadian- and sleep-wake-dependent autonomic modulation of the heart by the study of heart rate (HR) and HR variability (HRV). In the first experiment, we found that each vigilance state was associated with a distinct autonomic cardiac balance, and circadian rhythms specific to each vigilance state were observed in HR and HRV. During wakefulness, rapid eye movement (REM) sleep, and sleep-to-wake transitions, maximal shifts toward sympathetic cardiac modulation were observed in the morning, while during non-REM sleep, maximal shifts toward parasympathetic cardiac modulation were observed at night. This interaction of the autonomic cardiac modulation can contribute to the temporal distribution of adverse cardiovascular events. In a second experiment, we studied rotating shift workers before and after a series of consecutive night shifts, and we report deficits in performance, alertness, sleep, and mood associated with circadian misalignment. Furthermore, we report greater shift toward sympathetic cardiac modulation during sleep in the non-adapted group. Circadian misalignment and sleep curtailment thus cause considerable physiological changes in susceptible individuals. Taken together, findings of the current thesis suggest that the circadian regulation of the heart could enhance the risk of adverse cardiovascular events at specific times of day, or following chronic circadian misalignment.Les maladies cardiovasculaires sont la principale cause de décès dans les pays développés, avec un risque maximal d'accidents cardiovasculaires entre 06:00 du matin et midi. Les changements comportementaux associés au cycle veille-sommeil ont d'abord été mis en cause dans le regroupement de ces risques. Le système circadien orchestre la variation endogène de 24 heures d'une variété de processus biologiques liées au système cardio-vasculaire. Les données épidémiologiques corroborent la participation des processus circadien et veille-sommeil dans le déclenchement des accidents cardiovasculaires, mais les liens de causalité sont encore trop méconnus. L'objectif de cette thèse est d'étudier une possible interaction entre les processus circadien et lié au cycle veille-sommeil sur la modulation autonome du cœur par l'étude de la fréquence cardiaque (FC) et de la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC). Lors d'une première expérience, nous avons constaté que chaque état de vigilance était associé à un équilibre distinct de modulation autonome du rythme cardiaque, et un rythme circadien spécifique à chacun de ces états de vigilance a été observé pour la FC et la VFC. Lors de l'éveil, du sommeil paradoxal et des transitions sommeil-veille, l'augmentation maximale de la modulation sympathique cardiaque était observée le matin, tandis que lors du sommeil léger et profond, l'augmentation maximale de la modulation parasympathique cardiaque était observée durant la nuit. Cette interaction de la modulation autonome du cœur peut contribuer à la distribution diurne des accidents cardiovasculaires. Lors d'une deuxième expérience, nous avons étudié des travailleurs sur quarts rotatifs avant et après une série de quarts de nuit et nous rapportons des déficits au niveau des performances, de la vigilance, du sommeil et de l'humeur des travailleurs, associés à un désalignement circadien. De plus, nous rapportons une augmentation de la modulation sympathique cardiaque lors du sommeil chez le groupe non-adapté. Le désalignement circadien et la restriction de sommeil provoquent d'importantes modifications physiologiques chez les personnes prédisposées. Dans l'ensemble, les conclusions de cette thèse suggèrent que la régulation circadienne de la FC contribue à augmenter le risque d'accidents cardiovasculaires à certaines heures de la journée, ou à la suite d'un désalignement circadien chronique