Source: The Conversation – in French – By Jean-Sébastien Blouin, Professor, School of Kinesiology, University of British Columbia
Imaginez-vous au volant d’une voiture dont la direction ne réagit pas instantanément et dont le GPS indique toujours où vous étiez une seconde plus tôt. Pour conduire un tel véhicule, vous devriez constamment déduire comment manœuvrer le volant à partir d’informations qui ne sont pas à jour.
C’est exactement ce que fait le cerveau chaque fois que l’on bouge : les signaux sensoriels atteignent le cerveau quelques dizaines de millisecondes après un événement, et les commandes motrices mettent un temps similaire pour arriver aux muscles, qui ont besoin de temps pour générer de la force. En d’autres termes, le cerveau travaille toujours avec des « informations anciennes » et doit prédire le résultat de chaque action.
Cette capacité prédictive est particulièrement impressionnante lorsque nous nous tenons debout, car elle permet de maintenir l’équilibre d’un corps grand et lourd sur deux petits pieds.
Les défis de l’équilibre
Les scientifiques savent depuis longtemps que le temps de réponse neuronale rend complexe le contrôle de l’équilibre. Même chez les jeunes adultes en bonne santé, il faut environ un sixième de seconde pour que les informations provenant des pieds, des muscles et des oreilles internes atteignent le cerveau, puis pour qu’un signal correctif soit envoyé aux muscles. Les modèles physiques simples considèrent le corps comme une masse qui s’équilibre autour des chevilles et prédisent qu’il devient impossible de rester debout si la transmission des informations neuronales et le temps de réponse sont trop longs.
Les propriétés physiques de notre corps influencent notre façon de bouger. Tout comme un gros camion se conduit plus lourdement qu’une petite voiture, une personne grande ou lourde qui se tient debout a une plus grande résistance au mouvement et ressent moins les poussées externes ou les secousses soudaines.
Pour vérifier si le cerveau traite les signaux décalés temporellement de la même manière qu’il traite les changements dans la mécanique corporelle, une équipe de l’Université de Colombie-Britannique et du Centre médical universitaire Erasmus, aux Pays-Bas, a construit un robot de simulation corporelle grandeur nature.
(Sensorimotor Physiology Lab/UBC), CC BY-NC-SA
Les participants, debout sur deux plateformes de force, sont attachés à un cadre rembourré. Des moteurs déplacent le cadre en fonction des forces qu’ils génèrent, ce qui fait que l’ensemble du système se comporte comme leur vrai corps qui oscille sous l’effet de la gravité.
Le robot peut modifier la mécanique corporelle simulée en temps réel : il peut faire sentir la personne plus légère ou plus lourde, ajouter ou retirer de l’énergie à ses mouvements ou insérer un délai entre son effort et le mouvement ressenti, imitant ainsi le décalage sensorimoteur du cerveau.
Trois expériences
À l’aide de cet outil, les scientifiques ont voulu déterminer si le cerveau traitait le temps (le délai) et l’espace (la dynamique corporelle) de manière indépendante. Pour ce faire, ils ont mené trois expériences :
1. Les changements dans la dynamique corporelle et les délais modifient l’équilibre de manière similaire. Les participants étaient debout, et le robot insérait un décalage de 0,2 seconde entre leurs commandes et le mouvement résultant. Cette micropause provoquait une importante oscillation et a amené de nombreux participants à la limite virtuelle de la chute. De même, l’oscillation augmentait quand le robot changeait le corps pour le rendre plus léger ou ajoutait de l’énergie au mouvement, un peu comme lorsqu’un coup de vent pousse une personne.
2. Les délais temporels sont perçus comme une modification de la mécanique corporelle. Une fois le retard désactivé, les participants ajustaient les propriétés mécaniques de leur corps jusqu’à ce que leur sensation corresponde à la sensation de délai qu’ils venaient de ressentir. Ils optaient alors pour un corps plus léger ou un réglage qui ajoutait de l’énergie. Lorsqu’on leur demandait de rendre la condition d’équilibre en présence d’un délai « naturelle », ils choisissaient un corps plus lourd ou un réglage qui dispersait l’énergie. Ainsi, modifier les propriétés mécaniques du corps permet de recréer ou d’annuler la sensation de signaux différés dans le temps.
3. Améliorer l’équilibre en présence d’un délai. Des personnes qui n’avaient jamais utilisé le robot furent soumises à un retard de 0,2 seconde entre leurs commandes motrices et le mouvement résultant. Lorsque leur corps étaient plus lourd ou dissipait l’énergie du mouvement, leur équilibre s’améliorait instantanément – aucun entraînement ou adaptation requis. Les oscillations étaient réduites de 80 % et la plupart des participants n’atteignaient plus la limite virtuelle de chute.
Le temps et l’espace
Ces trois expériences permettent de tirer une conclusion : le cerveau ne stocke pas de solutions distinctes pour des « informations décalées » et un « corps instable ». Au contraire, il maintient un modèle interne unifié qui fusionne le temps et l’espace en une seule représentation du mouvement.
Lorsque le retour sensoriel a du retard et que le corps est instable, ajouter de la lourdeur ou dissiper l’énergie du mouvement rétablit l’équilibre. À l’inverse, alléger le corps ou ajouter de l’énergie reproduit l’instabilité causée par les retards neuronaux. Dans les deux cas, une représentation unifiée de l’équilibre permet de demeurer en équilibre debout.
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Ces découvertes sont plus que de simples curiosités scientifiques. Avec l’âge ou en cas de maladies endommageant les nerfs longs, les signaux voyagent plus lentement et sont davantage perturbés, ce qui provoque des troubles de l’équilibre et augmente le risque de chutes. Selon l’Organisation mondiale de la santé, une personne âgée sur trois fait une chute une fois par an, ce qui en fait la principale cause d’hospitalisation pour blessure et engendre un coût de plusieurs milliards de dollars pour les systèmes de santé.
Le robot de simulation corporelle offre une nouvelle perspective sur ce problème : des appareils fonctionnels et des exosquelettes portables qui fournissent juste assez de résistance au moment où une personne commence à vaciller peuvent contrebalancer les effets déstabilisants des ralentissements neuronaux.
Ils soulèvent également une question plus large : la taille des animaux et les mécanismes compensant les retards neuronaux ont-ils évolué pour améliorer leur survie ?
La prochaine fois que vous vous pencherez au-dessus d’un évier ou que vous aurez une discussion sur le pas de la porte, rappelez-vous que votre cerveau jongle discrètement avec le temps et les représentations corporelles en arrière-plan. Le plus étonnant est peut-être le fait que l’on ne remarque jamais ce travail.
Jean-Sébastien Blouin bénéficie d’un financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
Patrick A. Forbes bénéficie d’un financement du Conseil néerlandais de la recherche (NWO).
– ref. Un robot, un cerveau, une découverte : démystifier l’équilibre debout – https://theconversation.com/un-robot-un-cerveau-une-decouverte-demystifier-lequilibre-debout-271914