La marche, c'est toute une science !
Publié par Adrien le 15/01/2019 à 08:00
Source: CNRS Journal
Mettre un pied devant l'autre, rien de plus simple en apparence. Les chercheurs en neurosciences et en biomécanique vont pourtant de surprise en surprise, comme lorsqu'ils découvrent que l'on peut (presque) se passer de notre cerveau pour marcher.

"Vous allez effectuer une quinzaine de pas vers le fond de la salle, puis faire demi-tour et revenir au point de départ." Tellement simple ! Ce n'est sans doute qu'un petit échauffement, avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) aux choses sérieuses. On se met donc en marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les...) tranquillement sur le sol recouvert de dalles intelligentes, comme on irait vers la machine à café, mais l'assistant scrute déjà avec la plus grande attention l'écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur,...) de son ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme...). Quelques allers-retours plus tard, un coup d'oeil aux graphiques qui s'affichent sur l'imprimante (Les imprimantes ont été conçues dès l’apparition des premiers ordinateurs, pour permettre la consultation et la conservation sur support...) suffit pour comprendre que l'exercice n'est pas une banale promenade de santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.). Longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) et fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...) des pas, écartement des pieds, force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) du corps sur le sol à chaque mouvement, délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) de réaction au moment de faire demi-tour...: c'est un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) étonnant de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) qui s'accumulent.

Quand on nous invite à suivre la vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non...) en 3D d'un étudiant foulant un tapis roulant, bardé de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation...) de la tête aux mollets, et que l'on observe tous les mouvements des hanches, du genou (Le genou est une articulation qui permet de joindre la jambe à la cuisse. Elle met en jeu trois os, le fémur le tibia et la patella, par le biais de trois articulations, l'articulation...) et du pied, jusqu'aux poussées des muscles du marcheur, transformé en silhouette bionique (La bionique est une science qui se base sur l'étude des systèmes biologiques pour le développement de systèmes non biologiques susceptibles d'avoir des applications technologiques.), le doute n'est plus permis. Ces instants passés dans le laboratoire de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des neurosciences (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que pathologiques, des neurones et du système nerveux.) cognitives et intégratives d'Aquitaine (Incia), à l'Université de Bordeaux (Cette page est consacrée au PRES Université de Bordeaux. Pour les pages sur les universités, voir Université Bordeaux I, Université Bordeaux II, Université...), nous font entrevoir que mettre un pied devant l'autre est un exercice beaucoup plus complexe qu'il n'y paraît !

Des neurones dans la moelle épinière

Nous n'avons encore rien vu. Deux étages plus haut, dans le laboratoire qui jouxte le bureau de Jean-René Cazalets, responsable de la plateforme d'étude de la motricité, on découvre que marcher n'est ni une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) consciente, directement pilotée par le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité...) ni une activité réflexe (Le réflexe d'une façon générale fait intervenir des propriétés intégratrices d'un centre nerveux. Il résulte d'un réflexe des activités musculaires en réponse à un stimulus. Ces activités...) des muscles des jambes, comme on l'a cru jusqu'au début du XX^e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...). Elle est en fait commandée par un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) de neurones autonome tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait original. Au microscope, on observe ainsi un fragment de moelle épinière prélevée sur un tout jeune rat (Le mot « rat » désigne en français, dans le langage vernaculaire certains mammifères rongeurs, le plus souvent du genre Rattus ou au moins de la famille des muridés. Mais certains « rats »...). On distingue parfaitement les racines ventrales, de très minces filaments qui reliaient la moelle aux muscles de l'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se...). Au moyen d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) physiologique, composé principalement de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de...), de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro...) et de calcium, et en l'alimentant en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), il est possible de maintenir cette moelle épinière en vie (La vie est le nom donné :) toute une journée, explique le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...). "Quand on lui donne ce carburant en continu, les électrodes posées sur les racines ventrales enregistrent une pulsion rythmée, un coup à droite, un coup à gauche, qui accélère peu à peu jusqu'à la vitesse (On distingue :) de locomotion du rat." Autrement dit, si les muscles étaient encore reliés à la moelle épinière, on les verrait se contracter, et cela alors qu'il n'y a plus aucune connexion avec le cerveau !


Moelle épinière de rat. Les électrodes posées sur les racines ventrales qui reliaient la moelle aux muscles de l'animal enregistrent une pulsion rythmée, un coup à droite, un coup à gauche, comme dans la locomotion.

Didier MORIN/INCIA

On pense forcément à la fameuse histoire du poulet (Un poulet est une jeune volaille, mâle ou femelle, de la sous-espèce Gallus gallus domesticus, élevé pour sa chair.) sans tête qui continue à courir pendant quelques secondes. Jean-René Cazalets préfère évoquer celle du martyr Denis de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre...), décapité au III^e siècle sur la colline de Montmartre et descendant tranquillement avec sa tête sous le bras jusqu'au futur site de la basilique portant son nom. L'image est plus frappante, car elle met en scène la marche et la locomotion humaines, pour lesquelles la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances,...) a retrouvé un intérêt profond ces trois dernières décennies.

Dès le début du XX^e siècle, pourtant, un physiologiste écossais, Thomas Graham Brown, avait remis en cause la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) du réflexe admise à l'époque. Celle-ci voulait que lorsqu'on étire un muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types majeurs de tissus, les autres étant le tissu épithélial, le tissu conjonctif, le tissu nerveux. Ce...), celui-ci réagisse par une contraction. Le mécanisme était simple: si on se met à bouger la jambe en avant, le muscle antagoniste, c'est-à-dire le muscle qui n'a pas effectué le mouvement mais s'est retrouvé étiré, se contracte par pur réflexe et ramène la jambe en arrière. Puis le premier réagit à son tour pour ramener la jambe vers l'avant, et ainsi de suite.

Brown, qui était aussi un alpiniste chevronné, trouvait cette théorie bien trop élémentaire. Il observa sur un chat (Le chat domestique (Felis silvestris catus) est un mammifère carnivore de la famille des félidés. Il est l’un des principaux animaux de compagnie et compte...) (cet animal était le "cobaye" préféré des chercheurs de l'époque) que si l'on coupait la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) entre moelle épinière et cerveau, et que l'on sectionnait les racines dorsales chargées de "remonter" vers la moelle épinière les informations sensorielles en provenance des muscles (mais aussi des tendons, de la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.)...), il persistait pendant plusieurs dizaines de secondes des contractions rythmiques et alternées des muscles de la cheville, flexion et extension, comme dans la locomotion. Et cela alors même que ce qu'on appelle "l'information réflexe" du muscle ne pouvait plus être véhiculée jusqu'à la moelle épinière et au cerveau. Autrement dit, même privé d'informations en provenance du cerveau et des organes périphériques (les muscles, les tendons, la peau, etc.), le chat pouvait faire bouger sa cheville. "Brown a ainsi fait pour la première fois la démonstration que la moelle épinière contient des structures neuronales autonomes, capables d'organiser elles-mêmes la motricité", conclut Jean-René Cazalets.

Il a fallu attendre les années 1990 et la mise au point de nouvelles techniques physiologiques permettant de maintenir en vie un système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, de l'encéphale, de la moelle épinière, etc. Il coordonne les...) isolé (une fois prélevée, la moelle "meurt" en quelques dizaines de secondes) pour confirmer la présence de ce réseau de neurones dans la moelle épinière des mammifères et en comprendre le fonctionnement.


Moelle épinière en coupe transversale. Le réseau de neurones autonomes spécialisés dans la marche apparaît en vert fluorescent.

Camille QUILGARD, Sandrine BERTRAND/INCIA

"Nous avons désormais bien identifié le générateur central du patron moteur (CPG, en anglais, pour Central Pattern Generator), c'est-à-dire le mécanisme qui est capable de produire une activité locomotrice en l'absence du cerveau, indique Frédéric Brocard, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) à l'Institut de neurosciences de La Timone (INT), à Marseille.On sait aussi que ce réseau est localisé dans le bas du dos, et qu'il génère l'alternance droite-gauche des mouvements locomoteurs lors de la marche, ainsi que son rythme." Le cerveau se contente, si l'on peut dire, de commander le début du mouvement ou de le stopper, et cela aussi souvent qu'un obstacle se présente ou qu'un changement de direction est nécessaire.

Une fois le mouvement initié, ce sont les neurones situés dans la moelle épinière qui déclenchent la marche basique en toute autonomie. En plus des motoneurones, qui commandent la contraction des muscles, les avancées en génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de techniques, faisant partie de la biologie moléculaire et ayant pour objet l’utilisation des...) ont permis d'identifier la nature des neurones du CPG locomoteur, appelés "?interneurones?". Parmi eux, les interneurones "excitateurs" impriment le rythme de la marche et les interneurones "inhibiteurs" assurent le maintien de l'alternance droite-gauche. "Une autre singularité des interneurones est qu'ils possèdent une activité rythmique autonome, ajoute Frédéric Brocard, à l'instar de celle qui, au sein de notre coeur, impulse le rythme cardiaque."

Des modèles mathématiques précis

D'autres avancées, plus technologiques, réalisées dans la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa satellisation ou...) et l'analyse du mouvement, ont contribué à mieux comprendre les mécanismes de la marche. Le pionnier est français et s'appelle Étienne-Jules Marey, un physiologiste. Il a mis au point en 1892 la chronophotographie, un procédé photographique qui décompose les mouvements de la marche, de la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) ou du vol des oiseaux et qui a notamment permis de comprendre le galop chez le cheval (Le cheval (Equus ferus caballus ou equus caballus) est un grand mammifère herbivore et ongulé appartenant à l'une des sept espèces de la famille des équidés. Il a évolué au cours des dernières 45...). La biomécanique, qui étudie la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de la locomotion, n'est pourtant qu'une discipline toute récente. "Le terme n'est apparu que dans les années 1970, et encore de manière confidentielle, raconte Frédéric Marin, enseignant-chercheur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Compiègne. C'est surtout l'essor technologique et numérique de la fin du XX^e siècle qui a ouvert les possibilités de capter et de mesurer les mouvements humains de façon précise." Notamment grâce aux caméras numériques associées à des algorithmes de reconstruction 3D et aux centrales inertielles qui détectent l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération...) et la vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.), comme celles qui orientent l'écran des téléphones portables.

De quoi dresser un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des...) précis du système squelettique et musculaire impliqué dans la marche bipède. Le pas est décomposé en différentes phases, dont les principales sont: le démarrage, quand le pied décolle, puis l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux...), c'est-à-dire le moment où il est en suspens, la réception, lorsque le talon entre en contact avec le sol et, enfin, l'appui, lorsque tout le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de...) du corps repose sur une jambe. L'oscillation, par exemple, a lieu en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) aux deux tiers du mouvement global. À l'intérieur de ce schéma temporel, le modèle décrit à la milliseconde près les angles de rotation et de flexion des articulations (hanche, genou, cheville, pied), les forces qui s'exercent sur elles, l'activité électrique des muscles, etc.

"Comme la marche présente cet avantage d'être une activité cyclique et régulière, stéréotypée et reproductible, commente Frédéric Marin, on dispose, grâce à ces mesures, d'un tableau musculo-squelettique assez complet de l'être humain adulte qui permet de déduire son état de santé." Il y a certes des paramètres spécifiques, ne serait-ce déjà qu'entre les femmes et les hommes, ou évolutifs avec l'âge, et il reste quelques zones d'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se...), notamment dans la compréhension des articulations du genou et du pied, plus complexes que celle de la hanche (La hanche ou articulation coxo-fémorale est une articulation (énarthrose) qui permet de joindre la cuisse au bassin. Elle met en jeu deux os : l'os...). Mais ces modèles d'un fonctionnement normal de la marche sont suffisamment précis pour servir de référence dans le cadre d'observations cliniques.


Analyse de la marche au laboratoire Cognac-G. En tout, plus d'une centaine de variables sont recueillies (accélérations, vitesses angulaires...).

IDF INNOV (Financeur du projet)

Un révélateur de l'état de santé

Car les perspectives thérapeutiques ouvertes par ces connaissances justifient en grande partie l'intérêt que les laboratoires portent à la marche, et le monde (Le mot monde peut désigner :) médical y participe d'ailleurs activement. Du fait qu'elle est un système complexe, qui met en jeu à la fois le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif conséquent suite au besoin d'un organisme...), les muscles et le système nerveux, elle est un bon indicateur de l'état de santé général et se révèle utile dans la détection, le traitement ou le suivi de pathologies. "Dans le cas d'une rééducation après un accident ou le remplacement des ligaments du genou, par exemple, on peut suivre comment évoluent les paramètres de marche du patient, explique Frédéric Marin.Et cela aussi bien sur le plan purement cinématique, c'est-à-dire en observant uniquement les mouvements, que d'un point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :), en regardant les forces qui provoquent ce mouvement." En mesurant les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'appui ou leur puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), la symétrie des pas ou leur asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) (comme quand on dit de quelqu'un qu'il a le pas lourd), on peut vérifier l'efficacité d'un traitement, mais aussi évaluer celle de certains équipements, comme les semelles orthopédiques.

La seule observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) de la marche aide à détecter précocement les troubles neurologiques, comme les maladies d'Alzheimer ou de Parkinson, qui entraînent des dysfonctionnements de la locomotion. Identifier et quantifier ces dysfonctionnements, ainsi que leur fréquence et leur amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) donne des indications sur le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de la pathologie (La pathologie, terme provenant du Grec ancien, est littéralement le discours, la rationalité (λογία logos) sur...) et de son évolution. Le freezing gait (le "pas suspendu"), ce moment où le patient s'arrête brutalement, comme s'il avait perdu l'automatisme ( Techniquement, un automatisme est un sous-ensemble ou un organe de machine(s) destiné à remplacer de façon automatisée une action ou décision habituelle et prédéfinie sans intervention de l'être...) de la marche, est un bon indicateur de la maladie de Parkinson (La maladie de Parkinson est une maladie neurologique chronique affectant le système nerveux central responsable de troubles essentiellement moteurs d'évolution progressive.). Des pathologies directement liées à la locomotion trouvent également leur explication. C'est le cas des phénomènes de spasticité, ces contractions musculaires très fortes et douloureuses, qui entravent gravement la mobilité des personnes. "Pour que la moelle épinière fonctionne normalement, il faut qu'il y ait un équilibre entre excitation et inhibition, explique Frédéric Brocard.Si cet équilibre est rompu à cause d'une lésion, les interneurones excitateurs deviennent hyperactifs, les inhibiteurs beaucoup moins, ce qui entraîne une hyperexcitabilité de la moelle, qu'elle va transmettre aux muscles, via les motoneurones."

On a longtemps cru que le problème venait des muscles. On sait maintenant qu'il est lié au système nerveux autonome situé au niveau de la moelle épinière, et plus précisément encore, qu'il provient du dérèglement d'un petit canal transmettant du sodium aux motoneurones. Il pourrait être corrigé grâce à une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) utilisée dans le traitement de la maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) de Charcot. Mais ce n'est là qu'un des mécanismes parmi une myriade d'autres encore à identifier.

Le seul fait d'avoir localisé précisément le CPG, "siège" des interneurones responsables du rythme locomoteur, ouvre déjà la porte à des améliorations notoires de la mobilité chez des personnes paraplégiques. "Aux États-Unis, raconte Jean-René Cazalets,on a glissé des électrodes entre leur vertèbre L2 et la moelle épinière, à hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) du CPG. Si on les stimule, on observe des mouvements plus réguliers que les mouvements chaotiques habituels chez ces patients. En combinant ce dispositif avec de l'entraînement sur tapis roulant, il semble qu'e l'on puisse restaurer au moins en partie la fonction de locomotion, même si cela reste encore débattu parmi les chercheurs."

En France, l'un des laboratoires de neurosciences et de neurophysiologie (La neurophysiologie est l'étude des fonctions du système nerveux, reposant sur tous les niveaux de description, du niveau moléculaire jusqu'au niveau le plus...) les plus engagés dans la collaboration avec le monde médical est celui que dirige Pierre-Paul Vidal: Cognac-G (pour Cognition and Action Group). Il inclut des médecins du service de santé des Armées et des hôpitaux de Paris, des neurophysiologistes et des ingénieurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), qui travaillent en lien étroit avec le Centre de mathématiques et de leurs applications (CMLA) de l'École normale supérieure de Paris-Saclay. "L'un de nos objectifs est de récupérer le plus de données possible auprès de tous les services qui travaillent avec nous, explique Laurent Oudre, l'un des mathématiciens du groupe,afin de constituer une base de données la plus riche possible sur les maladies du système nerveux et les troubles de la locomotion associés."

Une tablette d'aide au diagnostic

En parallèle, les informaticiens et les mathématiciens ont travaillé, ces trois dernières années, à la conception d'une tablette électronique, très simple à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.), destinée aux médecins comme aide au diagnostic. Les premiers prototypes, programmés pour la détection de la sclérose (La sclérose est une lésion élémentaire en pathologie dermatologique. Elle correspond à la rigidification anormale de la peau. Elle peut être...) en plaques, circulent dans le monde médical depuis quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.). "La tablette, des capteurs sans fil et un couloir de 10 mètres pour faire marcher la personne suffisent, raconte le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute personne faisant des mathématiques la base de son activité principale. Ce terme recouvre une large...).Les algorithmes font le reste." Des algorithmes qu'il a fallu coder, quand les chercheurs se sont aperçus que ceux utilisés dans les Smartphones pour calculer le nombre de pas ou les performances des joggeurs, par exemple, étaient inutilisables dans le cas de certaines pathologies. Des patients qui viennent de subir un accident vasculaire cérébral (Un accident vasculaire cérébral (AVC), parfois appelé « attaque cérébrale », est un déficit neurologique soudain d'origine vasculaire.) ou les personnes très âgées avancent, en effet, de manière très précautionneuse ; certains même glissent le pied pour avancer au lieu de soulever la jambe. Or les applications classiques n'enregistrent le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par...) que grâce à la secousse que fait le pied en touchant le sol. "On a passé du temps avec les médecins pour observer les mouvements du pied et de la jambe, ce qui nous a conduits à remettre pas mal de choses en cause sur la description de la marche", indique Laurent Oudre.

Car le travail d'analyse de la marche est loin d'être fini pour les chercheurs, qui se sont surtout concentrés sur les membres inférieurs ces dernières années. Or marcher ne mobilise pas que nos jambes. "Regardez ces pauvres robots, tellement piètres marcheurs, parce que leur tronc se limite à une boîte portée par deux jambes", explique Jean-René Cazalets, à Bordeaux. Celui-ci a filmé sa fille alors qu'elle était en plein apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs...) de la marche: l'enfant démarre en lançant une jambe vers l'avant, mais le tronc reste en arrière et manque de la déséquilibrer. "La marche, c'est une posture dynamique qui coordonne le tronc et les jambes", insiste-t-il. Le chercheur a donc décidé de s'intéresser à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des muscles et à la colonne vertébrale (La colonne vertébrale, ou rachis, est un empilement d'os articulés appelés vertèbres. Elle est le support du dos des vertébrés, notamment des mammifères. C'est sur la...). "Quand on demande au sujet de marcher, décrit-il,on observe une propagation, comme une vague, qui part du haut du dos et se propage le long des vertèbres: il ne s'agit pas d'un simple mouvement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) passif, c'est le résultat, là encore, du déroulement du programme moteur généré par les réseaux d'interneurones."


La marche n'implique pas que les membres inférieurs. Des marqueurs réfléchissants pour le motion capture permettent de reconstruire la cinétique de la locomotion: on voit le mouvement se propager le long de la colonne vertébrale.

Loïc GRATTIER/INCIA ; Jean-René CAZALETS/Christophe HALGAND/CNRS Photothèque

Cela n'est pas sans lui rappeler le système de locomotion de la lamproie ou de l'anguille: ces poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le Bélier à l'est....) prennent appui sur l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), puis utilisent leur tronc pour se propulser. Si notre tronc d'humains bipèdes ne nous sert pas à la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force...), il continue de participer au mouvement. "On peut imaginer que, quand les membres postérieurs sont apparus, ils ont pris le contrôle sur l'ensemble de la motricité, avance le chercheur, mais la nature n'a pas réinventé l'ensemble du mécanisme." Une hypothèse à confirmer, qui suggère que la marche peut nous conduire encore très loin vers d'autres révélations.

La biomécanique pour comprendre l'évolution

La question taraude tous les spécialistes de la marche: pourquoi l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...) est-il la seule espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe une...) animale à pratiquer la bipédie (La bipédie est le fait de se mouvoir sur deux membres postérieurs, donc 'debout'. Un animal ou une espèce ne sont bipèdes que s'ils passent autant ou plus de temps à marcher sur deux membres...) de manière permanente ? Les outils qu'ils ont développés aident aujourd'hui leurs collègues paléoanthropologues, qui étudient la locomotion de nos lointains ancêtres, à répondre à cette vaste question. "Les os fossilisés et les empreintes dont nous disposons sont trop fragmentaires pour tirer des conclusions définitives sur le mode de locomotion des premiers hominidés, raconte Gilles Berillon, paléoanthropologue au laboratoire Histoire naturelle (La démarche d'observation et de description systématique de la nature commence dès l'Antiquité avec Théophraste, Antigonios de Karystos et Pline l'Ancien. Le terme d’histoire naturelle a...) de l'homme préhistorique.Grâce aux outils de modélisation utilisés par les biomécaniciens et les spécialistes de la simulation du mouvement, nous pensons proposer des types plausibles de locomotion pour chaque espèce en fonction de la configuration de leurs pelvis, genoux..." Afin d'élargir le modèle anatomique de référence, paléoanthropologues et biomécaniciens ont décidé d'y intégrer, en plus de l'homme, nos cousins primates (Les primates (du latin primas, atis signifiant « celui qui occupe la première place ») constituent un ordre au sein des mammifères placentaires. Ce clade regroupe les singes - dont...) qui pratiquent la bipédie de façon occasionnelle... Ils font ainsi marcher des babouins équipés de capteurs sur des tapis roulants !

Objectif, à terme: reconstituer au mieux le type de bipédie que pratiquaient Lucy, il y a 3,2 millions d'années, Orrorin, 3 millions d'années plus tôt ou Néandertal, moins de 100 000 ans avant nous. Car, contrairement à ce que l'on a longtemps cru, l'évolution de la bipédie ne se serait pas faite de manière linéaire, d'une marche chaotique vers une marche de plus en plus efficace. Toutes les espèces d'hominidés ont testé différents mécanismes de bipédie (rééquilibrage avec le mouvement alterné des bras, voussure du pied, genoux écartés ou non, fléchis ou non...) avec plus ou moins d'efficacité. Le fémur (Le fémur est l'os de la cuisse. Il s'agit de l'os le plus long du corps humain.) d'Orrorin, de 6,5 millions d'années, est par certains aspects de sa morphologie plus proche du nôtre que ne l'est celui de Lucy, et son aptitude à la bipédie ne fait plus aucun doute. Quant au pied d'Ardipithecus ramidus, de 4,5 millions d'années, il semble déjà capable de propulsion et pas seulement adapté au grimper ou à la saisie d'objets.
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