Etude expérimentale du réflexe myotatique

Le réflexe myotatique est un exemple privilégié pour aborder de manière expérimentale le fonctionnement du système nerveux. Cette activité permet d'établir un modèle fonctionnel complet de l'organisation fonctionnelle d'un réflexe à l'échelle macroscopique grâce à une démarche qui associe mesures, formulations d'hypothèses à éprouver par élaboration et la mise en oeuvre d'un protocole, et traitement des données obtenues.

Objectifs de l’activité :

Ce TP est destiné à montrer de manière expérimentale les caractéristiques d’une activité réflexe : activité involontaire et rapide, l’intervention d’un centre nerveux et sa localisation, pour en déduire le rôle de traitement de l’information réalisé par les centres nerveux. Ce TP repose sur une idée de F.TILQUIN, présentée aux journées occitanes, Toulouse 1998.

Supports :

Déroulement de l’activité :

Intentions professeur

Activité élève

Problème étudié : Le maintien de la posture par le réflexe myotatique.
Montrer que l’activité réflexe est une activité involontaire et rapide (connaissance assez bien établie).

Montrer l’intervention d’un centre nerveux. Les représentations initiales montrent que ce savoir étudié en seconde n’a pas été assimilé par la majorité des élèves qui arrivent en TS.

L’activité nerveuse est abordée ici après la régulation hormonale. Cela ne constitue pas un pré-requis, mais offre l’avantage d’avoir établi la notion de boucle de régulation, d’action d’une molécule sur un récepteur que l’on va retrouver dans ce chapitre lors de l’étude du fonctionnement d’une synapse.
Données du problème : La régulation de l’activité sexuelle est un exemple de communication entre plusieurs organes assurée par des hormones. Seules les cellules cibles qui expriment les récepteurs appropriés à cette hormone vont " réagir ". Il faut donc autant d’hormones différentes que d’actions à accomplir. Le transport sanguin des hormones, leur destruction progressive par des enzymes confèrent à ce mode de communication de la lenteur et de l’inertie.

Le système nerveux assure une communication rapide d’informations dans l’organisme, c’est en outre le seul système qui permette la collecte d’informations en provenance du milieu extérieur.

Dans ce TP, nous allons étudier une activité nerveuse importante pour la survie de l’individu et de l’espèce : l’activité réflexe.

Il s’agit ici de valider expérimentalement une connaissance.

Hypothèse : Le réflexe est une activité rapide et involontaire.

Activité 1 : Mise en évidence d’une activité réflexe : le réflexe rotulien.
Expérience réalisée sans matériel ExAO, pour :

- introduire les notions d’anatomie (tendon, muscle),

- définir le réflexe myotatique.

Expérience : Frapper sur le tendon,

Résultats : Extension de la jambe.

Conclusion :
Le choc provoque un raccourcissement du muscle (cause) qui provoque de manière réflexe la contraction du muscle étiré (conséquence). C’est un réflexe myotatique.
Activité 2 : Enregistrement de l’activité musculaire lors d’un réflexe.
Cette première approche d’électrophysiologie permet d’expliquer le principe de l’enregistrement, la position des électrodes, le fonctionnement du logiciel d’acquisition. Un ordinateur est relié à un téléviseur pour exploitation collective des données, d’autres postes ExAO sont mis à la disposition des autres groupes.

 

Expérience : Enregistrer à l’aide d'une chaîne ExAO l’électromyogramme d’un réflexe rotulien ou achilléen.

Réaliser plusieurs enregistrements.

Paramètres de l'acquisition :

    Déclenchement par marteau réflexe. Durée des mesures : 100 ms

Réaliser plusieurs enregistrements pour montrer l'aspect stéréotypé de la réponse obtenue.

Résultats :Enregistrement du réflexe achilléen :

Les enregistrements effectués avec des sujets différents montrent une variation de ce temps, comprise entre 35 et 55 ms.

Cette activité permet de repérer le tracé caractéristique de l'électromyogramme du réflexe achilléen.

 

Constat : Le choc du marteau sur le tendon d'Achille déclenche les mesures.
L’activité électrique du muscle se produit 35 ms environ après le choc. Les électromyogrammes ont un tracé très voisin.

Conclusion :
Le choc du marteau sur le tendon d'Achille provoque l'étirement du triceps sural.
L'électromyogramme qui apparaît 35 ms plus tard est lié à la contraction réflexe du triceps sural.

Activité 3 : Enregistrement de l’activité musculaire associant réflexe et activité volontaire.

Cette activité est destinée à montrer l'aspect involontaire du réflexe achilléen, et son déclenchement rapide.

 

Expériences : Enregistrer l’électromyogramme :

1-Choc sur le tendon : le sujet contracte son muscle volontairement au moment ou il détecte le choc.

2-Choc sur la table : le sujet contracte son muscle quand il entend le son.

3-Choc sur la table : le sujet contracte le muscle quand il voit le marteau frapper la table.

Paramètres de l'acquisition :

- Déclenchement par marteau réflexe.

- Durée des mesures : 300 ms

Résultats :

 

 

 

Les enregistrements obtenus par les différents groupes montrent toujours l'aspect tardif de l'activité volontaire et son retard très variable selon le sens impliqué. Le déclenchement par la vue est l'activité volontaire la plus rapide, en relation avec l'anticipation qu'elle permet.

Constats :

Tracé 1: choc sur le tendon : contraction déclenchée par sensation tactile sur le tendon.
Le tracé montre deux activités distinctes :

- l'électromyogramme du réflexe achilléen vers 35 ms,
- l'électromyogramme de l'activité volontaire, vers 200 ms.

Tracé 2 choc sur la table : contraction déclenchée par le son.
A
bsence de l'électromyogramme du réflexe. Le tracé de l'électromyogramme situe l'activité volontaire vers 120 ms.

Tracé 3 choc sur la table : contraction déclenchée par la vue.
Absence de l'électromyogramme du réflexe. Electromyogramme de l'activité volontaire vers 100 ms.

Cette conclusion soulève un nouveau problème : Comment expliquer la rapidité de l'activité réflexe ? Conclusion :
L'activité réflexe se manifeste toujours avant l'activité volontaire. Le délai varie du simple au double dans le meilleur des cas.
Le réflexe est une activité involontaire et rapide.
Problème à étudier : comment expliquer la rapidité de l'activité réflexe ?

La résolution de ce problème passe par la formulation d'hypothèses éprouvées par le traitement des données expérimentales.

Le plus souvent, l'hypothèse formulée en premier est celle de la transmission directe d'un message nerveux du tendon au muscle.

Ensuite vient celle d'un transit via le cerveau. Les redoublants sont parfois les seuls à avancer l'idée de la moelle épinière (parfois encore confondue avec la moelle osseuse).

Hypothèse :

Le message nerveux produit au niveau du tendon et est transmis directement au muscle.

Activité 4 : Enregistrement comparatif du réflexe achilléen et du réflexe rotulien.

 

Protocole :

Placer des électrodes sur le quadriceps de telle manière que la distance quadriceps - tendon rotulien soit égale à la distance triceps sural - tendon achilléen.

Conséquence vérifiable de l'hypothèse :
Si la transmission est directe, les délais observés entre le choc sur le tendon et la réception de l'électromyogramme doivent être très voisines.

Paramètres de l'acquisition :

- Déclenchement par marteau réflexe.

- Durée des mesures : 50 ou 100 ms.

Effectuer deux mesures pour chaque réflexe.

Le sujet doit avoir un pantalon lâche ou un short… C'est à prévoir !

Résultats

  Constats :
L'électromyogramme du réflexe rotulien apparaît vers 23.5 ms alors que l'électromyogramme du réflexe achilléen apparaît vers 37 ms.

Conclusion :
L'hypothèse est réfutée. Le message nerveux n'est pas transmis directement du tendon au muscle.

Cette hypothèse ne demande pas d'expérience supplémentaire, mais repose sur le traitement des données acquises lors de l'enregistrement précédent.

Hypothèse : Le message nerveux sensitif est transmis au cerveau.

Constats : Traitement des données :
Le temps qui sépare les deux réflexes correspond au temps nécessaire au message nerveux pour parcourir la distance qui sépare les électrodes, distance aller + distance retour

Données :
Distance entre électrodes triceps sural - quadriceps : 0.34 m. Distance parcourue par le message nerveux en m : 34 x 2 = 0.68 m Temps mis pour parcourir cette distance en ms : 37.5 - 23.5 = 14 ms. Vitesse du message nerveux en m/s : 0.68*1000/14=48.2 m/s

Le calcul de la distance totale parcourue repose sur une incertitude : la localisation du récepteur d'étirement du muscle.

Il est possible de prendre en compte la distance maximale :
- Tendon -> ? -> électrodes

Puis la valeur moyenne :
-Milieu du muscle -> ? -> électrodes.

Le résultat est alors mis dans un encadrement, ce qui ne change rien à la conclusion.

Si l'on pose comme postulat que la vitesse du message nerveux est constante au cours de ce réflexe, il est alors possible de calculer la distance parcourue par le message pour effectuer un aller et retour lors du temps qui sépare stimulation de la réception pour le réflexe achilléen et pour le réflexe rotulien.

Réflexe achilléen : délai : 37.5 ms = 0.0375 s

Distance en m parcourue en 37.5 ms à v = 48 m/s : 48 x 0.0375 = 1.81 m
La distance aller est donc de 1.81/2 = 0.90 m

Réflexe rotulien : délai : 23.5 ms = 0.0235 s
Distance en m parcourue en 23.5 ms à v = 48 m/s : 48 x 0.0235 = 1.1 m

La distance aller est donc de 1.81/2 = 0.55 m

Utiliser un mètre à ruban souple pour mesurer au plus court ces distances. Les nerfs passent en interne avec un chemin plus court que celui qui est mesuré en surface. Notre distance est donc plus longue que la distance réelle. S'appuyer sur des documents anatomiques pour préciser ce chemin. Localisation du lieu de retour :

Les mesures effectuées sur le sujet montrent :
0,90 m se situe 11 cm au-dessus des crêtes iliaques, 0,55 m se situe 8 cm au dessus des crêtes iliaques.

Des documents complémentaires relatifs à l'anatomie permettent de fournir un support anatomique aux phénomènes étudier.

Localisation des muscles, des nerfs, trajet du nerf sciatique et localisation de la moelle épinière,

Coupe transversale de la moelle épinière au niveau de L1 et de L5 voir Connaissance du Corps humain (préparation aux professions paramédicales), Physiologie humaine (De Boeck université).

Conclusion :
Le message nerveux n'est pas allé au delà de 8 à 11 cm au dessus de la crête iliaque, soit vers la première vertèbre lombaire.
Le message nerveux ne va pas au cerveau, il atteint par contre la moelle épinière.

Ces données permettent de préciser le trajet du message nerveux. La comparaison entre les deux coupes permet d'aborder l'anatomie de la moelle épinière…

 

Les résultats précédents soulèvent un nouveau problème : comment expliquer le temps mis pour l'activité volontaire ?

Exploitation des données anatomiques :

Le nerf sciatique et le nerf crural remontent jusqu'à la colonne vertébrale.

Les coupes transversales au niveau de L5 et de L1 montrent que ces nerfs remontent dans le canal vertébral pour atteindre la moelle épinière qui descend jusqu'à L1.

Lors du réflexe achilléen et du réflexe rotulien, le message nerveux remonte par un nerf jusqu'à la moelle épinière puis redescend par un nerf jusqu'au muscle à contracter.

Reste à corriger la nature du récepteur sensoriel qui déclenche ce réflexe. L'activité expérimentale induit une idée fausse : le récepteur est situé au niveau du tendon.

Protocole :
Mettre une chaussure, et frapper la semelle avec le marteau
Paramètre de l'acquisition : 100 ms

Constat :
Frapper sur la semelle de la chaussure permet d'obtenir le tracé du réflexe achilléen.

Conclusion :
Le récepteur sensoriel n'est pas situé au niveau du tendon : c'est un récepteur sensible à l'étirement du muscle.

Problème à étudier : comment expliquer la "lenteur" de l'activité volontaire.

 

 

 

 

S'il est difficile d'aborder de manière expérimentale la notion de délai synaptique (environ 1 ms) avec les enregistrements, en raison de l'incertitude de la mesure expérimentale (1 à 2 ms), il est possible d'aborder le problème du délai de traitement de l'information par les centres nerveux en opposant le délai d'activité volontaire et délai d'activité réflexe.

Constats : traitement des données de l'activité 3

Comparons le temps mis pour le réflexe achilléen et celui mis par l'activité volontaire la plus rapide : déclenchement par la vue.

Réflexe myotatique :

Distance parcourue aller retour : 1.80 m
Temps mis : 37.5 ms

Activité volontaire :

Distance parcourue : 1.30m
Temps mis : 90 ms

Temps nécessaire pour transmettre le message nerveux de l'activité volontaire à 48 m/s (vitesse moyenne calculée de circulation du message nerveux dans les nerfs sciatique et crural)

1.30/48 = 27 ms

Il faut 27 ms pour parcourir la distance yeux -> triceps sural.
Le message à mis 90 - 27 = 63 ms en plus.

Les données anatomiques montrent que ce message transite dans les centres nerveux : encéphale puis moelle.

Conclusion :
Les centres nerveux par leur activité ralentissent la circulation des messages nerveux.
Hypothèses explicatives :
Ce temps correspond au traitement de l'information réalisé par les centres nerveux.

Cette approche expérimentale peut être prolongée par une approche anatomique : Observation microscopique de nerfs dilacérés, nerf en coupe transversale. Coupes de moelle épinière, observation de neurones isolés.

L'anatomie précise et corrige les éléments de connaissances abordés par l'approche physiologique.

 

Jean Marc COULAIS Lycée de la Venise Verte - NIORT


Académie de Poitiers
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Dernière mise à jour : 03/07/01