E27 Gravité, accélération et rotation

Topique

Le système vestibulaire d'un individu perçoit simultanément la gravité, l'accélération linéaire et la vitesse angulaire grâce à deux types d'organes distincts : l'utricule et le saccule, qui détectent l'accélération linéaire et la gravité grâce à leurs otolithes respectifs, et les trois canaux semi-circulaires, qui détectent l'accélération angulaire selon les trois plans de l'espace. La physique de ce système vestibulaire est, en définitive, celle d'un mécanorécepteur inertiel à amortissement visqueux.

Chaque otolithe de l'utricule et du saccule est beaucoup plus dense que l'endolymphe qui l'entoure au sein de ces mêmes organes. Cette différence de densité génère une force nette qui dévie les stéréocils des cellules ciliées situées directement sous l'otolithe, suivant les mêmes mécanismes de contact et de déformation que ceux décrits dans un autre modèle de ce système pour un mécanorécepteur cutané. Cette déviation est donc proportionnelle à l'accélération linéaire subie par l'otolithe, y compris la gravité lors de l'ouverture du modèle. C’est précisément cette proportionnalité qui permet au cerveau du sujet de déduire sa propre orientation par rapport à la verticale, conformément à l’inférence active concernant cet environnement déjà établie par un autre modèle de ce système. Plus l’accélération linéaire subie par l’otolithe est importante, plus la déviation des stéréocils sous-jacents est grande.

La dynamique de chaque canal semi-circulaire de ce système vestibulaire est cependant celle d’un oscillateur sous-amorti : ce canal semi-circulaire réagit à la vitesse angulaire du sujet, et non à sa position angulaire, ne détectant ainsi que le début et la fin d’une rotation de ce même corps. Lorsque ce corps tourne à une vitesse angulaire constante pendant une période prolongée, le signal provenant de ce canal semi-circulaire décroît progressivement jusqu’à un état stationnaire beaucoup plus faible, suivant exactement la même adaptation qu’un capteur biologique qui établit un autre modèle de ce système : ce même système vestibulaire s’adapte à cette rotation désormais constante, produisant l’illusion du gyroscope bien connue, dans laquelle l’observateur cesse de ressentir la rotation alors qu’il continue réellement à tourner. Si cette rotation du corps est maintenue à une vitesse angulaire constante pendant une période prolongée, le signal provenant de ce canal semi-circulaire décroît encore davantage jusqu'à atteindre un état stationnaire inférieur.

La transduction mécanoélectrique des cellules ciliées de ce système vestibulaire suit une courbe sigmoïde en réponse à la déviation de leurs stéréocils : le courant ionique traversant ces canaux est maximal lorsque les stéréocils sont courbés d'un côté de la cellule, et minimal lorsqu'ils sont courbés du côté opposé. L'amplitude de cette déviation nécessaire pour passer de ce courant minimal à ce courant quasi maximal est donc extraordinairement faible, comparable à la longueur d'une liaison atomique – une sensibilité extrême, très similaire à celle déjà établie par un autre modèle de ce système pour un capteur biologique particulièrement sensible. Le fait que la déviation des stéréocils de cette cellule ciliée soit plus prononcée d'un côté de la cellule signifie que, conformément à cette même courbe sigmoïde, le courant ionique qui la traverse est par conséquent plus proche de sa valeur maximale. Ainsi, ce modèle, avec ses otolithes et ses canaux semi-circulaires, permet à la gravité d'être utilisée comme référence verticale absolue par pratiquement tous les organismes dotés d'un système nerveux : le statocyste d'un invertébré marin, le système vestibulaire d'un vertébré, et même le statocyste d'une plante au sein de ses cellules racinaires, tous utilisent le même principe physique à l'origine de ce modèle : un corps dense s'affaissant sous l'effet de la gravité et déformant de ce fait une structure élastique, laquelle active un capteur spécifique. La résolution angulaire de ce système vestibulaire humain est donc suffisante pour maintenir le contrôle postural, bien que beaucoup plus modeste que l'extrême sensibilité des cellules ciliées mentionnées précédemment.

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