Dix jours après le décollage de l’astronaute Thomas Pesquet dans l’espace pour la mission Proxima, les questions restent nombreuses concernant l’adaptation de l’Homme à la gravité. L’équipe de recherche de l’Unité Inserm 1093 « Cognition, action et plasticité sensori-motrice » (Inserm/Université de Bourgogne) s’intéresse à la façon dont sont réalisés les mouvements dépendants de ce paramètre. Depuis 30 ans, on pensait que le cerveau à l’origine de la commande motrice compensait en permanence les effets de la gravité. Dans cette étude, les chercheurs révèlent qu’il se sert de la gravité pour minimiser les efforts que nos muscles doivent déployer. Ces résultats sont parus dans eLife.

De nombreuses activités humaines et animales nécessitent que les mouvements de nos membres s’opèrent de manière précise. (C’est le cas des danseurs professionnels qui ont une parfaite maitrise de leur corps.) Pour qu’un mouvement soit réussi, le cerveau doit générer des contractions musculaires en tenant compte des facteurs environnementaux susceptibles d’affecter ce mouvement. L’un des plus importants est la gravité. Le cerveau développe une représentation interne de la gravité qu’il peut ainsi utiliser pour anticiper ses effets sur notre corps. Mais comment ça marche? Jusqu’à présent, les chercheurs pensaient que le cerveau compensait à chaque instant les effets de la gravité pour réaliser un mouvement. Mais les chercheurs de l’Inserm ont avancé une nouvelle hypothèse. Le cerveau utiliserait la représentation interne de la gravité pour en tirer avantage et économiser de l’énergie.

Pour percer ce mystère, l’équipe de recherche a demandé à des volontaires de réaliser des mouvements du bras en condition de gravité normale et en condition de microgravité. En gravité normale, 15 volontaires ont réalisé des mouvements du bras droit dans 17 directions différentes.

Chaque mouvement est composé de deux phases qui déterminent la durée totale du mouvement: une phase d’accélération (ex: lever le bras si la trajectoire initiale est « vers le haut ») et une phase de décélération (ex: pour stopper le bras dans sa course). C’est ce que l’on appelle l’organisation temporelle du mouvement.

Si le cerveau compensait les effets de la gravité en permanence, comme on le croyait, les durées des phases d’accélération et de décélération seraient constantes. En gravité normale, la phase d’accélération ou de décélération commandée par le cerveau s’est avérée plus ou moins grande selon l’orientation du mouvement. Cette observation corrobore l’hypothèse d’une adaptation de l’Homme pour tirer avantage de la gravité en modulant la durée de ces phases pour ne pas solliciter inutilement les muscles.

Pour confirmer et valider ces résultats, les chercheurs ont recréé l’apesanteur dans un avion. Les volontaires ont réitéré les mouvements du bras dans les 17 directions. Alors qu’au début de l’expérience, la façon de réaliser les mouvements est la même que sur Terre, peu à peu, les durées des phases d’accélération et décélération ont changé.

Volontaire effectuant des mouvements en condition de microgravité dans un avion suivant un arc parabolique © Jérémie Gaveau / Inserm

« Cette observation montre bien que notre cerveau capte les informations de l’environnement, se reprogramme et s’adapte à la nouvelle gravité » explique Jérémie Gaveau, premier auteur de ce travail. Une fois qu’il a compris, il intègre les nouveaux paramètres et envoie les commandes qui permettent de réaliser les mouvements en fournissant le moins d’efforts possible.

« La comparaison de ces résultats à ceux de simulations numériques révèle un comportement sophistiqué de l’individu. En effet, nos mouvements sont organisés pour tirer avantage des effets de la gravité, ceci afin de minimiser les efforts que nos muscles doivent déployer » conclut-il.

C’est un réel changement de paradigme. Cette avancée pourrait à terme être utilisée pour programmer correctement le « cerveau » des robots humanoïdes ou d’aide au mouvement pour les personnes handicapées.

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