Imprimer Revue EP&S n°225 - SEPTEMBRE-OCTOBRE 1990

PHYSIOLOGIE NEUROSENSORIELLE : EPS interroge Alain Berthoz

  • ALAIN BERTHOZ
  • Code : 70225-8
  • EPS INTERROGE

La perception et la régulation du mouvement, la mémoire et les apprentissages moteurs, constituent des champs de recherche communs aux psychologues, neurophysiologistes ou, encore, spécialistes d'intelligence artificielle. Aussi, le comportement humain et, par là-même, le geste sportif, ne peuvent plus s'expliquer sans tenir compte des progrès significatifs réalisés dans le domaine de la biologie du cerveau.

La Revue EPS, pour contribuer au développement de la réflexion et de la recherche des praticiens - éducateurs, entraîneurs, enseignants - impliqués dans la méthodologie des apprentissages moteurs, a interrogé Alain Berthoz, spécialiste de neurophysiologie, discipline désormais constitutive des sciences cognitives.
Ont contribué à la préparation de cette interview :
- André Bahon, Professeur de Sport, membre de la Commission Fédérale de plongeon (FFN).
- Loïc Lefort, Ingénieur au CNES.
- Thierry Pozzo, Professeur d'EPS, chargé de recherche au CNRS.
- Pierre Villien, membre de la Fédération Française de Trampoline et de Sport Acrobatiques.
Coordination et réalisation, Suzanne Forget (pour la Revue EPS), et Thierry Pozzo.
Que tous ceux qui ont permis la réalisation de cette interview en soient ici remerciés.

La Revue EPS qui a comme public les intervenants du monde des APS (enseignants, entraîneurs, médecins du sport,...) estime que vos travaux peuvent avoir une relation avec les questions que se posent, ces formateurs, en matière de physiologie sensorielle. Alors pour commencer cet entretien, nous vous formulons une question préliminaire : qu'est-ce que la physiologie sensorielle ?

Alain Berthoz - Au sens traditionnel, la physiologie sensorielle s'occupe des sens et de la façon dont les informations, qui sont données par les sens, sont traitées par le cerveau. Il est important de préciser, qu'il n'y a pas, contrairement à ce que l'on dit souvent, seulement cinq sens (la vue, l'ouïe, le toucher, le goût, l'odorat) mais il existe d'autres capteurs sensoriels, très importants, notamment pour le mouvement. Il s'agit du système vestibulaire de l'oreille interne qui mesure l'ensemble des mouvements de la tête ainsi que tous les capteurs musculaires, articulaires ou tendineux, capables de mesurer les mouvements des segments du corps les uns par rapport aux autres. Donc, la physiologie sensorielle s'occupe d'identifier ces différents capteurs et d'observer les relations qu'ils ont entre eux (coopération où chacun d'eux mesure des grandeurs physiques complémentaires), lors de la réalisation du mouvement, ajouterons-nous, dans la mesure où nous parlons ici pour des lecteurs qui s'intéressent aux sports.
En d'autres termes, la physiologie sensorielle que nous faisons dans notre laboratoire, s'intéresse particulièrement aux rôles des différents capteurs qui sont des mécano-récepteurs, c'est-à-dire des récepteurs de mouvements. J'insiste encore sur le fait que la plupart des capteurs qui sont concernés par le mouvement, n'appartiennent pas aux cinq sens traditionnels. Ceci étant dit, quand on s'intéresse à la perception du mouvement, on ne peut pas étudier ces capteurs sans étudier en même temps les aspects biomécaniques et cinématiques du mouvement. Donc, l'expression « physiologie sensorielle » est insuffisante car elle pourrait laisser penser qu'on peut étudier ces capteurs d'une manière indépendante, sans étudier la façon dont le cerveau contrôle les mouvements.
Par exemple, on sait maintenant que les messages qui sont envoyés par ces capteurs sont contrôlés par des mécanismes appelés mécanismes efférents (1). A titre de rappel, vous savez que les fuseaux neuro-musculaires ont un système de contrôle représenté par les fibres gamma ; ces fibres modifient les messages concernant, par exemple, la longueur, la vitesse d'étirement des muscles ; cette modification est donc produite par des messages provenant du cerveau qui modifient les propriétés des capteurs et qui dépendent du but du mouvement ainsi que de son contexte.
Il en est de même pour d'autres récepteurs. Nous savons, par exemple, à l'heure actuelle, que pour les capteurs vestibulaires, dès les premiers relais sensoriels, (c'est-à-dire dès que l'information sensorielle arrive au cerveau) on observe aussi des modifications des messages en fonction des mouvements dans lesquels l'organisme ou la personne est impliquée. Donc, il n'existe pas de fonctionnement des capteurs sensoriels indépendamment du mouvement, du programme, du but que poursuit une personne.
En bref, l'objectif de la physiologie sensorielle est d'étudier les différents sens, mais cette étude ne peut pas être dissociée de celle du mouvement pour les raisons que je viens d'évoquer.

L'étude du comportement humain a-t-elle sa place dans un laboratoire qui se pose surtout des questions relevant de la recherche fondamentale ?

A. B. - C'est très intéressant que vous posiez cette question qui tend à opposer : étude du comportement et recherche fondamentale. Or, il n'y a aucune opposition entre ces deux notions. Personne n'a jamais contesté que l'étude de K. Lorenz, sur le comportement animal, ait apporté une contribution fondamentale à la connaissance. Il est absolument évident que les travaux de Marey, de Bernstein, et de tous les chercheurs qui se sont intéressés à la description du comportement ont un intérêt tout à fait fondamental. Il ne faut pas confondre ce qui relève des études du comportement et ce qui concerne les études des mécanismes neuronaux qui sous-tendent les comportements. L'étude du comportement humain fait partie des outils, des démarches classiques et normales de l'étude fondamentale qui aborde par exemple les problèmes relatifs à la façon dont le cerveau organise la perception de l'espace et contrôle le mouvement. J'irai même plus loin, je pense que ne s'occuper que des mécanismes neuronaux sans s'intéresser en même temps au comportement, amène à ne pas comprendre grand chose au fonctionnement cérébral.

Actuellement on observe dans les domaines de la recherche en sciences et techniques des activités physiques et sportives un vif intérêt pour les sciences cognitives et la neuro-physiologie. Ne pensez-vous pas, d'une manière plus générale, que ces deux approches scientifiques, jusque-là séparées, tendent à se rapprocher et amènent les chercheurs à collaborer ?

A. B. - Bernstein, le célèbre physiologiste soviétique avait, au début du siècle, essayé de lier les intérêts des Sciences et Techniques des activités sportives avec ceux de la physiologie. Marey, en France, avait fait de même. Il faut reconnaître qu'à de rares exceptions près, ils n'ont pas été suivis.
Mais plusieurs équipes à Paris, à Lyon, à Marseille, à Toulouse, tentent aujourd'hui de mettre ces deux domaines en relation. Permettez-moi de faire quelques commentaires sur la question de la coopération entre sciences cognitives et neurophysiologie.
Il faut être très clair sur ce point. Il n'y a jamais eu, à mon avis, de fossé entre ce que l'on peut appeler les sciences de la cognition et les sciences du système nerveux.
Je voudrais quand même vous rappeler que parmi les grands noms des études du cerveau qui ont fondé la neuropsychologie, aussi bien en France avec Broca qu'à l'étranger avec Luria et Sperry figurent des gens qui ont utilisé certaines méthodes issues des sciences cognitives : étude du langage, de la pensée, du raisonnement, des comportements complexes, pour essayer de comprendre le fonctionnement cérébral. On peut dire par conséquent, qu'il y a eu toujours dans l'histoire de la science du cerveau une coopération entre les chercheurs qui s'occupaient des fonctions cognitives humaines et ceux qui s'intéressaient à l'étude des mécanismes cérébraux.
Ce qui est nouveau, effectivement, c'est l'explosion dans les années 60, des méthodes d'explorations élémentaires cellulaires qui ont permis d'observer de très près les mécanismes microscopiques de la cellule, du neurone, de la membrane, etc. ; cela il est vrai a creusé un certain fossé.
On assiste actuellement, pourrait-on dire, à une nouvelle coopération, sur une base différente, entre les disciplines qui ont étudié l'organisation cellulaire membranaire neuronale, et les disciplines qui ont, elles aussi, avancé dans la compréhension des processus cognitifs. D'ailleurs ce qu'il y a de passionnant dans le mouvement actuel des sciences cognitives, c'est qu'il existe plusieurs axes de recherche. On peut en relever au moins cinq : il y a l'axe des neurosciences, c'est-à-dire l'étude des bases neuronales et neuro-pharmacologiques du comportement ; l'axe de l'étude des modèles informatiques ou mathématiques de réseaux de neurones qui rejoint certains domaines de l'intelligence artificielle ; l'axe de la psychologie cognitive et l'axe de la psychologie expérimentale qui utilise des méthodes extrêmement sophistiquées d'études de la perception, par exemple au niveau du mouvement ; il y a enfin une psychophysique du mouvement et même une dimension que l'on pourrait appeler celle de l'anthropologie cognitive qui s'intéresse au fait qu'un certain nombre de fonctions cérébrales, même élémentaires, dépend non seulement d'un seul organisme, mais éventuellement d'un groupe ; ce qui était un principe traditionnel dans le domaine de l'éthologie.
La psychologie cognitive apporte actuellement à mon avis deux choses. D'abord elle fournit des concepts. Par exemple, le fait qu'il y ait une mémoire opérationnelle, qu'il existe plusieurs catégories de mémoire constitue une proposition théorique apportée par la psychologie. Le fait qu'il y a dans la représentation mentale de l'imagerie, une imagerie visuelle, une imagerie spatiale ou différentes sortes d'imageries, appartient à des concepts qui sont apportés par le psychologue. De même, considérer qu'il existe des stratégies de différentes sortes, pour organiser par exemple un « séquencement » de mouvement, représente une théorie amenée par la psychologie.
Enfin, l'idée qu'il y a des canaux différents de contrôle des mouvements distoproximo par exemple constitue un apport des cognitivistes à la neurobiologie. Par conséquent on peut dire que ces derniers offrent en premier des concepts fondamentaux parce qu'on ne peut pas étudier le cerveau - (cette machine extraordinairement compliquée) - si l'on ne possède pas des théories pour aborder son fonctionnement.
La deuxième chose à retenir, c'est que les cognitivistes apportent des méthodologies, des paradigmes dérivés des théories. Actuellement dans l'étude du mouvement, des paradigmes expérimentaux nouveaux sont nécessaires.

 

La représentation du mouvement ou bien sa « prise de conscience » (selon les termes utilisés en EPS), constitue un objectif qui est souvent proposé lors de la préparation d'une séance d'EPS ou d'un entraînement sportif. Est-ce que cette notion entre dans le champ des préoccupations des neurosciences ?

A. B. - Le problème de la « représentation » est un des problèmes les plus difficiles de toutes les sciences ; on pourrait même ajouter, pas seulement des sciences, mais aussi de la philosophie ; c'est un problème central, qui fait vraiment partie des préoccupations des neurosciences. Néanmoins, la première difficulté à résoudre c'est d'abord de savoir ce qu'on met derrière le mot et si vous le permettez je ferai un bref rappel de l'évolution des idées en matière de ce que l'on connait de l'organisation de la neurophysiologie du mouvement.
Globalement, on pourrait distinguer deux points de vue extrêmes.
• Le premier consiste à dire que le mouvement est contrôlé essentiellement par des chaînes de réflexes avec comme modèle formel, le modèle cybernétique.
Ceci a conduit à essayer d'étudier le cerveau et les représentations cérébrales, comme si un certain nombre d'informations sensorielles provenant des sens, ce dont nous avons parlé tout à l'heure, était conduit au cerveau par des canaux sensoriels et qu'ensuite il se produirait dans le cerveau des transformations, tout ceci modulant des « programmes » moteurs.
Cette représentation cybernétique (et dérivée de l'informatique des ordinateurs sériels) voit le mouvement comme une chaîne sensori-motrice c'est-à-dire qu'à partir des informations sensorielles, on ferait passer des messages à travers une « moulinette » et puis à partir de là on obtiendrait le mouvement. Ce point de vue est extrêmement limité, et il doit être abandonné ; d'ailleurs plusieurs chercheurs, dont Bernstein, l'ont rejeté, il y a longtemps ; néanmoins il reste tenace, car il a été renforcé par les méthodes expérimentales de la neurophysiologie humaine ou animale, domaine dans lequel il est effectivement très simple d'appliquer un stimulus et d'observer une réponse.
• A l'opposé, le deuxième courant, très fort en ce moment, consiste à dire que dans le programme génétique conduisant à la construction d'un cerveau d'animal ou d'homme, se trouve ce que Lorenz appelait des « coordinations héréditaires », des mécanismes cérébraux, complètement endogènes, et qui constituent des représentations du mouvement et de l'espace. Ceci correspond à l'hypothèse qu'il existe un répertoire de comportements de mouvements « câblés » (ce mot n'est pas très bon) déterminé à la naissance ; le cerveau serait donc une machine qui dispose de générateurs internes, d'oscillateurs, entretenant une certaine activité ; il disposerait dans sa structure, dans son organisation neuronale de véritables estimations sur la réalité physique.
Par conséquent pour commander un mouvement, il viendrait simplement sélectionner dans un répertoire, une combinaison de « synergies ». Cette sélection irait en même temps déterminer une certaine configuration de prise d'information par les sens. Il faut pour comprendre ces mécanismes abandonner l'approche de type stimulus-réponse et il est nécessaire de construire une nouvelle problématique ; c'est dans cette ligne-là que s'inscrivent aujourd'hui toutes les recherches qui concernent l'imagerie mentale et la représentation du cerveau. Enfin, il convient d'étudier la flexibilité des synergies. Estelle grande ou est-elle contrainte par des règles strictes ? Les résultats de certains de nos collègues suggèrent qu'un mouvement complexe dans l'espace se réduit à une séquence de mouvements dans des plans. Voilà un sujet de travail en commun : le cerveau utilise-t-il des différentiels liés au corps (égocentrés) ou à l'espace - le mouvement est-il contrôlé sous forme de positions ou « d'erreurs motrices » ? Autant de problèmes théoriques dont les implications concrètes sont grandes.

Ce que vous venez de dire semble avoir des conséquences directes au niveau de l'apprentissage. Pourriez-vous approfondir ce point en vous appuyant sur quelques exemples ?

A. B. - Oui, on pourrait donner une illustration avec l'exemple du skieur.
Si on est un neurophysiologiste, ou un psychophysiologiste, ou un physiologiste tout court, peu importe, si on essaie de comprendre comment le cerveau fonctionne pendant une descente de ski en compétition, on peut avoir, comme je l'ai exposé tout à l'heure, deux points de vue extrêmes.
Le premier consiste à dire : le cerveau va utiliser des informations données par la vision, les capteurs musculaires, le système vestibulaire, et il va corriger en permanence les mouvements par une détection continue des erreurs. Mais cette hypothèse ne permet pas d'expliquer l'extraordinaire rapidité des mouvements.
Ou bien, on peut soutenir ce que disent les gens qui pratiquent l'entraînement mental, par exemple chez les sportifs de haut niveau, que ça ne se passe pas du tout comme cela ; le cerveau a une représentation de la course (surtout chez l'athlète de très haut niveau), il a construit un plan et que c'est dans ce plan qu'est programmé une prise d'informations sélectives. En fait, on parle beaucoup de programmes « moteurs », mais dans la planification du mouvement il y a aussi la planification de certaines prises d'informations sensorielles, une sélection dans le temps de ces informations sensorielles. Pendant la descente à ski le sportif va, dans sa planification du mouvement, inscrire à tel moment la vision - (laquelle va prendre par exemple des informations sur l'inclinaison par rapport à l'horizontale, la distance d'un piquet) - à un autre moment ce seront les informations proprio-ceptives qui vont être fondamentales pour déterminer les forces de réactions, au moment, par exemple, de la sortie d'un virage. Autrement dit, cela suppose que l'organisation de la descente inclue une planification d'une sélection d'informations et à partir de là l'information sensorielle ne sera plus continue, mais elle sera intermittente, discontinue, elle sera prédictive, c'est-à-dire qu'il faudra établir une comparaison entre ce que fournit un capteur sensoriel à un moment donné et ce qui a été prévu comme information.

L'exemple que vous venez de prendre est très intéressant : ne pose-t-il pas en fait le problème fondamental, en sport, de l'anticipation ? Prédire ce qui va se passer... avoir « une longueur d'avance » ?

A. B. - On arrive ici au c?ur du problème : à quoi sert le cerveau ? Comme je vous l'ai dit précédemment, tout ce qui permet d'anticiper sur le futur permet d'assurer la survie : pour échapper aux prédateurs, pour capturer une proie, il faut aller très vite. Une raison pour laquelle il est si important de gagner du temps c'est que l'espace physique contient des forces extérieures contraignantes qui ralentissent considérablement le mouvement et qu'il faut donc trouver des moyens pour accélérer les réponses. Dans de nombreux mouvements sportifs, comme au fleuret, en escrime, au tennis, etc., le problème de base est de contrôler une position pour pouvoir taper à un endroit précis ou attraper quelque chose : le problème est de pouvoir contrôler une position pour être là à temps. La plupart des capteurs sensoriels, que ce soient les capteurs musculaires, les capteurs articulaires, les systèmes vestibulaires, même la vision ne se contentent pas de mesurer simplement des changements de positions, mais aussi des vitesses, des accélérations. Ils fournissent des dérivées des grandeurs du mouvement. Ces « dérivées » permettant d'anticiper.

On constate souvent qu'un apprentissage moteur passe par « l'inhibition de réflexes » inadaptés au bon déroulement du geste sportif (exemple le salto avant et la suppression du réflexe de redressement).
1) Est-ce que cette interprétation est bonne ?
2) La notion de réflexe n'a-t-elle pas évolué ?

A. B. - Oui, il est intéressant d'évoquer cette question : est-ce que l'apprentissage moteur passe par l'inhibition de réflexes inadaptés ?
Le peu de connaissance que l'on a sur le cerveau montre que l'inhibition, prise dans le vrai sens d'inhibition synaptique, est un mécanisme absolument essentiel pour la production d'un mouvement. Je peux vous donner un petit exemple.
Si je fais un déplacement du regard de 10°, le mouvement de l'?il (que l'on appelle une « saccade »), éventuellement le mouvement de la tête, est produit par une excitation des moto-neurones (2) qui activent les muscles. Ces neurones sont excités par le « colliculus supérieur » (3). Cette structure est formée, elle-même de « cartes » de l'espace visuel et les moto-neurones des yeux et de la tête sont donc activés par les neurones qui descendent de ce colliculus supérieur ; cependant les mouvements de la tête et de l'oeil sont en permanence bloqués par des mécanismes qui inhibent les moto-neurones. Il existe donc des neurones inhibiteurs qui, tout le long de notre vie empêchent de faire certains mouvements, ce mécanisme est permanent et on ne peut ainsi faire des mouvements d'orientation que si cette inhibition est levée.
Au niveau du colliculus, il existe le même phénomène. Le colliculus est comme une « carte » qui reçoit des informations sur le monde visuel, or, il y a de nombreux endroits de l'espace vers lesquels on peut orienter la tête et les yeux ; quand on regarde l'espace on pourrait éventuellement faire de façon désordonnée des mouvements dans tous les sens ; d'ailleurs certains malades ne peuvent pas s'empêcher d'aller regarder un peu partout. Le colliculus est lui-même sous contrôle d'un mécanisme inhibiteur qui est produit par une substance appelée « la substance noire ». Il y a donc un blocage inhibiteur de l'activité du colliculus, qui empêche de faire des mouvements des yeux et de la tête dans n'importe quelle direction ; on ne peut faire un mouvement des yeux et de la tête que s'il y a une petite population de neurones sur le colliculus qui est « désinhibée » et qui va permettre de déclencher un mouvement. Ce déclenchement aura encore besoin d'une autre désinhibition venant de neurones situés dans le noyau coudé qui est lui aussi impliqué dans la programmation du mouvement et dans la mémoire spatiale.
Donc, il faut bien se convaincre que l'inhibition de réflexes ou de réactions qui sont câblés est vraiment un des mécanismes essentiels de l'organisation du mouvement.
Un mouvement n'est pas organisé par une série d'excitations plus ou moins compliquées. Il est aussi organisé grâce à des cascades d'inhibitions qui assurent la sélection spatiale et temporelle des activités de générateurs de mouvements. Le cervelet, par exemple, est un organe fondamental pour la coordination du mouvement. Or les neurones de « sortie » du cervelet (on les appelle les cellules de Purkinje) sont des neurones inhibiteurs. De plus, des théories récentes supposent que la modification des mouvements dépend des mécanismes ioniques liés à la coïncidence d'influences multimodales (visuelles, vestibulaires, proprioceptives) sur l'arbre dendritique de ces cellules de Purkinje.
Vous voyez qu'il ne s'agit pas seulement de « l'inhibition des réflexes ». Les mécanismes inhibiteurs sont essentiels dans l'adaptation à des conditions nouvelles. Nous en sommes seulement au début de la compréhension de ces mécanismes. Mais d'autres aspects sont aussi très intéressants. Des données récemment obtenues par certaines équipes de chercheurs ont montré par exemple que le temps nécessaire pour « penser » un mouvement sportif est exactement le même que le temps nécessaire pour sa réalisation. Ceci suggère que si l'on demande à un athlète (cette expérience a déjà été faite par des chercheurs) de courir un 110 mètres haies et qu'ensuite on lui propose de s'asseoir et de penser à sa course, il met le même temps pour faire le trajet mentalement que dans la réalité. Nous pouvons ainsi penser que la représentation mentale du mouvement utiliserait les mêmes structures que celles qui sont utilisées pour faire le vrai mouvement. La seule différence, si cette hypothèse s'avère juste, c'est qu'il y aurait simplement un blocage, une inhibition de l'exécution, c'est-à-dire que la représentation mentale du mouvement n'utiliserait pas des choses mystérieuses de la pensée dans le cerveau, quelque part, mais se serviraient des mêmes structures que celles qui sont sollicitées dans le mouvement, pour réaliser une véritable simulation du mouvement ; il y aurait seulement blocage de l'exécution.
Pour revenir à votre question, je dis oui : l'apprentissage moteur, bien sûr, passe par l'inhibition de réflexes inadaptés, mais cela n'est pas propre à l'apprentissage moteur ; n'importe quel mouvement est produit par un subtil jeu des mécanismes d'inhibition et d'excitation.
Ensuite il nous faut échapper à des schémas trop simples de l'organisation du mouvement et étudier les relations entre mouvement et perception.

Sur le plan de l'apprentissage moteur, ce que vous venez d'exprimer, suscite quelques interrogations. Par exemple quand vous dites que le temps de la représentation du mouvement est égal au temps de l'exécution réelle du mouvement, est-ce que cette représentation « pensée », effectuée de façon répétée, ne serait pas aussi efficace, pour la réussite de la performance, que l'entraînement physique réalisé sur le terrain ?

A. B. - Le problème que vous posez est un problème d'actualité.
Il y a une bonne dizaine d'années que des équipes de chercheurs notamment de Scandinavie, du Canada, mais aussi des pays de l'Est, utilisent l'entraînement mental pour la préparation des gestes sportifs lors de compétitions.
Ces recherches ont été faites pour essayer d'observer si cet entraînement mental était efficace.
En fait, les résultats obtenus sont assez contradictoires ; mais c'est un domaine intéressant à étudier.
D'ailleurs les recherches dans ce sens ne s'appliquent pas seulement au sport ; cette question a aussi été posée dans le domaine de la musique. Il existe par exemple une méthode japonaise qui consiste à apprendre aux enfants à jouer du violon. Au départ le solfège n'est pas enseigné ; on fait écouter une musique et on demande ensuite aux enfants de chanter cette musique ; quand ils en sont capables, alors à ce moment-là on leur demande de la jouer au violon.
Cette procédure est assez intéressante, car elle suggère, qu'en fait, à partir du moment où l'enfant a pu construire une représentation, je dirais plutôt une « simulation » mentale, il a pu « simuler » d'une certaine façon le mouvement. Mais nous ne possédons que des mots très imprécis pour rendre compte de ce phénomène.

Des entraîneurs de plongeon ont pu observer que la répétition à outrance d'une figure complexe déclenche parfois des effets pervers qui ont pour résultats d'occulter certaines phases de réalisation du plongeon, sans que soit cependant altérée son exécution globale. Quelle contribution peuvent apporter les neurosciences pour expliquer ce phénomène ?
Peuvent-elles justifier le fait que si pendant quelque temps, on fait oublier aux plongeurs les automatismes acquis concernant cette figure, le plongeur est ensuite capable de retrouver la technique initialement maîtrisée ?

A. B. - On peut dire que le cerveau va d'abord chercher à utiliser des synergies classiques qui sont à sa disposition. Or, chaque individu a un répertoire de synergies automatiques extrêmement faible. Je pense donc, que pendant l'entraînement sportif, l'apprentissage volontaire permet de recombiner de façon nouvelle ces éléments de son répertoire. L'automatisation pourrait conduire éventuellement à un retour à des formes assez élémentaires. Ce qui serait intéressant pour éviter le problème que vous avez évoqué, (si j'étais responsable d'une recherche dans ce domaine...) ce serait d'essayer de voir comment est composé ce geste du plongeon et vers quoi il tend, voir ce qui est réalisé finalement dans la forme dégradée et si par hasard le mouvement dégradé n'est pas composé de quelques éléments assez facilement identifiables ; à partir de ces éléments on pourrait alors retravailler en retour pour recomposer un mouvement appris qui soit plus simple, plus conforme à ce concept de synergie de coordination.
Tout cela ne donne pas d'explication, mais a au moins le mérite de poser le problème. Pour répondre à votre question les neurosciences ne peuvent pas donner actuellement l'explication mais elles pourraient fournir des méthodes pour comprendre. En ce qui concerne le fait que, si pendant quelque temps on fait oublier aux plongeurs les automatismes acquis, et qu'ils les retrouvent, nous n'avons pas actuellement de réponse. Comme vous le savez, le problème de la mémoire, chez l'adulte, a été très peu étudié en ce qui concerne la mémoire du mouvement et de l'espace. Il y a là un champ de recherche important où spécialistes du sport, physiologistes et neuropsychologues devraient pouvoir coopérer.

Nous voudrions vous soumettre un autre exemple pris celui-ci chez les trampolinistes. Il s'agit d'un problème auquel ont été confrontés de nombreux gymnastes de haut niveau, à savoir la confusion des figures, pouvant aller jusqu'à la perte de certaines d'entre elles. Ce processus s'installe généralement dans les « grosses » figures (triple ou double salto avec vrilles) ; la rotation transversale devient prépondérante et le trampoliniste ne peut plus déclencher la rotation longitudinale qui compose cette figure... La figure d'origine est alors perturbée, l'exécutant « se sent perdu », la peur s'installe et la contagion s'étend à d'autres figures plus simples qu'il n'est plus capable de réaliser... Les neurosciences peuvent-elles apporter des explications à ce phénomène ?

A. B. - Les problèmes posés par le trampoline sont tout-à-fait passionnants, mais nous ne savons pas très bien ce qui se passe... On a ici affaire à un mouvement tridimensionnel dans l'espace. Nous avons enregistré une des figures que l'athlète peut exécuter : le salto, avec Thierry Pozzo (cf. encadré, N.D.L.R.). Ce mouvement est composé de plusieurs phases mais nous n'avons pas encore vraiment compris l'organisation des séquences qui s'enchaînent.
La mesure des figures complexes est encore limitée par le fait qu'il faut reconstruire le mouvement dans les trois dimensions ce qui n'est techniquement possible que depuis peu de temps. La représentation interne de la position de l'athlète dans l'espace est produite par une coopération entre la vision et le système vestibulaire.
Dans le cas du trampoline, on a l'impression que le mouvement est tellement rapide que le glissement rétinien est considérable et qu'éventuellement la vision est inutilisable ; dans des mouvements complexes comme ceux-là, on peut donc supposer que les athlètes de ce sport se reposent uniquement sur les informations vestibulaires. Nous parlions tout à l'heure de sélection, on peut dire ici, qu'une partie de l'apprentissage au trampoline consiste justement à apprendre à sélectionner les informations et notamment à ne se rapporter qu'aux informations données par le labyrinthe mais qui ont quand même des limites. Je pense que dans le cas du trampoline, il doit y avoir un certain nombre de configurations qui doivent conduire à des accélérations de type « coriolis » (4) donc à des estimations erronées. Il faut se rappeler que les accélérateurs de coriolis correspondent à des accélérations perçues comme « bizarres ».
Reste une question importante : quelle est, dans l'accomplissement de ce mouvement, la part qui est due à une exécution d'une séquence de mouvements appris dont le déroulement temporel est fixé d'avance par l'apprentissage, et quelle est la part de correction ou d'ajustement par des prises d'information présélectionnées ? Comment est segmenté le mouvement ? Le sujet calcule-t-il, pour l'atterrissage par exemple, le « temps avant le contact au sol » comme le propose une étude récente de collègues d'Edinbourg, ou se base-t-il sur une évaluation des vitesses de translation, e t c . . . Je propose aux spécialistes de ce mouvement une coopération pour essayer d'étudier les mécanismes des perturbations dont vous parlez. Peut-être pourrons-nous ainsi apporter une réponse.

 

Encadré

TECHNIQUES D'ANALYSE DU SALTO ARRIÈRE

L'optimisation de la capture des signaux sensoriels
Dans le cadre du Laboratoire de Physiologie Neurosensorielle (CNRS - Paris), une étude a été réalisée sur l'observation des mouvements de la tête dans les trois plans de l'espace lors de l'exécution d'un salto arrière au mini-trampoline. Ayant constaté que des sujets confirmés adoptaient une stratégie de stabilisation de la tête autour de repères liés à la direction de la gravité, nous avons suggéré qu'une telle stratégie pouvait être utilisée afin d'optimaliser l'information visuelle lors de mouvements complexes réalisés sans appui.
De plus, lors de l'exécution d'une telle habileté motrice, le programme moteur qui inclut les différents paramètres, telle la séquence temporelle des commandes motrices ou l'amplitude de la rotation, doit être spécifié avec une très grande précision. Aussi, le contrôle de la rotation aérienne du corps (360°) nécessite la mise en place d'un cadre de référence stable à partir duquel les calculs spatiaux pourront s'effectuer. Le système vestibulalre pourrait fournir un tel cadre de référence.
En effet, nos résultats suggèrent que l'acrobate utilise le système vestibulaire un peu comme une centrale de guidage inertielle (1). Ces systèmes, utilisés pour le guidage des missiles, ou robots volants sont constitués d'un gyroscope qui permet de mesurer les écarts de trajectoire du missile par rapport à un invariant géographique (la verticale terrestre par exemple).
Le système d'analyse du mouvement
Les mesures auxquelles nous avons procédé, ont été réalisées avec un système d'analyse automatique du mouvement appelé système Elite. Ce système donne la possibilité de calculer la trajectoire de points du sujet dans les trois directions de l'espace.
Ce système est une chaîne de mesure constituée de caméras vidéo, d'un système d'analyse d'image et d'un ordinateur central.
Les caméras vidéo sont munies de flashs et filtres infrarouges permettant de travailler dans l'obscurité. Elles visualisent les points du sujet dont on veut connaître la trajectoire et qui sont physiquement représentés par des marqueurs recouverts de papiers rétroréflexifs (réfléchissant la lumière dans la direction opposée au faisceau incident).
La position bidimensionnelle du barycentre de chaque marqueur est calculé en ligne, pour chaque trame de chaque caméra, par un système d'analyse d'images à la fréquence de 50 Hz.
Les coordonnées de ces points sont transmises puis stockées par l'ordinateur central. Les coordonnées d'un même point provenant des différentes caméras permettent de reconstruire les coordonnées tridimensionnelles des marqueurs. Ces coordonnées sont calculées dans un référentiel connu, choisi au cours de la calibration. phase de l'expérience définissant ainsi les paramètres intrinsèques et extrinsèques de chaque caméra.
A partir de ces données, on peut calculer les paramètres cinématiques qui nous intéressent : positions, angles, vitesses, accélérations... Les figures 1 et 2 donnent un exemple de traitement ; elles représentent les « silhouettes fil de fer » de deux enregistrements ; l'un d'un sujet marchant normalement (fig. 1),

l'autre d'un sujet exécutant un salto arrière (fig. 2).

Ces figures montrent la projection dans le plan sagittal des liaisons qui lient les marqueurs à chaque prise d'image (toutes les 20 millisecondes). Pour ces expériences les marqueurs étaient placés sur la tête (au nombre de deux), sur l'épaule, sur le coude, sur le poignet, sur la hanche, sur le genou, sur la cheville et sur le pied. Pour la figure du salto, toutes les images ont été translatées sur un marqueur de la tête, de manière à éviter les superpositions d'Images, donnant ainsi une meilleure compréhension du mouvement.
Ces techniques d'analyse du mouvement sont aujourd'hui fréquemment utilisées dans le domaine de la neurophysiologie. Elles permettent d'analyser précisément les gestes et la posture du sujet sans gêner ses mouvements par un appareillage encombrant.
(1) L'inertie est une propriété mécanique de la matière, traduisant sa répugnance à voir modifier son état de vitesse. La navigation par inertie utilise cette propriété afin d'effectuer une localisation permanente, automatique et indépendante de l'extérieur du véhicule.

Loïc Lefort, Ingénieur-Centre National d'Études Spatiales (CNES)
Thierry Pozzo, Professeur d'EPS - UFR - STAPS (Dijon) Chargé de recherche au CNRS.

Notes :

(1) Efférent : terme anatomique et physiologique, qui indique le sens de la conduction ; du centre vers la périphérie ; se dit de fibres nerveuses qui vont du cerveau vers l'organe sensoriel.

(2) Moto-neurone : neurone afférent au muscle.

(3) Colliculus supérieur : structure nerveuse, constituée de plusieurs couches, jouant un rôle important dans la commande de fixation de l'oeil.

(4) Effets de type coriolis : lorsqu'on combine des accélérations dans plusieurs directions de l'espace, leur résultante est dans une direction qui est différente de chacune des composantes.

 

Photos : M.Beaudenon.

Alain Berthoz

Titres universitaires
- Certificat de mathématiques générales ;
- Diplôme d'Ingénieur Civil des Mines ;
- Licence de Psychologie ;
- Doctorat de Docteur Ingénieur ;
- Docteur ès Sciences Naturelles.
 
Fonctions exercées au CNRS
- Directeur-adjoint du Laboratoire de Physiologie du travail du CNRS (depuis 1975) ;
- Responsable du Département de Physiologie Neurosensorielle (depuis 1978) ;
- Directeur du Laboratoire de Physiologie Neurosensorielle du CNRS (depuis la création du laboratoire en 1981).
 
Activités dans le cadre du Collège de France
- Co-organisateur d'une série de quatre cours du Pr. R. Llinas (1975) ;
- Co-organisateur d'une série de quatre cours du Pr. J. Mehler (1979) ;
- Organisateur d'une série de séminaires : les bases neurales et neuropathologiques de « l'oculomotricité » (1983);
- Co-organisateur avec le Pr. Changeux d'une série de neuf conférences sur : « bases neurales des invariants perceptifs et moteurs » (1988).
 
Enseignements
- Cours au 3e cycle de biomécanique du mouvement (Université d'Orsay) ;
- Chargé d'un cours sur « Interactions multi-sensorielles dans l'oculomotricité. DEA de neurosciences. Université de Paris VI (depuis 1984) ;
- Membre d'un groupe de travail pour l'étude de l'introduction de l'enseignement des Sciences Cognitives à l'École Normale Supérieure (Paris) (1987) ;
- Participant au cours sur les « Sciences Cognitives » à l'École Normale Supérieure (Paris) (1987-1988) ;
- Enseignant au DEA « Sciences Cognitives ». Université Paris V (depuis 1987) ;
- Conférences sur « Perception et Mouvement », dans le cadre de l'International Space University à l'Université de Harvard (USA) (1988) ;
- Responsable du programme Neurosciences du DEA de Paris VI. Sciences de la Cognition (depuis 1989).
... Liste non exhaustive des titres, fonctions, mérites, en tant que chercheur, enseignant, membre de sociétés scientifiques (françaises et étrangères), directeur et jury de thèses, organisateur de colloques, de congrès, etc.

Bibliographie

Berthoz (A.) et Melvill Jones (C.) (eds). Adaptive Mechanisms in Gaze Control. Reviews in Oculomotor Research. Vol. 1. Elsevier, Amsterdam. 1985, 386 p.
Amblard (B.), Berthoz (A.) et Clarac (F.) (eds) (1988). Posture and gait. Development, adaptation and modulation. Excerpta Medica, Amsterdam.
Berthoz (A.) et Pozzo (T.) (1988). Intermittent head stabilisation during postural and locomotory tasks in humans. In : Amblard B., Berthoz A., Clarac F. (eds). Posture and gait. Development adaptation and modulation. Elsevier, Amsterdam; N.Y., Oxford, p. 189-198.
Berthoz (A.), Graf (W.) et Vidal (P.-P.) (1990). The Head-Neck sensorymotor system. Wiley.
Berthoz (A.) et Droulez (J.) (1989). The concept of dynamic memory in sensorimotor control. In : Humphrey, Freund (eds). Motor Control : Concepts and issues. Dathem Conference, Berlin.

L'auteur : ALAIN BERTHOZ

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