Le cerveau possède-t-il un modèle des lois de Newton ?

Paris, le 25 juin 2001

L'anticipation et la prédiction sont des propriétés fondamentales du système nerveux. De même attraper un objet en chute libre est une tâche commune que la plupart d'entre nous ont rencontrée au cours de leur vie. Beaucoup d'objets en verre ont ainsi été sauvés par l'anticipation rapide de la direction et de la vitesse de leur chute inattendue. Il est remarquable de constater que lorsque nous attrapons un objet qui tombe, le cerveau n'attend pas que l'objet touche la main pour produire une contraction des muscles fléchisseurs du bras qui compensent le choc. Environ un tiers de seconde avant l'impact, le cerveau produit une contraction qui est exactement celle nécessaire pour contrecarrer la force de l'impact qui, elle-même, est due au poids de l'objet combiné à l'accélération de sa chute. Les psychologues ont montré que cette anticipation apparaît chez l'enfant vers 1 an. Elle est donc construite, au moins en partie, au cours de la première enfance par l'interaction, au cours de l'activité, entre le cerveau et le monde physique.

Ces observations suggèrent que les lois de la pesanteur sont inscrites dans les mécanismes de contrôle du mouvement. Une façon de tester cette hypothèse est de trouver une situation ou la gravité n'a plus d'influence ni sur le mouvement du corps ni sur le mouvement des objets dans l'environnement. Cette condition est fournie par les vols en microgravité. A bord d'un vaisseau spatial en orbite les objets n'accélèrent plus "vers le bas". C'est ainsi que, depuis dix ans, le LPPA et ses collaborateurs ont étudié cette hypothèse en utilisant les conditions uniques des vols orbitaux (sur la station MIR et à bord de la navette américaine). Ils ont montré, par exemple, la persistance en microgravité des mouvements permettant une anticipation empêchant un sujet de tomber lorsqu'il lève un bras. Dans un autre exemple, un cosmonaute arrivant pour la première fois dans la station spatiale Mir a soulevé le bras pour saluer ses collègues déjà à bord. L'appareil photo qu'il portait a glissé de sa prise. Le cosmonaute a rapidement déplacé sa main "vers le bas" pour empêcher l'appareil photo de tomber mais, naturellement dans l'environnement 0g, l'appareil photo s'est déplacé sur une ligne horizontale !

Deux théories s'opposent pour expliquer comment le cerveau peut anticiper la trajectoire d'une balle en chute libre : pour la première, le cerveau mesure directement les paramètres de la chute par l'information visuelle, ce qui lui permettrait d'extraire directement l'information du "temps jusqu'au contact" . Mais le système visuel semble être peu capable de détecter les accélérations, ce qui suppose donc que seules la distance et la vitesse de la balle sont prises en compte. L'estimation du "temps jusqu'au contact" est alors exacte uniquement si le mouvement est à vitesse constante. C'est donc une approximation de "premier ordre". La deuxième hypothèse prétend que le cerveau utilise un "modèle interne" des effets de la gravité pour prévoir l'accélération d'un objet qui se déplace vers le bas, même si cette accélération ne peut pas être mesurée en temps réel par le système visuel.

Les chercheurs du Laboratoire européen de Neurosciences de l'Action (LENA), en coopération avec les agences spatiales CNES, ASI et NASA, ont testé ces hypothèses en demandant à des sujets d'attraper une balle projetée du plafond vers le plancher, avec trois vitesses initiales différentes. Les astronautes ont effectué cette expérience sur Terre et pendant leur séjour de 16 jours en microgravité à bord de la navette spatiale (Vol STS-90 : NEUROLAB). La synchronisation des mouvements de la main par rapport à l'arrivée de la balle a été mesurée grâce à un système de mesure développé par le CNES et Matra Marconi Space (le KINELITE) qui comprend des caméras liées à un ordinateur couplées à des amplificateurs physiologiques mesurant l'activité musculaire. Si le cerveau mesure l'accélération directement par la vision, la synchronisation des mouvements avec l'arrivée de la balle devrait être la même sur terre et en orbite, parce que le cerveau pourrait estimer l'instant exact de l'arrivée de l'objet. Au lieu de cela, les chercheurs ont observé des variations systématiques dans la synchronisation des mouvements exécutés en microgravité. Grâce à une analyse mathématique de ces changements de synchronisation, ils ont conclu que le cerveau fonctionne en prévoyant les effets de la pesanteur sur la balle plutôt qu'en mesurant l'accélération directement. Le fait que cette anticipation persiste même en apesanteur est le point le plus intéressant de cette expérience. Elle suggère qu'en effet le cerveau dispose, grâce à l'expérience de la petite enfance, des "modèles internes" des lois qui régissent la chute des corps et peut être, de façon plus générale les lois de la mécanique newtonienne. Un début d'adaptation aux nouvelles lois a été observée. Il faudrait un vol plus long pour en évaluer l'évolution.

1 - Alain Berthoz et Joseph McIntyre, Laboratoire de physiologie de la perception et de l'action (CNRS - Collège de France UMR 9950), Paris ; Francesco Lacquaniti et Myrka Zago, IRCSS Santa Lucia et Centre de biomédecine spatiale, Rome. (Les deux équipes font partie du Laboratoire européen de neurosciences de l'action).

Référence : McIntyre, J., Zago, M., Berthoz, A. et Lacquaniti, F. 2001. Does the brain model Newton's laws ? Nature neuroscience, juillet 2001.

Contact chercheur :
Joseph McIntyre -
Tél : 01 44 27 14 31
Mél : joe.mcintyre@college-de-France.fr

Contact département Sciences de la vie :
Thierry Pilorge -
Tél : 01 44 96 40 26
Mél : thierry.pilorge@cnrs-dir.fr

Contacts presse :