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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Coeur, cerveau et rythmes biologiques > Le coeur, ou l’émergence de rythmes issus du désordre > Le chaos du coeur

Le chaos du coeur

mardi 7 mars 2017, par Robert Paris

La régularité, c’est la maladie et le chaos, c’est la santé !

Mais le chaos n’est pas synonyme du désordre, c’est une dialectique très fine de l’ordre et du désordre imbriqués et un ordre très difficile à percevoir et à distinguer du désordre.

Il est aussi difficile à distinguer de l’ordre. Au premier abord, on pourrait croire que c’est même une répétition périodique du même message... Mais ce n’est nullement le cas.

C’est l’ordre le plus solide car c’est l’ordre intégrant des désordres...

Le rythme cardiaque

Inspirées par la théorie du chaos, de nombreuses études se sont penchées sur les éventuelles caractéristiques chaotiques du rythme cardiaque, tel qu’on l’observe par électrocardiogramme. On a comparé les résultats obtenus chez des sujets sains avec ceux de sujets atteints de pathologies cardiaques. La conclusion (il y faudrait bien sûr plus de nuances) est que le rythme cardiaque sain présente une composante chaotique alors que les rythmes très réguliers sont associés à des pathologies. L’explication vient de ce qu’un rythme cardiaque exactement périodique serait peu robuste : la moindre perturbation entraînerait une désynchronisation entre le rythme cardiaque et le rythme respiratoire. Qu’en est-il pour un régime chaotique ? La sensibilité aux conditions initiales des systèmes chaotiques, responsable de leur imprédictibilité à long terme, peut aussi apparaître comme un avantage exploitable au sens où une très faible influence extérieure peut suffire à modifier qualitativement le comportement. Cette constatation a mené à l’idée du contrôle d’une dynamique chaotique à l’aide de perturbations extérieures soigneusement choisies. Dans les systèmes vivants, les mécanismes de régulation réalisant ce contrôle ont pu se mettre en place au cours de l’évolution, par sélection naturelle. Il semble donc que le rythme cardiaque illustre cette possibilité de stabiliser un régime chaotique sur une trajectoire approximativement périodique, tout en gardant « en réserve » toute la sensibilité et la richesse de la dynamique chaotique pour mieux réagir aux perturbations et s’adapter plus rapidement aux changements extérieurs. La diminution du caractère chaotique du rythme cardiaque est ainsi un signe clinique inquiétant, indiquant un risque de moindre adaptabilité et de moindre robustesse. Cependant, on voit là un exemple des nuances à apporter quand on parle de chaos en biologie : ce seront souvent des versions plus sophistiquées ou hybrides de dynamiques chaotiques qui seront rencontrées.

Qu’est-ce que que le chaos déterministe

Le chaos déterministe du rythme du coeur

« Comment le chaos peut-il envahir un organe comme le coeur ? Pourquoi un rythme qui a été régulier pendant une vie entière, soit plus de 2 milliards de cycles ininterrompus, se détraque-t-il soudain pour s’engager dans une frénésie incontrôlée, puis fatale ? Au MIT, le physicien et cardiologue Richard COHEN a réalisé sur ordinateur une simulation des rythmes cardiaques et découvert que le doublement de période est la clé de l’apparition d’une crise cardiaque. Dans un coeur normal, des impulsions électriques se répandent de manière régulière dans les fibres musculaires qui forcent le ventricule du coeur à se contracter et à pomper le sang. Une fois contractées, les fibres musculaires sont insensibles aux signaux électriques. Les médecins qualifient cette période de réfractaire. Selon la théorie, ce sont les variations de la période réfractaire d’une zone du ventricule du coeur à une autre qui sont la cause de la fibrillation, de la contraction spasmodique d’une crise cardiaque.

Afin d’éprouver cette théorie, Cohen et son équipe ont fait varier les périodes réfractaires de leur modèle et découvert que les troubles commençaient lorsqu’un groupe de fibres musculaires du coeur avait une période réfractaire plus longue que l’intervalle entre les battements. A cause de leur période réfractaire, ces fibres cardiaques asynchrones pouvaient être stimulées de manière à ne se contracter qu’un battement sur deux. De ce fait, des impulsions électriques provenant du coeur contracté se brisaient de part et d’autre de ces fibres déphasées telle l’eau contournant une pierre et générant de la turbulence. En augmentant légèrement les périodes réfractaires de quelques fibres, il était possible d’amener le coeur à avoir un comportement de doublement de période jusqu’à ce que, au-delà d’une valeur critique de période réfractaire, le muscle cardiaque entre dans le chaos le plus total.

A l’université McGill de Montréal, le physiologiste Léon GLASS, a utilisé un groupe de cellules de coeur de poulet battant spontanément qu’il a stimulé de manière périodique en leur appliquant un choc électrique régulier. Le résultat obtenu a été un doublement continu de la période entre battements réguliers jusqu’à atteindre le chaos.

Ces expériences suggèrent que la fibrillation dans un corps humain peut être provoquée par l’apparition de foyers anormaux secondaires à l’intérieur du corps, lesquels donnent des impulsions qui entrent en conflit avec le rythme propre au muscle cardiaque. L’interaction entre ces impulsions secondaires et le rythme principal met le coeur dans un état chaotique qui entraîne la fibrillation. Celle-ci est donc une maladie "dynamique". Elle survient parce que le coeur est un système qui à partir d’un battement normal, peut cesser de battre ou battre de manière nouvelle et imprévue. La fibrillation est une forme de chaos stable, qui ne disparaît pas de lui-même. Seule une décharge électrique produite par un appareil de défribrillation à travers le thorax du patient peut ramener le coeur à son état normal.

Certains physiologues pensent qu’une certaine dose de chaos est nécessaire au bon fonctionnement du corps. Ainsi des chercheurs tentent de mettre au point une application "chaotique" qui pourrait soulager les épileptiques. Chez ces derniers, les crises sont apparemment liées à de grands "pics" électriques dans le cerveau, comme si un grand nombre de neurones se déchargeaient en même temps. En évitant ces "pics", c’est à dire en imprimant aux neurones un comportement plus chaotique et aléatoire, on pourrait peut-être supprimer ces crises. L’idée est de "chatouiller" le cerveau en lui appliquant de petites impulsions électriques de façon à déclencher un comportement plus chaotique des neurones. Le chaos remplirait alors paradoxalement une fonction de régulation et de « contrôle ! »

D’après l’ouvrage de James Gleick "La Théorie du Chaos"

En 1914, chercheur à l’université Mac Gill de Montréal, Georges Mines conçoit un appareil capable d’envoyer dans le cœur de petites impulsions électriques bien réglées. On le retrouvera atteint par une crise cardiaque due au fait qu’il a essayé sur lui-même son appareil. Mais ce qui en résulte de manière certaine, c’est qu’une petite impulsion peut entraîner un grand effet puisque le cœur s’arrête. Dans le cas de Mines, un petit choc a entraîné une fibrillation. C’est une maladie cardiaque grave puisqu’elle entraîne la mort et les cardiologues peinent à la combattre. Bien sûr, Mines ne jouait pas à s’électrocuter. Sa grande idée et qu’il a développé théoriquement était que si une petite impulsion peut détraquer le mécanisme cardiaque, une autre peut le rétablir. Sur les pas de Mines, soixante ans plus tard, des centaines de chercheurs vont étudier le petit choc électrique permettant d’entraîner une défibrillation, c’est-à-dire de ramener le cœur par un choc brutal à l’équilibre. L’étape suivante, c’est un modèle mathématique du battement cardiaque. Ce sont les chercheurs Van der Pol et Van der Mark qui le trouvent en 1920. Il y a un petit point auquel personne ne prêtera attention à l’époque : leur modèle entraîne le chaos à certains moments. Dans les années 70, Bernardo Huberman travaille à l’université Santa Cruz qui était le plus récent campus du complexe de l’université de Californie et un véritable laboratoire d’idées pour physiciens anticonformistes et brillants qui ont fait le succès technique des grandes sociétés comme Bell Telephone et IBM. Dans ses travaux sur le mouvement oculaire des schizophrènes, Huberman développe la première étude importante sur le chaos en physiologie. C’est à lui que l’on doit l’idée que « le chaos c’est la santé. » Ses travaux sont repris par Arnold Mandell psychiatre et dynamicien de San Diego, qui non seulement prit la défense d’Huberman mais montra en 1977 que certaines enzymes du cerveau avaient un comportement explicable seulement par le chaos et il en déduisit qu’il ne fallait pas rejeter les mathématiques non linéaires. Le principal théoricien du chaos cardiaque sera Léon Glass, encore un chercheur de l’université Mac Gill de Montréal. Glass va s’intéresser aux nombres et à leurs irrégularités puis il travaille à la Harvard Medical School. En 1981, il résume dans la revue américaine « Science » ses travaux sur les agrégats de cellules cardiaques prélevés sur des embryons de poulets âgés d’une semaine. Placés dans une coupelle puis agités, ces agrégats trouvent spontanément une pulsation commune sans intervention d’une vibration extérieure. Puis il introduit une micro électrode dans l’une des cellules et fait ainsi apparaître de nombreuses fréquences dans les agrégats. Il met ainsi en évidence un dédoublement de période, phénomène caractéristique de la formation du chaos. Léon Glass a montré que lorsque l’on perturbe même de manière périodique des oscillateurs biologiques, on obtient du chaos. Cela signifie que le message qui commande ces phénomènes est en fait chaotique et peut se traduire dans un grand nombre d’oscillations périodiques avec des périodes variées. Un autre grand nom du chaos cardiaque est Arthur Winfree, biologiste théoricien qui commença par étudier les horloges biologiques avant de se tourner vers les rythmes cardiaques. En 1983, Winfree étudie la fibrillation à l’aide de la théorie du chaos et publie un article dans la revue « Scientific American ». C’est Raymond Ideker, du Duke University Medical Center, qui devait tenter expérimentalement d’appliquer les idées de Winfree deux ans plus tard. Il a mis au point des dispositifs électriques pour bloquer la fibrillation. En même temps, Richard Cohen, cardiologue et physicien, dans une étude de sciences médicales conjointe au MIT et à Harvard, va montrer dans le mécanisme cardiaque un spectre de dédoublement de période lors d’expériences sur des chiens, or on sait que c’est ce dédoublement de période qui reproduit plusieurs fois est un chemin de la périodicité vers le chaos. Ary Goldberger, codirecteur du laboratoire des arythmies cardiaques de l’hôpital Beth Israël de Boston, a étudié les bifurcations brutales dans le comportement cardiaque et ainsi mis en évidence que les modèles de type classique c’est-à-dire linéaires ne pouvaient en rendre compte. C’est lui qui a mis en relations physiologistes et mathématiciens pour les amener à agir dans l’interdisciplinarité, ce que les uns et les autres étaient réticents à faire. Les mathématiciens du Courant Institute University de New York étudient le cœur artificiel dans les années 80 et s’attaquent au problème des valvules artificielles. Celles-ci posent notamment de gros problèmes de turbulences pouvant entraîner la formation de caillots du sang, causant des attaques. C’est en observant la manière dont le sang déformait les parois du cœur de manière dynamique et non-linéaire qu’il ont pu comprendre ce qui empêchait cette formation de caillots dans le mécanisme naturel. On a ainsi constaté que, dans les appareils artificiels qui aident le cœur à assurer son rythme, la non-linéarité est indispensable pour imiter les pacemakers naturels.

Quelques caractéristiques chaotiques du fonctionnement du coeur : 1°) l’autosimilarité est, rappelons le, la ressemblance d’allure de la courbe aux différentes échelles. On remarque que la courbe des battements cardiaques est du même type aux différentes échelles. On indique l’intervalle entre des battements cardiaques sur diverses périodes. On s’aperçoit alors, contrairement à l’électrocardiogramme qui pouvait faire croire à la périodicité, que nous avons du désordre mais que ce désordre est autosimilaire et fractal. Un tel graphique a été reproduit par Ary Goldberger dans la revue « Pour la science » et montre qu’au delà de l’irrégularité il y a similarité des courbes effectuées en changeant la distance de temps entre les relevés. 2°) le processus de feed-back dans le cycle de l’onde cardiaque qui passe du premier sinus au deuxième, au faisceau de His, au réseau puis revient au premier sinus. Il y a un feed-back car il y a réintroduction des données puisque c’est la fin du cycle qui indique au pace maker le moment pour relancer. Et il y a une fonction de contrôle et de régulation comme dans le chaos déterministe. Au contraire, un processus linéaire de feed-back, soumis à un petit choc, tend à modifier légèrement son évolution alors qu’un processus non-linéaire tend à revenir à son point de départ. 3°) la souplesse et l’interactivité du mécanisme cardiaque qui change de rythme en cours de journée, à toute vitesse si nécessaire comme aucun mécanisme périodique n’est capable de le faire, le chaos en est capable. 4°) l’effet de pointe puisqu’un petit choc entraîne une fibrillation (petite cause, grand effet) 5°) la superposition de plusieurs modes ordonnés dont aucun ne prédomine ordinairement. 6°) L’action conjointe d’au moins trois acteurs qui est nécessaire à la production du chaos. En effet, il n’y a pas une émission mais trois. Les deux sinus et le faisceau de His sont à la fois récepteurs et émetteurs de battements. On le sait car on peut interrompre l’émission du premier sinus, le deuxième fonctionne à un rythme différent. Et si on interrompt encore le deuxième sinus, le faisceau de His émet lui aussi avec un rythme encore différent. On a donc trois oscillateurs ce qui est la situation normale pour obtenir le chaos. Le premier sinus pulse à 120 par minute mais il transmet de manière beaucoup plus réduite soit une onde de contraction de 60 à 80 par minute chez l’adulte au repos, le deuxième sinus a un rythme naturel de 50 contractions par minute, le troisième point rythmique, le faisceau de His, émet de 30 à 40 contractions par minute. En fait il y a donc trois horloges qui ont non seulement des rythmes internes différents mais en plus sont des émetteurs récepteurs qui propagent les signaux à des vitesses différentes : le premier sinus diffuse à la vitesse de un mètre par seconde, le deuxième à 5 centimètre par seconde, le faisceau de His a une vitesse qui va de 2 à 4 mètres par seconde et il propage ses contractions à un réseau qui diffuse aux ventricules à la vitesse de 0,4 mètre par seconde. Comment fait le cœur pour faire de tout cela une contraction régulière de l’ensemble du cœur suivie d’une décontraction ? Comment le cœur peut-il fabriquer de l’ordre à l’aide d’un tel total d’informations apparemment désordonné ? Comment cela peut-il donner cette apparence périodique que nous connaissons ? Cette capacité de faire du signal de trois horloges échangeant sans cesse des énergies un signal unique périodique, c’est ce que l’on appelle l’autorégulation des horloges. En effet, des horloges battant à des rythmes différents mais qui échangent des vibrations donc de l’énergie peuvent se coordonner sans intervention extérieure. Elles constituent ainsi spontanément ce fameux rythme complexe dont on parlait. Elles trouvent des accrochages de fréquence qui leur permettent d’avoir un battement d’ensemble. Ce phénomène a lieu spontanément car la synchronisation des horloges permet de minimiser les échanges d’énergie et c’est donc l’état vers lequel va tendre spontanément le système. C’est ce qui explique aussi que c’est un phénomène stable bien que dynamique et même agité.

Mais comment le cœur peut-il avoir une telle variété de fréquences de battement et pourquoi cette variété se réduit elle tout à coup dans le cas de la fibrillation ? L’explication vient du faisceau de His. En effet, il a une capacité de vibrer sur de nombreux modes et de passer de l’un à l’autre grâce à sa forme fractale. Il a en effet une forme complexe, avec conservation des formes aux différentes échelles, forme qui lui permet de vibrer sur plusieurs modes. Comparons le à un arbre. Chacun a déjà remarqué comment lors d’un courant d’air, on constate parfois qu’une branche s’agite extraordinairement alors que le reste de l’arbre est quasi immobile. La vibration de l’air entre alors en résonance avec cette branche car elle a la forme convenable. La constitution fractale permet non seulement au faisceau de His de vibrer sur un très grand nombre de fréquences mais permet aussi qu’en cas de lésion, le faisceau continue à fonctionner, à recevoir et transmettre les impulsions. La thèse défendue ici souligne donc la capacité du cœur de réagir de manière dynamique à tous les incidents de l’existence et cette réaction consiste dans la capacité de changer son rythme. C’est cette dynamique adaptative que l’homme peut perdre avec l’âge. Il se met alors sur un rythme périodique mais qui est beaucoup plus instable car il est incapable de réagir à un changement. Les rythmes pathologiques sont plus réguliers que les rythmes d’un individu sain. Si on compare les diagrammes du rythme d’un individu proche de l’arrêt cardiaque et le rythme cardiaque pathologique de type périodique et en bas le rythme d’un individu sain, on remarque que c’est ce dernier qui, paradoxalement apparaît le plus agité.

La suite

Une conférence de David Ruelle

Chaos et complexité du vivant

Chaos et déterminisme

Lire encore

Read in english : "Oscillation and Chaos in Physiological Control Systems

Is the Normal Heartbeat Chaotic or Homeostatic ? by Goldberger

Chaos and Heart Rate Variability, by Leon Glass

In Heartbeat, Predictability Is Worse Than Chaos

Dynamics of Heart Rate : Chaos

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