Résumé Scientifique

De nombreux systèmes biologiques peuvent être considérés comme oscillants, harmoniques, amortis et forcés, notamment l’iris et le système cardiovasculaire. Une limite de l’analyse de leurs signaux réside dans l’absence de distinction entre l’activité contractile intrinsèque et les propriétés viscoélastiques des tissus. Le modèle de Kelvin-Voigt, issu de la théorie des systèmes oscillants, permet de faire cette distinction. Il a d’abord été appliqué au réflexe photomoteur chez deux groupes d’athlètes différenciés selon leur activité du système nerveux autonome, évaluée par la variabilité de la fréquence cardiaque. Le modèle a mis en évidence des différences d’activité de la branche sympathique entre ces groupes. L’adaptation du modèle à l’activité spontanée de l’iris (hippus) a permis de caractériser l’activité basale des deux branches du système nerveux autonome. Des enregistrements en position couchée et debout ont révélé des signatures spécifiques, avec des impulsions contractiles parasympathiques plus élevées en position couchée. Cette approche met en évidence, d’une part, l’importance des mécanismes d’amortissement et de restitution de l’énergie élastique lors des mouvements de l’iris, et révèle, d’autre part, un moyen rapide d’évaluer l’activité du système nerveux autonome à la fois en réponse à un stimulus et à l’état basal. Ce moyen rapide répond aux contraintes de temps imposées par l’entraînement de haut niveau et a conduit au développement d’un outil innovant sur smartphone. Le modèle a ensuite été adapté à la cinétique complète du volume ventriculaire gauche. Il a permis de rendre compte du stockage-restitution d’énergie élastique de la loi de Frank-Starling et du mécanisme de torsion-détorsion. Le modèle a révélé que le mécanisme de torsion-détorsion constitue la principale source de conservation de l’énergie et qu’il est significativement altéré après un effort d’ultra-endurance. L’application du modèle de Kelvin-Voigt permet d’identifier les mécanismes défaillants et pourrait améliorer leur détection précoce aussi bien dans un contexte d’entraînement que de pathologie.

Résumé Grand Public

Dans notre organisme, les muscles se comportent comme un ressort doté d’un amortisseur. La caractéristique spécifique des muscles de l’iris et du cœur est d’être totalement pilotés de façon autonome, ce qui leur permet de se contracter sans que nous ayons besoin d’y penser. Leurs contractions, cycliques, peuvent être analysées de façons classiques (i.e. analyses temporelles et fréquentielles), mais ne suffisent pas pour apprécier séparément les forces élastiques, visqueuses et celles de la machinerie contractile. Le modèle mécanique formulé à la fin du XIXe siècle par Kelvin et Voigt permet, entre autres, de mettre en évidence l’importance du stockage-restitution d’énergie élastique de l’iris et du cœur. Ce mécanisme autorise un fonctionnement économique tout au long de la vie et peut être altéré transitoirement au cours d’un effort prolongé ou en cas de développement d’une pathologie. Notre approche permet de quantifier la nature précise des différents dysfonctionnements possibles, aussi bien chez les athlètes que chez les patients.