Vidéo: Homéostasie et boucles de rétroaction

Allez, faut se mettre au boulot.

Ouahh, mais qu’est-ce qu’il fait chaud ! J’vais pas y arriver.
C’est mieux, on peut se remettre au travail.
Eh il me faut de l’oxygène !
Et puis mon sodium alors, il est où mon sodium ?
Ahhh, merci !
Brrrr, il fait trop froid maintenant.
C’est reparti !

Les cellules de notre corps ont besoin d’un environnement stable pour fonctionner efficacement. Par chance, notre corps est équipé de mécanismes qui assurent que nos cellules disposent de tout ce dont elles ont besoin pour fonctionner du mieux qu’elles peuvent !

Découvrons ensemble le fonctionnement de l’homéostasie et des boucles de rétroaction.

L’homéostasie est la capacité du corps humain à maintenir un environnement interne stable malgré les variations de l’environnement externe. Quand nous sommes dehors lors d’une journée d’hiver glaciale ou bien encore en pleine canicule estivale, c’est l’homéostasie qui maintient notre température relativement stable, de façon à ce que le fluide extracellulaire soit à la parfaite température pour nos cellules.

L’homéostasie est absolument fondamentale pour le bon fonctionnement et la survie de nos cellules, et par extension, de tout notre corps. Les perturbations homéostatiques sont bien souvent la source de pathologies, leurs conséquences pouvant même se révéler mortelles.

L’homéostasie permet à des variables nécessaires à la survie cellulaire d’être maintenues à un niveau de fonctionnement optimal. Les valeurs idéales sont parfois appelées “valeurs de référence”. Notons que l’homéostasie ne fixe pas les variables à des valeurs spécifiques, mais les maintient dans un intervalle autour de cette valeur de référence. Les variables impliquées dans un processus homéostatique sont appelées “variables régulées”.

Afin de pouvoir réguler une variable d’homéostasie, notre corps doit d’abord trouver un moyen de la mesurer. Par exemple, la pression sanguine et la glycémie peuvent être directement mesurées et ainsi maintenues dans un intervalle précis. À l’inverse, les variables qui ne peuvent pas être mesurées directement par le corps humain ne sont pas régulées par l’homéostasie. Certaines variables telles que le rythme cardiaque sont généralement maintenues dans un intervalle type, mais ne sont pas directement détectées et ne sont donc pas sous régulation homéostatique.

Il est important de noter que les valeurs et intervalles de références ne sont pas toujours fixes. Par exemple, la valeur de référence de la température du corps est plus haute durant l’après-midi qu’en matinée.

L’un des mécanismes biologiques pour réguler une variable homéostatique sont les boucles de rétroaction. Lors d’une boucle de rétroaction, un changement dans une variable entraîne une réponse qui influe à son tour la variable et la modifie. Il en résulte un cycle qui permet de maintenir la stabilité d’une variable ou au contraire de la rendre plus instable suivant le type de boucle de rétroaction dont il est question.

Commençons par étudier les boucles de rétroaction négative.

Les boucles de rétroaction négative appliquent des modifications à une variable régulée. C’est à dire que lorsqu’une variable quitte son intervalle de référence, situation nommée stimulus ou perturbation, la boucle de rétroaction la ramène vers sa valeur de référence. C’est par ce mécanisme que sont régulées la pression sanguine, la température corporelle, l’équilibre acido-basique, ou encore le taux de fer.

Trois éléments sont nécessaires pour le fonctionnement d’une boucle de rétroaction négative : un capteur, un centre de traitement, et un effecteur. Avant de plonger dans les complexités du corps humain, voyons comment ces éléments interagissent les uns avec les autres dans un exemple simple.

Donnons que vous venez de lancer la cuisson d’un gâteau à 180°C. Le four possède un capteur interne qui mesure la température et la transmet à un centre de contrôle. Le centre de contrôle compare la température du four à la température réglée, c'est-à-dire dans dans ce cas, 180°C. Si la température mesurée descend en dessous de la température réglée, le centre de contrôle active l’effecteur : la résistance s’active jusqu’à ce que la température mesurée retourne à la température réglée de 180°C.

Ce système de rétroaction garde la température stable, de façon à ce que notre gâteau soit cuit à la perfection. Pas bête comme système, n’est-ce pas ? Eh bien, figurez-vous que notre corps est encore plus malin !

Le thermostat de la plupart des fours ne possède que deux états : Soit la température est à, ou au-dessus, de la température réglée, auquel cas le résistance est éteinte, soit la température mesurée y est inférieure, et la résistance s’active alors à pleine puissance.

Chez l’humain, les boucles de rétroaction ne se limitent pas à un système on/off. Au lieu de cela, le corps monitore ses variables continuellement et module finement l’intensité d’activation des effecteurs, améliorant ainsi la stabilité de la variable régulée.

Dans le corps humain, les capteurs sont généralement des récepteurs, tels que par exemple les chémorécepteurs ou les mécanorécepteurs. Comme dans l’exemple du four, ces capteurs monitorent la variable régulée et transmettent l’information au centre de contrôle.

Ce centre de contrôle est le plus souvent situé dans le système nerveux central ou dans le système endocrinien. Il a deux fonctions principales : premièrement, il détecte l'écart d'une variable régulée par rapport à sa plage de valeurs normales. Deuxièmement, il envoie à l'effecteur un signal proportionnel à l'erreur détectée. Ainsi, si la variable régulée se situe légèrement en dehors de son intervalle de valeurs normales, l'activation de l'effecteur sera faible, mais des écarts plus importants entraîneront une activation plus forte.

Mais alors quand on parle d'effecteurs, concrètement, de quoi est-il question ? Ce sont des cellules, des tissus et des organes capables de modifier l’environnement interne. Les effecteurs ajustent la variable régulée de deux manières : soit directement, soit indirectement en modulant l'activité de variables non directement perçues, appelées variables non régulées.

Par exemple, lorsque la pression artérielle chute, le tronc cérébral augmente le rythme cardiaque pour rétablir une pression artérielle normale. Dans ce cas, la pression artérielle, notre variable régulée, est influencée par la modification du rythme cardiaque, qui est une variable non régulée.

Prenons un autre exemple physiologique, et voyons par quelle mécanique la concentration d'oxygène dans le sang est régulée.

Les capteurs sont des chémorécepteurs situés dans les corpuscules carotidiens. Ils surveillent la pression partielle d'oxygène artériel et transmettent cette information au centre de contrôle. Ce dernier se trouve dans les centres respiratoires du bulbe rachidien. Il calcule l'écart entre la pression partielle d'oxygène effective et la valeur normale puis produit un signal dont l'intensité est proportionnelle à cet écart. Cette information est ensuite transmise aux effecteurs.

Dans ce cas, les effecteurs sont les muscles inspiratoires. Ils influent sur la fréquence respiratoire, une variable non régulée, afin de moduler la pression partielle d'oxygène artériel, qui est ici la variable régulée.

Si la quantité d'oxygène artériel détectée par les chémorécepteurs chute en dessous de la valeur normale, les centres respiratoires augmentent la fréquence respiratoire pour la ramener à la normale. C'est ainsi que les boucles de rétroaction négative s'opposent aux variations d'une variable.

Cependant, il arrive que la variation d'une variable soit bénéfique à court terme pour l'organisme : il est alors nécessaire de l'amplifier rapidement. C'est le principe des boucles de rétroaction positive.

Les boucles de rétroaction positive renforcent la modification d'une variable, amorçant un cycle de réponses de plus en plus importantes jusqu'à l'atteinte d'un point d'arrivée précis. Ce point d'arrivée est souvent un événement extérieur à la boucle de rétroaction positive.

Les boucles de rétroaction positive peuvent contribuer indirectement à l'homéostasie sur le long terme en amplifiant rapidement les réponses de l'organisme à court terme. Parmi les exemples de boucles de rétroaction positive, on peut citer l'accouchement, où un bébé doit être mis au monde ; la coagulation sanguine, où un vaisseau sanguin déchiré doit être réparé rapidement pour éviter une chute de tension artérielle ; et la génération de potentiels d'action, où l'afflux d'ions sodium dans le neurone ouvre des canaux permettant à encore plus de sodium de pénétrer dans le cytoplasme.

Explorons la boucle de rétroaction positive qui se produit pendant l'accouchement.

Lorsque le fœtus est prêt à être expulsé, il descend dans l'utérus, exerçant une pression sur le col de l'utérus. Des cellules sensibles à l'étirement détectent cet étirement et transmettent cette information au cerveau et à l'hypophyse, qui libèrent alors de l'ocytocine. L'ocytocine stimule alors les contractions utérines, faisant progresser le fœtus et dilatant davantage le col de l'utérus. Ce cercle vertueux favorise la progression du travail jusqu'à la naissance du bébé.

L'homéostasie est un concept fondamental en physiologie qui explique en grande partie le fonctionnement du corps humain, tant dans les processus sains qu'en cas de pathologie.

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A bientôt, et bonnes révisions !