Dossier - Cybernétique et Physiologie

Gilles Furelaud, Bernard Calvino (Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle de Paris)

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1- Cybernétique et physiologie : les grands principes

Introduction : mise en relation de la cybernétique et de la physiologie

La cybernétique correspond aux sciences du pilotage. Il est ainsi possible d'étudier la physiologie d'un organisme par une approche cybernétique : Il s'agit là d'étudier comment évoluent les paramètres physiologiques de l'organisme, comment ils sont fixés.

Une approche cybernétique de la physiologie ne peut s'envisager qu'en rapport avec une modélisation des mécanismes physiologiques de l'organisme. En effet, une démarche de modélisation consiste à observer le fonctionnement d'un organisme, et ainsi mettre en évidence les paramètres qui décrivent cet organisme et leurs relations. Pour modéliser la physiologie (et ainsi comprendre le fonctionnement de l'organisme), il est donc nécessaire d'utiliser un langage précis dans la description des relations entre les paramètres choisis, de leurs évolutions, etc. Comme nous allons le voir dans l'ensemble de ce dossier, le langage cybernétique se révèle particulièrement adapté à cette tâche de modélisation.

Modélisation cybernétique : le concept de "boîte noire"

La démarche de modélisation consiste à construire un premier modèle, qui est progressivement corrigé et affiné par comparaison avec des résultats d'expérimentations. L'utilisation d'un langage cybernétique lors de cette démarche est en fait à relier au concept de "boîte noire" :

L'idée est de prendre en compte ce qui rentre et sort d'un organisme (ou d'un organe), sans se préoccuper des mécanismes précis qui ont lieu dans cet organisme (ou cet organe).
On étudie donc
     des paramètres d'entrée, décrivant les informations, molécules, paramètres physico-chimiques, etc., arrivant ou influençant l'activité de l'organisme,
     et des paramètres de sortie, décrivant les informations, molécules émises par l'organisme, les paramètres physico-chimiques modifiés par l'organe, etc.,
     ainsi que les relations entre ces paramètres.
Ces relations traduisent l'action de l'organisme ou de l'organe. L'important ici est donc de modéliser ces relations : on cherche à modéliser ce que fait l'organisme ou l'organe, de manière globale, mais sans chercher à comprendre quels phénomènes biologiques, au sein de cet organe, expliquent ces relations. C'est ainsi que l'on parle de "boîte noire" pour cet organisme ou cet organe, car on ne s'interesse pas à ses mécanismes intimes.

Modélisation du concept de "boîte noire". On ne s'intéresse pas aux mécanismes intimes du système effecteur.

Par exemple, dans le cas d'un centre nerveux, on cherche à modéliser quelles conséquences les informations reçues par ce centre ont sur les informations émises par ce même centre. Par contre, le détail des réseaux de neurones, des neurotransmetteurs mis en jeu au sein du centre nerveux, etc., restent "dans la boîte noire", et ne sont pas représentés.

Intuitivement, on peut ainsi comprendre que ce type de représentation permet d'étudier de manière simple (donc abordable par des non-spécialistes, tels que les élèves) mais scientifiquement exacte les phénomènes de régulation au sein des organismes.

Homéostasie et cybernétique

La physiologie étudie les mécanismes de régulation des grandes fonctions qu'accomplissent les organismes vivants. Depuis Claude Bernard, au XIXème siècle, l'étude de la physiologie est liée à deux notions :

• Le milieu intérieur : ensemble des liquides extracellulaires dans lesquels baignent toutes les cellules de l'organisme. Il leur permet d'être potentiellement en relation les unes avec les autres. Le support physiologique du milieu intérieur est constitué par les trois compartiments plasmatique, interstitiel et lymphatique (in "Introduction à la physiologie", B. Calvino, Belin 2003).
• Le maintien de la constance du milieu intérieur, notion complétée ensuite par celle d'homéostasie :
  • Les paramètres du milieu intérieur sont maintenus constants dans l'organisme, malgré les modifications induites par l'environnement extérieur ou l'activité de l'organisme. Cette stabilité est permise par des mécanismes régulateurs. Ainsi, les paramètres du milieu intérieur ne varient que dans d'étroites limites.

Ces valeurs fixes des paramètres du milieu intérieur constituent donc un état défini, vers lequel l'organisme tend à revenir dès qu'il s'en éloigne. Ce système est donc finalisé : on peut ainsi étudier ces mécanismes de régulation par une approche cybernétique.

La physiologie d'un organisme peut ainsi être étudiée à travers ses paramètres, stabilisés (l'homéostasie de l'organisme) par des systèmes effecteurs. Ces systèmes effecteurs (qui constituent ici nos "boîtes noires") recoivent des informations, correspondant aux paramètres d'entrée, ou grandeurs d'entrée (on parle aussi, cybernétiquement, d'input), et agissent sur des paramètres de sortie, ou grandeurs réglées (on parle, de même, d'output).

Modélisation cybernétique d'un système effecteur.

Ces systèmes effecteurs permettent la régulation physiologique de l'organisme. On peut aussi les qualifier de régulateurs. Schématiquement, on peut en distinguer deux types, selon les relations entre les paramètres d'entrée et de sortie. En effet, en cybernétique, un homéostat est un système asservi : les paramètres d'entrée (grandeur d'entrée) et de sortie (grandeur réglée) sont asservis, car les variations des uns sont sous le contrôle des variations des autres. Voyons maintenant ces deux types de régulateurs : en constance et en tendance.

Régulateurs en constance

En physiologie, le système effecteur correspond à un homéostat, et peut donc être assimilé à un régulateur en constance : la finalité du système effecteur est de maintenir la grandeur réglée, ou grandeur de sortie ("output"), à une valeur constante. Cette valeur constante est dénommé la grandeur de consigne, fixée au préalable, et caractéristique du régulateur en constance.

Cette régulation est réalisée en s'opposant aux variations de la grandeur d'entrée, qui ont pour effet d'éloigner la grandeur de sortie de cette grandeur de consigne. Il s'agit donc d'un effet en retour s'opposant aux variations observées : ce système fonctionne grâce à un rétrocontrôle négatif (feed-back négatif).

Modélisation cybernétique d'un régulateur en constance. Il est caractérisé par une rétroaction négative.

Régulateurs en tendance

Dans de rares situations physiologiques, au contraire, le système effecteur amplifie les variations de la grandeur réglée : il agit alors comme un régulateur en tendance.

La finalité d'un tel régulateur est d'entretenir une variation de la grandeur réglée, soit dans le sens d'un accroissement continue, soit dans le sens d'une diminution continue. Ce système fonctionne, au contraire d'un régulateur en constance, grâce à un rétrocontrôle positif (feed-back positif), chaque variation renforçant ce qui l'a déterminée.

Modélisation cybernétique d'un régulateur en tendance. Il est caractérisé par une rétroaction positive.

Il n'est pas négligeable de noter qu'un système contrôlé par un régulateur en tendance, laissé tout seul, ne peut qu'aboutir à une impasse, soit en augmentant jusqu'à sa destruction, soit en diminuant jusqu'à son blocage complet. Ainsi, ces régulateurs sont, en fait, toujours couplés par un servomécanisme avec des régulateurs en constance : ceci évite que le système aboutisse à une telle impasse, dans l'organisme.

Bilan : modélisation cybernétique d'un homéostat

En cybernétique, un homéostat peut être décrit d'une manière un peu plus détaillée, par l'association de deux systèmes :

• Un système réglé : le compartiment dans lequel est définie la grandeur réglée, caractérisé en particulier par ses grandeurs d'entrée (paramètres affectant la grandeur réglée) et par sa grandeur de sortie (la grandeur réglée).
• Un système réglant : agit en permanence sur le système réglé, afin de maintenir la grandeur réglée aussi proche que possible de la valeur de consigne. Il est composé de trois éléments :
  1. Un émetteur, ou émetteur-capteur : détecte les variations de la grandeur réglée par rapport à la grandeur de consigne, et traduit cet écart en une information codée, transmise par le transmetteur.
  2. Un transmetteur : transmet l'information codée par l'émetteur au récepteur de la voie de communication.
  3. Un récepteur : c'est l'effecteur du système réglant. Il traduit le message codé qu'il reçoit en une action capable de rectifier la valeur de la grandeur réglée.

Modélisation cybernétique d'un homéostat. Noter l'intervention de deux systèmes, un 'réglant' et un 'réglé'. Grâce à une voie de communication, le système réglant peut agir sur les grandeurs d'entrée du système réglé, et ainsi positionner la grandeur réglée au niveau de la valeur de consigne.

Les servomécanismes

Dans la très grande majorité des cas, les paramètres physiologiques du milieu intérieur d'un organisme tel que l'Homme sont maintenu constants : il s'agit d'homéostats, fonctionnant grâce à des régulateurs en constance. Toutefois, dans certains cas, des régulateurs en tendance peuvent intervenir : ils résultent de la modification, de manière active, de la grandeur réglée, dans le sens d'une diminution ou d'une augmentation. Toutefois, ces modifications ne sont pas infinies et sont limitées dans le temps : elles sont la conséquence du déplacement transitoire de la valeur de la grandeur de consigne vers une nouvelle valeur bien déterminée.

Dans ces phénomènes, des servomécanismes interviennent : il s'agit de dispositifs permettant de modifier la valeur de la grandeur de consigne. Ils mettent en jeu des régulateurs en tendance pour modifier la grandeur réglée, et des régulateurs en constance pour la maintenir ensuite à la nouvelle grandeur de consigne. Il s'agit donc ici d'une notion de pilotage : le servomécanisme permet une variation précise, commandé par un niveau d'organisation supérieur de l'organisme.

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