Dossier - Cybernétique et Physiologie

Gilles Furelaud, Bernard Calvino (Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle de Paris)
avec l'aide de Jean-Claude Hervé (ancien IA-IPR)

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4- Exemple 3 : l'axe gonadotrope chez la femme

sommaire :

Introduction

L'axe hypothalamo-hypophysaire intervient dans le contrôle de la fonction de reproduction dans l'espèce humaine, aussi bien chez l'homme que chez la femme. Chez l'homme cet axe gonadotrope fonctionne comme un régulateur en constance de la concentration plasmatique de la testostérone. Chez la femme, au-delà de différences au niveau des hormones sexuelles impliquées, le schéma cybernétique présente des différences notables, à savoir une variabilité au cours du temps, et un fonctionnement alternativement en constance et en tendance.
Nous allons donc rappeler ici les grands principes du fonctionnement de l'axe gonadotrope chez la femme, avant d'en donner une interprétation cybernétique.

Organes et hormones impliqués dans l'axe gonadotrope chez la femme

On retrouve chez la femme un axe gonadotrope d'organisation similaire à celui de l'homme :


Représentation fonctionnelle simplifiée de l'axe gonadotrope chez la femme.
Les paramètres fluctuants ne sont pas représentés ici, ni la nature des rétroactions.

Alors que ce schéma est "stable" chez l'homme, de nombreuses variations cycliques sont observables chez la femme. Ainsi, la progestérone est par moment quasiment absente. De même, la nature de la rétroaction des hormones ovariennes varie en fonction de leur concentration. Ces variabilités expliquent un fonctionnement cyclique de l'appareil sexuel féminin.

Fonctionnement cyclique de l'axe gonadotrope

Le fonctionnement cyclique de l'appareil sexuel féminin peut être remarqué par deux évènements marquants :

Ces deux évènements sont deux manifestations parmi de nombreuses autres du cycle sexuel féminin. Ce cycle présente une période de 28 jours en moyenne. Classiquement, on fait débuter un cycle au moment des menstruations. L'ovulation se situe environ au milieu du cycle, vers le jour 14. On distingue ainsi deux phases :

  1. Une phase pré-ovulatoire du jour 1 au jour 14, ou phase folliculaire. Au niveau des organes sexuels, cette phase est marquée par une croissance du follicule ovarien contenant le futur ovule (voir précisions ci-dessous), et par un développement important de l'endomètre utérin.
  2. Une phase post-ovulatoire du jour 14 au jour 28, ou phase lutéinique. L'endomètre continue à se développer, et peut recevoir un embryon si l'ovule a été fécondé. Le follicule ovarien (privé maintenant de son ovocyte) se transforme en corps jaune. En cas de fécondation et d'implantation de l'embryon dans l'endomètre, une grossesse commence; le corps jaune persiste alors. Dans le cas contraire, il régresse à la fin du cycle, et l'endomètre utérin se desquame, marquant ainsi le début d'un nouveau cycle.


Représentation schématique simple d'un cycle sexuel chez la femme (en absence de fécondation). Les principaux évènements ovariens (au niveau du follicule) et menstruels (au niveau de l'endomètre) sont représentés. Un cycle très important se réalise aussi au niveau du mucus de la glaire cervicale.

Follicules et phase folliculaire : quelques précisions

Au début de la phase folliculaire, c'est en fait une cohorte d'une dizaine de follicules antraux qui amorcent leur développement. Ces follicules sont sortis du stock de follicules primaires quelques mois auparavant, et se sont développé jusqu'à ce stade en même temps que les cycles menstruels précédent se déroulaient.
Tous ces follicules antraux ne sont pas strictement identiques dans leur capacité à répondre aux gonadostimuline, et à la FSH en particulier. De ce fait, l'un deux se développe en général plus rapidement pendant la première semaine de la phase folliculaire, arrivant ainsi seul au stade de follicule pré-ovulatoire : c'est le follicule dominant.
Les autres follicules, qui se sont moins développés pendant cette première semaine de la phase folliculaire, dégénèrent pendant la deuxième semaine (c'est le phénomène d'atrésie). Ainsi, un seul follicule (en général) arrive jusqu'à l'ovulation, à la fin de cette phase foliculaire.

Au niveau de l'axe gonadotrope, le cycle féminin se caractérise par des variations cycliques des concentrations hormonales. La seule exception est la GnRH, dont les pics de sécrétion restent constant. Toutefois, la fréquence de ces pics augment au cours de la phase folliculaire, ce qui correspond à une augmentation de la stimulation hypophysaire par la GnRH.


Concentrations hormonales de l'axe hypothalamo-hypophysaire au cours d'un cycle sexuel chez la femme (en absence de fécondation). Courbes représentant les concentrations plasmatiques moyennes mesurables chez la femme. Ces courbes sont exactement à la même échelle temporelle que la représentation schématique du cycle sexuel proposée plus haut.

Les variations observées peuvent s'expliquer par divers mécanismes :

phase folliculaire (première moitié)
La progestérone est quasiment absente. La GnRH stimule la production de FSH et de LH, qui stimulent la production d'oestrogènes par les cellules de la thèque interne et de la granulosa du follicule ovarien. Ces oestrogènes inhibent en retour l'axe hypothalamo-hypophysaire.

Plus précisémment...
La concentration plasmatique de FSH augmente légèrement pendant cette période : elle se maintient ainsi au-dessus du seuil nécessaire au développement des jeunes follicules à antrum. En effet, les follicules à antrum ont besoin d'être stimulé par une concentration suffisante de FSH ; si la FSH se situe en dessous de cette valeur seuil, les follicules antraux ne peuvent se développer.

phase folliculaire (deuxième moitié)
La fréquence des pics de GnRH augmente progressivement. Ceci conduit à une légère augmentation de la sécrétion de FSH et de LH, et ainsi à une hausse de la sécrétion d'oestrogènes. Quand les oestrogènes atteignent la concentration plasmatique seuil de 200 pg/mL, ils exercent une rétroaction positive sur l'axe hypothalamo-hypophysaire.

Plus précisémment...
Le follicule dominant, plus en avance dans sa croissance que les autres follicules issus de la cohorte de follicules antraux de la première moitié de la phase folliculaire, secrète davantage d'oestradiol. Ceci a pour conséquence d'engendrer, par rétroaction négative, une baisse de la sécrétion de FSH.
La FSH passe ainsi sous le seuil nécessaire à la croissance folliculaire : les autres follicules subissent alors le phénomène d'atrésie. Le follicule dominant, quand à lui continue à se développer, malgré la concentration trop faible de FSH : en effet, les cellules de la granulosa ont acquis des récepteurs à LH. Le follicule dominant est donc capable de répondre à la LH, ce qui lui permet de poursuivre son développement, et de secréter ainsi de plus en plus d'oestradiol.

ovulation La rétroaction positive des oestrogènes (en concentration plasmatique supérieure à 200 pg/mL) induit une forte stimulation des sécrétions de GnRH, FSH et LH. Ceci conduit à un pic de LH très important, et dans une moindre mesure à un pic de FSH. Le pic de LH a pour conséquence de déclencher l'ovulation.
phase lutéinique
Le follicule ovarien transformé en corps jaune produit de la progestérone. Cette hormone exerce une rétroaction négative sur l'axe hypothalamo-hypophysaire, réduisant ainsi les sécrétions de GnRH, FSH et LH. Dans le même temps, la synthèse d'oestrogènes par l'ovaire diminue : leur concentration plasmatique repasse sous la valeur-seuil de 200 pg/mL, et ces hormones retrouvent un rôle de rétroaction négative.
Plus précisémment...
Les hormones ovariennes inhibent la sécrétion de FSH et de LH. La concentration de FSH est ainsi maintenue sous le seuil nécessaire à la croissance des follicules. La concentration de LH, par contre, reste à un niveau suffisant pour assurer la stimulation de la production des hormones ovariennes (notamment de progestérone par le corps jaune).
fin de la phase lutéinique L'arrêt de l'activité du corps jaune entraîne une chute des concentrations plasmatiques des hormones ovariennes (notamment de progestérone), et donc une forte diminuation de l'inhibition qu'elles exercent sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. Les concentrations de FSH et de LH peuvent ainsi recommencer à augmenter : un nouveau cycle débute.
En cas de fécondation, l'activité du corps jaune se maintient, évitant ainsi le démarrage d'un nouveau cycle.

 


Relations hormonales entre les organes de l'axe gonadotrope de la femme.

Comme on le voit ici, la nature même des rétroactions qui ont lieu est primordiale dans le déroulement de ce cycle. Une représentation cybernétique, qui permet de mettre l'accent sur l'importance de ces rétroactions est donc particulièrement adaptée.

Modélisation cybernétique : principes chez la femme

Il est possible de reprendre la représentation cybernétique de l'axe gonadotrope chez l'homme, pour l'adapter à ce qui se passe chez la femme. D'un point de vue cybernétique, en effet, ce qui change fondamentalement chez la femme, c'est :

Ce seuil atteint, un servomécanisme (changement du pilotage, de la commande de la régulation) se met en place (par un mécanisme que l'on ignore) au niveau de l'hypothalamus. Il permet l'inversion du sens de la régulation : la régulation négative exercée par les hormones oestrogéniques (régulation en constance) devient positive (régulation en tendance) : alors que les oestrogènes inhibent la libération de GnRH le reste du temps, ils la stimulent maintenant.

Cette augmentation des oestrogènes est elle-même initiée à l'origine par une augmentation de l'activité sécrétrice pulsatile des neurones hypothalamiques par un mécanisme encore mal compris. On suppose que ce mécanisme pourrait être relié à l'horloge biologique interne. On peut noter à ce propos que ceci dégage l'importance du contrôle de cet axe gonadotrope par des niveaux cérébraux supérieurs.

Par voie de conséquence, la GnRH (qui stimule la sécrétion de FSH et LH par les cellules gonadotropes de l'adénohypophyse) induit le pic de LH et FSH, à l'origine de l'ovulation.

Après l'ovulation, la concentration plasmatique en oestrogènes s'effondre transitoirement et le sens de la régulation s'inverse : de positive, la rétroaction exercée par les hormones plasmatiques redevient négative. Le servomécanisme rétablit une grandeur de consigne fixe. La concentration en oestrogènes remonte un peu pendant la phase lutéinique, mais sans atteindre la valeur-seuil de déclenchement du servomécanisme : on revient en situation basale de régulation en constance négative exercée par les oestrogènes (et la progestérone, qui est désormais aussi présente) sur les neurones hypothalamiques compétents et sur les cellules gonadotropes de l'adénohypophyse.

Modélisation cybernétique : schémas

En somme, on peut représenter l'axe gonatrope chez la femme par trois schémas cybernétiques :

  1. Un schéma de régulateur en constance pendant l'essentiel de la phase folliculaire.
  2. Un schéma de régulateur en tendance à la fin de la phase folliculaire, juste avant l'ovulation.
  3. Un schéma de régulateur en constance pendant la phase lutéinique.

Or, la seule différence entre le premier et le troisième schéma se situe au niveau des hormones ovariennes impliquées : oestrogènes seuls en phase folliculaire, oestrogènes et progestérone en phase lutéinique. D'un point de vue cybernétique, oestrogènes et progestérones remplissent les mêmes rôles, pendant la phase lutéinique : rétroaction négative sur l'axe hypothalamo-hypophysaire et actions variées sur les organes sexuels.
Il est donc possible de simplifier cette représentation par deux schémas, correspondants aux deux situations cybernétiques :

  1. Un schéma de régulateur en constance pendant l'essentiel du cycle.
  2. Un schéma de régulateur en tendance juste avant l'ovulation.

Chacun de ces schémas est établit à partir des schémas des trois systèmes impliqués (hypothalamus émetteur, adénohypophyse émetteur, et ovaires émetteurs - voir dans l'exemple de l'axe gonadotrope de l'homme une représentation similaire de ces trois systèmes).


Représentation cybernétique de l'axe gonadotrope chez la femme pendant ses phases de fonctionnement en constance : phase folliculaire à l'exclusion de la période pré-ovulatoire, et phase lutéinique. FSH* : la FSH ne stimule la croissance folliculaire qu'au-dessus de sa valeur seuil, pendant la première moitié de la phase folliculaire. LH** : La LH n'agit que sur le follicule dominant et le corps jaune.

Représentation cybernétique de l'axe gonatrope chez la femme pendant la période pré-ovulatoire : Fonctionnement en tendance.

L'existence d'un phénomène cyclique s'explique donc par l'existence d'un servomécanisme, inactif pendant la majeure partie du cycle, mais qui permet un fonctionnement en tendance positive (d'où la très forte augmentation de FSH et surtout de LH) à un moment donné du cycle.

Plus précisémment...

La représentation cybernétique pendant le fonctionnement en constance présentée ici fait figurer sur un même schéma des hormones agissant à différents moments du cycle, et sur différentes cibles. Il s'agit donc d'une représentation simplifiée. Pour plus de détails sur les seuils de FSH et d'oestrogènes, ainsi que sur les cibles de la LH, revoir les explications données sur le fonctionnement cyclique de l'axe gonadotrope ci-dessus.
On peut d'ailleurs noter que si l'accent est souvent mis sur l'importance du rétrocontrôle positif permettant le déclenchement de l'ovulation, le rétrocontrôle négatif, notamment vis à vis de FSH, est lui aussi fondamental d'un point de vue fonctionnel ; en particulier en intervenant dans les mécanismes permettant l'arrivée à maturité d'un seul follicule issu de la cohorte de follicules antraux.

Conclusion

D'un point de vue cybernétique, il est donc intéressant de constater que les différences entre l'homme et la femme ne sont finalement que minimes :

L'existence de ce servomécanisme est donc suffisant pour permettre de passer d'une production continue de gamètes, chez l'homme, à une production périodique, chez la femme.

 

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