Expérience : Le réflexe rotulien et la réaction

Contexte

Les réflexes ne nécessitent aucune réflexion. Ils sont automatiques, rapides et d’une énorme importance pour la capacité d’un humain à réagir avec succès à son environnement. Malgré la magnifique puissance de traitement de l’information des milliards de neurones de notre cerveau, nous avons besoin que beaucoup de choses se fassent automatiquement. Sans réflexes, notre cerveau serait surchargé de soucis pour actualiser constamment la position de notre corps instable afin de nous maintenir en position verticale. Sans réflexes, notre capacité à nous engager dans des pensées complexes (trous noirs, neurosciences, que faire ce week-end, comment fabriquer un marteau à réflexes instrumenté ? Sans réflexes, vos réactions à des stimuli douloureux nécessiteraient une réflexion, et… ne le prenez pas mal… mais vous pensez très lentement… Ne vous sentez pas mal, tous les humains sont des penseurs lents, et nous avons besoin de plus de vitesse pour répondre aux stimuli douloureux dangereux. Donc nous laissons notre moelle épinière faire ce travail rapide pour nous.

Un exemple de réflexe est le réflexe d’étirement rotulien. Notre moelle épinière s’associe à des capteurs dans nos muscles, appelés fuseaux musculaires, pour garder une trace de l’endroit où se trouve notre corps dans l’espace et du degré d’étirement ou de contraction de nos muscles. Ces capteurs interagissent avec notre moelle épinière par le biais d’une voie réflexe. L’étirement du muscle active le fuseau musculaire à l’extrémité du neurone sensoriel (situé dans le muscle) et déclenche le réflexe. Le réflexe consiste à empêcher un étirement excessif du muscle et à compenser par une contraction.

Comme vous pouvez le voir, une seule connexion (une synapse) est nécessaire pour que l’information du neurone sensoriel parvienne au neurone moteur et provoque une contraction musculaire. Grâce à cette unique synapse, le processus peut être très rapide. Chez une personne jeune et en bonne santé, il faut 15 à 30 millisecondes pour que le stimulus d’étirement produise une contraction musculaire. En comparaison, il faut 5 à 10 fois plus de temps pour cligner des yeux en réponse à un stimulus, soit 150 à 300 millisecondes. C’est très utile pour corriger la longueur de vos muscles en réponse à des changements rapides tels qu’une glissade ou un faux pas. Ces situations nécessitent des corrections très rapides pour éviter les chutes et les blessures. Si vous deviez consciemment fléchir votre jambe en réponse à l’étirement de la jambe (une réaction), ce serait beaucoup plus lent que les 15-30 secondes du réflexe.

Essayons maintenant de mesurer ce réflexe ! Et peut-être mesurons-nous aussi une réaction !

Avant de commencer, assurez-vous d’avoir installé le Backyard Brains Spike Recorder sur votre ordinateur/smartphone/tablette. Le programme Backyard Brains Spike Recorder vous permet de visualiser et d’enregistrer les données sur votre ordinateur lorsque vous faites des expériences. Nous avons également construit un document de laboratoire simple pour vous aider à tabuler vos données.

Mise à jour du firmware

Si vous avez acheté votre Muscle SpikerBox Pro avant février 2019, vous devrez suivre les instructions de mise à jour du micrologiciel

Vidéo

Matériel d’impression

Si vous cherchez un PDF à imprimer et à gribouiller, ou un google doc à modifier, consultez ce référentiel de ressources d’impression ici !

Expérience

Pour cette expérience, nous allons nous intéresser au signal électromyographique du muscle droit fémoral, un des muscles du groupe des quadriceps fémoraux. Nous provoquons un réflexe en tapant sur le tendon rotulien. C’est le même test qui est effectué lorsque vous vous rendez chez le médecin (les médecins l’utilisent comme un test rapide pour déterminer la santé des voies vertébrales – les problèmes peuvent être symptomatiques de maladies neuromusculaires).

Constituez votre Muscle SpikerBox Pro à l’aide d’un smartphone ou d’un ordinateur avec l’application Spike Recorder.
Connectez le câble USB de la Muscle SpikerBox Pro à l’ordinateur. Ouvrez Spike Recorder, et allumez votre Muscle SpikerBox Pro. Une icône USB devrait apparaître sur l’écran principal de SpikeRecorder. Cliquez dessus pour vous connecter à votre Muscle SpikerBox Pro. (Remarque : si vous utilisez une tablette, un smartphone et/ou une Muscle SpikerBox ordinaire, vous pouvez vous connecter à votre tablette/smartphone/ordinateur avec le câble audio vert pour smartphone.
Damez le sujet à s’asseoir sur une surface solide assez haute pour permettre à ses jambes inférieures et à ses pieds de pendre librement.
Damez le sujet à contracter son muscle quadriceps (extenseur du genou) afin que vous puissiez en placer deux de chaque côté du genou comme indiqué ci-dessous. Une électrode sur le Vastus Medialis, une sur le Vastus Lateralis. Placez une électrode adhésive de masse sur le dos de la main.
Clip les fils rouges de votre câble musculaire orange des électrodes sur le muscle de votre cuisse, et le fil noir sur la masse sur votre paume extérieure.
Avoir un signal musculaire de bonne qualité est vraiment important pour cette expérience. Testez pour voir si vous obtenez un bon signal EMG avec une contraction assez faible en demandant au sujet de redresser son genou contre une résistance. Signal faible ? Ajustez le zoom vertical de SpikeRecorder. Si cela n’aide toujours pas, ajustez le placement des électrodes.
Aussi, si vous n’obtenez toujours pas un signal très clair, n’hésitez pas à expérimenter l’endroit où vous placez l’électrode de masse. Vous pouvez également aller dans les paramètres du SpikeRecorder et régler le seuil du signal de 70 à 1500, et cocher la case par « 60hz » pour filtrer plus de bruit.
Localiser la partie du tendon rotulien juste en dessous de la rotule et au-dessus de l’endroit où il s’insère dans le tibia. Le meilleur endroit pour le taper est juste en dessous de la rotule. Si vous aimez cette personne, évitez de frapper la rotule car… ouch ! Tapez rapidement et fermement sur le tendon pour provoquer un coup de pied involontaire. Expérimentez avec de petits changements dans l’emplacement et la force du tapotement. Trouvez le point idéal.

Si vous avez un bon placement des électrodes et que vous appliquez une tape intelligente sur le tendon rotulien, vous devriez voir quelque chose comme ceci (Attention, ce sera petit ! Vous devrez peut-être zoomer):

Faites un enregistrement et zoomez sur l’un des signaux réflexes. Vous pouvez constater que le signal EMG ressemble beaucoup aux autres EMG que vous avez vus :

Félicitations ! Vous pouvez maintenant enregistrer la réponse musculaire au réflexe rotulien. Mais comment pourrions-nous mesurer la différence de temps entre le moment où le marteau frappe et celui où le muscle se fléchit ?

Mesurer le temps du réflexe

Oui ! Nous pouvons mesurer le temps de réflexe avec le Backyard Brains Reflex Hammer – un kit d’extension pour la Muscle SpikerBox Pro.
Plongez le Reflex Hammer dans la Muscle SpikerBox Pro. Si vous êtes déjà connecté à SpikeRecorder, vous devriez voir un deuxième canal apparaître dans l’enregistrement ! Secouez le marteau… puis frappez-le doucement contre un obstacle ou un ennemi proche. Observez dans SpikeRecorder comment l’accéléromètre du marteau à réflexe crée de superbes déhanchements et pics !
Maintenant, faites asseoir votre sujet en hauteur pour que ses jambes pendent. De plus, et c’est important, demandez à votre sujet de fermer les yeux ou de regarder ailleurs afin qu’il ne puisse pas anticiper le marteau.
Commencez à expérimenter ! Selon la façon dont vous préférez le décrire, donnez à votre sujet des coups forts, ou des coups doux, sous sa rotule. Une fois que vous aurez trouvé le point idéal, vous devriez pouvoir évoquer le réflexe du coup de pied !
Zoomer avec les commandes tactiles ou la molette de votre souris. Vous pouvez mesurer le temps de réflexe en mesurant la différence entre le pic lorsque le marteau frappe et la flexion des muscles en réponse ! Le coup de marteau est le moment où l’accéléromètre dans le marteau réflexe subit le plus grand degré de (dé)accélération, donc allumez l’enregistrement EMG à la marque « verticale » la plus précoce sur la lecture de l’accéléromètre – voir photo avant. Vous pouvez utiliser le lien du polycopié ci-dessus pour disposer d’un formulaire vous permettant de tabuler facilement les données.

Comparez avec le temps de réaction

Si vous disposez du chronomètre de réaction et que vous avez réalisé l’expérience « How Fast can Your Body React ? », comparez vos résultats et voyez comment les temps de réflexe et de réaction se comparent. Vous n’avez pas le chronomètre de réaction ? Eh bien, vous pouvez aussi enregistrer un test simple de temps de réaction avec cette configuration !

On peut mesurer et comparer la différence de temps entre les » circuits du cerveau » (réaction) et les » circuits de la moelle épinière » (réflexe) avec cette configuration !
Utilisez le deuxième canal de la Muscle SpikerBox Pro pour enregistrer à partir de votre autre jambe avec le même placement d’électrode.
Dites au sujet de recherche de fermer à nouveau les yeux. Dites-lui de donner un coup de pied à son autre jambe lorsqu’il sent le marteau frapper la même jambe que celle à partir de laquelle vous aviez enregistré précédemment.
Comparez le réflexe d’une jambe à la réaction de l’autre ! Vous devriez remarquer que la réaction est dramatiquement plus lente que le réflexe. Pourquoi pensez-vous que c’est le cas ? (Nous pensons que vous connaissez la réponse !)

Suggestions de dépannage

Il existe une grande variabilité entre les sujets dans la façon dont le signal EMG peut être vu. En dernier recours, vous devrez peut-être essayer la démonstration avec un autre volontaire. Si vous rencontrez toujours des difficultés, il peut être nécessaire de déplacer le placement des électrodes. L’enregistrement strictement à partir du vaste médial ou du latéral peut également bien fonctionner. Voir ci-dessous :

Médial

Lateralis

Vous avez encore des difficultés ? Essayez de positionner les électrodes encore plus loin sur les côtés latéraux ou médiaux de la jambe.
Si vous êtes branché sur une prise murale, allez dans les paramètres et cochez la case » 60hz » pour filtrer les interférences électriques.
Vérifiez que votre marteau ne frappe pas l’un des fils rouges !

Idées de projet pour la foire scientifique

Quels sont les autres réflexes que vous pensez pouvoir tester ?

La vitesse/amplitude de la réponse change-t-elle selon l’état dans lequel se trouve une personne ? Par exemple, si elle est fatiguée, si elle a beaucoup d’énergie, si elle a bu du café récemment, etc. Pourquoi pensez-vous que ces éléments affectent ou non le réflexe ?

Ne vous blessez pas ou ne blessez personne en enquêtant sur ce point, mais la vitesse ou l’amplitude dépend-elle du tout de la force avec laquelle vous frappez le genou ? Pourquoi cela pourrait-il être ou ne pas être le cas ?

Pour cette expérience, la personne ayant son réflexe activé garde normalement la jambe détendue, mais que se passe-t-il si elle essaie de résister au réflexe ? Est-ce que cela affecte la vitesse ou l’amplitude du tout, ou est-ce que le réflexe se produit même ? Pourquoi cela pourrait-il être le cas ?

Nous avons remarqué deux choses qui méritent un examen plus approfondi. Le temps de réflexe a tendance à ne pas être très variable chez une même personne au cours d’une séance (toujours +-2 ms), mais le temps de réflexe entre individus peut varier de 13 ms à 35 ms. Comme il s’agit d’un réflexe inconscient, quelles peuvent être les raisons d’une telle variabilité entre individus ? L’âge, la forme physique, les athlètes (coureurs contre haltérophiles, etc.) peuvent tous être des facteurs. En outre, la composante de réaction tend à varier davantage d’un essai à l’autre chez une même personne (de 130 à 200 ms), car elle nécessite un contrôle conscient et une « attention » qui augmentent la variabilité du temps entre les essais. Commencez à collecter des données auprès de toutes les personnes que vous connaissez !