Commande du mouvement : organes sensoriels, centres nerveux et muscles

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Du stimulus au mouvement : une chaîne d'informations

Rattraper un objet qui tombe semble immédiat, mais ce geste repose sur une chaîne d'organes qui communiquent par des messages nerveux. Un stimulus est une modification de l'environnement (lumière, son, contact, chaleur) que l'organisme peut détecter. Le mouvement est la réponse produite par les muscles.

Les acteurs de la commande du mouvement

• Organes sensoriels (œil, oreille, peau, langue, nez) : ils contiennent des cellules réceptrices qui transforment le stimulus en message nerveux.
• Nerfs sensitifs : faisceaux de fibres nerveuses, prolongements de neurones, qui conduisent le message nerveux des récepteurs vers les centres nerveux.
• Centres nerveux : l'encéphale (cerveau, cervelet, tronc cérébral) et la moelle épinière. Protégés par le crâne et la colonne vertébrale, ils reçoivent les messages, les traitent et élaborent une commande.
• Nerfs moteurs : ils conduisent le message nerveux de commande des centres nerveux vers les muscles.
• Muscles squelettiques : ces effecteurs se contractent, c'est-à-dire se raccourcissent, et tirent sur les os par l'intermédiaire des tendons.

Un muscle ne sait que tirer : il ne peut pas pousser. Le mouvement d'une articulation résulte donc de muscles antagonistes. Pour plier le coude, le biceps se contracte pendant que le triceps se relâche ; l'inverse permet de tendre le bras. Pour se contracter, un muscle consomme du dioxygène et des nutriments, comme le glucose, que le sang lui apporte.

Mouvement volontaire et réflexe

Dans un mouvement volontaire, l'information sensorielle est analysée par le cerveau, notamment le cortex cérébral. Une décision consciente est prise, puis une commande part des aires motrices, descend par la moelle épinière et les nerfs moteurs jusqu'aux muscles. Le trajet est long et comporte de nombreux relais entre neurones, appelés synapses.

Un réflexe est une réponse involontaire, rapide et toujours semblable pour un stimulus donné. Dans le retrait de la main ou le réflexe rotulien, le centre nerveux est la moelle épinière : le trajet est plus court et compte moins de relais. Le cerveau reçoit l'information en parallèle, ce qui explique qu'on prenne conscience du stimulus un peu après la réponse.

Le message nerveux est un signal électrique qui se propage le long des fibres, à des vitesses de quelques dizaines de mètres par seconde, puis il est relayé aux synapses. Le délai entre stimulus et mouvement additionne donc le temps de conduction, le temps de traitement dans les centres nerveux et le temps de mise en action du muscle.

Exemple analysé : rattraper une règle

Un partenaire lâche une règle et l'élève la saisit. La lumière est détectée par la rétine de l'œil, qui émet un message nerveux. Il suit le nerf optique jusqu'au cerveau, qui repère la chute, décide de fermer la main et envoie une commande par la moelle épinière et les nerfs moteurs aux muscles qui fléchissent les doigts. La règle chute d'une distance mesurable avant d'être saisie : cette distance permet d'estimer la durée entre stimulus et réponse, de l'ordre de 0,15 à 0,20 s. Un geste volontaire n'est pas un réflexe, même s'il paraît automatique.

Un piège à éviter

On entend souvent que le réflexe est plus rapide parce que le message nerveux y circule plus vite. C'est inexact : la vitesse de conduction est du même ordre dans les deux cas. Le réflexe est plus rapide parce que le trajet est plus court et que le traitement par les centres nerveux est plus simple, avec moins de relais et sans décision consciente. De même, réflexe ne signifie pas absence de centre nerveux : la moelle épinière en est un.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Lors d'une séance d'EPS, Inès et Malo étudient la rapidité d'une réponse motrice. Un partenaire tient une règle graduée à la verticale entre les doigts ouverts de l'élève testé. Dans la condition A, l'élève regarde la règle et la saisit dès qu'elle est lâchée. Dans la condition B, il garde les yeux fermés et saisit la règle au signal sonore « top ». Ils mesurent la distance de chute avant la saisie. Ils lisent aussi un compte rendu comparant un réflexe et un mouvement volontaire. Ils veulent comprendre quels organes interviennent et pourquoi les délais diffèrent autant.

Document 1 : mesures sur la règle

Données pédagogiques simplifiées. Même élève, même main, même partenaire, cinq essais par condition en alternant A et B. Les temps de réaction ont déjà été calculés à partir des distances de chute.

Document 2 : compte rendu de laboratoire

Données pédagogiques simplifiées. Un adulte volontaire reçoit une stimulation brève et inoffensive sur un doigt. Des capteurs placés sur la peau enregistrent l'activité du muscle. Dans la première situation, le doigt se retire sans que le volontaire l'ait décidé (réflexe de retrait). Dans la seconde, il doit appuyer sur un bouton dès qu'il sent la stimulation (mouvement volontaire). On admet que le message nerveux se propage à 50 m/s dans les fibres concernées, dans les deux situations.

Exercice 1 : Exploiter les mesures de la règle

1. Calculez la moyenne de la distance de chute et la moyenne du temps de réaction pour chaque condition.
2. Calculez l'écart entre les deux temps moyens en ms, puis exprimez-le en pourcentage du temps moyen de la condition A (arrondi à 0,1 %).
3. Nommez l'organe sensoriel stimulé dans la condition A et dans la condition B.
4. Écrivez la chaîne complète qui relie le stimulus au mouvement de la main dans la condition A, en nommant les types de nerfs, les centres nerveux et les muscles effecteurs.
5. Expliquez pourquoi ces mesures ne permettent pas d'affirmer que l'oreille est toujours plus rapide que l'œil.

Exercice 2 : Calculer les durées du Document 2

1. Calculez, avec t = d / v, la durée de conduction du message nerveux (trajet sensitif plus trajet moteur) dans chaque situation, en ms.
2. Calculez pour chaque situation la partie du délai mesuré que la conduction n'explique pas.
3. Calculez le rapport entre le délai volontaire et le délai réflexe, puis le rapport entre les longueurs totales de trajet. Comparez-les.
4. Proposez une explication au temps restant, en vous appuyant sur le rôle des centres nerveux et des synapses.
5. Indiquez le centre nerveux principal impliqué dans chaque situation.

Exercice 3 : Argumenter et concevoir un protocole

Malo affirme : « Le réflexe est plus rapide parce que le message nerveux y circule plus vite. »

1. Cette affirmation est-elle compatible avec le Document 2 ? Justifiez avec des valeurs.
2. Le geste de saisie de la règle du Document 1 est-il un réflexe ? Confrontez les ordres de grandeur des deux documents pour répondre.
3. Proposez un protocole sans danger pour tester si la répétition de 20 saisies modifie le temps de réaction : variable testée, éléments à garder identiques, nombre d'essais et mesure retenue.
4. Rédigez en trois phrases une conclusion prudente sur ce que montrent les Documents 1 et 2, en précisant une limite.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Condition A : distance = (14 + 16 + 15 + 17 + 13) / 5 = 75 / 5 = 15,0 cm ; temps = (169 + 181 + 175 + 186 + 163) / 5 = 874 / 5 = 174,8 ms. Condition B : distance = (11 + 12 + 10 + 13 + 11) / 5 = 57 / 5 = 11,4 cm ; temps = (150 + 156 + 143 + 163 + 150) / 5 = 762 / 5 = 152,4 ms.
2. Écart = 174,8 - 152,4 = 22,4 ms. En pourcentage : 22,4 / 174,8 = 0,128, soit 12,8 % du temps de la condition A.
3. Condition A : l'œil, dont la rétine détecte la lumière. Condition B : l'oreille, dont les cellules sensorielles détectent le son.
4. Rétine (récepteurs), nerf optique (nerf sensitif), cerveau (centre nerveux qui analyse et décide), moelle épinière (centre nerveux qui transmet la commande), nerfs moteurs, muscles fléchisseurs des doigts qui se contractent pour saisir la règle.
5. Il n'y a qu'un élève, une seule main et cinq essais par condition. Les valeurs se recouvrent presque (163 ms en A et en B), l'ordre des essais, l'attention ou l'anticipation du signal ont pu jouer. Un écart observé sur ce petit échantillon ne prouve pas une règle générale.

Critères de réussite : moyennes exactes avec unités, pourcentage correct, chaîne complète dans l'ordre, limite argumentée (effectif, un seul sujet).

Exercice 2 : correction

1. Réflexe : trajet total = 0,7 + 0,4 = 1,1 m ; t = 1,1 / 50 = 0,022 s = 22 ms. Volontaire : 1,0 + 1,2 = 2,2 m ; t = 2,2 / 50 = 0,044 s = 44 ms.
2. Réflexe : 30 - 22 = 8 ms. Volontaire : 175 - 44 = 131 ms.
3. Rapport des délais : 175 / 30 ≈ 5,8. Rapport des trajets : 2,2 / 1,1 = 2. Le trajet est deux fois plus long, mais le délai est près de six fois plus grand : la longueur du trajet n'explique qu'une petite part de la différence.
4. Dans le mouvement volontaire, le cerveau analyse l'information, la compare, décide, puis élabore la commande, avec de nombreux relais synaptiques qui ajoutent chacun un petit retard. Le réflexe passe par la moelle épinière avec peu de relais et sans décision consciente. À cela s'ajoute le temps d'activation du muscle.
5. Réflexe : la moelle épinière. Volontaire : le cerveau (cortex), avec relais par la moelle épinière.

Critères de réussite : formule t = d / v appliquée avec conversion en ms, soustraction correcte, comparaison de deux rapports, mention des synapses et du traitement central.

Exercice 3 : correction

1. Non. Le Document 2 admet la même vitesse (50 m/s) dans les deux situations. Le message ne va pas plus vite dans le réflexe : il parcourt 1,1 m au lieu de 2,2 m et traverse moins de relais. Le délai plus court (30 ms contre 175 ms) vient du trajet et du traitement.
2. Non. Le délai de saisie vaut environ 150 à 175 ms (Document 1), du même ordre que le mouvement volontaire du Document 2 (175 ms) et bien supérieur aux 30 ms du réflexe. Le cerveau intervient : l'élève voit, décide et agit.
3. Variable testée : le nombre de saisies déjà réalisées. Constantes : même élève, même main, même partenaire, même hauteur de départ, même consigne. Protocole : 20 saisies consécutives avec repos court défini, en notant la distance à chaque essai, puis comparaison des cinq premiers essais et des cinq derniers par leurs moyennes. Répéter avec plusieurs élèves renforcerait la conclusion.
4. Exemple : le temps de réaction pour la saisie de la règle est de 150 à 175 ms, très supérieur au délai d'un réflexe de 30 ms, ce qui est cohérent avec un trajet passant par le cerveau. La différence entre vue et ouïe observée pour un élève reste faible et peut résulter de l'anticipation. Elle ne se généralise pas sans plus de sujets et d'essais.

Critères de réussite : rejet argumenté de l'idée reçue avec valeurs, comparaison des ordres de grandeur, protocole avec une seule variable, conclusion nuancée qui évite de généraliser.