Thomas Pesquet à l'entraînement en janvier 2016, dans le Laboratoire de flottabilité neutre, répétant une des tâches qu'il aura à réaliser lors de son séjour à bord de la Station spatiale. © Neutral Buoyancy Laboratory, Bill Brassard

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Contrer le mal de l’espace grâce au système vestibulaire ?

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La santé des astronautes est un sujet de préoccupation majeur au sein des agences spatiales qui planifient des voyages dans l'espace et une occupation permanente de l'orbite terrestre. Une étude portant sur le système vestibulaire est en train de démontrer que l'Homme pourrait vivre et travailler dans l'espace bien mieux qu'on ne le pense.

Le système vestibulaire est-il le talon d'Achille des astronautes ou bien, au contraire, la clé de l'adaptabilité de l'Homme à l'espace ? C'est ce que tend à démontrer une équipe aux collaborations internationales qui travaille sur cet organe sensoriel. Localisé dans l'oreille interne et vieux de cinq cents millions d'années, ce système sensoriel s'est vraisemblablement développé avant l'œil. Les premiers êtres vivants de la Terre possédaient déjà ce capteur de la gravité terrestre.

« Aujourd'hui, l'Homme possède cinq capteurs vestibulaires, alors que les premiers êtres vivants en avaient un seul », nous explique Stéphane Besnard, qui coordonne l'axe de recherche sur le système vestibulaire au sein du laboratoire Comete (U1075 Inserm) ; il est également médecin de bord en vols paraboliques et affilié au groupe de biologie du développement du Cnes. Ce capteur est donc essentiel pour mesurer la gravité terrestre et établir notre sens de la verticalité. À chaque instant, une partie du système vestibulaire « joue le rôle d'un fil à plomb vertical par rapport à la gravité terrestre ». Il est donc essentiel pour rester en équilibre, s'orienter, percevoir son corps dans l'environnement qui l'entoure et y naviguer, « fonctions qui dépendent toutes de la perception que nous avons de la verticalité ».

Image 3D de reconstruction IRM de l'organe vestibulaire. © Avec la permission du docteur M. Hitier

Stimuler le système vestibulaire pour s'adapter à la microgravité

Récemment, des études menées sur des souris « ont montré que l'absence d'organe vestibulaire s'accompagnait d'une perte d'environ 30 % de leur masse osseuse ». C'est une information significative qui « indique que la charge mécanique directe (le fait de marcher, courir ou sauter) n'est pas la seule à agir sur la densité osseuse, mais que ce capteur sensoriel y contribue par la mesure de la gravité terrestre ». On note également une modification de la composition des muscles des jambes « en l'absence d'information sensorielle de la gravité provenant du système vestibulaire ».

Cela explique vraisemblablement pourquoi malgré les exercices physiques auxquels s'astreignent les astronautes quotidiennement à bord de la Station spatiale internationale (ISS) « ne permettent pas de compenser en totalité la perte de densité osseuse et de masse musculaire survenant lors du séjour orbital ». C'est très surprenant, car la charge mécanique induite par ces exercices est la même que celle sur Terre. Pour expliquer cette situation, « nous pensons que c'est parce que les contre-mesures physiques actuelles n'agissent pas sur l'oreille interne et ne tiennent pas compte du système vestibulaire ».

L'idée serait de stimuler cet organe sensoriel pour récupérer la partie manquante de la masse osseuse et musculaire. Cela peut être fait de différentes façons, « comme par l'utilisation d'un fauteuil tournant, d'une petite centrifugeuse et par simulation électrique ». Pour s'assurer que ces choix sont judicieux, « des études sont en cours chez l'animal ».

À quelques heures de son décollage, et bien qu'il soit en quarantaine, Thomas Pesquet poursuit sa préparation. On le voit ici entraîner son système vestibulaire en réalisant des rotations assis sur une chaise utilisée à cet effet. © Nasa, Alexander Vysotsky

Ce système sensoriel a également deux autres fonctions. Il mesure tous nos déplacements et « agit comme un synchroniseur de notre horloge biologique qui gère les rythmes de notre sommeil et hormonaux ». L'équipe a démontré chez l'animal « qu'en stimulant le système vestibulaire, il est possible de bloquer la synchronisation de notre horloge biologique ». À bord de l'ISS, où les astronautes assistent à 16 levers et couchers de Soleil par jour, appliquer des contre-mesures à partir de l'oreille interne permettra de « mieux synchroniser leur rythme veille-sommeil ».

S'orienter dans l'espace n'est pas simple

La troisième fonction concerne notre cerveau. Auparavant, les chercheurs ont toujours pensé que le système vestibulaire agissait uniquement par réflexe pour maintenir notre équilibre du corps : « par reflexe, on stabilise les yeux dès que l'on est en mouvement et les réflexes de posture (avant et arrière) s'enclenchent pour éviter de tomber ». En fait, c'est totalement faux ou, plutôt, le fonctionnement est bien plus élaboré. « Le système vestibulaire calibre selon le vecteur gravitaire toutes les autres informations sensorielles mesurant la verticalité (vue, somesthésie) que l'on soit en position statique ou en mouvement ». Sans cette information, l'Homme n'est pas capable de s'orienter, de naviguer ni de mémoriser l'environnement dans lequel il évolue. Le retrait de cette information vestibulaire, et cela a été démontré chez l'animal et l'Homme, « perturbe toutes ses fonctions cognitives complexes ». Dans l'espace, cette capacité de représentation du corps et de mouvement, est « importante pour certaines tâches qui demandent une représentation spatiale en trois dimensions ».

Le paradigme du labyrinthe en T inversé qui sera utilisé à bord de l'ISS en 2017. Ce test fait partie d'un test comportemental utilisé à la fois chez l'animal et chez l'Homme ; il sert à mesurer quelle stratégie de navigation nous utilisons : basée sur des repères visuels externes (navigation orientée par rapport à l'environnement, allocentrée) ou bien basée sur des choix moteurs (tourner à droite, à gauche, etc., donc orientée par rapport à son propre corps, égocentrée). Ces deux types de stratégies sont supportées par des réseaux et des aires du cerveau différents, la première étant plus complexe et la seconde plus simple car requérant moins d'attention, de concentration et de mémorisation. Une sorte d'optimisation. On peut donc passer de l'une à l'autre selon ses ressources propres : réserve cognitive liée à notre vigilance, attention, prise de décision... © Droits réservés

Les problèmes d'équilibre des astronautes d'Apollo

Il existe des exemples concrets et rapportés de perte de repère dans l'espace qui ont entraîné des difficultés et un risque pour des astronautes. Lors des missions Apollo par exemple, le « pilotage des véhicules lunaires s'est révélé plus compliqué que prévu ». Alors que les astronautes avaient besoin de leurs fonctions d'orientation, de navigation et de mémorisation, « subjectivement, ils ont été confrontés à quelques problèmes de conduite ». Autre exemple, les astronautes des missions Apollo et des stations orbitales ont rapporté « des difficultés dans les procédures d'arrimage de modules, de réparation d'équipements liés probablement à cette perception 3D du corps et de l'environnement modifiée par la perte du repère de gravité terrestre ».

Cette perception du corps en 3D n'est pas encore bien mesurée et « les risques sur une mission de long terme, comme un voyage à destination de Mars, ne sont pas totalement connus ». Pour les séjours de longues durées à bord de l'ISS, typiquement six mois, « le risque est minimisé par un surentraînement des astronautes pour les tâches à réaliser, des répétitions au sol et une planification rigoureuse avant la mission, mais on imagine que les futurs explorateurs sur Mars auront plus d'initiatives à prendre requérant ces fonctions cérébrales. La question se pose de leurs capacités à les réaliser ».

En 2017, « notre équipe prévoit de réaliser une expérience à bord de l'ISS pour mesurer par la réalité virtuelle les fonctions cérébrales d'orientation, de navigation et de mémorisation liées en partie au système vestibulaire ». À cette expérience inédite s'ajouteront deux autres, similaires, mais « réalisées sur des personnes vivant dans une base polaire ou traversant des milieux extrêmes pour voir si certains environnements terrestres sont susceptibles de perturber ces mêmes fonctions et ce avec quelle intensité ».