Définition

Un mécanisme de rétroaction est un système de régulation physiologique qui ramène le corps à un état interne normal (homéostasie) ou, plus rarement, éloigne un système interne de l’homéostasie. Il existe deux mécanismes – négatif et positif. Ils agissent par le biais de voies nerveuses ou de substances chimiques telles que les hormones pour provoquer un effet stimulant ou inhibiteur. Les mécanismes de rétroaction sont également présents dans les écosystèmes.

Qu’est-ce que le mécanisme de rétroaction ?

En biologie, un mécanisme de rétroaction est une boucle physiologique qui rapproche ou éloigne l’organisme de l’état normal et stable. Le mécanisme de rétroaction, également appelé boucle de rétroaction, amplifie une certaine voie biologique ou l’inhibe. Ces voies ramènent le plus souvent l’organisme vers l’homéostasie. Un état homéostatique fait référence à l’état stable du milieu intérieur des organismes.

Les systèmes de rétroaction positive et négative nécessitent trois composants pour ajuster des voies physiologiques spécifiques :

• Récepteur : (ou capteur) reçoit des informations et les envoie au centre de contrôle.
• Centre de contrôle : (ou évaluateur) traite les informations du récepteur et stimule l’effecteur.
• Effecteur : réalise un effet stimulant ou inhibiteur selon les instructions du centre de contrôle.

Les signaux peuvent être envoyés par les voies nerveuses (potentiels d’action et neurotransmetteurs) ou par des signaux chimiques (le plus souvent, les hormones).

Lorsque nous parlons de physiologie, nous discutons généralement de l’homéostasie au sein de différents systèmes. Le corps s’efforce de produire un environnement interne constant. Il a besoin de cette stabilité pour fonctionner à un niveau optimal.

Si nous sommes effrayés par quelque chose, le rythme cardiaque augmente et le sang se précipite vers les organes vitaux et les muscles pour nous préparer à la fuite. A un certain moment, le corps doit revenir à l’homéostasie. Il est malsain de rester dans cet état d’excitation pendant de longues périodes. La plupart des mécanismes de rétroaction – négatifs – travaillent pour ramener le corps à l’homéostasie.

L’homéostasie peut être affectée par de nombreuses choses. Les toxines présentes dans notre environnement, ce que nous mangeons, notre état d’esprit, notre état de santé, la composition de notre ADN et les effets des médicaments et des drogues récréatives. Chacun de ces éléments peut nous affecter au niveau cellulaire (récepteur, centre de contrôle ou effecteur) et provoquer des anomalies du mécanisme de rétroaction.

Alternativement, nous trouvons également des mécanismes de rétroaction dans notre environnement. Un écosystème qui abrite une population de lapins pourrait, par exemple, subvenir aux besoins alimentaires de trois oiseaux de proie. Si cette population de lapins est considérablement réduite par une maladie, elle ne peut plus supporter autant de prédateurs. Un ou deux oiseaux de proie doivent partir à la recherche d’autres sources de nourriture ou mourir de faim. Lorsque la population de lapins revient à la normale, elle peut à nouveau accueillir plusieurs oiseaux de proie. Si la population de lapins continue à augmenter, d’autres prédateurs peuvent s’installer dans cet écosystème. Dans ce cas, le rapport prédateur/proie le plus sain est l’équivalent de l’homéostasie.

Mécanismes de rétroaction en boucle ouverte et fermée

Dans un mécanisme de rétroaction en boucle ouverte, les étapes de régulation sont relativement simples. Les entrées des récepteurs arrivent au centre de contrôle et, après traitement, ce centre de contrôle spécifique envoie des signaux aux cellules effectrices associées.

Dans un mécanisme en boucle fermée, une structure supplémentaire est à l’œuvre. Celle-ci mesure en permanence la sortie des effecteurs et communique cette information directement aux unités réceptrices. La structure supplémentaire – le comparateur – va donc affecter les informations qui arrivent au centre de contrôle.

Un bon exemple de mécanisme de rétroaction en boucle fermée est la thermorégulation des mammifères. Dans la régulation de la température corporelle, le comparateur est situé dans l’hypothalamus. En tant que comparateur, cette minuscule zone a été informée de ce que la température normale du corps devrait être.

Les thermorécepteurs dans tout le corps envoient continuellement des informations via des impulsions nerveuses à une autre zone de l’hypothalamus. Cette zone est le centre de contrôle de la thermorégulation. Les récepteurs détectent les changements dans les variables de température. Lorsque des anomalies sont constatées dans ces variables, les récepteurs de cette partie du corps envoient des signaux d’alerte à l’hypothalamus. Le centre de contrôle enverra des signaux nerveux et/ou chimiques aux effecteurs de la thermorégulation. Ces effecteurs se trouvent principalement dans la thyroïde, les parois des vaisseaux sanguins et les muscles squelettiques.

Lorsque nous avons très froid, nous devenons pâles et nous frissonnons. Notre métabolisme s’accélère (stimulé par l’hormone thyroïdienne) car un taux de métabolisme plus élevé produit un surplus de chaleur. Les vaisseaux sanguins proches de la peau se resserrent pour réduire la perte de chaleur vers l’environnement extérieur. Les poils de nos bras se dressent et ajoutent une couche supplémentaire d’isolation. Les contractions musculaires génèrent de la chaleur supplémentaire. Ce sont tous les résultats d’un mécanisme de rétroaction négative ; le corps essaie de revenir à une valeur cible de 98,6°F (37°C).

Lorsque nous avons trop chaud, nous devenons rougis et léthargiques, et nous transpirons. Les vaisseaux sanguins périphériques se dilatent pour augmenter leur surface et ainsi permettre à la chaleur corporelle de se perdre dans l’environnement extérieur. Des niveaux plus faibles d’hormone thyroïdienne sont produits, ce qui ralentit le taux métabolique et réduit la production de chaleur à l’intérieur du corps. La sueur rafraîchit le corps. C’est également un mécanisme de rétroaction négative qui tente de ramener la température corporelle à un niveau normal.

Nous ne voulons pas d’un système de rétroaction positive pour le contrôle de la température. Amener intentionnellement la température corporelle centrale hors de la plage homéostatique peut être fatal. Le seul exemple de mécanisme de rétroaction positive en termes de thermorégulation se produit lors de fièvres extrêmement élevées ou lorsque nous sommes exposés pendant de longues périodes à des températures extérieures de 109°F et plus. Ces températures élevées augmentent le taux métabolique au lieu de le diminuer, ce qui augmente encore la production de chaleur interne. A ce stade, la chaleur corporelle continuera à augmenter jusqu’à ce qu’une température fatale soit atteinte – autour de 113°F.

Sans le comparateur, le mécanisme de thermorégulation ci-dessus serait en boucle ouverte. Cependant, le comparateur fait de la thermorégulation un système en boucle fermée. Au lieu de se fier uniquement aux thermorécepteurs, une autre partie de l’hypothalamus compare en permanence les données des récepteurs et des effecteurs avec ses valeurs programmées de température corporelle normale. Cela signifie que la température corporelle est toujours surveillée – après tout, les systèmes les plus critiques du corps en dépendent.

Mécanisme de rétroaction positive

Une boucle de mécanisme de rétroaction positive est une voie qui provoque un effet qui dépasse largement l’état d’homéostasie. Elle amplifie une partie d’un système physiologique qui est déjà en dehors de la plage homéostatique. Il existe très peu de boucles positives par rapport aux boucles négatives.

Les boucles de rétroaction positive, tout comme les formes négatives, nécessitent la combinaison d’un récepteur, d’un centre de contrôle et d’un effecteur. Elles tentent d’éloigner l’organisme de l’état stable de l’homéostasie. On trouvera plus loin des exemples de mécanisme de rétroaction positive.

Mécanisme de rétroaction négative

Un mécanisme de rétroaction négative ne peut être considéré comme l’opposé d’un mécanisme positif. Un mécanisme de rétroaction positive amène l’organisme à sortir davantage de la plage de l’homéostasie. Il peut s’agir d’un effet stimulant ou inhibiteur. Ce qui importe ici, c’est que la direction de l’effet s’éloigne de la plage homéostatique.

Le mécanisme de rétroaction négative, quant à lui, ramène le corps vers la plage homéostatique. Il est, par conséquent, plus courant que la boucle de rétroaction positive. Là encore, des effets à la fois stimulants et inhibiteurs peuvent être mis en œuvre pour ramener le corps vers un état normal. Par exemple, lorsque nous avons trop chaud, nous produisons moins d’hormones thyroïdiennes. Dans le cadre d’un mécanisme de rétroaction négative, la production d’hormones thyroïdiennes est inhibée pour ramener la température corporelle dans la plage normale. Lorsque nous avons trop froid, la production d’hormones thyroïdiennes est stimulée pour augmenter la température corporelle -et c’est également un mécanisme de rétroaction négative.

Exemples de mécanismes de rétroaction

Il existe des milliers d’exemples de mécanismes de rétroaction à choisir dans le monde de la biologie. Nous avons déjà examiné la thermorégulation et un écosystème simple. La plupart sont des exemples de mécanismes de rétroaction négative car c’est le type le plus courant.

Pensez à n’importe quelle partie du corps et vous pourrez trouver une boucle de rétroaction en jeu. La régulation de la glycémie chez un individu sain est contrôlée par deux hormones :

• Insuline : diminue la concentration de glucose dans le sang
• Glucagon : augmente la concentration de glucose dans le sang

Après avoir mangé, l’augmentation de la glycémie est détectée par les cellules bêta (récepteurs) du pancréas. Le pancréas (centre de contrôle) produit de l’insuline. Cette hormone messagère indique à l’effecteur (le foie) de stocker l’excès de glucose sanguin sous forme de glycogène – un exemple de boucle de rétroaction négative qui ramène la glycémie élevée à des niveaux normaux.

Si nous n’avons pas mangé pendant une longue période, la glycémie devient inférieure aux valeurs de la fourchette normale. Les cellules alpha (récepteurs) du pancréas envoient des signaux qui sont traités dans d’autres zones du pancréas (centre de contrôle). La décision est prise d’envoyer un signal chimique sous forme de glucagon au foie (effecteur). Le foie réagit en détruisant ses réserves de glucagon et en fabriquant du glucose. Cela permet de ramener une mesure de glycémie basse à un niveau normal. Une autre boucle de rétroaction négative.

Les mécanismes de rétroaction positive sont souvent nuisibles car ils éloignent intentionnellement l’environnement interne encore plus de l’homéostasie. Les cellules cancéreuses produisent des protéines qui initient des boucles de rétroaction positive et contribuent à la formation de tumeurs. Elles le font en prolongeant la vie des cellules bien au-delà de leur durée de vie normale (homéostatique).

Un bon exemple de mécanisme de rétroaction positive serait la tempête de cytokines. La maladie à coronavirus est connue pour produire cet effet inflammatoire excessif chez l’homme. La production excessive de cytokines en tant que réponse inflammatoire au virus peut entraîner une défaillance de plusieurs organes et la mort. Une augmentation progressive des effets inflammatoires qui amènent le corps encore plus loin de la norme homéostatique fait de ce mécanisme un mécanisme de rétroaction positive.

Un exemple de mécanisme de rétroaction positive plus « positif » se trouve dans le travail et l’accouchement ; en particulier la production d’ocytocine qui augmente continuellement lorsque le bébé pousse sur le col de l’utérus et voyage dans le canal de naissance. Dans ce cas, les récepteurs sont les cellules sensorielles de l’utérus et du canal de naissance ; le centre de contrôle est l’hypophyse. L’hypophyse libère l’ocytocine comme un messager chimique (hormone) qui demande à l’utérus (effecteur) de se contracter plus fortement. Lorsque le corps féminin est en homéostasie, l’utérus ne se contracte pas. C’est donc un bon exemple de boucle de rétroaction positive.

Bibliographie

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