L’expérience des réflexes spinaux (concept de synapse) – Charles Sherrington

À la charnière des XIXe et XXe siècles, la compréhension scientifique du système nerveux central se trouvait dans une impasse théorique fondamentale. Tandis que l’anatomie microscopique progressait à pas de géant sous l’impulsion des colorations argentiques, révélant des architectures cellulaires d’une complexité inouïe, la physiologie peinait à expliquer la dynamique temporelle, la directionalité et la coordination unifiée des conduites motrices. L’organisme était perçu soit comme un automate mécanique régi par des arcs réflexes rigides et isolés, hérités d’une vision cartésienne simplifiée, soit comme un réseau protoplasmique continu où l’influx nerveux se diffuserait de manière diffuse et indifférenciée. L’absence d’un mécanisme capable de rendre compte de la transformation, du retard et de la modulation des signaux au sein des centres nerveux laissait un vide conceptuel béant entre la structure histologique inerte et le comportement dynamique du vivant.

C’est dans ce contexte de confrontation intellectuelle et de mutation méthodologique que s’inscrit l’œuvre monumentale de Sir Charles Scott Sherrington. Par une approche expérimentale d’une rigueur sans précédent, conjuguant la neurotomie de précision, la biomécanique musculaire quantitative et la chronométrie physiologique, le savant britannique entreprit de disséquer systématiquement les réponses motrices de la moelle épinière isolée. En observant les disparités temporelles flagrantes entre la vitesse de propagation de l’influx dans les fibres périphériques et la latence des réponses réflexes, ainsi que l’irréversibilité absolue de ces dernières, Sherrington comprit que le système nerveux ne pouvait être constitué d’un continuum physique homogène. Il théorisa l’existence d’une frontière fonctionnelle critique, un lieu de discontinuité et de jonction intercellulaire qu’il baptisa, dès 1897, du terme de « synapse ».

Loin d’être une simple spéculation anatomique, l’invention du concept de synapse chez Sherrington constitue une nécessité logique et physiologique, dérivée de l’observation minutieuse des réflexes spinaux chez l’animal décérébré et spinal. Cet article se propose d’explorer en profondeur l’ensemble du corpus expérimental et théorique sherringtonien. De la mise au point des préparations neurophysiologiques d’une précision chirurgicale aux concepts révolutionnaires de sommation spatio-temporelle, d’inhibition réciproque, d’occlusion et de « voie finale commune », nous retracerons comment l’étude minutieuse de la motricité réflexe permit à Sherrington non seulement d’arbitrer le duel historique entre le réticularisme et la théorie neuronale, mais également de poser les fondements conceptuels, biophysiques et intégrés des neurosciences contemporaines.

1. Contexte historico-scientifique et émergence de la neurophysiologie moderne

1.1 Le paysage neuroanatomique de la fin du XIXe siècle

La fin du XIXe siècle constitue l’un des âges d’or de la morphologie microscopique, dominé par une controverse théorique majeure qui divise profondément la communauté scientifique internationale : le débat passionné entre la théorie réticulaire et la doctrine neuronale. Menée par le médecin et histologiste italien Camillo Golgi, l’école réticulariste postule que le système nerveux central est formé d’un réseau continu, d’un vaste syncytium protoplasmique dans lequel les prolongements des cellules nerveuses s’anastomosent intimement pour constituer une résille diffuse. Selon cette vision, l’influx nerveux se propage sans obstacle matériel à travers un labyrinthe trabéculaire sans discontinuité, ce qui exclut l’existence d’unités cellulaires isolées d’un point de vue physiologique et anatomique.

À l’opposé de cette conception holistique et continue, l’anatomiste espagnol Santiago Ramón y Cajal, perfectionnant la technique d’imprégnation argentique au nitrate d’argent — ironiquement inventée par Golgi lui-même —, défend avec acharnement la doctrine neuronale. En observant les préparations embryonnaires et les tissus nerveux adultes d’espèces variées, Cajal démontre avec une précision graphique inégalée que les cellules nerveuses, ou neurones, constituent des entités anatomiques, génétiques et trophiques totalement autonomes et indépendantes. Les axones et les arborisations dendritiques ne se fondent pas dans un continuum, mais s’achèvent par des extrémités libres, des boutons ou des renflements qui viennent s’appliquer au contact intime du soma ou des prolongements des cellules cibles, sans qu’aucune fusion protoplasmique directe ne puisse être mise en évidence.

Cependant, les approches histologiques de l’époque présentent des limites épistémologiques intrinsèques : elles demeurent des descriptions statiques, figées par la fixation chimique et la coupe microtomique. L’observation microscopique, aussi fine soit-elle, est incapable de saisir la dynamique fonctionnelle de l’influx nerveux à travers le tissu vivant. En dépit de la beauté formelle des planches de Cajal, la doctrine du contact péricellulaire laissait sans réponse la question de savoir comment un signal électrique pouvait traverser une barrière physique a priori non conductrice. Parallèlement, les premiers travaux de physiologie neuromusculaire menés par Hermann von Helmholtz, qui avait réussi dès 1850 à mesurer la vitesse finie de l’influx nerveux périphérique, et les études pharmacologiques pionnières de Claude Bernard sur le curare et la jonction myoneurale, soulignaient l’urgence d’établir une corrélation fonctionnelle entre l’architecture cellulaire et les propriétés électrochimiques de l’influx. Il existait ainsi une nécessité épistémologique impérieuse : formuler un modèle opératoire capable d’intégrer la morphologie neuronale et la transmission orientée, polarisée et régulée de l’activité nerveuse.

1.2 Le parcours intellectuel et méthodologique de Charles Scott Sherrington

C’est précisément à la croisée de l’histopathologie rigoureuse et de la dynamique physiologique que se forge la carrière de Charles Scott Sherrington (1857-1952). Après avoir entrepris ses études médicales à l’Hôpital St Thomas de Londres, il rejoint l’Université de Cambridge où il bénéficie de l’enseignement fondamental de Michael Foster, le père fondateur de la physiologie expérimentale britannique. Foster inculque à son élève une approche empirique stricte, insistant sur le fait que les fonctions physiologiques doivent être étudiées non par de simples déductions théoriques, mais par la mesure physique directe, la vivisection contrôlée et la modélisation quantitative des phénomènes vitaux au sein d’organismes vivants maintenus dans des conditions physiologiques optimales.

Le perfectionnement méthodologique de Sherrington s’accentue lors de ses séjours prolongés sur le continent européen. En Allemagne, il travaille dans les laboratoires de sommités scientifiques telles que le pathologiste Rudolf Virchow et le bactériologiste Robert Koch. Cette immersion dans la tradition biologique et expérimentale germanique lui permet d’acquérir une discipline sans faille dans le maniement des protocoles d’isolement, le contrôle des variables d’expérience, la désinfection rigoureuse et l’évaluation microscopique des lésions tissulaires. Ces compétences s’avéreront capitales lorsqu’il devra pratiquer des sections chirurgicales intracrâniennes ou intraspinales chez l’animal en prévenant les hémorragies massives, le choc opératoire et les réactions inflammatoires aiguës qui faussaient jusqu’alors les observations neurophysiologiques.

Progressivement, Sherrington opère une transition épistémologique cruciale : délaissant l’histopathologie statique pure, il oriente l’ensemble de ses efforts vers l’étude expérimentale quantitative des comportements moteurs et des réactions réflexes. Convaincu que l’encéphale est un organe d’une complexité trop inextricable pour livrer d’emblée ses secrets élémentaires, il décide d’isoler la moelle épinière. Le cordon spinal représente pour lui le modèle de réduction analytique par excellence : un système segmentaire, anatomiquement ordonné, accessible à la chirurgie expérimentale et conservant, une fois déconnecté des centres cérébraux supérieurs, un ensemble de réponses motrices coordonnées permettant d’interroger directement les règles élémentaires du traitement de l’information nerveuse.

1.3 La doctrine réflexe avant les travaux de Sherrington

L’idée d’un mécanisme réflexe sous-tendant les mouvements involontaires remonte historiquement aux conceptions mécanistes formulées par René Descartes au XVIIe siècle. Dans son Traité de l’homme, Descartes propose une métaphore hydraulique où les stimulations sensorielles mécaniques tirent sur de minces fibrilles logées dans les nerfs, provoquant l’ouverture de valvules ventriculaires cérébrales et redirigeant le flux des « esprits animaux » à travers les nerfs moteurs jusqu’aux muscles effecteurs. Cette conception mécanique pionnière, bien qu’exclusivement théorique et erronée sur le plan biophysique, posait pour la première fois le principe d’une répercussion automatique et non consciente de l’environnement extérieur sur l’organisme physique.

Au cours de la première moitié du XIXe siècle, le physiologiste britannique Marshall Hall confère à cette idée une assise empirique en introduisant le concept d’« arc réflexe » vertébral. Hall démontre que la production d’un mouvement réflexe exige l’intégrité de trois composantes anatomiques fondamentales : un nerf sensitif afférent, un segment médullaire central et un nerf moteur efférent. Néanmoins, la théorie réflexe qui prévaut avant les investigations de Sherrington demeure profondément réductionniste et mécaniste. L’arc réflexe est alors conçu comme un conducteur passif, rigide et linéaire, assimilable à un câble télégraphique ou à un canal hydraulique reliant sans modification un récepteur sensoriel à un muscle agoniste. Cette représentation implique une relation déterministe univoque : à un stimulus invariant correspondrait immanquablement une décharge motrice stéréotypée et proportionnelle.

Cette vision mécaniste présentait des carences explicatives criantes. Elle était totalement impuissante à élucider la flexibilité adaptative des mouvements, la latence variable des réponses, l’arrêt coordonné des muscles opposés ou l’ajustement temporel et spatial des contractions musculaires complexes telles que la locomotion, le grattage ou le maintien postural. Comment expliquer qu’une faible irritation cutanée puisse déclencher le retrait sélectif d’un membre tout en provoquant l’extension simultanée du membre controlatéral et la stabilisation du tronc ? L’absence d’une explication cohérente de la coordination motrice révélait l’insuffisance du dogme passif. Sherrington réalise une rupture épistémologique majeure : il postule que la substance grise centrale n’est pas un simple carrefour de câbles de dérivation, mais le siège d’une régulation intrinsèque active, où les signaux incidents subissent des arbitrages, des commutations, des retards et des filtrages complexes avant d’être transmis à la périphérie.

2. Le paradigme expérimental de la préparation spinale et décérébrée

2.1 Les protocoles de transection spinale et de décérébration

Pour soumettre la moelle épinière à une investigation analytique rigoureuse, Sherrington comprend qu’il doit impérativement s’affranchir de deux écueils méthodologiques majeurs : l’influence anarchique des anesthésiques généraux de l’époque (tels que l’éther ou le chloroforme), qui altèrent profondément la transmission synaptique, et l’interférence permanente des commandes motrices volontaires émanant du cortex cérébral. Pour résoudre cette double contrainte, il met au point des protocoles chirurgicaux de transection aiguë et chronique d’une technicité remarquable, principalement appliqués chez le chat et le chien, espèces dont la neuroanatomie motrice présente de fortes similitudes avec celle des primates.

La technique de choix développée par Sherrington est la transection intercolliculaire du tronc cérébral, qui aboutit à la « préparation décérébrée » (decerebrate preparation). Sous anesthésie générale initiale et hémostase préventive par ligature temporaire des artères carotides communes, le crâne est trépané et une section chirurgicale nette est effectuée à travers le mésencéphale, précisément sur un plan coronal passant entre les colliculi supérieurs et inférieurs en avant, et émergeant en avant des tubercules quadrijumeaux au niveau de la bordure rostrale du pont. Dès que la section est complétée, l’ensemble du télencéphale, incluant le cortex cérébral, le striatum et le diencéphale (thalamus et hypothalamus), est ablち ou totalement déconnecté du reste du névraxe. L’anesthésie chimique peut alors être immédiatement interrompue : l’animal décérébré ne possède plus aucune structure nerveuse susceptible d’engendrer une perception consciente ou une sensation douloureuse, transformant le sujet en une préparation neurophysiologique insensible, mais dont les réflexes moteurs sont pleinement opérationnels et reproductibles pendant de nombreuses heures.

Dans d’autres séries expérimentales, Sherrington pratique une transection spinale complète, sectionnant transversalement la moelle épinière au niveau cervical bas ou thoracique supérieur. Cette procédure isole totalement le cordon lombosacré des influences bulbaires et cérébrales descendantes. Afin d’assurer la viabilité hémodynamique et respiratoire de ces préparations à long terme, Sherrington développe une réanimation post-opératoire méticuleuse, contrôlant artificiellement la ventilation, maintenant la température corporelle par des bains tièdes et des enveloppements thermiques, et compensant la chute de pression artérielle par un contrôle strict de l’homéostasie volémique. Sur ces animaux spino-médullaires stabilisés, les conditions de stimulation expérimentale sont rigoureusement calibrées : application de courants faradiques modulés par des bobines d’induction de Du Bois-Reymond, électrodes de platine non polarisables au contact des racines nerveuses isolées, thermodes thermorégulées et stimulateurs mécaniques à ressort garantissant une reproductibilité absolue de l’amplitude, de la durée et de la fréquence des stimuli afférents.

2.2 La rigidité de décérébration comme fenêtre analytique

Dès l’achèvement de la section intercolliculaire et la dissipation des vapeurs d’anesthésique, l’animal décérébré développe un état moteur hautement caractéristique et spectaculaire : la « rigidité de décérébration » (decerebrate rigidity). Cette condition phénotypique se manifeste par une hypertonie posturale continue, massive et généralisée qui s’exerce de façon prédominante sur l’ensemble des muscles extenseurs antigravitaires. Les quatre membres sont maintenus en extension rigide forcée, la tête et le cou sont rétractés vers l’arrière en opisthotonos prononcé, la queue est arquée dorsalement et la mâchoire est fermement serrée par la contraction tétanique continue des muscles masséters.

Loin de considérer cette hypertonie comme un simple artefact pathologique ou un spasme convulsif agonisant, Sherrington y discerne immédiatement une fenêtre analytique d’une valeur inestimable pour disséquer les mécanismes intimes du tonus postural. Par une série d’ablations et d’expériences de déafférentation nerveuse d’une logique implacable, il démontre que cette rigidité n’est pas le fruit d’une excitation descendante directe agissant mécaniquement sur les motoneurones périphériques, mais possède une nature réflexe intrinsèque. En effet, lorsqu’il sectionne chirurgicalement les racines rachidiennes postérieures (sensitives) qui innervent un membre rendu rigide, tout en préservant intactes les racines antérieures (motrices), l’hypertonie de ce membre s’effondre instantanément : la patte devient totalement flasque et inerte, tandis que les autres membres demeurent pétrifiés dans leur attitude d’extension.

Par cette manipulation cruciale, Sherrington met en évidence l’origine proprioceptive du tonus de posture : la rigidité est un réflexe myotatique tonique entretenu par la décharge continue des récepteurs situés au sein même des masses musculaires extenseurs étirées par la gravité. Il établit ainsi la distinction méthodologique fondamentale entre le tonus de posture (contraction statique, tonique, soutenue à faible dépense énergétique et hautement résistante à la fatigue) et les décharges phasiques ou cloniques (contractions motrices brèves, puissantes, oscillatoires et rapidement fatigables). La préparation décérébrée, caractérisée par une toile de fond tonique stable et constante sur laquelle viennent se greffer les réflexes déclenchés expérimentalement, devient le banc d’essai idéal pour quantifier les variations dynamiques de l’excitation et, fait plus fondamental encore, pour mettre en lumière les mécanismes jusqu’alors insaisissables de l’inhibition motrice centrale.

2.3 L’instrumentation myographique et l’enregistrement graphique

L’une des contributions méthodologiques les plus décisives de Sherrington à la physiologie moderne réside dans son rejet absolu de l’évaluation qualitative subjective des mouvements. Pour transformer l’observation du réflexe en une science physique exacte, il conçoit une instrumentation myographique d’une précision inédite, capable de convertir la tension mécanique développée par un muscle isolé en un tracé géométrique tridimensionnel reproductible sur un cylindre enregistreur recouvert de noir de fumée (le kymographe).

Le muscle étudié — le plus souvent le vaste médial, le quadriceps crural, le gastrocnémien ou le semi-tendineux — est minutieusement disséqué de son lit aponévrotique afin d’éliminer toute adhérence mécanique avec les loges musculaires adjacentes. L’insertion distale du tendon est sectionnée, puis reliée directement par un fil d’argent inextensible à l’axe d’un myographe isométrique ou isotonique fixé sur un bâti métallique massif ancré dans une table chirurgicale en fonte pour amortir les vibrations parasites. Pour minimiser l’inertie mécanique inhérente aux leviers pesants traditionnels, Sherrington perfectionne des systèmes de leviers optiques et des aiguilles d’enregistrement ultra-légères en acier trempé frottant avec une friction minimale sur la surface de papier glacé du tambour rotatif.

Cet appareillage s’accompagne d’une synchronisation chronographique rigoureuse. Un chronographe électromagnétique, actionné par un diapason vibrant étalonné à cent ou mille oscillations par seconde, trace une onde temporelle sinusoïdale d’une précision millimétrique juste en dessous de la ligne myographique. Simultanément, des marqueurs de signaux électriques de type signal de Deprez inscrivent l’instant exact de l’ouverture ou de la fermeture du circuit de stimulation sur le nerf sensitif afférent. Grâce à cette instrumentation de pointe, Sherrington est en mesure d’éliminer les artefacts mécaniques d’élasticité passive des tissus conjonctifs, de soustraire la résistance passive des articulations immobilisées par des clamps osseux rigides vissés directement dans le fémur ou le tibia, et de calculer avec une marge d’erreur inférieure à la milliseconde la latence absolue, la vitesse de montée en tension, le plateau tétanique et la phase de relaxation de la réponse musculaire réflexe.

3. L’observation du délai réflexe et la divergence temporelle

3.1 La vitesse de conduction dans les troncs nerveux périphériques

L’étude rigoureuse du temps réflexe supposait une connaissance préalable et infaillible de la vitesse à laquelle le potentiel d’action se propage le long des cordons nerveux périphériques. Dès le milieu du XIXe siècle, Hermann von Helmholtz avait fait sensation en détruisant le mythe physiologique d’une transmission nerveuse instantanée, que son maître Johannes Müller croyait infinie et comparable à la vitesse de la lumière. En utilisant un galvanomètre et un myographe à pendule de sa conception, Helmholtz avait établi que la vitesse de l’influx dans le nerf sciatique de la grenouille oscillait entre 25 et 30 mètres par seconde, tandis que des mesures ultérieures chez les mammifères à sang chaud indiquaient des vélocités comprises entre 60 et 120 mètres par seconde le long des fibres myélinisées de large diamètre.

Ces données établissaient une propriété fondamentale du tronc nerveux périphérique : lorsqu’un axone myélinisé continu et non interrompu est stimulé, la conduction de l’onde d’électronégativité s’effectue avec une régularité mathématique absolue. La vitesse de propagation est constante d’un bout à l’autre de la fibre, ne subit aucun ralentissement spontané au cours de son trajet et n’affiche aucun retard intrinsèque mesurable en dehors de celui dicté par la résistance axoplasmique et la capacité membranaire selon la théorie du câble. Dès lors, si l’arc réflexe spinal n’était constitué que d’une simple continuité physique tubulaire reliant la racine dorsale à la racine ventrale au sein de la substance grise médullaire, le temps global requis pour qu’une impulsion chemine du récepteur cutané jusqu’au muscle effecteur devrait être théoriquement prédictible par une équation arithmétique simple.

Cette relation théorique s’écrit de la façon suivante :

T_théorique = (D_afférente / V_conduction) + (D_efférente / V_conduction) + T_{synapse neuromusculaire}

En mesurant avec une règle centimétrique la distance anatomique séparant l’électrode de stimulation cutanée du segment de moelle épinière correspondant (voie afférente), puis la distance reliant la racine motrice antérieure au point d’insertion du nerf dans le muscle (voie efférente), et en y ajoutant le délai incompressible propre à la jonction neuromusculaire périphérique préalablement quantifié, les physiologistes pouvaient calculer le temps de parcours d’un influx continu. Cependant, dès que Sherrington confronta cette équation aux mesures chronographiques réelles obtenues chez ses préparations animales, il se heurta à une inadéquation flagrante et systématique : la réalité expérimentale contredisait de façon spectaculaire les prédictions du modèle de conduction continue.

3.2 Mise en évidence expérimentale du retard central

Les données chronométriques enregistrées par le stylet myographique révèlent invariablement que la latence réflexe totale est considérablement plus longue que la somme des temps de conduction tronculaire calculés. En soustrayant le temps de parcours périphérique aller-retour de la durée totale écoulée entre le choc électrique délivré à la peau et le début de l’onde mécanique de raccourcissement musculaire, Sherrington identifie une période résiduelle inexpliquée, qu’il nomme le « temps perdu » ou le « délai central » (central delay). Ce temps de latence excédentaire se chiffre non pas en fractions de microsecondes, mais atteint couramment plusieurs millisecondes entières — généralement entre 2 et 8 millisecondes pour un réflexe médullaire court, et bien davantage dans les réflexes polysegmentaires complexes.

Par des expériences de contrôle d’une minutie extrême, Sherrington s’attache à localiser le site anatomique précis responsable de cet ajournement temporel. En stimulant directement la racine motrice antérieure émergente par des décharges électriques juxtamédullaires, il observe que la réponse motrice survient avec une brièveté exemplaire, attestant que ni le tronc nerveux moteur périphérique, ni la plaque motrice, ni le mécanisme de couplage électromécanique intracellulaire des fibres musculaires ne sont la source du délai inexpliqué. De même, la stimulation directe des faisceaux de la corne postérieure montre une conduction afférente rapide. Le phénomène de retard substantiel prend donc naissance exclusivement et sans équivoque au sein de la substance grise de la moelle épinière, dans l’espace intermédiaire où les arborisations des axones sensitifs primaires rencontrent les corps cellulaires des motoneurones de la corne antérieure.

Une telle perte de temps ne pouvait en aucun cas être attribuée à la simple résistance ohmique interne du cytoplasme neuronal ou à un hypothétique parcours en ligne droite à vitesse réduite. Même en supposant que l’influx ralentisse au sein des fibres de calibre plus ténu de la corne grise, ce ralentissement théorique ne pouvait expliquer mathématiquement un étalement temporel de plusieurs millisecondes sur une distance spatiale microscopique inférieure à un ou deux millimètres. Pour Sherrington, la déduction logique devient irréfutable : l’influx nerveux ne traverse pas la moelle épinière au sein d’une piste conductrice ininterrompue. Il se heurte nécessairement à une zone critique de transition, une discontinuité anatomique et biophysique imposant une résistance considérable, où l’onde de propagation doit franchir un obstacle structurel avant de pouvoir réémerger et se propager à nouveau dans le segment efférent.

3.3 Les propriétés unilatérales de la conduction réflexe

L’observation du délai central s’articule avec une autre anomalie expérimentale majeure qui achève de saper la conception d’un continuum nerveux homogène : la stricte unidirectionnalité de la transmission réflexe. Au début du XIXe siècle, les découvertes de François Magendie et de Sir Charles Bell avaient établi la célèbre loi de Bell-Magendie, démontrant la ségrégation anatomique des fonctions au niveau de la colonne vertébrale : les racines postérieures sont exclusivement sensitives, tandis que les racines antérieures sont motrices. Cependant, cette loi empirique décrivait la spécialisation des conduits périphériques sans dévoiler la cause biophysique régissant le sens unique de l’influx à travers le carrefour central.

Sur un axone périphérique isolé prélevé sur un tronc nerveux, l’influx électrique ne possède aucune directionalité intrinsèque : si l’on applique une décharge électrique au milieu d’un nerf sciatique moteur ou sensitif, le potentiel d’action généré se propage instantanément dans les deux directions opposées à vitesse égale — à la fois vers la périphérie (sens orthodromique) et vers le péricaryon central (sens antidromique). La membrane axonale est par elle-même parfaitement symétrique et bidirectionnelle quant à sa capacité de conduction électrochimique. Or, au sein de l’arc réflexe spinal in vivo, cette symétrie physique est radicalement rompue : l’influx traverse allégrement la moelle épinière lorsqu’il chemine dans le sens physiologique orthodromique (de la racine postérieure vers la racine antérieure), mais il est arrêté net et irrémédiablement étouffé lorsqu’on tente de lui faire parcourir le trajet inverse.

Sherrington démontre cette asymétrie par une expérience célèbre et sans appel : en appliquant des impulsions électriques artificielles de forte intensité sur la racine motrice antérieure sectionnée distalement pour générer une onde antidromique remontant vers la substance grise, il ne parvient jamais à enregistrer la moindre trace d’onde électrique émergente sur la racine postérieure sensitive correspondante. La transmission antidromique à travers la moelle est une impossibilité physiologique absolue. Cette polarisation stricte et irréversible démontre avec éclat que le carrefour médullaire ne se comporte nullement comme une résille de conducteurs métalliques soudés. Il agit à la manière d’une soupape directionnelle parfaite, d’une véritable diode physiologique qui laisse circuler l’information dans un seul sens tout en verrouillant impitoyablement toute rétro-propagation. Cette propriété fondamentale, conjuguée à la genèse du délai temporel, impose la refonte totale des théories de la connectivité nerveuse.

4. La genèse conceptuelle de la « synapse » (1897)

4.1 La conceptualisation théorique de la discontinuité

Face à la convergence des anomalies chronométriques et de l’unidirectionnalité de l’arc réflexe, l’esprit de Charles Sherrington opère une synthèse théorique d’une portée historique. Il saisit avec une clairvoyance singulière que les résultats fonctionnels issus de ses kymographes apportent la pièce maîtresse manquante aux découvertes histologiques de Santiago Ramón y Cajal. Si les arborisations terminales des axones afférents ne fusionnent pas avec la substance protoplasmique des motoneurones mais s’appliquent librement contre leurs membranes somatiques et dendritiques par simple contiguïté, c’est précisément cette séparation spatiale microscopique qui doit constituer le siège physique du délai temporel et du filtrage directionnel observés.

Sherrington rejette vigoureusement le modèle du syncytium réticulaire défendu par Camillo Golgi, non par animosité doctrinale, mais parce que ce schéma est incapable de rendre compte de la physique du réflexe. Dans un réseau protoplasmique continu, un potentiel d’action devrait pouvoir circuler sans encombre dans toutes les directions confondues, se disperser de façon isotrope et franchir les embranchements neuronaux sans subir les retards substantiels et mesurables qui caractérisent l’intégration médullaire. La discontinuité histologique observée au microscope n’est donc pas un artefact technique ou une imperfection d’imprégnation métallique, mais la signature morphologique d’une barrière biologique fonctionnelle essentielle.

Sherrington déduit logiquement que cette zone d’apposition membranaire spécialisée entre deux cellules nerveuses distinctes doit posséder des propriétés biophysiques singulières, radicalement différentes de celles de l’axoplasme conducteur. La frontière intercellulaire agit comme une résistance électrique et une zone d’échange physico-chimique complexe où l’onde électrique incidente doit soit induire un processus intermédiaire transitoire pour franchir l’interstice, soit surmonter une barrière membranaire hautement régulatrice. C’est dans ce saut à travers la discontinuité structurale que s’épuisent les précieuses millisecondes du « temps perdu » et que s’établit la polarité irréversible du flux d’information.

4.2 L’étymologie et l’introduction du terme « synapse »

Conscient qu’une entité physiologique nouvelle requiert une désignation linguistique rigoureuse et univoque pour s’imposer dans le vocabulaire scientifique, Sherrington consulte son ancien mentor à Cambridge, Michael Foster, au milieu des années 1890. Foster prépare alors la septième édition de son célèbre traité de référence, le Textbook of Physiology, et confie à Sherrington la rédaction des chapitres consacrés au système nerveux central. Hésitant sur le mot approprié pour désigner ces surfaces de contact intercellulaires spécialisées, Sherrington propose initialement des néologismes descriptifs latins ou grecs tels que « syndesmose » ou « jonction ».

Insatisfait de ces propositions qui évoquent trop mécaniquement les liens conjonctifs passifs ou les articulations squelettiques, Foster sollicite l’avis d’un éminent érudit et philologue classique de Trinity College à Cambridge, Arthur Woollgar Verrall. Ce dernier suggère d’utiliser la racine grecque synaptein (συνάπτειν), composée du préfixe syn- (« ensemble » ou « avec ») et du verbe haptein (« toucher », « attacher », « nouer » ou « saisir »), qui forme substantivement synapsis (σύναψις), signifiant étymologiquement le fait de joindre ou de maintenir deux éléments distincts en contact intime sans les confondre matériellement.

Le mot « synapse » apparaît ainsi pour la toute première fois dans l’histoire de la biologie en 1897, sous la plume de Sherrington, à la page 929 de la troisième partie du manuel A Textbook of Physiology édité par Michael Foster. Sherrington y écrit ces lignes fondatrices :

« De telles surfaces de séparation sont appelées à conférer à la conduction à travers le réseau des propriétés hautement distinctes de celles de la simple conduction dans une fibre nerveuse continue… Le terme de « synapse » pourrait avantageusement être utilisé pour désigner ce lien de contact anatomique entre deux cellules nerveuses distinctes. »

L’accueil initial de ce nouveau concept par la communauté médicale et physiologique internationale s’avère dans un premier temps mesuré, voire méfiant. Les partisans acharnés de la théorie réticulaire y voient une abstraction arbitraire destinée à sauver artificiellement la doctrine neuronale de Cajal, tandis que de nombreux physiologistes mécanistes répugnent à intégrer une entité invisible à l’échelle optique directe. Néanmoins, l’efficacité opératoire fulgurante du concept pour modéliser les propriétés du réflexe finira par balayer toutes les réticences en moins d’une décennie.

4.3 La synapse comme opérateur logique et fonctionnel

L’un des traits de génie les plus éclatants de Charles Sherrington réside dans le fait d’avoir défini et caractérisé la synapse avec une exactitude biophysique quasi prophétique plus d’un demi-siècle avant que la microscopie électronique ne vienne en confirmer matériellement l’ultrastructure dans les années 1950. Pour Sherrington, la synapse n’est pas un simple point de contact géométrique passif ; elle est d’emblée conçue comme un opérateur fonctionnel dynamique et autonome au sein de l’architecture du système nerveux.

Sherrington lui attribue immédiatement un ensemble de propriétés différentielles fondamentales qui tranchent radicalement avec les caractéristiques de l’axone conducteur :

• Le siège préférentiel de la fatigabilité réflexe : Alors qu’un tronc nerveux périphérique stimulé de façon répétée pendant des heures continue de conduire le potentiel d’action avec une fidélité inaltérée, un arc réflexe stimulé à cadence soutenue voit sa réponse motrice s’affaiblir puis disparaître complètement en quelques dizaines de secondes, identifiant l’espace synaptique comme un point de vulnérabilité métabolique extrême.
• Une sensibilité élective aux agents pharmacologiques et à l’anoxie : La synapse est la première structure à être neutralisée par la privation d’oxygène, le chloroforme, les alcaloïdes comme la strychnine ou les toxines comme celle du tétanos, alors que la propagation axonale périphérique persiste sans encombre dans les mêmes conditions d’exposition toxique.
• Un comportement de valve unidirectionnelle : Elle impose un redressement physique du flux bioélectrique, agissant comme une porte à sens unique qui assure la stricte séparation des courants afférents et efférents.
• Une capacité de transformation non linéaire : La synapse brise la règle du « tout ou rien » propre à l’axone isolé ; elle module, retarde, amplifie, étouffe ou intègre les trains d’impulsions, se comportant comme un véritable processeur logique élémentaire capable de déterminer si un signal nerveux doit être transmis, converti ou définitivement annihilé.

5. Les propriétés fondamentales de l’intégration spinale : Sommation spatiale et temporelle

5.1 La sommation temporelle au sein de l’arc réflexe

Une fois le concept de synapse postulé comme barrière fonctionnelle régulatrice, Sherrington entreprend d’explorer expérimentalement la dynamique avec laquelle cette zone de transition traite les flux de signaux entrants. En analysant la réponse contractile des muscles de la patte postérieure chez l’animal spinal à des décharges électriques calibrées délivrées sur un même nerf cutané sensitif, il découvre le phénomène d’addition latente ou de « sommation temporelle ».

Le protocole expérimental est d’une grande limpidité : Sherrington applique une impulsion électrique unique sur une racine afférente dorsale en réglant l’intensité à un niveau infraliminaire (sub-seuil), c’est-à-dire insuffisant pour susciter la moindre contraction visible ou enregistrable au niveau du myographe. Cependant, si cette même décharge électrique infraliminaire est répétée à des intervalles de temps extrêmement rapprochés (par exemple plusieurs dizaines ou centaines d’impulsions par seconde), on observe après un court temps de latence l’apparition d’une contraction motrice vigoureuse, soutenue et parfaitement coordonnée. Les impulsions isolées, individuellement inefficaces, se sont donc conjuguées dans le temps pour franchir le seuil d’activation des motoneurones spinaux.

Sherrington met en évidence l’existence d’une fenêtre temporelle critique régissant ce processus cumulatif. Si l’intervalle temporel séparant deux décharges électriques consécutives excède une certaine valeur seuil (généralement quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes selon les voies considérées), l’effet facilitateur de la première impulsion se dissipe totalement et la seconde impulsion ne produit aucun effet moteur. La première stimulation laisse donc derrière elle, au sein de l’appareil synaptique central, une trace d’excitation persistante mais transitoire, qui s’évanouit selon une courbe exponentielle décroissante. Sherrington prend soin de distinguer formellement cette intégration centrale des phénomènes d’addition latente observables dans les récepteurs sensoriels périphériques ou les fibres musculaires : la sommation observée ici prend place exclusivement au niveau de l’interface interneuronale médullaire.

5.2 La sommation spatiale et la convergence des influx

Parallèlement à la sommation temporelle, Sherrington découvre et caractérise la « sommation spatiale », une propriété intégrative encore plus spectaculaire par laquelle la moelle épinière combine des signaux émanant de sources spatialement distinctes. Dans ces expériences, il prépare deux nerfs sensitifs cutanés anatomiquement séparés, provenant par exemple de zones cutanées différentes du pied ou de la jambe de l’animal, mais convergeant tous deux vers le contrôle réflexe du même muscle fléchisseur (comme le muscle semi-tendineux).

Lorsque Sherrington stimule le nerf « A » avec une intensité électrique subliminaire, aucune réponse myographique n’apparaît. De même, la stimulation isolée du nerf « B » avec une intensité tout aussi subliminaire demeure rigoureusement sans effet contractile. En revanche, lorsque les nerfs « A » et « B » sont stimulés rigoureusement au même instant par deux décharges électriques synchrones, le myographe enregistre instantanément une réponse motrice franche et puissante. Les impulsions nerveuses, bien qu’ayant cheminé le long de voies afférentes physiquement distantes et indépendantes, se sont combinées et additionnées algébriquement au sein de la substance grise centrale pour commander la décharge du contingent de motoneurones effecteurs.

Cette observation fondamentale fournit la preuve directe de la convergence anatomique et physiologique de multiples fibres nerveuses afférentes sur un même pool ou réservoir de motoneurones spinaux. Elle démontre que la réponse motrice n’est pas asservie à un lien rigide d’un nerf à un muscle selon le schéma du câble isolé, mais résulte d’une synthèse collective où le motoneurone efférent échantillonne en permanence un vaste champ récepteur périphérique. Sherrington cartographie ainsi avec précision les « zones réflexogènes », montrant comment des surfaces cutanées étendues coopèrent harmonieusement par sommation spatiale pour déclencher des actes moteurs défensifs ou posturaux cohérents.

5.3 Les états centraux excitateurs (Central Excitatory State – CES)

Pour conceptualiser de manière unifiée les mécanismes sous-jacents aux sommations temporelle et spatiale, Sherrington formalise une entité théorique pionnière qu’il désigne sous le nom d’« état central excitateur » ou CES (Central Excitatory State). Constatant que l’accumulation d’excitations subliminaires ne provoque pas immédiatement de potentiel d’action propagé tout en maintenant le système dans une disposition accrue à décharger, il postule que l’arrivée d’une volée d’impulsions au niveau synaptique génère une modification physico-chimique locale sur le corps cellulaire du neurone postsynaptique.

Le CES sherringtonien se distingue de l’influx nerveux ordinaire par un ensemble de traits théoriques remarquablement modernes :

• Un phénomène local et non propagé : Contrairement au potentiel d’action qui parcourt l’axone sans décrément selon la loi du tout ou rien, le CES reste circonscrit au soma et aux dendrites de la cellule nerveuse réceptrice.
• Une nature graduable et continue : L’intensité du CES s’accroît de façon proportionnelle au nombre d’axones afférents activés (sommation spatiale) et à la fréquence des décharges incidentes (sommation temporelle).
• Une cinétique de déclin temporel passif : Une fois généré, le CES ne disparaît pas instantanément à la manière d’une étincelle électrique, mais décroît graduellement au fil du temps selon une cinétique d’amortissement caractéristique de plusieurs millisecondes.

Le déclenchement de la décharge réflexe efférente s’explique dès lors avec une élégance mathématique : tant que la magnitude du CES demeure en deçà d’une valeur seuil critique intrinsèque au motoneurone, aucun influx n’est généré le long de l’axone moteur. Mais dès que les sommations temporelles et spatiales hissent le CES au-dessus de ce seuil critique, la membrane neuronale franchit son point de bascule et libère une salve de potentiels d’action se propageant vers le muscle effecteur. À travers la théorisation du CES, Sherrington anticipe avec une prescience vertigineuse la découverte, plusieurs décennies plus tard par l’électrophysiologie intracellulaire, du potentiel postsynaptique excitateur (PPSE).

6. Dynamique des réseaux spinaux : Convergence, divergence et occlusion

6.1 Le principe de divergence et d’irradiation réflexe

L’étude systématique de l’intensité de stimulation sur les préparations spinales conduit Sherrington à formuler les lois gouvernant la distribution spatiale des signaux au sein du névraxe. Lorsqu’un stimulus sensitif d’intensité minimale est appliqué sur une zone tégumentaire restreinte, la réponse motrice réflexe demeure strictement localisée à un seul groupe musculaire, généralement un muscle fléchisseur situé à proximité immédiate du récepteur sollicité. Toutefois, dès que Sherrington augmente progressivement l’amplitude ou la fréquence du courant de stimulation afférente, il observe une propagation progressive de l’activité motrice qu’il qualifie d’« irradiation réflexe ».

Cette irradiation obéit à des règles hiérarchiques et anatomiques strictes et reproductibles :

1. L’excitation se propage d’abord aux autres muscles synergiques de la même articulation (par exemple du pied vers la jambe).
2. Elle gagne ensuite l’ensemble des segments articulaires du membre ipsilatéral (flexion complète de la cuisse, de la jambe et du pied).
3. Sous l’effet d’une stimulation plus vigoureuse encore, le signal franchit la ligne médiane spinale pour recruter les muscles extenseurs du membre controlatéral (le réflexe d’extension croisée).
4. Enfin, dans les cas de stimulations intenses ou nociceptives majeures, la décharge motrice irradie verticalement le long des cordons médullaires pour embrasser les muscles axiaux du tronc et les segments moteurs des membres antérieurs.

Pour expliquer cette gradation ordonnée, Sherrington met en avant le principe neuroanatomique et fonctionnel de la « divergence ». Chaque fibre nerveuse sensitive primaire qui pénètre par la corne dorsale ne se termine pas sur un motoneurone unique ; elle émet un foisonnement de collatérales axonales ascendantes, descendantes et transversales qui s’arborisent dans la substance grise médullaire sur de multiples segments vertébraux. Les voies de conduction synaptiques les plus directes et les plus résistantes possèdent les seuils d’activation les plus bas et sont mobilisées en premier. À mesure que l’intensité du signal afférent s’élève, le CES généré sur les collatérales adjacentes franchit successivement leurs seuils d’activation respectifs, recrutant en cascade des chaînes neuronales de plus en plus éloignées. La moelle épinière se révèle ainsi être un système de diffusion hautement canalisé, capable de métamorphoser un impact sensoriel ponctuel en un comportement moteur polysegmentaire coordonné.

6.2 Le phénomène d’occlusion et le chevauchement synaptique

En cherchant à quantifier les interactions mécaniques produites par la stimulation conjointe de deux voies afférentes distinctes convergeant vers un même groupe musculaire, Sherrington met en évidence une discordance mathématique paradoxale d’une importance capitale : le phénomène de l’« occlusion » synaptique.

Le dispositif expérimental permet de mesurer la tension musculaire absolue développée par le muscle tibial antérieur lors du réflexe de flexion. Sherrington stimule d’abord isolément un premier nerf sensitif (le nerf cutané plantaire interne) avec une intensité supramaximale : le muscle se contracte en développant, par exemple, une tension mécanique de 1,5 kilogramme. Il stimule ensuite séparément, avec la même intensité supramaximale, un second nerf sensitif convergent (le nerf cutané plantaire externe) : le muscle se contracte à nouveau, développant cette fois une tension de 1,8 kilogramme. La somme arithmétique des deux forces musculaires produites isolément est donc de 1,5 + 1,8 = 3,3 kilogrammes.

Or, lorsque Sherrington applique une stimulation supramaximale conjointe et simultanée sur les deux nerfs plantaires à la fois, la tension totale enregistrée par le myographe ne s’élève pas aux 3,3 kilogrammes attendus : elle plafonne, par exemple, à seulement 2,2 kilogrammes. Il manque plus d’un kilogramme de tension motrice à l’appel. Pour élucider ce déficit mécanique, Sherrington formule un modèle géométrique et synaptique d’une rigueur absolue :

Le pool de motoneurones qui commande le muscle étudié est partagé en zones d’influence synaptique. Chaque nerf sensitif projette sur une « zone de décharge » centrale, où la densité des terminaisons synaptiques est si forte que chaque motoneurone reçoit une excitation supraliminaire et décharge à sa fréquence maximale, et une « zone subliminaire périphérique » (ou frange subliminaire), où la densité synaptique plus clairsemée ne crée qu’une facilitation sans décharge propagée. Lorsque les deux nerfs sont stimulés simultanément à intensité maximale, leurs zones de décharge effectives se chevauchent largement sur un contingent de motoneurones communs. Ces neurones partagés étant déjà activés à leur niveau d’efficacité contractile maximal par le premier nerf, la stimulation concomitante du second nerf ne peut en extraire aucune force contractile supplémentaire : la réponse du contingent commun est ainsi « occluse » ou masquée par saturation synaptique.

6.3 La post-décharge réflexe et les circuits réverbérants

Une divergence temporelle tout aussi remarquable réside dans le phénomène de la « post-décharge réflexe » (after-discharge). Lorsqu’un stimulus électrique est appliqué directement sur le tronc d’un nerf moteur efférent, la contraction musculaire prend fin de manière quasi synchrone avec l’interruption du courant : dès que cesse le train de décharges, le muscle commence immédiatement sa courbe de relaxation passive. En revanche, lorsque la même stimulation est appliquée sur un nerf sensitif pour susciter une contraction par voie réflexe spinale, Sherrington constate que le muscle continue fréquemment de se contracter et maintient un niveau de tension élevé pendant des centaines de millisecondes, voire plusieurs secondes après la fin définitive de la stimulation périphérique incidente.

Sherrington s’attache à prouver que cette prolongation de l’acte moteur n’est nullement imputable à une viscosité mécanique intrinsèque ou à un retard de décontraction au sein des sarcomères musculaires. En enregistrant les potentiels d’action électriques sur les racines motrices antérieures et dans le corps du muscle, il démontre que les axones moteurs continuent d’acheminer des trains nourris d’ondes d’électronégativité bien après l’extinction du stimulus afférent. La commande motrice persiste donc au sein même du névraxe.

Pour expliquer cette persistance centrale, Sherrington émet l’hypothèse visionnaire de retards différentiels induits par des réseaux de neurones intermédiaires, les « neurones internonciaux » (les actuels interneurones spinaux). Il postule que l’influx nerveux incident ne chemine pas uniquement par un arc monosynaptique direct, mais est dévié à travers un entrelacs de chaînes polyneuronales de longueurs variables. Plus profondément encore, il pose les premières bases conceptuelles de circuits neuronaux en boucle fermée, où le signal tourne et s’auto-entretient temporairement en boucle de réverbération avant d’atteindre le motoneurone final. Cette intuition géniale annonce avec plusieurs décennies d’avance les modèles de circuits réverbérants développés par Rafael Lorente de Nó et les concepts de mémoire à court terme par boucles synaptiques récurrentes qui irrigueront l’ensemble de la cybernétique et des neurosciences computationnelles.

7. L’inhibition réciproque et la loi d’innervation réciproque

7.1 La découverte de l’inhibition motrice active

Jusqu’aux travaux de Sherrington, la physiologie du système nerveux demeurait largement dominée par une vision unidimensionnelle axée sur l’excitation motrice. Les réponses de l’organisme étaient interprétées comme des accumulations d’énergie électrique provoquant des contractions musculaires positives ; le retour au repos n’était généralement perçu que comme un épuisement passif du signal ou une cessation de la commande afférente. Sherrington bouleverse radicalement ce paradigme en apportant la preuve formelle que le système nerveux central produit des actions d’inhibition tout aussi actives, régulées, consommatrices d’énergie et hautement ordonnées que les processus d’excitation.

Le point de départ de cette révolution conceptuelle réside dans l’analyse cinématique et myographique du réflexe de flexion (réflexe de retrait de la patte) et du réflexe d’extension croisée chez l’animal décérébré ou spinal. Dans la préparation décérébrée, comme nous l’avons souligné, les muscles extenseurs de la cuisse et du genou sont plongés dans une contraction tonique permanente vigoureuse qui maintient le membre étendu. Lorsqu’une irritation sensorielle nociceptive (mécanique ou électrique) est appliquée sur la voûte plantaire de cette patte, le membre fléchit vivement pour échapper au stimulus douloureux.

En installant deux leviers myographiques distincts connectés simultanément, l’un sur le tendon d’un muscle fléchisseur (par exemple le muscle semi-tendineux) et l’autre sur le tendon du muscle extenseur antagoniste de la même articulation (le vaste interne ou le quadriceps crural), Sherrington observe un phénomène saisissant : au moment précis où le muscle fléchisseur commence à se contracter et à développer une force ascensionnelle rapide, le muscle extenseur antagoniste, jusqu’alors figé dans sa contracture tonique soutenue, se relâche brusquement et activement. La ligne myographique de l’extenseur plonge verticalement en dessous de son niveau de repos tonique de base. Ce relâchement musculaire s’effectue avec une synchronie chronologique parfaite vis-à-vis de l’entrée en action de l’agoniste.

Sherrington démontre que cette décontraction musculaire n’est pas le résultat d’un étirement mécanique passif exercé par la force du fléchisseur (les deux tendons ayant été préalablement détachés de leurs insertions osseuses respectives et reliés aux leviers rigides du myographe). Il prouve également, en enregistrant les fibres motrices efférentes innervant l’extenseur, que ce relâchement correspond à l’extinction totale et immédiate de toute décharge nerveuse motrice. Le système nerveux central a donc envoyé une commande active d’extinction sélective vers les motoneurones de l’extenseur en même temps qu’il stimulait les motoneurones du fléchisseur. L’inhibition est établie comme un versant fondamental et positif de l’intégration nerveuse.

7.2 La loi d’innervation réciproque de Sherrington

Sur la base de centaines d’enregistrements myographiques d’une régularité absolue, Sherrington formalise une loi biologique générale qui porte désormais son nom dans tous les traités de médecine et de neurosciences : la loi d’innervation réciproque de Sherrington. Elle s’énonce ainsi :

« Tout influx nerveux réflexe qui commande l’excitation contractile d’un groupe musculaire donné provoque obligatoirement et simultanément, par une action centrale coordonnée, l’inhibition correspondante et proportionnelle du groupe musculaire antagoniste opposé. »

Cette loi gouverne avec une élégance souveraine l’ensemble de la biomécanique animale. Si cette innervation réciproque n’existait pas, chaque tentative de flexion d’une articulation se heurterait à la résistance mécanique forcenée des puissants muscles extenseurs toniques : l’articulation serait verrouillée dans une co-contraction tétanique stérile, rendant tout déplacement locomoteur impossible, ou provoquant la déchirure déchirante des aponévroses musculaires et la rupture des attaches tendineuses sous la violence des forces contractiles opposées.

Sherrington illustre la puissance et la polyvalence de cette loi à travers la coordination de la flexion ipsilatérale et de l’extension controlatérale : lorsqu’un membre antérieur ou postérieur est menacé par un stimulus nocif et s’escamote par flexion (excitation des fléchisseurs, inhibition des extenseurs ipsilatéraux), la loi d’innervation réciproque opère en miroir parfait sur le membre controlatéral. Ce dernier entre instantanément en extension forcée (inhibition des fléchisseurs, excitation des extenseurs controlatéraux) afin de garantir la sustentation immédiate du poids de l’animal et d’éviter son effondrement au sol.

L’universalité de la loi d’innervation réciproque dépasse de loin le cadre des réflexes spinaux élémentaires. Sherrington démontre qu’elle régit avec la même précision les réflexes myotatiques proprioceptifs d’étirement, les ajustements posturaux complexes de l’ensemble du tronc, les mouvements alternatifs de la locomotion et de la course, le grattage rythmique, ainsi que les mouvements volontaires les plus fins déclenchés par la stimulation électrique directe des aires motrices du cortex cérébral. Elle implique de manière tacite, sur le plan des circuits neuronaux, la présence indispensable de voies divergentes au sein desquelles un même signal sensitif incident se divise pour activer simultanément un motoneurone agoniste et un interneurone inhibiteur chargé d’éteindre le motoneurone antagoniste.

7.3 L’état central inhibiteur (Central Inhibitory State – CIS)

Symétriquement à la théorisation du CES pour rendre compte de l’accumulation d’excitation, Sherrington introduit le concept d’« état central inhibiteur » ou CIS (Central Inhibitory State). Constatant que l’inhibition d’un réflexe ne se borne pas à suspendre instantanément une décharge motrice mais laisse les circuits moteurs dans un état réfractaire temporaire où il devient extraordinairement difficile de déclencher une contraction ultérieure, même par des stimuli supraliminaires puissants, il postule l’existence d’une altération locale négative de la membrane neuronale.

L’interaction entre excitation et inhibition sur le péricaryon du motoneurone s’apparente, sous la plume de Sherrington, à une véritable opération arithmétique et algébrique continue :

Activité motrice efférente = F ( CES – CIS )

Si la valeur quantitative du CES prévaut sur celle du CIS et que la différence franchit le seuil critique d’activation membranaire, le motoneurone entre en phase de décharge active. Si, inversement, la quantité de CIS injectée dans le réseau par l’arrivée d’une afférence inhibitrice surpasse ou neutralise l’amplitude du CES existant, le potentiel d’action est immédiatement interrompu ou prévenu.

Sherrington analyse la cinétique temporelle du CIS : tout comme l’état excitateur, l’état inhibiteur n’est pas une simple impulsion éphémère d’une milliseconde ; il s’installe, atteint un pic d’intensité maximale, puis décline graduellement sur plusieurs dizaines de millisecondes. En variant l’intervalle temporel entre une stimulation inhibitrice conditionnante et une stimulation excitatrice test, il trace les premières courbes dynamiques de décroissance de l’inhibition centrale. Il comprend que l’inhibition n’est pas une « fatigue » ou une défaillance de la transmission, mais une force régulatrice autonome capable d’annuler sélectivement les signaux indésirables. Cette théorisation du CIS préfigure de façon absolue la découverte électrophysiologique moderne du potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI), médié par l’hyperpolarisation membranaire sous l’action d’acides aminés neurotransmetteurs tels que la glycine et le GABA.

8. Le concept de « voie finale commune » (The Final Common Path)

8.1 Le motoneurone spinal comme intégrateur ultime

L’un des apports conceptuels les plus puissants et les plus féconds légués par Sherrington à la neurobiologie générale réside dans la formulation théorique de la « voie finale commune » (the final common path). En analysant l’anatomie fonctionnelle du système nerveux des vertébrés, Sherrington est frappé par la disproportion mathématique vertigineuse existant entre l’immensité des voies d’entrée sensorielles et la relative rareté des effecteurs mécaniques terminaux. L’organisme possède des millions de récepteurs sensitifs cutanés, proprioceptifs, vestibulaires, visuels et auditifs qui scrutent en permanence les fluctuations du monde extérieur et intérieur ; or, tous ces canaux convergents n’ont d’autre finalité que de moduler l’activité d’une population finie et strictement limitée de cellules motrices situées dans la corne ventrale de la moelle épinière et les noyaux moteurs des nerfs crâniens.

Sherrington définit formellement ce motoneurone alpha de la corne antérieure comme la voie finale commune de toute l’action motrice. Aucun muscle strié du corps ne peut accomplir la moindre contraction mécanique, qu’il s’agisse d’un clignement de paupière, d’un réflexe de retrait spinal élémentaire, d’un ajustement postural inconscient ou du mouvement digital le plus raffiné commandé par le cortex moteur, sans que l’ordre ne soit converti en trains de potentiels d’action circulant le long de l’axone de ce motoneurone périphérique ultime. Le motoneurone constitue un goulet d’étranglement anatomique et computationnel absolu : il est l’entonnoir unique à travers lequel toute l’intention comportementale et adaptative du système nerveux central doit nécessairement s’écouler.

Pour illustrer cette fonction intégrative, Sherrington emploie la métaphore célèbre du standard téléphonique (ou du réseau télégraphique centralisé). Le motoneurone spinal reçoit une myriade d’appels simultanés : les fibres afférentes des récepteurs cutanés de la douleur, les signaux proprioceptifs issus des fuseaux neuromusculaires, les faisceaux réticulospinaux et vestibulospinaux garants de l’équilibre, ainsi que les immenses contingents descendants des faisceaux pyramidaux et corticomédullaires. Le corps cellulaire du motoneurone ne se contente pas de relayer passivement le premier signal qui l’atteint ; il opère à chaque instant la sommation algébrique vectorielle de l’ensemble des CES et des CIS qui pilonnent sa membrane dendritique et somatique, ne délivrant en sortie qu’un message moteur unifié, cohérent et synthétique.

8.2 La compétition et l’arbitrage pour le contrôle moteur

Une telle convergence de multiples voies de commande vers un contingent unique de motoneurones pose immédiatement le problème fondamental de la concurrence et du conflit physiologique : que se passe-t-il lorsque deux influences afférentes opposées cherchent simultanément à s’emparer de la même voie finale commune ? Un muscle fléchisseur ne pouvant biomécaniquement pas être à la fois contracté au maximum et totalement relâché, le système nerveux doit obligatoirement posséder des règles d’arbitrage interne fondées sur la préemption et l’exclusion mutuelle.

Sherrington étudie cette compétition motrice en appliquant simultanément deux stimulations réflexogènes antagonistes chez l’animal spinal : par exemple, un réflexe myotatique d’extension (destiné à soutenir la posture) et un réflexe de flexion nociceptif (déclenché par une stimulation douloureuse du pied). Les tracés myographiques démontrent que le système nerveux ne procède jamais à un compromis bâtard qui consisterait en une demi-contraction indécise des deux groupes musculaires antagonistes. Le résultat de l’interaction est radical et sans équivoque : l’un des réflexes prend l’entier contrôle de la voie finale commune, tandis que l’autre est totalement réprimé et refoulé dans l’inhibition.

Sherrington découvre ainsi une hiérarchie fonctionnelle et évolutive rigoureuse présidant à cet arbitrage :

• La prépondérance des réflexes de survie (nociceptifs) : Face à une menace d’altération tissulaire immédiate, le réflexe de flexion l’emporte invariablement sur le tonus de posture antigravitaire. L’impératif de préservation de l’intégrité biologique supplante instantanément les exigences de maintien de l’équilibre statique.
• Le principe de l’exclusion mutuelle : Deux réflexes incompatibles utilisant les mêmes muscles ne peuvent s’exprimer de façon synchrone. L’accès à la voie finale commune est régi par un verrouillage exclusif assurant qu’une seule configuration motrice dispose du canal moteur à un instant t donné.
• La succession temporelle ordonnée : Dès que le stimulus d’urgence nociceptif s’interrompt ou décline, le réflexe postural préalablement refoulé réémerge instantanément pour restaurer la stabilité mécanique de l’animal. La compétition pour la voie finale commune structure ainsi le comportement moteur en séquences temporelles fluides, dynamiques et parfaitement harmonisées.

8.3 Les unités motrices et le principe de gradation

En poussant plus loin l’analyse analytique de la voie finale commune, Sherrington et ses collaborateurs (notamment John C. Eccles) établissent le concept fondamental d’« unité motrice » (motor unit). L’unité motrice représente l’entité quantale indivisible de la motricité : elle se compose d’un motoneurone alpha individuel situé dans la moelle épinière, de son axone myélinisé efférent, et de la totalité des fibres musculaires striées squelettiques que cet axone innerve par l’intermédiaire de ses arborisations terminales au niveau des plaques motrices.

Cette conceptualisation permet à Sherrington d’élucider l’un des mystères les plus tenaces de la physiologie : comment un système fonctionnant par impulsions nerveuses discontinues régies par la loi du tout ou rien peut-il produire une gradation infiniment fine, douce et continue de la tension mécanique musculaire ? Sherrington démontre que le système nerveux central module la force de contraction globale d’un muscle en manœuvrant simultanément deux leviers biophysiques fondamentaux :

1. Le recrutement progressif des unités motrices (sommation spatiale périphérique) : Pour développer une force contractile minimale, la moelle épinière n’active qu’un petit nombre d’unités motrices dotées des seuils d’excitabilité les plus bas. À mesure que l’effort requis s’accroît, les centres spinaux et supraspinaux recrutent un contingent sans cesse élargi de motoneurones aux seuils d’activation plus élevés, augmentant mécaniquement la tension globale par l’addition spatiale des forces musculaires élémentaires.
2. La modulation de la fréquence de décharge motrice (sommation temporelle périphérique) : Chaque unité motrice recrutée peut modifier sa cadence d’émission de potentiels d’action. En augmentant la fréquence des décharges de quelques hertz (secousses musculaires isolées et incomplètement fusionnées) jusqu’à plusieurs dizaines de hertz (fusion tétanique complète), la force développée par chaque unité motrice se trouve multipliée d’un facteur trois à cinq par saturation calcique intracellulaire.

Ces principes posent le socle universel de la biomécanique moderne, de la physiologie de l’effort physique et des neurosciences motrices. Ils démontrent comment le calcul synaptique central s’exprime ultimement à la périphérie sous forme d’un vecteur de force millimétré et adapté aux contraintes de la physique gravitationnelle.

9. « The Integrative Action of the Nervous System » (1906) et la synthèse théorique

9.1 L’ouvrage fondateur des conférences Silliman

L’année 1904 marque un tournant décisif dans l’histoire des neurosciences lorsque Charles Sherrington est invité par l’Université Yale aux États-Unis à prononcer la prestigieuse série des conférences Silliman (Silliman Memorial Lectures). Deux ans plus tard, en 1906, les transcriptions et les développements approfondis de ces leçons magistrales sont compilés dans un ouvrage magistral intitulé The Integrative Action of the Nervous System. Ce livre est immédiatement salué par la communauté scientifique comme l’équivalent, pour la neurologie et la physiologie, de ce que furent les Principia Mathematica d’Isaac Newton pour la mécanique classique.

Dans ce traité monumental, Sherrington opère un déplacement épistémologique fondamental. Il met en garde ses contemporains contre le piège du réductionnisme naïf : l’arc réflexe simple et isolé, que la physiologie dissèque dans ses préparations de laboratoire, n’est en réalité qu’une abstraction analytique commode. Dans la réalité vivante, un arc réflexe isolé n’existe jamais à l’état pur. L’organisme n’est pas un agrégat mécanique d’arcs réflexes indépendants montés en parallèle, mais une totalité intégrée au sein de laquelle chaque acte moteur élémentaire retentit sur l’équilibre global de l’ensemble du système nerveux.

Sherrington déploie une construction hiérarchique éblouissante de la motricité. Il démontre avec une clarté logique implacable comment les lois élémentaires de la synapse — le délai central, la directionalité, les sommations temporelles et spatiales, l’inhibition réciproque et la compétition pour la voie finale commune — s’articulent méthodiquement pour générer des comportements de plus en plus sophistiqués et adaptatifs. L’ouvrage érige la neurophysiologie en une science autonome, dotée de son propre corpus de lois théoriques quantifiables, achevant de libérer l’étude du cerveau des spéculations métaphysiques et des simples descriptions anatomiques statiques.

9.2 L’intégration proprioceptive et le schéma corporel moteur

L’une des innovations conceptuelles les plus remarquables introduites dans The Integrative Action of the Nervous System est l’identification formelle et la désignation lexicale du système « proprioceptif ». Jusqu’alors, la physiologie sensorielle ne s’intéressait presque exclusivement qu’aux sens tournés vers le monde extérieur : la vue, l’ouïe, le goût, l’odorat et le toucher superficiel cutané (que Sherrington regroupe sous les termes d’extéroception et d’intéroception viscérale).

Sherrington démontre que l’organisme animal dispose d’un troisième champ sensoriel immense, silencieux et inconscient, enfoui au cœur des tissus profonds : la proprioception. Ce sens musculaire et articulaire prend naissance au niveau de mécanorécepteurs spécialisés dont il étudie minutieusement l’histophysiologie :

• Les fuseaux neuromusculaires : Disposés en parallèle des fibres musculaires contractiles principales, ils agissent comme des capteurs de longueur et de vitesse d’allongement musculaire ultra-sensibles.
• Les organes tendineux de Golgi : Insérés en série aux jonctions myotendineuses, ils mesurent en temps réel la tension mécanique absolue exercée par le muscle lors de la contraction.

Sherrington formule la théorie de la régulation motrice en boucle fermée (que la cybernétique nommera plus tard le rétrocontrôle négatif ou feedback). Il prouve que la coordination dynamique d’un mouvement ne repose pas sur l’émission aveugle d’un programme moteur central descendant ; elle exige une réévaluation proprioceptive permanente, où les signaux afférents issus des fuseaux et des tendons réajustent à chaque milliseconde le niveau du CES et du CIS sur les motoneurones de la moelle épinière. La marche quadrupède, le redressement automatique et la posture antigravitaire ne sont possibles que par cette intégration proprioceptive continue, qui fournit au système nerveux la cartographie spatiale vivante de son propre schéma corporel en mouvement.

9.3 L’organisme comme entité unifiée et téléologique

Au-delà de la rigueur technique de ses démonstrations électromécaniques, la pensée de Sherrington dans son ouvrage de 1906 est portée par une profonde vision philosophique et téléologique (au sens d’une adaptation biologique fonctionnelle dictée par l’évolution). Pour Sherrington, la fonction première et ultime du système nerveux central est de transformer un agrégat de milliards de cellules microscopiques distinctes en un animal unifié, capable d’agir sur son environnement comme une entité singulière, indivisible et téléologiquement orientée vers sa survie.

La synapse et les réseaux réflexes spinaux sont les instruments par lesquels cette intégration vitale est matérialisée. Sans la coordination synaptique et sans l’innervation réciproque, le corps animal ne serait qu’une arène de guerre civile cellulaire où les muscles agonistes et antagonistes lutteraient aveuglément les uns contre les autres dans des spasmes convulsifs incohérents. L’inhibition réciproque est le régulateur démocratique qui ordonne la diversité des organes moteurs pour servir une action motrice unique et globale.

Sherrington s’inscrit ainsi en héritier direct de la théorie darwinienne de l’évolution par sélection naturelle. Chaque réflexe spinal n’est pas un rouage mécanique arbitraire, mais le résultat d’un long processus d’optimisation adaptative : le réflexe de retrait fléchisseur protège les tissus des brûlures et des lacérations ; le réflexe myotatique d’extension prévient l’effondrement gravitationnel de l’animal terrestre ; la marche réflexe permet la fuite et la prédation. La coordination nerveuse devient le fondement même de la stabilité interne (l’homéostasie, selon le terme que forgera plus tard Walter Cannon) et de l’affirmation comportementale de l’individu dans un monde extérieur hostile.

10. Réfutation du modèle réticulaire et consolidation de la théorie neuronale

10.1 L’apport physiologique décisif au débat Cajal-Golgi

La portée historique de l’œuvre de Sherrington ne peut être pleinement appréciée sans mesurer son impact direct sur le grand débat neuroanatomique de son époque. En 1906, l’année même de la publication de The Integrative Action of the Nervous System, Camillo Golgi et Santiago Ramón y Cajal reçoivent conjointement le Prix Nobel de physiologie ou médecine en reconnaissance de leurs travaux monumentaux sur la structure du système nerveux. Cet honneur partagé ne scelle nullement la réconciliation entre les deux savants ; leurs conférences Nobel respectives à Stockholm prennent l’allure d’un affrontement direct d’une violence intellectuelle rare, Golgi persistant à défendre son réseau syncytial diffus contre la théorie neuronale de Cajal.

Dans cette querelle de géants où l’observation microscopique pure touchait à ses limites méthodologiques ultimes, c’est l’argumentaire physiologique de Charles Sherrington qui apporte l’arbitrage décisif en faveur de Ramón y Cajal. Sherrington apporte ce que le microscope optique était incapable de fournir : la démonstration fonctionnelle et dynamique irréfutable que le système nerveux central se comporte impérativement comme un ensemble discontinu de cellules communicantes.

Si la théorie réticulaire de Golgi avait été exacte :

• Les retards centraux de plusieurs millisecondes mesurés au sein de la substance grise médullaire n’auraient jamais pu exister, puisque l’influx n’aurait rencontré aucune discontinuité membranaire à franchir.
• L’unidirectionnalité absolue de l’arc réflexe aurait été violée en permanence, le réseau syncytial autorisant la diffusion isotrope et bidirectionnelle de l’onde électrique.
• L’inhibition réciproque localisée eût été une impossibilité biophysique pure, car une hyperpolarisation ou une extinction locale se serait dispersée indifféremment à l’ensemble du syncytium conducteur au lieu d’éteindre sélectivement les motoneurones antagonistes tout en excitant les agonistes.

La physiologie sherringtonienne consolide définitivement la morphologie de Cajal : la synapse théorisée par la fonction valide l’existence des terminaisons axonales libres découvertes par la coloration argentique.

10.2 La nature de la barrière synaptique : physique ou chimique ?

Dès lors que la synapse était établie comme le site physique de la discontinuité neuronale, une interrogation fondamentale surgit avec force : quelle est la nature physico-chimique intime de cette frontière membranaire ? Comment le message nerveux traverse-t-il cette fissure microscopique ?

À la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle, la grande majorité des électrophysiologistes penche naturellement pour une transmission purement électrique. Influencés par les modèles de la physique classique et par la vitesse foudroyante de la propagation nerveuse le long de l’axone, ils postulent que le potentiel d’action franchit l’espace intercellulaire par une sorte de micro-arc électrique ou de couplage capacitif direct à travers la résistance de séparation. Cependant, Sherrington lui-même demeure extrêmement circonspect vis-à-vis de cette interprétation purement électrique simpliste.

Avec une intuition stupéfiante, Sherrington s’interroge publiquement sur la présence de processus physico-chimiques spécialisés au niveau des surfaces synaptiques. Il relève l’analogie frappante qui unit la synapse centrale à la jonction neuromusculaire périphérique, dont Claude Bernard avait démontré dès 1856 qu’elle pouvait être sélectivement paralysée par le curare sans que ni le nerf moteur ni le muscle strié ne perdent leur excitabilité propre. Sherrington suggère que l’arrivée de l’influx à la terminaison nerveuse pourrait induire une modification locale de la perméabilité membranaire via la libération ou la transformation de substances chimiques tensioactives.

Bien que Sherrington n’ait pas réalisé lui-même la démonstration de la neurotransmission chimique, ses réflexions ouvrent une voie royale à la génération suivante d’expérimentateurs. Ses intuitions seront brillamment confirmées par les travaux séminaux d’Otto Loewi en 1921 (mise en évidence de la Vagusstoff, l’acétylcholine, au niveau du cœur de grenouille) et de Sir Henry Dale, qui recevront le Prix Nobel en 1936 pour la découverte de la transmission chimique des influx nerveux. La synapse sherringtonienne, conçue à l’origine comme une déduction chronométrique, trouve ainsi son incarnation moléculaire complète.

10.3 La polarisation synaptique comme fondement du flux d’information

L’exclusion définitive des modèles réticulaires et la confirmation de la barrière synaptique permettent à Sherrington de poser les fondements d’une notion théorique appelée à un avenir prodigieux dans l’histoire des sciences : la notion de « flux d’information vectoriel » au sein du système biologique.

Dans un réseau continu et symétrique, le concept d’information perd toute signification vectorielle, puisque les perturbations énergétiques s’y propagent de manière chaotique et non ordonnée, tendant vers un équilibre thermodynamique homogène. En démontrant que la synapse impose un sens unique irréversible — forçant le signal à cheminer impérativement des dendrites vers le soma, puis du soma vers l’axone, et de l’arborisation présynaptique vers la membrane postsynaptique —, Sherrington érige le système nerveux en un réseau de communication hautement structuré et hiérarchisé.

L’information cesse d’être une simple secousse électrique brute ; elle devient un signal codé, orienté de la périphérie sensorielle vers les centres d’intégration, puis des centres vers les effecteurs moteurs. Ce cadre épistémologique servira de matrice conceptuelle directe, quelques décennies plus tard, aux pionniers de la cybernétique tels que Norbert Wiener et aux pères de la théorie de l’information mathématique à l’instar de Claude Shannon. La synapse sherringtonienne est reconnue comme la toute première porte logique biologique, le nœud de commutation indispensable à l’émergence de la computation cérébrale.

11. Implications psychologiques, comportementales et neuropsychologiques

11.1 L’influence sur le béhaviorisme et la psychologie réflexologique

L’impact des travaux de Charles Sherrington s’est étendu bien au-delà des frontières de la neurophysiologie académique, exerçant une fascination profonde sur les fondateurs des grands courants de la psychologie scientifique du début du XXe siècle. Aux États-Unis, John B. Watson s’empare de l’architecture formelle de l’arc réflexe pour forger les bases doctrinales du béhaviorisme (comportementalisme). Watson ambitionne de débarrasser la psychologie de toute introspection subjectiviste en réduisant l’ensemble des conduites humaines et animales à une série d’enchaînements rigides entre des stimuli sensoriels périphériques (S) et des réponses motrices observables (R) : le célèbre paradigme S-R.

Parallèlement, en Russie, le physiologiste Ivan Pavlov développe sa théorie monumentale des réflexes conditionnés. Bien que Pavlov reconnaisse l’élégance technique des démonstrations de Sherrington sur la moelle épinière, des divergences épistémologiques fondamentales séparent les deux savants. Pavlov critique la réserve de Sherrington quant à l’extension systématique des lois du réflexe spinal aux fonctions psychiques les plus élevées du cortex cérébral, tandis que Sherrington se montre extrêmement sceptique envers la tentative pavlovienne de réduire la totalité de la vie mentale à une simple réflexologie conditionnelle linéaire.

Sherrington formule en effet une critique implicite mais dévastatrice à l’encontre de la sursimplification comportementaliste. En démontrant l’existence des sommations temporelles et spatiales, des états centraux excitateurs et inhibiteurs, ainsi que du phénomène d’occlusion, il prouve mathématiquement que l’organisme animal ne réagit jamais comme un simple miroir passif aux sollicitations de l’environnement extérieur. La réponse motrice n’est pas déterminée uniquement par la nature physique du stimulus incident ; elle est filtrée, pondérée, amplifiée ou totalement étouffée par l’état synaptique interne de la substance grise au moment précis où le signal arrive. Sherrington réintroduit ainsi la dynamique computationnelle intrinsèque de l’organisme au cœur même de l’équation comportementale, battant en brèche le réductionnisme mécaniste avant même son apogée.

11.2 Les théories motrices de la conscience et de l’action

Au crépuscule de son existence, Charles Sherrington consacre une large part de ses réflexions philosophiques aux liens mystérieux unissant la physiologie du mouvement et l’émergence de l’esprit conscient. Invité à délivrer les prestigieuses conférences Gifford à l’Université d’Édimbourg en 1937-1938, il publie en 1940 un chef-d’œuvre littéraire et métaphysique intitulé Man on His Nature.

Loin de professer un matérialisme réductionniste dogmatique, Sherrington y adopte un dualisme méthodologique assumé. Il proclame avec une lucidité remarquable l’impossibilité de réduire l’expérience phénoménologique de la conscience, le sentiment subjectif et la volonté délibérée au simple fonctionnement mécanique des arcs réflexes, fussent-ils dotés de la complexité synaptique la plus sophistiquée :

« L’énergie et la pensée sont deux grandeurs sans commune mesure. La réaction réflexe la plus raffinée ne nous dit rien du passage à la sensation vécue. La pensée demeure sans dimension spatiale dans notre schéma matériel du monde. »

Néanmoins, sur le plan strictement physiologique, Sherrington démontre le rôle capital de la rétroaction proprioceptive dans la genèse du sentiment d’agentivité corporelle. C’est parce que le système nerveux intègre à chaque seconde les informations proprioceptives issues de nos muscles en mouvement que le cerveau peut construire un schéma corporel stable, délimiter la frontière physique entre le « soi » et le « non-soi », et projeter l’action dans le monde avec une intentionnalité dirigée vers un but. L’action motrice coordonnée n’est pas une simple conséquence périphérique de l’activité cérébrale : elle est le soubassement physiologique et évolutif sur lequel l’esprit s’est structuré au cours de la phylogenèse.

11.3 Du réflexe spinal à la neuropsychologie du contrôle moteur

Les principes sherringtoniens de l’intégration réflexe ont constitué le socle conceptuel indispensable sur lequel la neuropsychologie et la neurologie clinique modernes ont édifié la compréhension des pathologies du mouvement humain. Le grand neuropsychologue soviétique Alexander Luria s’est largement inspiré des concepts d’innervation réciproque et de voie finale commune pour modéliser les systèmes fonctionnels complexes sous-tendant la praxie volontaire, l’organisation séquentielle des gestes et la désorganisation du contrôle moteur chez les patients cérébrolésés présentant des lésions des aires frontales et prémotrices.

En clinique neurologique quotidienne, la compréhension moderne des grands syndromes moteurs découle directement des expériences de transection de Sherrington :

• Le syndrome pyramidal et la spasticité : L’hypertonie spastique observée après un accident vasculaire cérébral ou une section médullaire incomplète n’est rien d’autre que la libération pathologique des réflexes spinaux et proprioceptifs intrinsèques. Privés du contrôle inhibiteur descendant exercé normalement par les voies corticospinales supérieures, les circuits d’excitation myotatiques de la moelle épinière s’emballent de manière autonome, reproduisant fidèlement le tableau de la rigidité de décérébration identifié par Sherrington.
• L’hyperréflexie et le clonus : Les réponses exagérées au marteau à réflexes et les oscillations cloniques rythmiques des articulations s’expliquent parfaitement par la rupture de la balance entre le CES et le CIS au niveau des motoneurones de la corne antérieure.
• Les techniques de rééducation neuromusculaire : Les protocoles modernes de physiothérapie et de kinésithérapie, tels que les méthodes de Kabat-Voss (facilitation neuromusculaire proprioceptive – PNF), reposent entièrement sur l’application clinique directe des lois de Sherrington : utilisation de la sommation spatiale par stimulations cutanées combinées, recours à l’innervation réciproque pour détendre un muscle spastique en contractant activement son agoniste, et sollicitation proprioceptive pour réactiver les voies motrices résiduelles.

12. Postérité scientifique, validation biophysique et héritage contemporain

12.1 La confirmation électrophysiologique par John Eccles

L’héritage intellectuel direct de Charles Sherrington s’est incarné de manière éclatante dans la figure de son élève le plus brillant à l’Université d’Oxford : l’Australien John Carew Eccles. Sous le mentorat rigoureux de Sherrington à la fin des années 1920, Eccles consacre sa jeunesse scientifique à tenter de résoudre l’ultime mystère laissé ouvert par son maître : la démonstration biophysique directe de la nature de la transmission synaptique centrale.

Pendant plus de deux décennies, Eccles défend avec obstination l’hypothèse d’une transmission électrique ultra-rapide au sein de la substance grise médullaire, contestant vigoureusement les théories chimiques soutenues par Henry Dale. Cependant, dans les années 1950, au sein de l’Université Nationale Australienne à Canberra, Eccles met au point une prouesse technique révolutionnaire : l’enregistrement intracellulaire direct des motoneurones de la moelle épinière du chat à l’aide de microélectrodes en verre ultrafines dont l’extrémité présente un diamètre inférieur à un demi-micromètre, remplies d’une solution saline conductrice de chlorure de potassium.

Les résultats expérimentaux obtenus par Eccles constituent l’apothéose scientifique du modèle théorique de Sherrington :

• En stimulant une racine sensitive afférente excitatrice, la microélectrode enregistre une dépolarisation locale transitoire, graduable et non propagée de la membrane postsynaptique du motoneurone : le Potentiel Postsynaptique Excitateur (PPSE). Le CES sherringtonien trouve sa réalité matérielle exacte sous la forme d’un flux d’ions sodium (Na⁺) et calcium (Ca²⁺) s’engouffrant dans la cellule à travers des canaux ioniques ouverts par les neurotransmetteurs.
• En stimulant une racine sensitive antagoniste inhibitrice, la microélectrode enregistre une hyperpolarisation nette sous le potentiel de repos : le Potentiel Postsynaptique Inhibiteur (PPSI). Le CIS sherringtonien est validé comme un afflux transitoire d’ions chlorure (Cl^–) ou une sortie d’ions potassium (K⁺), éloignant la membrane du seuil de déclenchement du potentiel d’action.

Après avoir reçu conjointement avec Edgar Douglas Adrian le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1932 pour leurs découvertes sur les fonctions des neurones, Charles Sherrington voit ainsi son élève John Eccles couronné du même Prix Nobel en 1963 pour avoir apporté la validation biophysique définitive de sa théorie synaptique.

12.2 De la synapse théorique à la synapse moléculaire moderne

Dans la seconde moitié du XXe siècle et à l’aube du XXIe siècle, l’avènement de la microscopie électronique à transmission et l’explosion de la biologie moléculaire ont permis de sonder l’infiniment petit de l’espace synaptique, révélant une machinerie d’une sophistication que Sherrington n’aurait pu imaginer qu’en rêve. Les images électroniques ont dévoilé pour la première fois la fente synaptique — un interstice aqueux mesurant environ 20 nanomètres d’épaisseur —, la présence de milliers de vésicules synaptiques sphériques de 40 nanomètres emprisonnant les neurotransmetteurs au sein du bouton présynaptique, et la densité postsynaptique (PSD) matérialisant l’ancrage macromoléculaire des récepteurs.

La caractérisation biochimique et pharmacologique a permis d’identifier précisément les acteurs moléculaires qui incarnent les lois de Sherrington dans la moelle épinière :

• L’excitation réflexe : Elle est médiée principalement par le glutamate, principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central, agissant sur les récepteurs ionotropes AMPA (responsables de la dépolarisation synaptique rapide) et NMDA (impliqués dans la plasticité et la sommation temporelle prolongée).
• L’inhibition réciproque : Elle repose sur la libération de glycine par les interneurones spinaux de Renshaw et les interneurones Ia, venant activer des récepteurs canaux glycinergiques perméables aux ions chlorure, ainsi que sur l’action du GABA (acide gamma-aminobutyrique) via ses récepteurs GABA_A et GABA_B.

Les techniques contemporaines de patch-clamp en cellule entière et l’imagerie calcique biphotonique sur tranche de tissu vivant ont confirmé avec une précision mathématique les prédictions sherringtoniennes concernant l’occlusion synaptique, la sommation spatio-temporelle non linéaire le long de l’arbre dendritique et l’impact de l’inhibition présynaptique axo-axonale sur le filtrage des signaux afférents.

12.3 Les réseaux spinaux dans la neurobiologie contemporaine

L’héritage de Charles Sherrington demeure d’une actualité brûlante dans les laboratoires de neurosciences les plus avancés du monde entier. Les recherches contemporaines sur la motricité ont largement confirmé que la moelle épinière n’est nullement un simple conduit passif assurant la transmission des ordres cérébraux, mais un centre de traitement de l’information extraordinairement sophistiqué, abritant ce que l’on nomme aujourd’hui les Générateurs Spinaux de Motifs Centraux (Central Pattern Generators – CPG).

Décrits initialement chez les mammifères par Sten Grillner et ses collaborateurs, ces CPG spinaux sont des circuits autonomes capables de produire des patterns moteurs rythmiques complexes indispensables à la locomotion, à la natation ou au grattage sans nécessiter aucune commande rythmique issue du cerveau, ni même aucune rétroaction sensitive périphérique intermittente. Le fonctionnement intime de ces oscillateurs neuronaux repose directement sur les principes sherringtoniens d’inhibition réciproque croisée, d’états excitateurs soutenus et de rétroactions proprioceptives d’ajustement adaptatif.

Plus spectaculaire encore est l’application biomédicale directe de ces concepts en neuro-ingénierie et en médecine régénératrice. Les travaux pionniers menés par des équipes de renommée internationale, notamment celles de Grégoire Courtine à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), ont permis de restaurer une locomotion volontaire chez des patients humains paraplégiques atteints de lésions complètes de la moelle épinière. Ces prouesses reposent sur l’implantation de réseaux d’électrodes péridurales ciblées sur les racines postérieures de la moelle lombosacrée, délivrant des stimulations électriques biomimétiques spatialement et temporellement synchronisées.

En stimulant électriquement les circuits spinaux sous-lésionnels selon les lois d’innervation réciproque et d’intégration proprioceptive découvertes par Sherrington plus d’un siècle auparavant, ces neuroprothèses réactivent la capacité computationnelle intrinsèque de la voie finale commune, permettant aux signaux corticaux résiduels de commander à nouveau la marche. De la table de dissection de Cambridge et d’Oxford aux puces électroniques des interfaces cerveau-machine et à la robotique humanoïde bio-inspirée, la vision intégrative de Sir Charles Scott Sherrington continue d’éclairer de façon magistrale notre compréhension de la machinerie vivante et des mystères du mouvement animé.

Références

• Bernard, C. (1856). Leçons sur les effets des substances toxiques et médicamenteuses. J.-B. Baillière et Fils. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k201198f
• Cajal, S. R. y. (1906). The structure and connexions of neurons. Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1901–1921. Elsevier Publishing Company. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1906/cajal/lecture/
• Cannon, W. B. (1929). Organization for physiological homeostasis. Physiological Reviews, 9(3), 399–431. https://doi.org/10.1152/physrev.1929.9.3.399
• Courtine, G., & Sofroniew, M. V. (2019). Spinal cord repair: advances in biology and technology. Nature Medicine, 25(6), 898–908. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0475-6
• Dale, H. H. (1936). Some recent extensions of the chemical transmission of the effects of nerve impulses. Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1922–1941. World Scientific. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1936/dale/lecture/
• Descartes, R. (1664). Traité de l’homme. Charles Angot. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5748805x
• Eccles, J. C. (1953). The Neurophysiological Basis of Mind: The Principles of Neurobiology. Clarendon Press. https://doi.org/10.1097/00005053-195404000-00018
• Eccles, J. C. (1964). The Physiology of Synapses. Springer-Verlag. https://doi.org/10.1007/978-3-642-99869-0
• Foster, M., & Sherrington, C. S. (1897). A Textbook of Physiology: The central nervous system (7th ed., Pt. 3). Macmillan and Co. https://archive.org/details/textbookofphysio03fostrich
• Golgi, C. (1906). The neuron doctrine: Theory and facts. Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1901–1921. Elsevier Publishing Company. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1906/golgi/lecture/
• Grillner, S. (1981). Control of locomotion in bipeds, tetrapods, and fish. In V. B. Brooks (Ed.), Handbook of Physiology: The Nervous System II. Motor Control (pp. 1179–1236). American Physiological Society. https://doi.org/10.1152/physrev.1981.61.3.645
• Hall, M. (1833). On the reflex function of the medulla oblongata and medulla spinalis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 123, 635–665. https://doi.org/10.1098/rstl.1833.0030
• Helmholtz, H. von. (1850). Messungen über den zeitlichen Verlauf der Zuckung animalischer Muskeln und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Reizung in den Nerven. Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin, 71–83.
• Loewi, O. (1921). Über humorale Übertragbarkeit der Herznervenwirkung. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere, 189(1), 239–242. https://doi.org/10.1007/BF01738910
• Lorente de Nó, R. (1938). Analysis of the activity of the chains of internuncial neurons. Journal of Neurophysiology, 1(3), 207–244. https://doi.org/10.1152/jn.1938.1.3.207
• Luria, A. R. (1973). The Working Brain: An Introduction to Neuropsychology. Basic Books.
• Pavlov, I. P. (1927). Conditioned Reflexes: An Investigation of the Physiological Activity of the Cerebral Cortex (G. V. Anrep, Trans.). Oxford University Press.
• Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27(3), 379–423. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x
• Sherrington, C. S. (1898). Decerebrate rigidity, and reflex coordination of movements. The Journal of Physiology, 22(4), 319–332. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1898.sp000697
• Sherrington, C. S. (1906). The Integrative Action of the Nervous System. Charles Scribner’s Sons. https://archive.org/details/integrativeactio00sherrich
• Sherrington, C. S. (1925). Remarks on some aspects of reflex inhibition. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 97(686), 519–545. https://doi.org/10.1098/rspb.1925.0017
• Sherrington, C. S. (1940). Man on His Nature. Cambridge University Press. https://archive.org/details/manonhisnature00sher
• Wagner, S. J., & Courtine, G. (2020). Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury. Nature Biotechnology, 38(4), 416–417. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0466-4
• Watson, J. B. (1913). Psychology as the behaviorist views it. Psychological Review, 20(2), 158–177. https://doi.org/10.1037/h0074420
• Wiener, N. (1948). Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine. Technology Press / John Wiley & Sons.