Action musculaire sur les articulations

Lorsque le muscle se contracte, il produit un mouvement en exerçant une force sur les tendons, qui tirent eux-mêmes sur les os d'une articulation. Chaque extrémité du muscle est attachée aux deux os qui forment l'articulation en deux points d'attachement. Ces muscles sont fixés aux os et travaillent au moins en paires ayant des actions opposées (muscle agoniste et antagoniste) afin de mobiliser le degré de liberté de l'articulation dans les deux sens. L'assemblage de deux muscles autour d'une articulation est équivalent à un actionneur à un degré de liberté cinématique.

Nous verrons plus loin le cas particulier de la commande en co-contraction, c’est-à- dire l’activation simultanée des deux muscles. Le muscle peut croiser d'une (monoarticulaire) à plusieurs articulations (polyarticulaire), et plusieurs muscles peuvent parfois agir sur un même degré de liberté articulaire. Ainsi, contrairement aux moteurs et articulations en robotique, les mouvements articulaires générés par un muscle ne sont que très rarement des rotations ou translations parfaites selon un seul degré de liberté. Cependant, pour pouvoir appliquer le formalisme de l’automatique, on décomposera et on simplifiera les actions des muscles sur les articulations (figure 2.4).

Les muscles travaillent rarement de façon isolée. La plupart des mouvements nécessitent l’activité coordonnée de plusieurs muscles. Pour un mouvement articulaire donné, on classe les actions musculaires et par extension les groupes musculaires impliqués en fonction de leur contribution au mouvement : agoniste, antagoniste, synergique et fixateur.

Les muscles agonistes sont impliqués dans la majorité des mouvements et actionnent l’articulation dans le sens désiré du mouvement. Les muscles antagonistes s’opposent au mouvement ou à l’effort extérieur. En général, lorsqu’un muscle agoniste est activé, son antagoniste est relâché. Cependant, pour obtenir une plus grande précision, une plus grande stabilité, un mécanisme de co-contraction peut se mettre en place. Ses propriétés et son contrôle restent des mécanismes encore méconnus mais très souvent observés. Par exemple, dans le cadre de mouvements nécessitant de fournir un grand effort, cette co-contraction musculaire participe à la stabilité des articulations. De même, le maintien de la posture implique une activité antagoniste importante du système musculaire pour assurer une grande stabilité.

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Figure 2.4. Modèle d'action des muscles ur les articulations. (a) mono-ar iculaires. (b) bi a t culai es.

Les muscles synergiques entrent en action pour aider d’autres muscles lorsque la force nécessaire dépasse celle que peut produire le muscle principal. Ceci se produit lorsqu’une articulation est mobilisée par plusieurs groupes musculaires (hanche et genou), soit parce que ce groupe est composé de muscles polyarticulaires (quadriceps ou ischio-jambiers), soit parce que deux muscles au moins d’une même articulation agissent dans le même sens mais avec des points d’insertion, et donc des bras de leviers différents (grande fessier et ischio-jambiers). Dans ce dernier cas, la stratégie d’activation repose sur les besoins en couple, vitesse, précision et stabilité sans que l’on connaisse précisément les mécanismes qui gouvernent ce choix.

Les muscles fixateurs servent également au maintien de structures osseuses libres mais participent aussi à la génération de mouvement. Par exemple, l’omoplate est retenue au squelette uniquement par des muscles qui la stabilisent et accompagnent le mouvement de l’épaule.

L'efficacité de la force résultante d'une contraction musculaire dépend de la direction du mouvement désiré. Une partie de la force se perd lorsque sa ligne d’action ne coïncide pas avec la direction du mouvement de l’objet. Or, la ligne d’action des muscles est fixée par leurs attaches anatomiques sur les os et par la disposition de leurs fibres musculaires. Par conséquent, les muscles doivent souvent tirer selon une ligne d’action différente de celle du mouvement, ce qui réduit leur efficacité. Ainsi, un muscle penniforme (attaché au tendon avec un angle) n’utilise qu’une partie de sa force pour exercer une traction sur le tendon. La force disponible pour le mouvement varie également selon le degré d'ouverture de l'articulation (figure 2.5).

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Figure 2.5. La force de rotation dépend de l'angle d'ouverture de l'articula ion ; plus l'angle (c,b) est grand, plus la force disponible pour le mouvement sera grande.

Le fonctionnement de la plupart des muscles fait intervenir un système de levier. Ce système transforme des mouvements rectilignes en mouvements circulaires, une force en un couple. Le rapport des bras de levier permet de favoriser le couple ou la vitesse et le débattement angulaire disponibles. Dans le corps humain, les articulations sont les points d’appui et les os du squelette agissent comme leviers. La force appliquée provient de la contraction musculaire, appliquée sur l’os au point d’insertion du muscle. Ainsi, l’effet de la contraction d'un muscle est différent selon la position relative de ses insertions proximales et distales autour d’une articulation. Ainsi, s’il a des insertions lointaines, sa contraction engendre un mouvement de faible amplitude, mais le moment qu’il génère par rapport à l’articulation peut être important ; c’est donc un muscle fournissant un couple important à l’articulation. A l’inverse, s’il

possède des insertions proches de l’articulation, sa contraction génère une amplitude de mouvement importante, mais l’effort maximal qu’il peut générer est moindre que dans le cas précédent ; c’est alors un muscle permettant une plus grande vitesse de mouvement (Eq. 2.1). Ces propriétés dépendent aussi de l’angle d’ouverture de l’articulation (figure 2.5).

Par exemple, quand on se tient sur la pointe des pieds, l'avant-pied est le point d'appui, le poids du corps est la charge et la contraction des muscles du mollet fournit l'effort qui soulève le talon du sol. C'est un mouvement lent et stable, mais le muscle génère un couple très élevé (figure 2.6c). Dans le cas de l'articulation du coude en flexion, le poids de la main et de l'avant-bras représentent la charge, l'articulation elle-même est le point d'appui et la contraction du muscle biceps brachial fournit l'effort (figure 2.6b). Dans le cas des muscles cervicaux postérieurs, la force est primordiale et la vitesse est moins importante (figure 2.6a). Les articulations sont donc des points d’appui autour desquels s’insèrent des muscles dont la contraction produit un mouvement de rotation, qu’on nomme moment. Le moment exercé par une force musculaire sur une articulation est calculé selon :

⎧⎨

⎩

C = F.h

dx = hdθ (2.1)

Où C est le moment, h est le rayon de la poulie, θ est l’angle de rotation, x est la longueur du muscle et F est la force musculaire (figure 2.4a).

Figure 2.6. Fonctionnement du système squelettique. Les muscles actionnent les articulations.