Le mal des profondeurs
À mesure qu'il descend, un plongeur éprouve parfois d'étranges sensations il se sent euphorique, puis désorienté et les poissons lui apparaissent monstrueux. C'est la narcose à l'azote. Les neurobiologistes précisent les mécanismes de ces troubles comportementaux.
par Jean-Claude Rostain. Article paru dans POUR LA SCIENCE - N° 346
À mesure que l'on descend dans l'eau, la pression augmente. À la surface, nous subissons une pression égale à une atmosphère ou un bar soit 105 pascals (l'unité de pression est le pascal, mais, par commodité, nous utilise¬rons le bar soit un kilogramme par centimètre carré). Plus on s'éloigne de la surface, plus le poids de l'eau augmente. À dix mètres de profondeur, un centimètre carré de l'orga¬nisme subit une pression correspondant au poids d'une colonne d'eau de dix mètres de hauteur sur un centimètre carré de surface, ce qui représente un kilogramme. À dix mètres, la pression due à l'eau est donc égale à un bar et elle augmente progressivement de un bar tous les dix mètres. À cette pression hydrostatique due à la hauteur d'eau, s'ajoute la valeur de la pression atmosphérique, soit un bar : à dix mètres, le plongeur subit une pression absolue de deux bars; à 60 mètres, la profondeur maximale atteinte lors des plongées en bouteille, la pression est de sept bars. Par conséquent, en profondeur, on respire l'air ou les mélanges gazeux utilisés dans les bouteilles à une pression élevée. À la pression atmosphérique, la composition de l'air étant de 79 pour cent d'azote et de 21 pour cent d'oxygène, la pression partielle d'azote respiré est de 0,79 bar et celle de l'oxygène de 0,21 bar. À dix mètres, la pression partielle d'azote est égale 1,58 bar et celle de l'oxygène de 0,42 bar. Or, selon la loi de Henry, la quantité de gaz dissous dans le sang augmente avec sa pression partielle. En profondeur, la quantité d'oxygène, et surtout d'azote, dans le sang et dans les tissus (et dans le cerveau) augmente jusqu'à atteindre la saturation, c'est-à-dire jusqu'à ce que la pression en gaz dans les organes soit égale à celle du milieu environnant. Cette élévation de la pression d'azote est responsable des symptômes du plongeur...
En 1935, un médecin de la marine américaine, Albert Behnke, a relié les symptômes observés en profondeur au pouvoir narcotique de l'azote sous pression, c'est-à-dire à sa capacité de déclencher les symptômes associés à la narcose. À partir de 30 mètres de profondeur (soit quatre bars), le plongeur se sent détendu, un peu perdu au milieu des poissons et il a quelques difficultés à nager. Plus il descend, plus les troubles s'accentuent : il a des vertiges, des nausées, des hallucinations et est de plus en plus désorienté. C'est la narcose à l'azote. Les plongeurs sont plus ou moins sensibles au pouvoir narcotique de l'azote, et les symptômes disparaissent dès que l'on remonte. Comment expliquer de tels troubles ? Depuis plusieurs années, on étudie, en laboratoire, les effets de l'azote sous pression grâce à des caissons hyperbares, où l'on peut élever progressivement la pression, reproduisant les conditions d'une descente sous l'eau. On a ainsi constaté que plus la pression augmente plus la personne présente des modifications de son humeur, un ralentissement de ses mouvements et même une diminution de ses performances intellectuelles. Ces symptômes sont ceux de la narcose aux
gaz inertes, regroupant l'azote, le xénon, le krypton, l'hydrogène, le néon ou encore l'hélium.
Contrairement à l'oxygène, un gaz inerte n'est pas méta-bolisé par l'organisme, c'est-à-dire qu'il n'entre dans aucune réaction biochimique. L'azote se dissout dans les tissus de l'organisme en fonction de sa pression partielle. A. Behnke a étudié la solubilité des gaz inertes dans les graisses - les lipides - qui constituent les membranes des cellules, afin de relier leur pouvoir narcotique à leurs propriétés physiques. Trois gaz inertes, plus solubles dans les lipides que l'azote, sont aussi plus narcotiques : le xénon, très narcotique à la pression atmosphérique, le krypton, qui entraîne des vertiges, et l'argon. Trois autres gaz inertes sont moins solubles dans les lipides que l'azote : l'hydrogène, deux à trois fois moins narcotique, le néon, trois fois moins narcotique, et enfin l'hélium qui n'a presque pas de pouvoir narcotique.
Mécanismes d'action spécifiques de la pression et de l'azote
L'azote et la pression agiraient tous deux sur les récepteurs de divers neurotransmetteurs dans les ganglions de la base, des structures impliquées dans les fonctions cognitives et motrices.
Les principaux neurones impliqués dans ces connexions sont des neurones dits GABAergiques (en vert) qui libèrent du GABA, un neuromédiateur inhibiteur, des neurones dits dopaminergiques (en orange) qui libèrent de la dopamine, un neuromédiateur qui a des effets excitateurs ou inhibiteurs selon le récepteur sur lequel il se fixe, et des neurones glutamatergiques (en jaune) qui libèrent le glutamate, un neurotransmetteur excitateur. Qui plus est, certains neurones dopaminergiques portent des récepteurs du GABA et les neurones GABAergiques des récepteurs de la dopamine. Tous ces neurones sont étroitement imbriqués.
La substance noire pars reticulata contient des neurones GABAergiques inhibiteurs qui portent des récepteurs du GABA et des récepteurs D2 (inhibiteurs) où se fixe la dopamine. Ces neurones émettent des projections vers les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta et les neurones glutamatergiques excitateurs du thalamus (de la voie nigrothalamique). Les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta ont des récepteurs GABA, se projettent dans le striatum (voie nigrostriée) et ont des prolongements dans la substance noire pars reticulata.
La pression active les récepteurs GABA inhibiteurs des neurones GABAergiques de la substance noire pars reticulata et de la substance noire pars compacta. Ces neurones sont alors
inhibés : ils libèrent moins de GABA inhibiteur dans la substance noire pars compacta et dans le thalamus (voir détails ci-dessous). Il en résulte que les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta et les neurones glutamatergiques du thalamus sont moins inhibés (ou davantage activés). La dopamine est abondamment libérée dans le striatum, l'activité de la voie thalamo-corticale et, par conséquent, l'activité motrice sont augmentées. Ce serait la cause de certains troubles moteurs du syndrome nerveux des hautes pressions.
L'azote, quant à lui, agit directement sur les récepteurs GABA des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta. Ces neurones sont inhibés (voir détails ci-dessous) : ils libèrent moins de dopamine dans le striatum et dans la substance noire pars reticulata. Or la dopamine inhibe les neurones GABA de la substance noire pars reticulata via une activation des récepteurs D2 inhibiteurs situés à leur surface. Comme il y a moins de dopamine, l'inhibition est levée : les neurones GABA sont activés et bloquent les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta et les neurones glutamatergiques du thalamus. La libération de dopamine dans le striatum diminue encore et les neurones glutamatergiques du thalamus sont inhibés. L'activité motrice est ralentie, ce qui expliquerait certains symptômes de la narcose à l'azote.
Par conséquent, la narcose et le syndrome nerveux des hautes pressions résulteraient d'un équilibre entre ces différentes modifications chimiques, celles de la pression sur la voie GABAergique nigrothalamique et celles du gaz sur la voie dopaminergique nigrostriée.
La narcose aux gaz inertes
Donc plus un gaz est soluble dans les lipides, plus il est narcotique. Pour éviter la narcose, l'azote des mélanges respiratoires des plongeurs a été remplacé par de l'hélium, le gaz inerte le moins narcotique. Grâce à ces mélanges hélium-oxygène où la pression partielle d'oxygène est maintenue à des valeurs acceptables (0,4 bar en général), des pressions correspondant à des profondeurs supérieures à 100 mètres sont atteintes en caisson hyperbare, sans signe de narcose.
Qui plus est, les plongeurs professionnels, travaillant sur des plates-formes pétrolières par exemple, reçoivent de la surface les mélanges hélium-oxygène dans leur tourelle de plongée, car ils travaillent à 100, voire 200 mètres de profondeur. Mais, sous ces fortes pressions et malgré l'absence de gaz narcotique dans les mélanges respiratoires, des troubles comportementaux apparaissent : le plongeur tremble, ne contrôle plus ses gestes, a des contractions musculaires involontaires et peut même somnoler. Ces troubles sont différents de ceux de la narcose et sont regroupés sous le terme de syndrome nerveux des hautes pressions, SNHP. Ces symptômes sont d'autant plus intenses que la vitesse de compression est rapide et que la profondeur augmente.
Ainsi, il existe deux types de troubles : la narcose aux gaz inertes (dès quatre ou cinq bars de pression absolue) que subit le plongeur de loisir qui respire de l'azote sous pression, et le syndrome nerveux des hautes pressions (dès dix bars), observé chez les professionnels soumis à des pressions très élevées. Les symptômes de la narcose se caractérisent plutôt par une diminution de l'activité motrice et des capacités de réflexion, alors que ceux du syndrome nerveux des hautes pressions correspondent à une hyperexcitabilité motrice et nerveuse. Ces troubles neurologiques supposent que les gaz sous pression perturbent la communication entre les neurones, c'est-à-dire la libération de certains neurotransmetteurs, des molécules qui assurent ces communications. Nous examinerons deux théories qui tentent d'expliquer ces symptômes : la théorie lipidique et la théorie protéique. Au début des années 1970, on observe que la pression s'oppose au pouvoir narcotique de l'azote : c'est la théorie lipidique, où le gaz aurait un mécanisme dit d'action diffuse. A. Behnke a montré que le pouvoir narcotique d'un gaz est lié à son affinité pour les lipides : en saturant la bicouche lipidique des membranes cellulaires, les gaz narcotiques augmenteraient localement son volume et la déformeraient (voir la figure 2).
La théorie lipidique
Dans le cerveau, cette dilatation de la partie lipidique de la membrane des neurones perturberait la propagation de l'influx nerveux. Elle entraverait alors la libération des neurotransmetteurs et l'activité des récepteurs sur lesquels se fixent ces molécules. Les symptômes de la narcose surviendraient quand la propagation de l'information est notablement réduite. En revanche, de fortes pressions, dont les effets sont mis en évidence par l'utilisation de gaz peu narcotiques tel l'hélium, comprimeraient la bicouche lipidique, ce qui augmenterait la transmission des informations et l'activité des neurones (rappelons que sous l'effet des hautes pressions, la pression partielle de gaz dissous dans le sang et dans les tissus est élevée). Ainsi, deux effets opposés se manifestent : le volume membranaire augmente à cause de la dissolution du gaz narcotique (l'effet narcotique se manifeste) et diminue sous l'effet des hautes pressions (l'effet mécanique de la pression l'emporte) : quand la variation résultante est positive, l'effet narcotique prédomine, quand elle est négative, l'effet excitateur l'emporte.
Par conséquent, pour les plongeurs amateurs qui ne dépassent guère 60 mètres, on peut remplacer l'azote par un gaz moins narcotique, supprimant le syndrome de narcose des profondeurs. En revanche, pour les plongeurs professionnels (100 à 200 mètres de profondeur), on cherche à éviter l'effet excitateur des fortes pressions dû à une compression des membranes. Pour ce faire, on ajoute un peu de gaz narcotique dans les mélanges hélium-oxygène des plongeurs, tel l'azote qui se dissout dans les membranes, maintenant le volume membranaire normal. Cette théorie lipidique est la raison de l'utilisation des gaz trimix : de l'azote ou de l'hydrogène - des gaz narcotiques qui se dissolvent bien dans les membranes - est ajouté au mélange hélium-oxygène pour réduire les symptômes du syndrome nerveux des hautes pressions. Avec la Marine nationale et la COMEX, nous avons montré, en laboratoire, qu'avec des mélanges hélium-azote-oxygène constitués de cinq pour cent d'azote ou hélium-hydrogène-oxygène avec moins de 25 bars d'hydrogène, certains symptômes du syndrome nerveux des hautes pressions, tel le tremblement hyperbare, diminuent, voire disparaissent. Cependant, sous forte pression en caisson hyperbare et en utilisant ces mélanges trimix, des symptômes, telle la somnolence, persistent, et d'autres sont augmentés : la théorie lipidique ne suffit donc pas à expliquer les troubles causés par les gaz sous pression. Un autre mécanisme interviendrait.
La théorie protéique
Depuis quelques années, la théorie dite protéique, émise dans les années 1960 par l'Américain R. Featherstone, revient sur le devant de la scène. En 1994, Nicholas Franks et William Lieb, de l'Impérial Collège à Londres, suggèrent qu'un gaz au pouvoir narcotique élevé (le xénon) se lie à des protéines membranaires des cellules. Les gaz inertes agissent-ils sur ces protéines à pression élevée ?
En 1998, nous avons émis l'hypothèse que l'azote et l'argon se lient à un site protéique situé sur des récepteurs membranaires, lesquels interviennent dans la transmission chimique de l'information entre les neurones. Chez le rat, quel que soit le gaz utilisé, la pression d'apparition de la narcose augmente avec la vitesse de compression : cette pression ne varie pas pour les vitesses faibles, et à partir d'une certaine vitesse, elle augmente brusquement pour atteindre un palier, même si la vitesse de compression continue de s'élever (la courbe du seuil d'apparition de la narcose en fonction de la vitesse de compression est une sigmoïde). Or, selon la théorie lipidique, l'expansion des membranes est quasi-proportionnelle à la concentration des gaz dissous et ne semble pas limitée. Nous avons donc émis l'hypothèse que le gaz agit sur des sites particuliers, présents en quantités limitées : le gaz inerte se lierait spécifiquement à des récepteurs membranaires en modifiant leur activité - on parle de modulateurs allostériques. Si les molécules de gaz se lient effectivement à de telles protéines membranaires, elles agiraient comme une drogue : des molécules pharmacologiques empêchant la fixation des gaz sur ces récepteurs devraient en masquer l'effet. Pour le savoir, nous devions préciser le mécanisme d'action de l'azote sous pression.
Depuis le début des années 2000, nous étudions les mécanismes de neurotransmission dans les ganglions de la base, des structures du cerveau impliquées dans la régulation des processus moteurs et cognitifs (voir l'encadré des pages 34 et 35). Or ces mécanismes sont perturbés par les gaz inertes sous pression. Les ganglions de la base contiennent plusieurs types de neurones : des neurones GABAergiques, libérant du GABA (l'acide gamma amino butyrique), un neuromédiateur inhibiteur, qui ralentit l'activité des neurones où il se fixe ; des neurones dopaminergiques, ayant des récepteurs du GABA et libérant de la dopamine excitatrice ou inhi-bitrice selon le récepteur où elle se fixe ; des neurones glutamatergiques excitateurs libérant du glutamate. En outre, les ganglions de la base sont divisés en plusieurs noyaux : la substance noire pars reticulata et pars compacta, le striatum et le thalamus. Les neurones GABAergiques de la substance noire pars reticulata émettent des projections vers les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta et vers les neurones glutamatergiques du thalamus (c'est la voie nigro-thalamique). Les neurones dopaminergiques de la pars compacta se terminent dans le striatum, définissant la voie dite nigrostriée. Enfin, les neurones glutamatergiques du thalamus sont reliés au cortex : c'est la voie thalamocorticale. Or la voie nigrostriée, la voie nigrothalamique et la voie thalamocorticale modulent les fonctions motrices et cognitives.
Des effets inverses
En 2001 et 2002, grâce à des méthodes de dosage des substances neurochimiques libérées dans ces régions du cerveau de rat, nous avons montré que la pression en mélange hélium-oxygène (sans gaz narcotique) active directement les récepteurs GABA des neurones GABAergiques de la substance noire pars reticulata et de la substance noire pars compacta ; l'inhibition que ces neurones exercent sur les neurones dopaminergiques de la substance noire et sur les neurones glutamatergiques du thalamus est levée, si bien que les concentrations de dopamine dans le striatum augmentent et, par conséquent, l'activité motrice. À l'inverse, l'azote active les récepteurs GABA des neurones dopaminergiques de la voie nigrostriée entraînant une inhibition de ces neurones et des neurones glutamatergiques. Moins de dopamine est libérée, ce qui entraîne une diminution de l'activité motrice.
Ainsi, la pression et les gaz narcotiques ont des effets opposés dans les ganglions de la base du rat. L'azote favoriserait la neurotransmission GABA de la substance noire, entraînant une hypoactivité motrice. Ce serait une des causes de la narcose à l'azote. La pression par elle-même augmenterait l'activité motrice et corticale : cela expliquerait le syndrome nerveux
des hautes pressions. Qui plus est, en 2002, nous avons mi tré que les effets de la pression et de l'azote dépendent l'agencement des unités constitutives des récepteurs GA des neurones GABAergiques et des neurones dopaminergiqt Certaines associations de sous-unités sont davantage si sibles à la pression (on les trouve surtout dans les réceptei GABA des neurones GABAergiques), d'autres à l'azote (: les récepteurs GABA des neurones dopaminergiques).
Plusieurs médiateurs perturbés
Les gaz inertes sous pression agissent aussi sur d'autres retransmissions. Sous pression d'hélium, les acides glutamique et aspartique et la sérotonine - des neurotransmetteurs excitateurs qui modifient l'activité des ganglions de la base - sont libérés. Cependant, alors que l'augmentation de la libération de dopamine est proportionnelle à la pression, la libération de ces neurotransmetteurs peut être soudaine. En outre, en 2005, nous avons montré qu'avec des gaz narcotiques, tel l'azote, l'augmentation de pression déclenche, outre la diminution de dopamine, une perturbation des libérations d'acide glutamique et de sérotonine; les concentrations d'acide aspartique ne changent pas. Bien entendu, les effets des gaz inertes sous pression ne se limiteraient pas à ces seuls neurotransmetteurs. Plusieurs modifications neuochimiques existeraient, perturbant les fonctions motrices et cognitives de la personne narcosée.
De surcroît, quand une personne subit souvent les effets de la narcose, les réactions neurochimiques se modifieraient durablement. En 2005, nous avons observé chez l'animal après plusieurs expositions à une narcose modérée (équivalente à celle que l'homme subit vers 30 mètres de profondeur), que la dopamine augmente dans le striatum au lieu de diminuer. Le gaz qui agit sur les récepteurs GABA modifierait leur activité ou leur répartition au fil des plongées. Nous cherchons aujourd'hui à savoir si ces processus sont irréversibles ou non.
Le mécanisme protéique d'action spécifique des gaz inertes sous pression n'exclut pas le mécanisme lipidique d'action diffuse. Ainsi, la narcose perturberait l'activité des neurones comme le fait un agent pharmacologique. Nous voulons désormais déterminer si les narcoses intenses et fréquentes sont toxiques pour les neurones. Pour limiter les accidents de plongée, il est important de préciser les mécanismes neurochimiques provoqués par ces gaz inertes sous pression. Mais, n'oubliez pas, si les poissons qui vous entourent commencent à changer de couleurs et de formes, remontez doucement vers la surface : les symptômes de la narcose disparaîtront quand l'azote aura été éliminé de votre cerveau...
Commentaire
Les plongeurs, de loisir ou professionnels, et les travailleurs ï en caisson hyperbare - les hyperbaristes - sont exposés à de fortes pressions partielles de gaz inertes, ce qui peut entraîner une narcose. Mais ces gaz sont aussi responsables des pathologies liées à la décompression.
Lors d'un séjour sous forte pression, le sang traversant les poumons - des échangeurs de gaz performants - se sature en inertes en fonction de leurs pressions partielles alvéolaires (selon la loi de Henry, la quantité de gaz dissous augmente avec la pression). Le sang artériel répartit de façon hétérogène les gaz inertes dans tous les tissus, et ce jusqu'à saturation si l'exposition est suffisamment longue (24 à 48 heures pour l'azote ou l'hélium). Les aviateurs et les astronautes sont aussi concernés lorsqu'ils sont décomprimés rapidement à partir de la pression normale (montée rapide ou activité en dehors du véhicule spatial). Lors du retour à la pression atmosphérique, ces gaz dissous doivent repasser par les poumons pour être éliminés. Or une baisse rapide ou importante de la pression ambiante provoque le retour du gaz dissous à sa forme gazeuse là où il se trouve, créant de petites bulles disséminées qui peuvent grossir (selon la loi de Mariotte, une diminution de pression s'accompagne d'une augmentation de volume).
Aussi, la procédure de décompression doit-elle être contrôlée : il convient de respecter des paliers de décompression successifs. Une table de décompression indique la durée pendant laquelle l'hyperbariste doit rester à pression constante pour chaque palier. Il existe de nombreuses tables de décompression adaptées aux conditions d'exposition (personne sous l'eau ou dans un caisson, type de gaz respiré, durée du séjour sous pression, altitude du lieu, etc.). Ces tables sont calculées empiriquement et validées par l'utilisation. Ainsi, même si elles sont respectées lors d'une décompression, la probabilité qu'un accident survienne existe, bien qu'elle soit faible. Si les bulles apparaissent dans l'organisme, elles représentent des corps étrangers et provoquent divers symptômes. Dans les articulations, elles sont responsables de douleurs ostéo-articulaires. En circulant dans les vaisseaux, elles risquent de bloquer le flux sanguin; elles déclenchent alors des hypoxies au hasard des zones embolisées. et les signes sont divers, le plus souvent neurologiques, parfois respiratoires. Ces corps étrangers circulants entraînent aussi une cascade de réactions inflammatoires dans la paroi (l'endothélium) des capillaires. À long terme, des nécroses osseuses dites dysbariques peuvent apparaître dans les grosses articulations (épaules, hanches principalement). Les accidents de décompression peuvent régresser spontanément, mais, le plus souvent, ils laissent des séquelles importantes. Aujourd'hui, ils sont rarement mortels, à moins d'une erreur grave.
Il existe plusieurs cas de décompression trop rapide : en plongée, si la remontée est incontrôlée ou, pour les hyperbaristes, si la table de décompression suivie n'est pas adaptée aux conditions d'exposition, par exemple. Souvent, il y a peu de conséquences. Cependant, si un plongeur est remonté trop rapidement par rapport à la table prévue, une procédure de ré-immersion permet de corriger l'erreur avant que les symptômes n'apparaissent.
En revanche, si des symptômes, même mineurs, sont perçus par le plongeur, l'accident de décompression est une urgence médicale. Les signes les plus courants sont des douleurs articulaires (des épaules, des genoux, de la hanche), des fourmillements dans les bras et, pour les accidents graves, une paralysie (paraplégie) brutale ou progressive débutant par les membres inférieurs. Les traitements reposent alors sur la respiration d'oxygène pur au masque dès l'apparition des signes (pour lutter contre l'hypoxie et favoriser l'élimination du gaz inerte), puis sur la recompression (afin de réduire le volume des bulles) aussi immédiate que possible, en caisson hyperbare et selon les tables spécifiques. L'inflammation est traitée par une perfusion (remplissage avec du sérum, traitement avec des anti-inflammatoires, des vasodilatateurs...). Si le traitement est rapide et approprié, la guérison est souvent complète.
Jean-Claude Le Péchon, ingénieur conseil en hyperbarie