Centre Européen de la Colonne Vertébrale

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2 - Quand appareiller une scoliose idiopathique ? Théorie du chaos et screening

 

Introduction.

Le problème se pose pour les scolioses de moins de 20°. Il est admis pour l’instant que nous n’avons aucun critère permettant de prédire l’évolutivité de la scoliose. Le prescripteur a alors deux solutions :

Soit traiter immédiatement avec le risque de faire porter inutilement un corset à l’enfant,

Soit attendre la certitude de l’aggravation de la scoliose avant de prescrire un corset avec le risque du reproche des parents qui constatent que nous avons laissé s’aggraver la scoliose sans rien faire.

Le concept de la théorie du chaos permet d’éviter cet écueil.

 

LA THEORIE DU CHAOS

« Il peut arriver que de petites différences dans les conditions initiales en

engendrent de très grandes dans les phénomènes finaux. La prédiction

devient impossible et nous avons le phénomène fortuit. Une cause très

petite qui nous échappe, détermine un effet considérable que nous ne

pouvons pas voir et alors nous disons que cet effet est dû au hasard. »

Henri POINCARE : Science et Méthodes 1908

 

 

 

Edward Norton Lorenz est météorologue. De sa fenêtre de « l'lnstitut of Technology du Massachussetts » il contemple les nuages. Sur son ordinateur un « Royal Mac Bee » qui occupe une partie importante de son bureau, il reconstitue le mouvement et la vitesse des vents sur un globe idéal et toutes les heures les cyclones numérisés s'étalent sur les listings. Avec son ordinateur Lorenz a réduit l'atmosphère à une dizaine d'équations et petit à petit le système révèle lentement ses secrets. Un jour d'hiver 1961, Lorenz cherche à augmenter le temps des prévisions. Il a déjà effectué des prévisions sur plusieurs jours et théoriquement il doit repartir depuis le début. Mais il prend un raccourci, au lieu de reprendre au début l'exécution de son programme, il commence à mi-chemin, c'est-à-dire qu'il introduit manuellement dans la machine les conditions initiales en tapant des nombres tirés du dernier listage. Cette nouvelle exécution aurait du reproduire exactement l'ancienne sur la période de temps déjà explorée : Lorenz avait lui-même introduit les nombres dans l'ordinateur et le programme était le même. Pourtant, en regardant le nouveau listage, il s'aperçoit que les prévisions de la météo numérique sont totalement divergentes jusqu'à la disparition de toute ressemblance entre elles. Soudain, il comprend la vérité, l'ordinateur garde en mémoire 6 chiffres après la virgule, alors que cette précision pour des raisons de place n'est que de 3 chiffres sur le listage. Les nombres tronqués ont été rentrés dans la machine et cette petite différence de 1 pour mille bien négligeable compte tenu de la précision habituelle du recueil des données va déclencher la tempête sur l'ordinateur. Lorenz vient de formaliser la théorie du chaos. Le titre de sa communication, la plus citée dans la bibliographie spécialisée a été initialement présentée le 29 décembre 1972 au 139ème meeting de l'American Association for the Advancement of Science qui eut lieu à Washington et pose bien le problème : « Est-ce qu'un battement d'ailes de papillon au Brésil peut provoquer une tornade au Texas ? » (Lorenz, 1979).

 

Au XVIII siècle, Isaac Newton a défini l’équivalence masse-énergie et trouve de manière explicite la cause de certains mouvements apparemment désordonnés. Il parle de déterminisme. La mécanique newtonienne n’est pas fausse, mais considère l’homme debout immobile contre la pesanteur.

Dès le début du siècle, le mathématicien Henri Poincaré se rend compte que l’espace euclidien à 3 dimensions ne rend pas compte de tous les phénomènes.

Benoît Mandelbrot précise qu’un point n’est pas toujours dans un espace à 3 dimensions, il peut se situer, par exemple, dans un espace à 3,3897 dimensions. La valeur décimale indique comment

varie l’intensité de la déformation selon chacune des directions de l’espace. C’est la dimension fractale. Au cours de ces 40 dernières années, mathématiciens et physiciens ont tenté d’expliquer l’aspect irrégulier de la nature, son caractère discontinu et désordonné par la théorie du chaos. L’une des caractéristique du concept biomécanique d’intégrité tensionnelle, décrite en 1920 avant la connaissance des fractales est que ces systèmes ont théoriquement une taille illimitée.

En théorie du chaos, les attracteurs étranges sont la preuve d’un déterminisme chaotique. Les images fractales, comme le tracé de l’électroencéphalogramme, constitue des attracteurs étranges.

En 1963 le titre de la communication d’Edward  Edward Norton Lorenz, la plus citée dans la bibliographie spécialisée, pose bien le problème : «Est-ce qu’un battement d’ailes de papillon au Brésil peut provoquer une tornade au Texas ?»

 

La théorie du chaos a permis une progression dans la compréhension de toutes les sciences.

En médecine depuis 1986, date du premier congrès à Washington, cette théorie permet également d’expliquer l’évolution de nombreuses pathologies.

 

La première communication au congrès de Washington sur Médecine et théorie du chaos date de 1986 et concernait le mouvement des yeux chez le schizophrène.

IMPREDICIBILITE DE L'EVOLUTION

11 faut bien reconnaître que si nous connaissons relativement bien les lois de la croissance osseuse, la physiologie nerveuse et musculaire, la biomécanique vertébrale, les facteurs expérimentaux reproduisant une scoliose, les éléments cliniques péjoratifs... Nous sommes incapables de prédire l'évolutivité d'une scoliose.

Lorsqu'en 1989, Duval-Beaupère recherche tous les critères pouvant servir de prédicteurs de l'évolutivité d'une scoliose en période de croissance, elle ne peut retenir qu'un seul facteur avec un intervalle de confiance de 95 % ; c'est une angulation de scoliose supérieure à 35°, c'est-à-dire une scoliose dont le mur postérieur de la vertèbre apicale s'est déjà effondré.

En pratique, il faut bien dire à un enfant présentant une scoliose de 20° à 11 ans que nous ne pouvons prédire l'évolution, et que seule la surveillance stricte au moins tous les 6 mois permettra de préciser cette évolution et d'adapter la thérapeutique. Il ne faut en aucun cas rassurer à tort, ni dramatiser en envisageant un corset préventif.

SCOLIOSE MULTIFACTORIELLE

L'étude expérimentale des scolioses montre que de nombreux facteurs peuvent provoquer une scoliose chez l'animal : facteurs osseux, musculaires, ligamentaires, neurologiques, métaboliques et chimiques, posturaux.

On admet que la scoliose est une maladie multifactorielle, mais on n'a jamais pu démontrer que l'association de plusieurs facteurs va provoquer la scoliose.

La transposition linéaire chez l'homme est décevante.

La transposition chaotique est logique.

On admet volontiers qu'une perturbation du système postural, par exemple au niveau de l'articulation temporo-mandibulaire, ou du capteur podal, puisse dérégler le système et provoquer la tornade scoliotique. Il est par contre aussi illusoire de vouloir traiter la scoliose par une semelle plantaire que d'aller à la chasse au papillon pour éviter la tornade.

 

SCOLIOSE ET MODÉLISATION BIOMÉCANIQUE

D'après Maxwell la colonne vertébrale est un système instable tel un crayon posé sur la pointe. Pour maintenir une position verticale, la colonne va osciller en permanence autour d'une ligne de gravité initialement verticale. A l'occasion d'une perturbation de ce double mouvement oscillatoire permanent, la position d'équilibre ne sera plus la verticale, et la scoliose va se constituer.

Lorsqu'il existe une pathologie, le système oscillatoire est trop perturbé. L'équilibre est obtenu dans d'autres conditions, notamment par un élargissement important du polygone de sustentation (Mackay, 1977).

La scoliose de moins de 25° est une des applications de la théorie du chaos au rachis, l’autre application est la lombalgie.

 

En effet, le rachis est un système :

- ouvert, la verticalité permet des échanges permanents avec l’extérieur (voir biomécanique de la verticalité)

- imprévisible (effet papillon). En 1972, Edward Norton Lorenz publie la communication la plus citée de la théorie du chaos : « Est-ce-qu’un vol de papillon au Brésil peut provoquer une tornade au Texas ?». L’imprévisibilité des phénomènes chaotiques résulte d’une sensibilité extrême aux conditions initiales. C’est le cas de la scoliose de moins de 25° dont nous sommes pour un enfant précis incapables de prédire l’évolution.

- complexe (multifactoriel). La scoliose est un symptôme multifactoriel, toutefois aucun des éléments caractéristiques d’une scoliose évolutive telle que le dos plat, la rotation, l’hyper laxité, les troubles de l’équilibre... ne constitue un critère évolutif, même avec l’apport de l’ordinateur.

- discontinu (seuil) L’évolution d’une scoliose est non linéaire et nous avons décrit avec

Stagnara des discontinuités ou seuils.

- déterministique (non dû au hasard). Le dos plat est caractéristique d’une scoliose évolutive dysplasique, toutefois de nombreux patients présentent un dos plat sans scoliose.

- modélisable (4ème dimension fractale). Benoît Mandelbrot remarque qu’un point n’est pas toujours dans un espace à 3 dimensions. Mathématiquement il existe des chiffres après la virgule

correspondant à la dimension fractale. La valeur décimale varie comme l’intensité de la déformation selon chacune des directions de l’espace. Cette 4ème dimension ou dimension fractale de déformation ne correspond plus à une continuité visible dans notre espace à 3 dimensions plus le temps. C’est le chaos apparent, mais en réalité les causes sont continues.

Si l’on remplace le temps par cette 4ème dimension il est possible de visualiser la plupart des systèmes de notre corps : cerveau, os, bronches, tube digestif à l’aide d’une formule mathématique.

- interphasé (la puberté est le passage de la phase enfance à la phase adulte). La dimension chaotique intervient à l’interphase entre le liquide et le solide comme par exemple le flocon de neige ou la côte de Bretagne. La puberté, caractéristique de l’homo sapiens qui permet de gagner 3 ans sur une croissance linéaire est un changement de phase entre l’enfance et l’âge adulte. C’est à cette période que surviennent la plupart des pathologies que nous étudions aujourd’hui.

 

 

Discussion

La théorie du chaos est très utilisée en sciences humaines et depuis plusieurs années en médecine. On peut compléter l’approche réductrice anatomique favorisée par le développement de l’imagerie médicale par une approche chaotique ou l’être vivant fait partie d’un système dynamique qui interagit avec l’environnement.

Biomécaniquement, le rachis est un système instable qui se déforme dans le temps jusqu’à son effondrement ou jusqu’à son évolution vers un nouvel état de stabilité. Il s’agit en outre d’un système qui ne revient pas à sa position d’équilibre initial après l’application d’une contrainte

déformante.

 

En pratique l’approche chaotique est fondamentale. Par exemple, il est vrai qu’une altération d’un capteur podal peut être le vol de papillon qui va provoquer la tornade scoliotique, mais en sens inverse on ne peut prétendre traiter une scoliose par une semelle orthopédique, pas plus que l’on ne va éviter la tornade par une chasse aux papillons au Brésil. Le traitement étiologique de la scoliose chaotique n’a pas de sens.

 

Le deuxième problème est celui du début du traitement. Le traitement dès la première consultation à une angulation inférieure à 20° a pour conséquence le risque de traiter une scoliose non évolutive sans la possibilité de diminuer l’angulation de la courbure. En effet tous les essais de traitement préventif avec objectif 0 ont été des échecs. En dehors de quelques cas que l’on montre volontiers dans les congrès médicaux, il est admis que le traitement orthopédique conservateur permet au mieux d’éviter l’aggravation de la scoliose après 11 ans. Le cartilage de croissance n’est pas assez actif pour restaurer un corps vertébral rectangulaire. Si l’on décide d’attendre, on court le risque de voir la scoliose s’aggraver et de subir le regard réprobateur de la mère. Il faut donc bien expliquer les enjeux dès la première consultation.

 

RÉFÉRENCES

 

Gleick J.: La théorie du chaos. Vers une nouvelle science. Flammarion éd. Paris, 1991.

 Goldberger A.L., Bhargava V., West B.J. : Nonlinear dynamics of theheartbeast. Physica 1985, 17D, 207-14.

Haken H., Wunderlin A. : Le chaos déterministe. La recherche, 1990,21, lZ48-55.

Lorenz E.N.: Deterministic nonperiodic flow. J. Atmospheric Sciences, 1963, 20, 130-41.

Lorenz E.N. : Predictability : Does the flap of ò butterfly's wings in Brazil, set up a tornado in Texas ? American Association for the Advancement of Science. Washington, 29 décembre 1979.

De Mauroy J.C. : La scoliose, traitement orthopédique conservateur. Sauramps édit. Montpellier, 1996.

De Mauroy J.C., Scoliose et théorie du chaos. Res Eur Rachis, 2005, 41, 1715-1718

Mackay M.C., Glass L.: Oscillation and chaos in physiological control systems. Science, 1977, 197, 286.

Sparrow C. : The Lorenz equations, bifurcations, chaos, and strange attractors. Springer Verlag ed. New York, 1982.

Thom R. : Modéles mathématiques de la morphogénése. Union Générale d'éditions. Paris, 1974.

Thom R. : Paraboles et catastrophes. Flammarion édit. Paris, 1983.

Winfree A.T. : When time breaks down : the three dimensional dynamics of electrochemical wawes and cardiac arythmias. Princeton University Press. Princeton, 1987.

Diaporama


Biomécanique linéaire et non linéaire de la scoliose

L’expérience du traitement de la scoliose amène à séparer deux situations bien distinctes. En dessous de 25°, il est impossible de prévoir l’évolutivité d’une scoliose, nous sommes dans une zone chaotique, au dessus de 25°, l’évolution est caractérisée par une courbe bien décrite par Madame Duval Beaupère.

Scoliose et théorie du chaos

La scoliose est un bon exemple de système chaotique.

- Le rachis vertical est ouvert, facilitant les échanges avec l’extérieur.

De nombreuses pathologies comme la scoliose de moins de 25° et la lombalgie évoluent de manière imprévisible. C’est l’effet papillon, bien schématisé par le titre de la célèbre communication d’Edward Lorentz : « Est-ce qu’un battement d’ailes de papillon au Brésil peut provoquer une tornade au Texas ? ».

Si nous prenons l’exemple de la pomme, elle va tomber selon les lois de gravitation de Newton et nous pouvons prévoir l’emplacement de la chute. La feuille de l’arbre tombe suivant les mêmes lois, mais on ne peut pas prévoir le lieu exact de sa chute, parce qu’elle est plus sensible au vent. L’imprévisibilité de tels phénomènes résulte d’une sensibilité extrême aux conditions initiales. C’ est le chaos déterministique.

L’étiologie de la scoliose est complexe, multifactorielle. Lorsque nous réunissons dans un ordinateur les différentes caractéristiques des scolioses évolutives : Le dos plat, l’importance de la rotation, l’hyperlaxité, les troubles de l’équilibre… aucune de ces caractéristiques ne s’avère être un critère prédictif. Seule une angulation de plus de 25° caractérise les scolioses évolutives, mais à ce stade, nous ne sommes plus en phase chaotique.

Par exemple, nous voyons souvent des dos plats sans scoliose évolutive.

Les mamans rapprochent souvent la scoliose d’une mauvaise attitude avec port asymétrique du cartable, ce qui est sans doute vrai, mais la scoliose structurale est loin d’être la règle chez les hémiplégies infantiles et les amputés congénitaux.

L’existence de seuils et de discontinuités est une caractéristique des systèmes chaotiques et de la scoliose. La rotation est maximum au niveau de la vertèbre apicale. Lors d’un mouvement de flexion antérieure du tronc, une faible rotation est stable, car les bras de levier musculaire concaves et convexes se situent de part et d’autre du Centre Instantané de Rotation (mur postérieur du corps vertébral). Lorsque la rotation est plus importante, les bras de levier se situent du même côté et la vertèbre dérape comme un triporteur dans une courbe excessive.

Nous évoluons dans un espace à 3 dimensions plus le temps. Dans la théorie du chaos, on décrit une 4° dimension ou dimension fractale de déformation qui ne correspond plus à des lois de proximité dans l’espace, ni à une continuité visible. C’est le chaos apparent, mais en réalité les causes qui agissent sont continues l’une l’autre dans toutes leurs 4 dimensions.

La 4° dimension fractale contient infiniment plus d’informations qu’une dimension de coordonnées. Quand on précise l’échelle, elle nous en fournit la longueur.

Il est étonnant de constater qu’une formule mathématique fractale fournit une image très proche de certains organes comme le cerveau, les bronches, les villosités intestinales.

Ces images concernent essentiellement les organes qui constituent une interface entre gaz, liquides et solides. La puberté, caractéristique de l’homo sapiens, constitue en quelque sorte un changement de phase avec passage de l’enfance à l’état adulte.

En pratique cette théorie modifie le comportement du médecin au niveau du traitement et de la prévention. Le traitement soit disant étiologique de la scoliose par un appareil dentaire ou une semelle n’a pas plus de sens que d’aller à la chasse au papillon pour éviter la tornade au Texas. Le système chaotique ne fonctionne que dans un sens. De même, si la scoliose évolue malgré la kinésithérapie, ce ne sera pas la « faute » du kinésithérapeute, pas plus que la construction antisismique ne peut éviter le tremblement de terre.

SCOLIOSE LINEAIRE

L’évolution des scolioses de plus de 25° est plus mécanique.

Au dessus de 25°, l’évolution est caractérisée par une courbe bien décrite par Madame Duval Beaupère.

La scoliose est une déformation tridimensionnelle du rachis

La croissance du corps vertébral s’effectue simultanément au niveau de 5 noyaux.

Une hyperpression au niveau de la concavité diminue la croissance. Au niveau de l’apex de la scoliose, la translation dans un plan frontal nécessite une contraction de la musculature convexe pour maintenir l’équilibre, ce qui augmente les pressions et favorise la déformation de la vertèbre apicale avec création d’un véritable cercle vicieux en période de fragilité pubertaire.

Le flambage avec déformation en incurvation du flexible lorsqu’il subit une charge verticale peut également constituer un mécanisme d’aggravation.

Lors d’un mouvement de flexion antérieure du tronc, une faible rotation est stable, car les bras de levier musculaire concaves et convexes se situent de part et d’autre du Centre Instantané de Rotation (mur postérieur du corps vertébral). Lorsque la rotation est plus importante, les bras de levier se situent du même côté et la vertèbre dérape comme un triporteur dans une courbe excessive.

L’asymétrie costale a été bien décrite par Geyer de Berck. L’inspiration profonde favorise la rotation. Lorsque l’on note une asymétrie importante, il faut éviter les activités sportives essoufflantes.

L’asymétrie costale conditionne également la correction tridimensionnelle de la scoliose dans les corsets. La tendance naturelle d’appuyer sur la gibbosité dans le plan sagittal est catastrophique, car n’a aucun effet sur la dérotation, mais favorise au contraire le dos plat. Pour déroter, il faut appuyer obliquement sur le versant interne de la gibbosité avec un contre appui antérieur au niveau de l’auvent chondro-costal gauche si la gibbosité est à droite.

Nous avons déjà parlé de la déformation vertébrale apicale dans un plan frontal, il existe également une déformation dans un plan sagittal avec diminution de hauteur du mur postérieur et globalement extension du rachis et dos plat.

Ce dos plat dans certaines formes dysplasiques peut réaliser une véritable scoliose antérieure.



Auteur : Dr Jean Claude de Mauroy (Médecine Orthopédique)

Cette page a été mise à jour pour la dernière fois le : 8 décembre 2011

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