La compréhension actuelle des forces qui déclenchent les commotions cérébrales pourrait être erronée, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Stanford Medicine (États-Unis).
Cette nouvelle étude, publiée dans l’Annals of Biomedical Engineering, a analysé les données de protecteurs buccaux équipés de capteurs de mouvement utilisés par des athlètes dans sept sports différents et a démontré que le mouvement rectiligne de la tête, mesuré par l’accélération linéaire, prédit les commotions cérébrales plus précisément que le mouvement de rotation de la tête, mesuré par l’accélération rotationnelle.
L’accélération linéaire a tendance à dominer lorsque la force d’impact se dirige vers le centre de masse de la tête. Dans les arts martiaux mixtes, il pourrait s’agir d’un coup entre les yeux ; au lacrosse, d’un coup de bâton sur le côté de la tête ; et dans le football américain, d’une collision sur le sommet de la tête lorsque l’on se penche, ou d’une chute arrière où la tête heurte le sol.
Les nouveaux résultats bouleversent près de 85 ans de dogme dans ce domaine, qui soutenait que le mouvement rotationnel était la principale cause des commotions cérébrales. S’ils sont confirmés par des études ultérieures, ces résultats pourraient avoir des implications pour la conception des casques et les normes de sécurité dans le sport.
« L’accélération linéaire ne prédit pas seulement la commotion cérébrale, mais le seuil est plus bas que ce qu’on pensait auparavant en termes de niveaux jugés dangereux », explique Jessica Towns, étudiante en doctorat en bio-ingénierie et principale autrice de l’étude.
La théorie dominante sur la biomécanique des lésions cérébrales remonte aux travaux du physicien écossais AHS Holbourn pendant la Seconde Guerre mondiale. Holbourn a avancé que les impacts provoquant une rotation de la tête, comme un crochet au menton en boxe, sont particulièrement nocifs pour le cerveau en raison du cisaillement : étirement et tension que subit le cerveau lorsque les différentes parties de cet organe, lourdes mais gélatineuses, tournent à des vitesses différentes. Le mouvement linéaire ne produit pas de cisaillement et était considéré comme moins dangereux. Dans les décennies qui ont suivi, certaines études sur des animaux ont semblé confirmer ce qui est connu sous le nom d’hypothèse de Holbourn. Et aujourd’hui, le système de classification le plus utilisé pour les casques dans une large gamme de sports privilégie la réduction de l’accélération rotationnelle.
« Le raisonnement de Holbourn reposait uniquement sur la mécanique; pas sur la biologie », ajoute David Camarillo, docteur en bioingénierie, professeur associé dans les facultés de médecine et d’ingénierie et auteur principal de l’étude.
Jusqu’à récemment, il était difficile d’obtenir des mesures fiables des impacts à la tête chez l’homme. « Les seules données disponibles provenaient des systèmes de capteurs installés dans le casque », note Camarillo. « Le problème avec le casque, c’est qu’il bouge beaucoup par rapport à la tête, ce qui ne fournit pas une mesure directe de celle-ci ».
Pendant plus d’une décennie, le laboratoire de Camarillo a contribué au développement de technologies de détection de mouvement pouvant être intégrées aux protecteurs buccaux, permettant une capture plus précise du mouvement de la tête.
Le nouvel étude analyse l’ensemble de données sur protecteurs buccaux le plus large et le plus diversifié à ce jour, comprenant 203 athlètes, hommes et femmes, de sept sports, du lacrosse aux arts martiaux mixtes et au football américain. Elle comprend 47 impacts ayant provoqué des commotions et 3 804 impacts qui n’en ont pas provoqué. (Les impacts ont été enregistrés sur vidéo et la commotion cérébrale a été déterminée par l’intervention du personnel médical sur place ou par la révision ultérieure de la vidéo pour repérer des signes visuels de blessure, tels que la désorientation ou des troubles de l’équilibre).
L’IMPACT LINÉAIRE PRÉDI LE RISQUE DE COMMOTION CÉRÉBRALE PLUS FORT
Lorsque l’équipe s’est donné pour objectif de déterminer les forces qui contribuent aux commotions cérébrales à l’aide des nouvelles données, elle espérait confirmer l’hypothèse de Holbourn. « Mais nous avons trouvé le contraire », avertit Towns. « Nous avons découvert que le mouvement linéaire de la tête était plus prédictif d’une commotion cérébrale que le mouvement rotationnel de la tête ».
Concrètement, dans leur modèle mathématique, les chercheurs ont découvert que l’accélération linéaire maximale était le facteur prédictif le plus important pour déterminer si un impact provoquerait une commotion cérébrale. Ajouter l’accélération rotationnelle maximale n’améliorait pas le modèle, mais l’inclusion d’une variable liée, la vitesse rotationnelle maximale, a légèrement amélioré sa précision.
Cela pourrait être dû à la courte durée des impacts dans l’étude, selon les chercheurs. Dans les impacts plus prolongés, comme le coup de fouet cervical, l’accélération rotationnelle, qui correspond au changement de vitesse rotationnelle au fil du temps, pourrait être un facteur plus significatif.
Dans la vie réelle, presque toutes les collisions entraînent des mouvements de la tête à la fois linéaires et rotationnels, explique Camarillo. Il souligne que ces nouveaux résultats n’impliquent pas que le mouvement rotationnel soit sans danger, mais simplement qu’il prédit les commotions cérébrales avec moins de précision que le mouvement linéaire. Il est possible que les impacts inclus dans l’étude aient tendance à présenter un mouvement linéaire plus marqué que rotationnel.
Les résultats suggèrent que les directives de sécurité pour les casques, du football au cyclisme, pourraient sous-estimer le risque lié à l’accélération linéaire. Les chercheurs ont découvert que des impacts à la tête avec une accélération linéaire de 100 g (100 fois l’accélération due à la gravité) entraînent un risque de commotion cérébrale de 50 %. L’impact moyen sur la tête dans le football américain serait d’environ 25 g.
« Si cent personnes recevaient un impact de 100 g chacun, la moitié souffrirait d’une commotion cérébrale », illustre Towns. « C’est important car les seuils utilisés pour commercialiser les casques sur le marché sont généralement bien plus élevés que 100 g ».
Un seuil fréquemment cité pour un risque de commotion cérébrale de 50 %, dérivé des capteurs installés dans les casques, est de 192 g. En revanche, les nouvelles données sur les protecteurs buccaux montrent qu’une collision de 150 g garantit pratiquement une commotion cérébrale, avec un risque supérieur à 99 %.
Les chercheurs ont également analysé certains impacts qui avaient provoqué des commotions chez des athlètes de moins de 14 ans et ont découvert que le seuil pour développer une commotion cérébrale est probablement bien plus bas chez les enfants. « Il est urgent de recueillir davantage de données sur les enfants, car cela pourrait devenir le plus grand problème », souligne Camarillo.
Les innovations récentes en matière de sécurité face aux commotions, comme les revêtements anti-glisse des casques, se sont concentrées sur la réduction de la rotation de la tête. Selon Camarillo, une interprétation optimiste de ces nouveaux résultats est qu’ils offrent un nouvel outil pour améliorer la sécurité.
« Si l’accélération linéaire constitue un mécanisme de commotion cérébrale distinct et qu’il est très courant, alors nous avons manqué une grande partie du problème », assure-t-il. « Nous n’avons pas suffisamment travaillé à optimiser cette variable. Cela me donne l’espoir qu’il existe une nouvelle opportunité pour prévenir les commotions cérébrales ».
Les chercheurs ont testé des casques de football américain avec de nouveaux coussinets remplis de liquide, les comparant à des casques standards sur des mannequins d’essai en laboratoire. À tous les niveaux d’impact, ils ont constaté que la technologie liquide réduisait le risque de commotion en diminuant l’accélération linéaire maximale.
Par exemple, lors des niveaux d’impact les plus élevés testés, le risque de commotion cérébrale était de 73,3 % pour les casques standards et de 55,7 % pour les casques équipés de coussinets remplis de liquide. (Camarillo est co-fondateur de SoftShox, l’entreprise qui a obtenu la licence de la technologie de Stanford et fabrique les coussinets remplis de liquide.)
Pour le moment, les mécanismes biomécaniques exacts par lesquels l’accélération linéaire endommage le cerveau ne sont pas encore entièrement compris. Cela pourrait résulter de l’impact du cerveau contre le crâne, ou peut-être d’un phénomène appelé cavitation, dans lequel les variations de pression à l’intérieur du cerveau provoquent la formation puis l’effondrement de petites bulles. Les chercheurs développent divers modèles physiques et computationnels pour mieux comprendre ce qui se passe dans le cerveau.
Malgré l’ampleur des données de cette nouvelle étude, elle demeure un nombre relativement faible de cas de commotion cérébrale, conclut Camarillo. D’autres études, menées tant par son équipe que par d’autres, seront nécessaires pour vérifier les résultats, convaincre les sceptiques et, en fin de compte, améliorer la sécurité sportive en matière de commotions cérébrales.
