I. Systèmes de communication et de régulation[1]

CONTROLES ET REGULATIONS
I. SYSTEMES DE COMMUNICATION ET DE
REGULATION
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A. NOTION DE CONSTANTE EN BIOLOGIE, DE MILLIEU INTERIEUR ET D’HOMEOSTASIE
Les constituants du sang ont des valeurs contantes : si on fait un prélèvement sanguin, on observe que les
concentrations de ces constituants sont égales dans le temps et d’un individu à l’autre. Par ex : glycémie 1 g/l
soit 0,5 mmol.l-1.
Chez le malade, certaines grandeur sont totalement différentes de la normale. On peut se poser 3 questions
en physiologie :
 combien : environ 1 g/l
 comment cette valeur est-elle atteinte
 pourquoi : rôle pour la survie.
Cas du glucose dans le sang :
 Combien ? Les valeurs varient dans certaines limites (au delà desquelles la santé n’est plus maintenue).
Normalement : 1 g/l ou 5,5 mmol/l dans le sang et le LEC
 Comment ? le volume du LEC est de 20 l : masse de glucose = 20 g dans le milieu intérieur.
Le pool de glucose du milieu intérieur sert à alimen-
ter les cellules musculaires et le métabolisme.
Un exercice musculaire dépense 400 w (J). Or, 1 g
de glucose correspond à 17 kj. Le rendement maximal est
de 40 %. Donc 1 g de glucose fournit 6,8 kj. D’où 400 w
consomment 3,5 g de glucose chaque minute.
20 g de glucose
D out
º
D in
º
20 g de glucose
 20 g de glucose sont épuisés totalement en 6 minutes.
Comme le taux sanguin reste le même, il y a renouvellement du glucose.
Le taux de renouvellement d’un constituant est la fraction du pool renouvelé, c’est à dire entrant et sortant
par unité de temps.
Le Pool étant la quantité de substance concernée dans le compartiment considéré.
Il est dans le cas présent de 3,5 g/min.
Il traduit le temps nécessaire pour qu’un volume (ou une masse) du constituant contenu dans le comparti-
ment y entre ou en sorte totalement.
C’est donc un rapport entre le contenu du compartiment et l’affluence ou la perte.
 étude de ce qui permet la régulation de la glycémie.
 Pourquoi ?
Pour permettre l’homéostasie c'est à dire la constance du milieu intérieur.
Claude Bernard : la survie d’un être vivant nécessite que ses cellules soient contenues dans un milieu dont
les constantes physico-chimiques soient stables (compatibles avec la survie)
Ce maintien est permis par les organes qui alimentent ou qui éliminent les composants du milieu intérieur.
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Ref : Guyton

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(Homéostasie vient du grec homéo : stable et stase : position)
B. NOTION DE SYSTEME
Ex : système nerveux., cardio-circulatoire, respiratoire, ..
Un système est un ensemble arbitrairement défini
de tissus, d’organes, de cellules qui exercent une fonc-
tion bien définie.
Un système (cardio-vasculaire) peut être divisé en
plusieurs systèmes étudiables.
sorties
SE
entrées système
physiologique
S = f(E)
.
 3 grandeurs pour un système
 On s’intéresse à ce qui sort du système (1ere étape : on sort de la boîte).
 On analyse le fonctionnement du système (on entre dans la boîte) en le divisant en plusieurs petits systèmes.
 f = fonction de transfert ou loi du système (ce que cherche le physiologiste).
Par exemple : système rénal
 sortie : urine (dépend de [urée] dans le sang et du débit du sang...)
 entrée : sang
 f : description du travail du système physiologique.
Les 3 grandeurs sont interdépendantes : la connaissance de 2 d’entre elles permet de connaître la 3eme.
Le médecin observe les sorties anormales et fait des hypothèses de la cause du dysfonctionnement  diagnostic
et prédiction de l’action thérapeutique par modification des entrées.
C. SYSTEMES THERMODYNAMIQUES FERMES ET EQUILIBRE
Notion d’entropie et d’énergie libre.
Un système fermé est un système isolé, qui
n’échange rien (ni matière, ni énergie) avec son
environnement.
L’énergie totale ET est la somme de toutes les
énergies contenues dans le système.
énergie
totale énergie libre variation d'entropie température (Kelvin)
ET = EL + s . T
origine : système ordonné
(non homogène) le système gagne en homogénéité
(désordonné : gain en entropie)
S = Q/T
quantité
de chaleur en K
Le système de départ contenait de l’énergie libre susceptible de se transformer en chaleur.
On appelle énergie libre d’un système la quantité d’énergie noble qu’il contient capable de se transformer
en une autre énergie (chaleur). L’énergie restante est égale à la variation d’entropie x la température (Kelvin).
La caractéristique de la vie est d’organiser les systèmes pour leur faire baisser leur entropie et leur faire ga-
gner de l’énergie libre qui peut se faire par une hausse de l’entropie dans le milieu extérieur  gain
d’organisation dans le système physiologique. On parle de négentropie.

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D. SYSTEMES THERMODYNAMIQUES OUVERTS
Il existe deux mécanismes fondamentaux qui peuvent expliquer la constance.
1. Etat stable
L’état stable, c’est la constance d’une valeur atteinte par la mise en jeux de certaines lis physico-
chimiques
Exemple du bassin :
h tend spontanément vers une certaine valeur
stable.
Si il n’y a pas d’eau dans le bassin, Dout = 0.
Or, Din est constant. Plus l’eau s’accumule, plus Dout
augmente.
Quand h augmente, Dout tend à équilibrer Din 
h tend vers un état stable.
Beaucoup de grandeurs (cf glucose) sont com-
parables à ce bassin.
.
D in
ºentrée
D out
º
h
sortie
 loi d’action de masse : plus la teneur augmente plus le débit de sortie augmente
On appelle ainsi des états stables qui n’impliquent aucun phénomène particulier si ce n’est des lois phy-
sico-chimiques.
Si on fait baisser le niveau (avec un seau d’eau), spontanément, Dout diminue jusqu’au retour spontané à
l’équilibre.
Ceci est amélioré par le développement de systèmes spécifiques qui augmentent la capacité de maintenir
le niveau constant.
2. Régulation
Quand le niveau baisse, l’entrée augmente :
c’est une rétro-action ou feed-back.
Quand la rétro-action tend à corriger la cause
qui l’a fait naître, c’est une rétro-action négative : son
effet s’oppose à la cause qui l’a fait naître.
Une ante-action positive corrigeant la cause
qui l’a fait naître peut agir au niveau de :
 la sortie : feed forward positif.
 l’entrée : feed back négatif
D in
ºentrée
D out
º
h
= f(h)
axe
flotteur
tige métallique
admission
b
On peut imaginer que quand le niveau baisse, l’admission se ferme et le bassin va se vider encore plus :
un tel phénomène vidant complètement le bassin est un feed-back positif. L’action sur les entrées a pour effet
d’augmenter l’amplitude de la réponse.
Un feed-back positif = feed forward négatif.
Il en existe en physiologie : dépolarisation membranaire, décharge ovulante.
Cependant, le feed-back négatif est la régulation la plus fréquente.
Les avantages du feed-back :
 améliore la performance des états stables
 augmente la capacité à maintenir les grandeurs constantes.

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a) Grandeur régulée
C’est la grandeur maintenue constante. Si l’on observe une grandeur constante, la grandeur régulée peut
être un de ses corrélats.
La grandeur régulée est la grandeur qui est mesurée par des capteurs;
Une grandeur physiologique régulée est la température (il existe des cellules qui captent la température).
Souvent, on ne sait pas comment sont mesurées certaines valeurs, donc on ne sait pas si il y a régulation.
b) Capteurs
Une régulation ne peut se faire sans mesures biologique, et ces mesures sont faites par des capteurs mul-
tiples qui renseignent le cerveau.
Ici, le capteur est le flotteur.
Le capteur doit envoyer l’information au moyen d’une boucle informationnelle : boucle de rétro-action,
ou boucle de feed-back. Dans l’organisme, il existe beaucoup de boucles (chimiques ou neuronales).
c) Valeur de consigne : set point
C’est une information intrinsèque au système qui détermine la valeur régulée On l’appelle valeur de
consigne. Si on raccourcit b, on va changer l’équilibre de h en h’>h. La nature biologique des valeurs de con-
signes est très variable : seuil d’activation d’un récepteur, perméabilité membranaire...
En général, une modification de la valeur de consigne est responsable d’une pathologie.
d) Comparateur
Seule, la valeur de consigne ne sert à rien, elle doit être comparée à la valeur mesurée, pour voir s’il y a
une ou plusieurs différence pour qu’il y ait ou non une action réparatrice.
Si un écart existe, le système va déclencher un processus de régulation.
e) Signal d’erreur
Il n’y a pas de régulation sans signal d’erreur : pour qu’il y ait une correction, il faut qu’il y ait un écart.
Régulation veut dire oscillations autour de la valeur de consigne.
Si on dépasse la valeur de consigne, le signal d’erreur déclenche une réaction. Toute régulation suppose
l’existence d’un signal d’erreur.
f) Gain d’une régulation
Il correspond au rapport entre l’écart observé sur la sortie du système en réponse à une perturbation
donnée, et en l’absence de toute régulation, sur le signal d’erreur avec la même perturbation, lorsque la régulation
fonctionne correctement.
Plus une régulation a un gain élevé, moins la marge de variation est grande.
g) Représentation schématique d’une régulation
+-
valeur de
consigne signal
d'erreur LOI
capteur valeur de sortie
boucle
informationnelle
comparateur
nerf
centre
bulbaire
tenso-récepterur
aortique
h) Loi du système
C’est la relation qui existe entre le signal d’erreur et la réponse correctrice.

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temps
valeur de consigne
transitoire
signal d'erreur
perturbation
réponse
régulatrice
proportionnelle
dérivée
proportionnelle
+ dérivée
continue
réponse dont l'amplitude est
proportionnelle au signal d'erreur
Régulation proportionnelle
Si la perturbation ne varie pas, il y a toujours un signal d’erreur dans le cas d’une réponse proportion-
nelle. réponse proportionnelle = réponse phasique.
Réponse dérivée : réponse dont l’amplitude est proportionnelle à la dérivée par rapport au temps du si-
gnal d’erreur.
 la réponse corrective n’existe que si la vitesse de variation existe.
 correction uniquement quand la variable régulée s’éloigne de la valeur de consigne.
 réponse de type tonique accélère l’efficacité des réponses. Cela accroît la vitesse de correction. Si on
a eu un retour vers la valeur normale, la réponse est négative : rôle de frein de la réponse dérivée.
Souvent, les deux réponses se cumulent : réponse proportionnelle et dérivée : réponse tonico-phasique.
3. Contrôle : différence entre variable régulée et contrôlée.
La pression sanguine est une variable régulée.
L’élément régulateur est l’accélération cardiaque. La modification de la fréquence cardiaque est la va-
riable contrôlée : c’est la variable au moyen de laquelle l’organisme assure la régulation.
système nerveux fréquence cardiaque
système contrôlé système régulé commande
pression artérielle