Pourquoi la douleur au petit orteil arrive-t-elle en deux temps, avec un « sourd » en retard ?
― Les nerfs de la douleur ont des lignes rapides et des lignes lentes
À l'instant où l'on se cogne le petit orteil contre le coin d'une commode, on comprend tout de suite « aïe, je me suis fait mal » — mais la vraie douleur, elle, arrive après un temps de battement. Ce n'est pas une impression. Le signal de douleur emprunte deux types de nerfs à la vitesse très différente, et ils l'acheminent séparément jusqu'au cerveau.
Le soir, en marchant dans une pièce sombre, vous cognez violemment votre petit orteil contre le coin d'une commode.
La première sensation est un « aïe » aigu et net. Puis, après un bref instant où l'on se dit « ça va arriver, ça va arriver », une douleur lourde et diffuse déferle.
Quand on se coupe le doigt avec du papier, ou qu'on se cogne la main, on ne ressent guère cet « intervalle ». Pourquoi est-ce seulement avec le petit orteil que cette double sensation est si nette ?
Il n'y a que deux raisons
Le nerf qui transporte la douleur aiguë avance d'une dizaine de mètres par seconde. Celui qui transporte la douleur lourde avance d'environ 1 mètre par seconde — à peu près la vitesse d'une personne qui marche.
Chez un adulte, la distance entre l'orteil et le cerveau est d'environ 1,5 mètre. Par la ligne lente, il faut plus d'une seconde pour que le signal arrive au cerveau. Plus la distance est longue, plus l'écart entre les deux arrivées se creuse.
Autrement dit, l'« aigu » et le « sourd » sont le même message envoyé par un seul choc, mais transporté par deux messagers de vitesses différentes. Voyons cela en détail.
Qu'est-ce qui différencie la ligne rapide de la ligne lente ?
Un nerf est une cellule longue et fine, comme un fil électrique. Le message se propage le long de ce fil sous forme de variation électrique. Mais contrairement à un fil de métal, l'électricité ne file pas directement tout du long. De petites portes situées à la surface du fil s'ouvrent l'une après l'autre, transmettant peu à peu la variation électrique au voisin suivant.
La différence vient de « l'enveloppe » du fil. La ligne rapide est entourée d'une gaine isolante de graisse, enroulée par segments comme une saucisse. Là où se trouve la gaine, il n'est pas nécessaire d'ouvrir les portes : le message saute d'une interruption de gaine à l'autre. Regardez le haut de la figure 1.
La ligne lente n'a pas cette gaine. Elle est en plus très fine. Comme sur le bas de la figure 1, elle doit ouvrir les portes une par une, en avançant bout par bout depuis l'extrémité. C'est pour cela qu'elle est lente.
On estime la ligne de douleur aiguë à environ 5 à 30 mètres par seconde. La ligne de douleur lourde, elle, se situe autour de 0,5 à 2 mètres par seconde. Un écart de plus de dix fois.
Pourquoi cette double sensation est-elle si nette au petit orteil ?
Le temps d'arrivée du signal se calcule par « distance ÷ vitesse ». En prenant 1,5 mètre entre l'orteil et le cerveau, plaçons cela sur une échelle de temps, comme en figure 2.
Par la ligne rapide, le signal arrive en environ 0,1 seconde. C'est l'« aigu ». Par la ligne lente, il faut environ 1,5 seconde. C'est le « sourd » qui arrive après ce temps de battement. Ce blanc de plus d'une seconde, c'est exactement le « ça va arriver, ça va arriver ».
Entre les doigts de la main et le cerveau, la distance est bien plus courte qu'au pied. L'écart entre les deux douleurs se réduit donc, et on les perçoit plus facilement comme une seule sensation. Si l'on distingue si nettement « deux arrivées » au petit orteil, c'est parce que c'est l'endroit le plus éloigné du corps.
Au moment du choc, n'avez-vous pas retiré le pied instinctivement ? Ce n'est pas le cerveau qui a donné cet ordre. Dès que le signal atteint le nerf de la moelle épinière, l'ordre « retire-toi » repart directement de là. Le corps commence à s'éloigner du danger avant même que le cerveau ne ressente la « douleur ».
Le message du « toucher » lorsqu'on se frotte est transporté par une ligne plus rapide que celle de la douleur. Une hypothèse veut que, dans la moelle épinière, ce message vienne en partie bloquer le passage du message de douleur. C'est une théorie proposée en 1965 ; les détails font encore l'objet de recherches, mais elle colle bien à l'expérience du soulagement que procure le frottement.
En résumé
La douleur est transportée en deux messages issus d'un seul choc. La ligne rapide, entourée de sa gaine isolante, transporte l'« aigu » ; la ligne fine sans gaine transporte le « sourd ». L'orteil étant loin du cerveau, l'écart d'arrivée s'étend à plus d'une seconde, et la douleur se ressent en deux temps.
L'« aigu » et le « sourd » sont la même douleur, livrée par un courrier rapide et un courrier lent.
Le petit orteil est l'endroit où cet écart se voit le mieux.
Pour l'histoire du froid qui ralentit le message nerveux lui-même, voir Pourquoi, par temps froid, des doigts engourdis n'arrivent-ils plus à boutonner ?. Pour comment l'électricité des nerfs a été découverte, voir Pourquoi la patte de grenouille tressaillait-elle au simple contact du métal ?.
- La prochaine fois que vous vous cognez, comptez mentalement « un, deux » entre l'« aigu » et le « sourd ». En comparant l'orteil et le dos de la main, on sent bien la différence.
- Une expérience à deux. L'un touche légèrement, en même temps, la cheville et l'épaule de l'autre. La personne touchée dit laquelle des deux elle a sentie en premier. On rapporte que la plupart des gens les ressentent presque en même temps, ou sentent l'épaule en premier.
- Refroidissez votre main environ une minute dans de l'eau froide, puis pincez légèrement le bout d'un doigt. Si la douleur vous paraît floue et retardée, c'est le signe que le froid ralentit le message nerveux.
※Ne vous cognez pas ni ne vous pincez volontairement fort. Ne refroidissez la main que brièvement.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège au niveau universitaire spécialisé, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de biologie au lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (neurophysiologie)
- RechercheSujet encore à l'étude, non enseigné comme « établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Douleur primaire et douleur secondaire : la douleur aiguë qui arrive en premier s'appelle douleur primaire ; la douleur lourde et diffuse qui arrive en retard s'appelle douleur secondaire.
- Nerf myélinisé et nerf amyélinique : le nerf entouré d'une gaine isolante (gaine de myéline) est dit myélinisé ; celui qui n'en a pas est dit amyélinique.
- Réflexe : mouvement instantané du corps déclenché non par le cerveau, mais par un retour direct au niveau du nerf de la moelle épinière (moelle spinale).
CollègeLycéeVérification par le calcul : le temps pour que la douleur atteigne le cerveau
Divisons la distance entre le petit orteil et le cerveau par la vitesse de chacun des deux types de nerfs, pour obtenir l'écart entre les deux temps d'arrivée.
| En notation | t = L ÷ v Δt = L ÷ v_lent − L ÷ v_rapide |
| En mots | Temps d'arrivée = longueur du nerf ÷ vitesse de propagation du message. L'écart entre les deux douleurs est le temps de la ligne lente moins celui de la ligne rapide |
| Origine de la formule | « Vitesse = distance ÷ temps » résolue pour le temps. On suppose que le message se propage le long de la ligne à vitesse à peu près constante |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| L | Longueur du nerf entre l'orteil et le cerveau (m). Environ 1,5 m chez l'adulte |
| v_rapide | Vitesse de la ligne myélinisée fine transportant la douleur aiguë (m/s) |
| v_lent | Vitesse de la ligne amyélinique transportant la douleur lourde (m/s) |
| t, Δt | Temps d'arrivée, et écart entre les deux temps d'arrivée (s) |
| Longueur orteil–cerveau | Environ 1,5 m (ordre de grandeur adulte) |
| Vitesse de la ligne de douleur aiguë | Estimée entre 5 et 30 m/s ; on prend ici 15 m/s |
| Vitesse de la ligne de douleur lourde | Estimée entre 0,5 et 2 m/s ; on prend ici 1 m/s |
| Longueur doigt–cerveau | Environ 1 m (ordre de grandeur adulte) |
| Temps d'arrivée de la douleur aiguë (s) | 1,5 ÷ 15 = 0,1 |
| Temps d'arrivée de la douleur lourde (s) | 1,5 ÷ 1 = 1,5 |
| Écart au petit orteil (s) | 1,5 − 0,1 = 1,4 |
| Temps d'arrivée de la douleur lourde au doigt (s) | 1 ÷ 1 = 1 |
| Rapport des deux vitesses | 15 ÷ 1 = 15 |
Au petit orteil, les deux douleurs arrivent avec un décalage d'environ 1,4 seconde — assez long pour compter « un, deux ». Au doigt, la distance plus courte réduit cet écart. Mais il faut y ajouter le temps que met le cerveau à traduire le signal en sensation de douleur, ce qui rend le ressenti réel un peu plus long que ce calcul.
LycéeLycée+Pourquoi la gaine accélère-t-elle le signal ?
LycéeLe message nerveux est en réalité un « potentiel d'action » : une inversion momentanée du voltage entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane. Des canaux à sodium s'ouvrent, changeant le voltage, et ce changement déclenche à son tour l'ouverture des canaux voisins — une réaction en chaîne. Dans un nerf myélinisé, le potentiel d'action ne se produit qu'aux interstices de la gaine (les nœuds de Ranvier), et le message se propage en sautant d'un nœud à l'autre. C'est ce qu'on appelle la conduction saltatoire.
Lycée+La conduction saltatoire est connue pour avoir été démontrée expérimentalement en 1938 par le physiologiste japonais Ichiji Tasaki. Quant à la vitesse même du message nerveux, c'est Helmholtz qui, le premier, l'a mesurée en 1850. Sur un nerf de grenouille, il aurait obtenu une valeur de l'ordre de quelques dizaines de mètres par seconde. Jusque-là, on pensait que le message se propageait instantanément.
UniversitéClassification des fibres nerveuses et facteurs de la vitesse de conduction
En neurophysiologie, on classe les fibres nerveuses selon leur épaisseur et la présence ou non de myéline. La douleur aiguë est transportée par la fibre Aδ, fine et myélinisée ; la douleur lourde par la fibre C, amyélinique. La vitesse de conduction serait globalement proportionnelle à la racine carrée du diamètre pour les fibres amyéliniques, et au diamètre lui-même pour les fibres myélinisées. Cela s'explique par la théorie des câbles, fondée sur la capacité électrique de la membrane et la résistance électrique interne du fil.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Potentiel d'action (Wikipédia, en japonais) ／ Conduction saltatoire (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Le mécanisme par lequel se frotter atténue la douleur. La théorie du portillon (« gate control »), proposée en 1965, avance que le message du toucher inhibe, dans la moelle épinière, le passage du message de douleur. Ses grandes lignes sont admises, mais le circuit exact décrit à l'origine a été révisé sur bien des points de détail.
- Pourquoi le « sourd » paraît-il si pénible. On pense que la douleur secondaire est fortement liée aux régions du cerveau impliquées dans les émotions et la mémoire. Mais où naît précisément le caractère « pénible » de la douleur reste un sujet de recherche actif.
- Comment le fonctionnement des lignes nerveuses change dans la douleur chronique. Dans les douleurs persistantes, la sensibilité des nerfs et de la moelle épinière semble se modifier. Savoir quel changement précis prolonge la douleur est un enjeu majeur, lié aux traitements eux-mêmes.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». C'est le cerveau qui « ressent » la douleur, et la vitesse des nerfs ne détermine pas à elle seule tout ce qu'est la douleur.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article concerné |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « Stimulus et réaction », Sciences 6e « Vitesse » | Réflexe, calcul distance ÷ vitesse |
| Lycée | Biologie « Système nerveux et conduction de l'influx » | Potentiel d'action, nerf myélinisé et conduction saltatoire |
| Lycée+ | Biologie (encadré avancé / histoire des sciences) | Ichiji Tasaki, mesures de Helmholtz |
| Université | Neurophysiologie | Fibres Aδ et C, théorie des câbles |
| Recherche | Recherche sur la douleur (algologie) | Théorie du portillon, douleur chronique |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Se frotter après un choc, sensations émoussées par le froid |
- Melzack R., Wall P. D. (1965) Pain Mechanisms: A New Theory. Science 150, 971–979.
- Conduction saltatoire (Wikipédia japonais, 跳躍伝導)
- Potentiel d'action (Wikipédia japonais, 活動電位)
- Kandel E. R. et al., Principles of Neural Science, McGraw-Hill (conduction de la douleur et classification des fibres nerveuses)
- Manuel de « Biologie » du lycée japonais (unité système nerveux, conduction et transmission de l'influx)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La vitesse des nerfs et les distances varient d'une personne à l'autre. Si une douleur intense ou un gonflement persiste après un choc, consultez un professionnel de santé, car une fracture est possible.