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Fonctionnement du cœur et régulation de l'activité cardiaque

Pour que le sang arrive jusqu'aux plus petits vaisseaux et irrigue ainsi tous les tissus, il doit circuler dans les vaisseaux systémiques à forte pression. L'appareil cardiovasculaire est donc pourvu d'une pompe très efficace : le cœur. C'est un organe d'environ 300 g, situé entre les deux poumons, au-dessus du diaphragme et protégé par le thorax. Il est irrigué par des vaisseaux spécifiques, les vaisseaux coronaires (car ils forment une couronne autour du cœur). Le cœur est composé de trois tissus superposés :
  • le péricarde, une enveloppe fibreuse qui permet la fixation du cœur dans la cage thoracique ;
  • le myocarde, ou muscle cardiaque ;
  • l'endocarde, une couche de cellules qui tapissent les parois internes du cœur et les valvules qui séparent les différents compartiments cardiaques.
1. Quelle est la morphologie du cœur ?
• Le cœur est un organe de forme pyramidale, avec la pointe ou apex vers le bas. Il est constituée de deux parties imposantes, les ventricules, surmontées de deux petits « sacs aplatis » : les oreillettes. Des vaisseaux sanguins sont branchés sur ces quatre compartiments.
• Chez les mammifères, le cœur est séparé en deux parties indépendantes :
  • le cœur droit [oreillette droite (3) + un petit ventricule droit (7)], qui reçoit le sang non hématosé des veines caves inférieure (4) et supérieure (2) et l'envoie dans la circulation pulmonaire par les artères pulmonaires (1-9) ;
  • le cœur gauche [oreillette gauche (11) + un gros ventricule gauche (14)], qui reçoit le sang hématosé des veines pulmonaires (10) et l'envoie dans la circulation générale par l'artère aorte (8-16).
• Le sang circule toujours des veines vers les oreillettes, puis des oreillettes vers les ventricules, et enfin des ventricules vers les artères. Pour empêcher un reflux qui pourrait perturber l'ensemble de la circulation sanguine, des valvules cloisonnent les compartiments cardiaques :
  • la valvule tricuspide (5) se trouve entre l'oreillette et le ventricule droit ;
  • la valvule mitrale ou bicuspide (13) se trouve entre l'oreillette et le ventricule gauche ;
  • les valvules sigmoïdes (12) se trouvent entre les ventricules et les artères.
  • Les valvules sont maintenues par des piliers tendineux (6) qui les empêchent de se retourner en doigt de gant sous la pression sanguine ventriculaire.
Exercice n°1
2. Quels sont les phénomènes mécaniques et les étapes de la révolution cardiaque ?
• La circulation du sang dans le cœur et les vaisseaux est assurée par un ensemble de contractions (systoles) et de relâchements (diastoles) successifs des différents compartiments du myocarde. On appelle révolution cardiaque l'ensemble des mécanismes qui permettent au sang de faire le tour complet de la circulation.
Il existe différentes méthodes pour explorer le mécanisme de la révolution cardiaque :
• Externes : on peut évaluer la fréquence, l'automatisme et donc la durée d'une révolution cardiaque à l'aide de méthodes très simples et non invasives :
  • la palpation au niveau des 4e et 5e espaces intercostaux, qui permet d'évaluer les mouvements du cœur qui frappe contre la cage thoracique ;
  • la prise du pouls, qui permet de sentir l'onde de propagation du sang dans les artères ;
  • l'auscultation grâce à un stéthoscope, qui permet d'entendre les bruits du cœur dus à la fermeture des valvules tricuspide et mitrale (« TOUM ») et sigmoïdes (« TA ») ;
  • l'électrocardiogramme (ECG), qui mesure l'activité électrique du cœur (voir plus loin).
• Interne : on peut réaliser un cardiogramme pour étudier la révolution cardiaque. Pour cela, on introduit une petite canule appelée cathéter dans les cavités cardiaques, afin de mesurer les variations de pression dans les différents compartiments (ventricule, oreillette, artère).
  • t1-t2 : Pa > Pv, les valvules sigmoïdes sont fermées. Po > Pv, le ventricule se remplit de sang, une contraction de l'oreillette (systole auriculaire) termine le remplissage. En b, Pv devient > à Po, les valvules auriculo-ventriculaires (VAV) se referment.
  • t2-t3 : le ventricule est isolé du reste du cœur car toutes les valvules sont fermées, il va alors se contracter de façon isovolumétrique (le sang est incompressible), la Pv augmente brusquement. C'est la systole ventriculaire. Une fois rempli, le ventricule contient environ 205 mL, c'est le volume télédiastolique.
  • t3-t4 : Pv devient > à Pa et provoque l'ouverture des valvules sigmoïdes, le sang est expulsé dans l'artère. Le ventricule gauche expulse environ 70 mL de sang dans l'aorte, c'est le volume d'éjection systolique. Il reste alors environ 135 mL dans le ventricule après contraction, c'est le volume télésystolique.
  • t4-t5 : l'éjection du sang dans l'artère et le relâchement du ventricule font chuter la pression. Quand Pv < Pa, les valvules sigmoïdes se referment, le ventricule est à nouveau isolé, sa pression continue de baisser.
  • t5-t6 : Quand Pv < Po, les VAV s'ouvrent et le ventricule se remplit à nouveau passivement de sang. Tous les compartiments cardiaques étant relâchés, le cœur est en phase de diastole générale.
Conclusion
• Les différentes phases de la révolution cardiaque sont :
• Un cycle cardiaque, ou une révolution cardiaque, ou un battement, a sur le schéma précédent une durée d'environ 0,8 seconde. On peut en déduire la fréquence cardiaque de l'individu, c'est-à-dire le nombre de battements en 60 secondes : [EMBED soffice.StarMathDocument.6] = 75 battements par minute.
• On appelle débit cardiaque le volume de sang qui passe par le cœur chaque minute. Sa valeur s'obtient en multipliant la fréquence cardiaque (en battements par minute) par le volume d'éjection systolique (en L par battement) : Dc = Fc x Vs. Si on prend pour Vs la valeur de 0,07 L (voir plus haut), le débit moyen d'un individu est : Dc = 75 x 0,07 = environ 5 L de sang par minute.
Exercice n°2Exercice n°3Exercice n°4
3. Quelle est l'origine de l'activité électrique du cœur, comment l'enregistre-t-on ?
• Il existe à l'intérieur même du myocarde un tissu particulier, qui constitue environ 1 % de l'ensemble des cellules cardiaques, et qui est à l'origine de l'activité électrique du cœur. Ce tissu, constitué de cellules proches des cellules myocardiques, mais qui ont gardé des caractéristiques embryonnaires, est capable de s'autoexciter, et donc de se contracter spontanément et rythmiquement. C'est le tissu nodal.
• Entre les cellules nodales et les cellules du myocarde, des jonctions ouvertes permettent une transmission rapide d'un potentiel d'action. La transmission est par contre plus lente entre les cellules nodales.
• Ce sont les cellules du nœud sinusal qui sont capables de se contracter le plus souvent : 100 à 110 fois par minute, ce sont donc elles qui imposent leur rythme aux autres cellules. On appelle le potentiel des cellules du nœud sinusal le potentiel pacemaker. En effet, les cellules du nœud septal seules se contractent environ 50 fois par minute, celles du faisceau de His environ 40 fois par minute et du réseau de Purkinje 25 fois par minute. Le tonus des cellules du myocarde ne pourrait leur permettre de se contracter que 30 fois par minute.
• Le nœud sinusal se contracte donc en premier, ce qui déclenche la contraction de l'oreillette droite, et juste après celle de l'oreillette gauche, 1/200 de seconde plus tard. Le potentiel d'action est ensuite transmis au nœud septal au bout d'1/10 de seconde, puis au faisceau de His et au réseau de Purkinje, puis ensuite seulement aux cellules du ventricule, ce qui lui permet de se contracter de la pointe vers le haut, afin de pouvoir expulser le sang dans l'artère.
• L'ensemble de la période de contraction dure environ 0,22 seconde.
• L'enregistrement de l'activité électrique du cœur est l'électrocardiogramme ou ECG. Un ECG normal est constitué de trois parties :
  • l'onde P, qui montre la dépolarisation des oreillettes, qui précède la systole auriculaire ;
  • le complexe QRS, qui englobe la repolarisation des oreillettes précédent la diastole auriculaire, et la dépolarisation des ventricules à l'origine de la systole ventriculaire.
• On peut effectuer un enregistrement en continu, sur vingt-quatre heures, de l'activité électrique du cœur pour détecter une arythmie : c'est l'enregistrement Holter.
Exercice n°5Exercice n°6Exercice n°7
4. Quel est le mode de régulation de l'activité cardiaque ?
• On sait que la fréquence cardiaque (Fc) moyenne est d'environ 70 à 75 battements par minute. Or, cette Fc diminue lors des périodes de sommeil, et augmente à la suite d'un stress ou d'un effort physique par exemple. De plus, une personne qui a subi une greffe cardiaque, et dont le cœur est déconnecté des voies nerveuses, a une Fc de 100 battements par minute environ, à la fois au repos et en activité.
Conclusion : la fréquence cardiaque est en permanence contrôlée par le système nerveux, qui la diminue d'environ 25 %.
La régulation nerveuse de la Fc est basée sur un mécanisme assez simple :
  • des récepteurs sensitifs captent la variation d'un facteur qui s'éloigne de la valeur de référence ;
  • l'information est transmise aux centres nerveux par l'intermédiaire de fibres nerveuses sensitives ;
  • les centres nerveux traitent l'information reçue, et envoient une réponse au tissu cible par l'intermédiaire des fibres nerveuses motrices ;
  • la variation est corrigée.
Régulation de la fréquence cardiaque
• La fréquence cardiaque est régulée par le système nerveux autonome ou végétatif, de façon involontaire. Il est composé de deux systèmes opposés mais complémentaires, que l'on nomme des systèmes antagonistes : le système parasympathique et le système orthosympathique ou sympathique.
• La régulation demande la coordination de plusieurs acteurs :
  • les récepteurs (barorécepteurs et chimiorécepteurs), qui captent les variations de pression artérielle ou de composition du sang ;
  • les fibres nerveuses sensitives : dans les nerfs de Hering (IX) et de Cyon-Ludwig (X) pour les sinus, et dans la fibre cardiosensible pour l'oreillette droite ;
  • le centre nerveux parasympathique, qui est situé dans le bulbe rachidien ; on le nomme centre cardiomodérateur (CCM) ;
  • le centre nerveux sympathique, qui est situé dans la moelle épinière ; il est nommé centre cardio-accélérateur (CCA). Entre les deux centres nerveux, des neurones inhibiteurs sont chargés d'affaiblir l'un des deux systèmes quand l'autre est stimulé.
  • les fibres nerveuses motrices, regroupées dans le nerf pneumogastrique (ou nerf vague), qui est connecté au nœud sinusal, et dans le nerf cardiaque, connecté au nœud sinusal et aux ventricules.
• Au repos, les systèmes nerveux parasympathique et sympathique envoient sans cesse des influx au nœud sinusal, mais comme les fibres parasympathiques envoient plus d'influx, globalement la Fc est abaissée à 70-75 battements par minute, c'est le tonus vagal (car imposé par le nerf vague).
• Quand il est stimulé, le nerf pneumogastrique libère son neurotransmetteur, l'acétylcholine, qui abaisse la fréquence cardiaque.
• Quand les fibres sympathiques sont stimulées, elles libèrent de la noradrénaline, qui augmente la fréquence cardiaque.
Remarque : une hormone sécrétée après stimulation nerveuse lors d'un stress par la médullosurrénale, l'adrénaline, joue le même rôle que la noradrénaline sur la Fc. On dit qu'elle exerce une action sympathicomimétique.
• Quand la pression artérielle augmente, les barorécepteurs du sinus carotidien stimule le centre cardiomodérateur, ce qui fait diminuer la fréquence cardiaque.
Exercice n°8
À retenir
• Le sang circule toujours des veines vers les oreillettes, des oreillettes vers les ventricules et des ventricules vers les artères.
• Les valvules empêchent le reflux du sang.
• Un cycle cardiaque est constitué de plusieurs périodes : le remplissage des ventricules (diastole générale), qui se termine quand les oreillettes se contractent pour se « vider » (systole auriculaire). Les ventricules se contractent alors (systole ventriculaire) pour éjecter le sang dans les artères.
• On appelle débit cardiaque le volume de sang qui passe par le cœur chaque minute.
• Un groupe de cellules autoexcitables, les cellules nodales, sont à l'origine de la contraction automatique et rythmique des compartiments cardiaques.
• La fréquence cardiaque est régulée par le système nerveux végétatif, au travers d'un centre cardiomodérateur et d'un centre cardioaccélérateur.
• Au repos, le centre cardiomodérateur freine la fréquence cardiaque en permanence.
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