Les commotions cérébrales – essentiellement des traumatismes crâniens légers – comptent parmi les blessures les plus courantes sur les terrains de sport. Aux États-Unis, on estime que 3,8 millions de commotions cérébrales liées au sport surviennent chaque année. Mais de nouvelles recherches menées par des scientifiques et collaborateurs de Stanford Medicine suggèrent que la compréhension actuelle des forces qui conduisent à une commotion cérébrale pourrait manquer la cible.
Leur nouvelle étude a analysé les données des protège-dents à détection de mouvement portés par les athlètes dans sept sports différents et a révélé que le mouvement en ligne droite de la tête, mesuré par l’accélération linéaire, est plus prédictif d’une commotion cérébrale que le mouvement de rotation de la tête, mesuré par l’accélération de rotation.
L’accélération linéaire a tendance à dominer lorsqu’une force d’impact est dirigée vers le centre de masse de la tête. Dans les arts martiaux mixtes, cela peut être un coup entre les yeux ; à la crosse, un bâton frappant le côté de la tête ; et au football, une collision au sommet de la tête lorsque la tête est abaissée, ou une chute en arrière et la tête heurte le sol.
Les nouvelles découvertes renversent près de 85 ans de dogme dans le domaine – selon lequel le mouvement de rotation était le principal moteur des commotions cérébrales. Les résultats, s’ils sont confirmés par davantage d’études, pourraient avoir des implications sur la conception des casques et les directives de sécurité dans le sport.
« Non seulement l’accélération linéaire est prédictive d’une commotion cérébrale, mais le seuil est plus bas que ce que les gens pensaient auparavant en termes de niveaux dangereux », a déclaré Jessica Towns, étudiante diplômée en bio-ingénierie et auteur principal de l’étude publiée le 9 novembre dans le Annales du génie biomédical.
Sommaire
Une hypothèse qui perdure
La théorie dominante de la biomécanique des traumatismes crâniens remonte aux travaux du physicien écossais AHS Holbourn datant de la Seconde Guerre mondiale. Il a proposé que les impacts qui font tourner la tête, comme un uppercut au menton en boxe, soient particulièrement nocifs pour le cerveau en raison du cisaillement – l’étirement et la tension du cerveau lorsque différentes parties de l’organe lourd mais gélatineux tournent à des vitesses différentes. Le mouvement linéaire ne provoque pas de cisaillement et est considéré comme moins dangereux.
Au cours des décennies suivantes, certaines études animales ont semblé confirmer ce qui est devenu l’hypothèse de Holbourn. Et aujourd’hui, le système d’évaluation le plus couramment utilisé pour les casques dans un large éventail de sports donne la priorité à la réduction de l’accélération rotationnelle.
Le raisonnement de Holbourn était basé uniquement sur la mécanique ; ce n’était pas de la biologie.
David Camarillo, PhD, professeur agrégé de bio-ingénierie, écoles de médecine et d’ingénierie et auteur principal de l’étude
Jusqu’à récemment, il était difficile d’obtenir des mesures fiables des impacts sur la tête chez les humains.
« Les seules données disponibles provenaient de systèmes de détection montés sur un casque », a déclaré Camarillo. « Le problème avec le casque est qu’il bouge beaucoup sur votre tête, donc il ne vous donne pas une mesure directe de la tête. »
Protège-dents à détection de mouvement
Depuis plus d’une décennie, le laboratoire de Camarillo a contribué au développement d’une technologie de détection de mouvement pouvant être intégrée aux protège-dents, où ils peuvent capturer avec plus de précision les mouvements de la tête. Des variantes de ces protège-dents sont désormais utilisées dans de nombreux sports pour aider à surveiller les commotions cérébrales chez les athlètes.
« La question avec laquelle nous avons commencé il y a de nombreuses années était la suivante : « Quelles sont les forces nécessaires pour provoquer une commotion cérébrale ? » Si nous comprenons la nature de ces forces et les limites du cerveau humain, il sera peut-être possible de prévenir les commotions cérébrales », a-t-il déclaré.
La nouvelle étude analyse l’ensemble de données sur les protège-dents le plus vaste et le plus diversifié à ce jour, comprenant 203 athlètes masculins et féminins couvrant sept sports, de la crosse aux arts martiaux mixtes en passant par le football. Il comprend 47 impacts ayant entraîné des commotions cérébrales et 3 804 impacts n’ayant pas entraîné de commotions cérébrales. (Les impacts ont été enregistrés sur vidéo et la commotion cérébrale a été déterminée soit par le personnel médical sur place, soit par un examen ultérieur de la vidéo pour détecter des signes visuels de blessure, tels qu’une désorientation ou un trouble de l’équilibre.)
Lorsque l’équipe a entrepris de déterminer les forces qui contribuent aux commotions cérébrales à l’aide des nouvelles données, elle s’attendait à confirmer l’hypothèse de Holbourn.
« Mais nous avons constaté le contraire », a déclaré Towns. « Nous avons constaté que le mouvement linéaire de la tête était plus prédictif d’une commotion cérébrale que le mouvement rotatif de la tête. »
Plus précisément, dans leur modèle mathématique, les chercheurs ont découvert que l’accélération linéaire maximale était le facteur le plus prédictif permettant de déterminer si un impact entraînerait une commotion cérébrale. L’ajout de l’accélération de rotation maximale n’a pas amélioré leur modèle, mais l’ajout d’une variable connexe connue sous le nom de vitesse de rotation maximale a légèrement amélioré la précision du modèle. (Cela peut être dû à la courte durée des impacts observés dans l’étude, ont indiqué les chercheurs. Dans le cas d’impacts plus longs, tels qu’un coup du lapin, l’accélération rotationnelle, qui correspond au changement de la vitesse de rotation au fil du temps, pourrait être un facteur plus important.)
Risque sous-estimé
Dans la vraie vie, presque toutes les collisions entraînent un mouvement de tête à la fois linéaire et rotatif, a déclaré Camarillo. Il a noté que les nouvelles découvertes ne signifient pas que le mouvement de rotation n’est pas nocif, mais simplement qu’il est moins prédictif d’une commotion cérébrale que le mouvement linéaire. Il est possible que les impacts inclus dans l’étude aient tendance à avoir un mouvement linéaire plus important qu’un mouvement de rotation.
Les résultats suggèrent que les directives de sécurité pour les casques, du football au cyclisme, pourraient sous-estimer le risque d’accélération linéaire.
Les chercheurs ont découvert que les impacts à la tête avec une accélération linéaire de 100 g (100 fois l’accélération standard en raison de la gravité) comportent un risque de commotion cérébrale de 50 %. L’impact moyen à la tête dans le football est d’environ 25 g.
« Si 100 personnes étaient frappées chacune à 100 g, la moitié d’entre elles souffriraient d’une commotion cérébrale », a déclaré Towns. « C’est important car les seuils utilisés pour les casques vendus sur le marché sont généralement bien supérieurs à 100 g. »
Un seuil souvent cité pour un risque de commotion cérébrale de 50 %, dérivé des capteurs montés sur le casque, est de 192 g. En revanche, les nouvelles données sur les protège-dents ont montré qu’une collision de 150 g garantit presque une commotion cérébrale, avec un risque de plus de 99 %.
« Il y a encore trop de commotions cérébrales », a déclaré Camarillo. « Pourquoi y a-t-il autant de commotions cérébrales même lorsque les gens portent un casque ? Une partie de la réponse pourrait se trouver dans cet article, à savoir que les accélérations linéaires que nous pensions auparavant sûres sont maintenant beaucoup plus dangereuses. »
Les chercheurs ont également analysé quelques impacts de commotion cérébrale chez des athlètes de moins de 14 ans et ont découvert que le seuil de commotion cérébrale est probablement beaucoup plus bas pour les enfants. « Il est urgent d’obtenir davantage de données sur les enfants, car cela pourrait finir par être le plus gros problème », a déclaré Camarillo.
De nouvelles opportunités
Les innovations récentes en matière de sécurité contre les commotions cérébrales, telles que les doublures de casque glissantes, se sont concentrées sur la réduction de la rotation de la tête. Une vision optimiste des nouvelles découvertes, a déclaré Camarillo, est qu’elles offrent un nouveau levier pour améliorer la sécurité.
« Si l’accélération linéaire est un mécanisme distinct de commotion cérébrale et qu’elle est très courante, alors nous avons manqué beaucoup de choses », a-t-il déclaré. « Nous n’avons pas essayé autant d’optimiser cette variable. Cela me donne l’espoir qu’il existe une nouvelle opportunité de prévenir les commotions cérébrales. »
Les chercheurs ont testé des casques de football avec de nouveaux coussinets remplis de liquide, les comparant aux casques de football standards sur des mannequins de crash en laboratoire. À tous les niveaux d’impact, ils ont constaté que la technologie liquide réduisait le risque de commotion cérébrale en réduisant l’accélération linéaire maximale. Aux niveaux d’impact les plus élevés testés, par exemple, le risque de commotion cérébrale était de 73,3 % pour les casques standards et de 55,7 % pour les casques dotés de coussinets remplis de liquide. (Camarillo est co-fondateur de SoftShox, la société qui a autorisé la technologie Stanford et fabrique les coussinets remplis de liquide.)
La biomécanique expliquant comment l’accélération linéaire endommage le cerveau n’est toujours pas claire. Il pourrait s’agir du cerveau qui heurte le crâne, ou peut-être d’un processus connu sous le nom de cavitation, dans lequel les changements de pression à l’intérieur du cerveau provoquent la formation et l’effondrement de minuscules bulles. Les chercheurs développent divers modèles physiques et informatiques pour mieux comprendre ce qui arrive au cerveau.
Malgré le vaste ensemble de données de la nouvelle étude, celles-ci représentent encore un nombre relativement faible de commotions cérébrales, a déclaré Camarillo. Il faudra davantage d’études de la part de son équipe et d’autres pour vérifier les résultats, convaincre les sceptiques et, à terme, améliorer la sécurité des commotions cérébrales dans le sport.
« Je dirais que c’est le début, pas la fin », a-t-il déclaré. « Il s’agit d’une théorie vieille de 85 ans, et c’est le premier article qui la remet vraiment en question. »
Des chercheurs de SoftShox, de l’Université Monash, de l’Université Deakin, de l’Université Duke et d’Alfred Health ont contribué aux travaux.
L’étude a reçu un financement des National Institutes of Health (subventions R24NS098518 ; R43NS119134 ; R44NS119134), de la Taube Stanford Children’s Concussion Initiative, de la Conférence Pac-12 sur la santé et le bien-être des étudiants-athlètes, de l’Institut de recherche sur la santé maternelle et infantile de Stanford Medicine, de l’Office of Naval Research et du programme de bourses de recherche supérieures de la National Science Foundation.
