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De la plume de Dave

Article du Crucible

(le magazine de l'Association des professeurs de sciences de l'Ontario)

Dave Williams - Astronaute canadien et président honoraire de l'Association des professeurs de sciences de l'Ontario

Je suis très heureux de vous écrire en tant que nouveau président honoraire de l'Association des professeurs de sciences de l'Ontario. Susciter l'intérêt et captiver l'imagination de nos jeunes en leur offrant de palpitantes occasions éducatives en sciences et en technologie, voilà un objectif fort important qui garantira la réussite de nos entreprises scientifiques canadiennes, à l'aube du prochain siècle. Il n'est pas inconcevable de penser que, quelque part au Canada, un élève du secondaire grandira et représentera notre pays dans la première mission internationale habitée vers Mars. Il nous appartient de donner aux élèves les habiletés et le savoir dont ils auront besoin pour atteindre des sommets inimaginables.

Je me considère très chanceux d'avoir été choisi pour représenter le Canada à titre de spécialiste de mission au Centre spatial Johnson. En avril prochain, je serai à bord de la navette spatiale Columbia, avec six de mes collègues, pour une mission en sciences de la vie de 17 jours. La mission porte le nom de Neurolab; elle fait partie d'une série de missions de recherche de la NASA vouées à l'étude des sciences de la vie.

Chercher des réponses aux questions sur le fonctionnement du corps humain dans l'espace est comme chercher les pièces d'un immense casse-tête. Bon nombre sont faciles à reconnaître et tombent en place immédiatement. D'autres demeurent insaisissables. Parfois, une seule pièce que l'on cherchait depuis longtemps permet de révéler plusieurs pans du casse-tête, ce qui nous donne un premier aperçu de notre œuvre. Comme les connaissances sur les sciences de la vie dans l'espace se multiplient, le casse-tête grandit. Voilà pourquoi on approfondit les recherches. Avec l'ajout de chaque nouvelle pièce, les exigences de notre vie future à bord de la Station spatiale internationale se font plus claires et notre compréhension de la vie sur Terre est enrichie.

Notre mission est une quête très excitante qui nous amènera à explorer les deux dernières frontières du siècle actuel : l'exploration spatiale et l'étude du corps humain (le fonctionnement du système nerveux humain). Les neurosciences portent principalement sur le fonctionnement du système nerveux central et périphérique, l'élément le plus complexe et le moins bien compris du corps humain. Constitué du cerveau, de la moelle épinière, des nerfs périphériques et des organes sensoriels, ce système est mis à rude épreuve pendant un vol spatial. Il contribue à la régulation de la pression sanguine, coordonne les mouvements et régularise le sommeil : tous des aspects touchés pendant une mission à bord d'une navette spatiale.

Neurolab a commencé quand le Congrès américain a déclaré les années 1990 la Décennie du cerveau. En 1991, la NASA a organisé une série de sept rencontres pour cerner les questions fondamentales dans les domaines des neurosciences influencées par la gravité. Une fois ces domaines déterminés, la NASA a organisé des rencontres avec les agences spatiales internationales, les instituts nationaux de la santé, la National Science Foundation et le ministère de la Défense américaine pour établir les critères de sélection des propositions. Des scientifiques du monde entier ont envoyé 172 propositions en réponse à cette demande. Après un examen par les pairs des instituts nationaux de la santé et de la NASA, 33 propositions ont été retenues dont deux de scientifiques canadiens. Vingt-six des études choisies feront partie de la mission, dont les deux expériences à forte contribution canadienne. Les six autres études proposées feront partie d'autres missions.

L'équipe procédera à ces expériences dans le module Spacelab au cours de la mission. Ce module a été construit par l'Agence spatiale européenne (ESA) et se trouve dans la soute de la navette et est relié par un long tunnel au pont intermédiaire. Spacelab est un laboratoire qui reproduit les conditions de vie existant sur la Terre, à une seule différence importante près, la quasi-absence de gravité. Comme l'orbiteur tourne autour de la planète à une vitesse de 28 100 kilomètres heure, lui et son contenu sont dans un état de chute libre qui provoque l'absence quasi totale de gravité.

À bord, l'équipage de Neurolab servira à la fois de sujet d'étude et d'opérateur pour compléter les expériences. Il procédera aux expériences à l'aide d'une vaste gamme d'instruments biomédicaux, dont certains ont été mis au point spécialement pour la mission. Les membres de l'équipe ne seront pas les seuls êtres vivants à bord de la navette. Neurolab comptera aussi à son bord des rats, des souris, deux types de poissons, des escargots et des grillons.

Aperçu scientifique

Comme Neurolab porte sur des questions fondamentales de recherche en neurosciences, la mission contribuera de manière exceptionnelle à l'étude et au traitement des maladies et des troubles neurologiques. Pendant que la vocation ultime de Neurolab est d'élargir nos connaissances sur le fonctionnement et le dévelopement du système nerveux dans l'espace, la recherche fera également progresser nos connaissances sur le dévelopement et le fonctionnement de ce système sur Terre, ce dont pourra bénificier tout le monde médical.

Avec toutes les données recueillies au fil des ans sur les modes d'adaptation des astronautes à la microgravité, les chercheurs commencent à comprendre les principes fondamentaux de la physiologie dans l'espace. Chaque pièce ajoutée au grand casse-tête des sciences de la vie dans l'espace fait toutefois naître de nouvelles questions auxquelles il faut aussi répondre. Par exemple, même si tous nos mouvements de base (marcher, prendre un objet, etc.) ont été appris en milieu de gravité, il est curieux que nous puissions apprendre si vite à en faire autant en absence de gravité. Comment les parties de notre organisme sensibles à la gravité, comme l'oreille interne, le système cardiovasculaire et les muscles apprennent-ils à fonctionner en apesanteur? Pourquoi le sommeil et les rythmes biologiques sont-ils modifiés dans l'espace? Doit-il y avoir de la gravité au moment de notre vie où nous apprenons des habiletés fondamentales comme marcher?

Nous trouverons réponse à ces questions au cours de notre mission en prenant diverses mesures et en faisant différents tests sur les membres de l'équipage et les animaux de recherche, et ce, avant, pendant et après le vol. Les expériences de Neurolab ont été regroupées par équipe avec huit sections différentes, une pour chacune des équipes. Quatre équipes (total combiné de 11 expériences) auront les membres de l'équipage comme sujets et quatre autres (15 expériences) étudieront les animaux. Les équipes qui auront les humains comme sujets examineront le système nerveux autonome, la motricité et la performance sensorielle, le système vestibulaire et le sommeil. Celles qui auront les animaux de recherche comme sujets examineront la plasticité neuronale, le développement du système mammifère, la biologie aquatique et la neurobiologie.

Neurolab occupe une place importante dans les plans à long terme de la NASA. Les vols spatiaux de longue durée deviendront courants quand la Station spatiale internationale sera construite et habitée. Il faut donc comprendre comment le corps humain fonctionne en milieu de microgravité. Neurolab devrait donner des réponses importantes qui permettront d'éclaircir les exigences de nos séjours futurs à bord de la Station spatiale internationale et qui contribueront à la recherche sur Terre.

Notre mission offre également quelques-unes des meilleures occasions de vulgarisation en éducation en comparaisons avec tous les vols précédents de la navette. J'espère vous faire connaître, dans des parutions futures de Crucible, la description de diverses expériences qui représentent l'aspect scientifique de Neurolab et qui peuvent être effectuées avec les élèves du secondaire. Vous pouvez vous attendre à y découvrir ce que les girafes et les astronautes ont en commun et ce que nous pouvons apprendre des serpents d'arbres pour concevoir les combinaisons spatiales. Visitez notre site régulièrement pour obtenir les plus récents renseignements sur la mission.

Fonction pulmonaire des astronautes

Cette expérience est menée par l'équipe de recherche sur le sommeil et vise à évaluer les fluctuations de la respiration dans l'espace. Elle porte plus particulièrement sur l'évaluation du contrôle neuronal de la respiration en présence de taux élevés de dioxide de carbone et de faibles taux d'oxygène.

Normalement, ces deux stimuli entraînent une augmentation de la fréquence respiratoire. Il est intéressant de noter que les malades souffrant de bronchites chroniques, qui ont des taux élevés de dioxyde de carbone dans le sang parce que les échanges gazeux dans leurs poumons ne se font pas aussi efficacement qu'à la normale, sont stimulés à respirer en présence de faibles taux d'oxygène (et non de CO₂ comme tous et chacun). Leur donner de l'oxygène à respirer peut en fait entraîner une diminution de leur fréquence respiratoire! Dave est particulièrement fier de sa Combinaison pléthysmographique de mesure de l'impédance respiratoire — la combinaison noire qu'il porte sur la photo et qui permet aux chercheurs de déterminer les mouvements du thorax et de l'abdomen pendant la respiration. Un certain nombre d'autres capteurs sont fixés sur sa main gauche pour enregistrer sa pression artérielle et le taux d'oxygène dans son sang.

Il y a également une photo de Dave au poste de travail d'usage courant, qui est essentiellement une boîte à gants permettant aux astronautes de réaliser les expériences sur les animaux en milieu confiné. L'expérience Kinelite, ou de saisie d'objets, vise à étudier la façon dont la saisie d'un objet (représentative d'une réaction motrice complexe mémorisée) est modifiée en microgravité.

Les électrodes placées sur le bras droit de Dave permettent d'enregistrer l'activité musculaire avant et pendant la saisie de l'objet. Dave porte également un certain nombre de réflecteurs au bras droit, à la jambe et à la tête qui permettent d'analyser aussi la position de son corps.