La mort subite d'origine cardiaque résultant d'une fibrillation - rythme cardiaque irrégulier dû à une instabilité électrique - est l'une des principales causes de décès aux États-Unis. Maintenant, les chercheurs ont découvert une source fondamentalement nouvelle de cette instabilité électrique, un développement qui pourrait potentiellement conduire à de nouvelles méthodes pour prédire et prévenir la fibrillation cardiaque potentiellement mortelle.

Un rythme cardiaque régulier est maintenu par des signaux électriques qui proviennent des profondeurs du cœur et voyagent à travers l'organe musculaire en ondes régulières qui stimulent la contraction coordonnée des fibres musculaires. Mais lorsque ces ondes sont interrompues par des blocages de la conduction électrique - comme le tissu cicatriciel d'une crise cardiaque - les signaux peuvent être perturbés, créant des ondes électriques chaotiques en forme de spirale qui interfèrent les unes avec les autres. La turbulence électrique qui en résulte fait battre le cœur de manière inefficace, menant rapidement à la mort.

Les scientifiques savent que les instabilités au niveau cellulaire, en particulier la variation de la durée de chaque signal électrique - connue sous le nom de potentiel d'action - est d'une importance primordiale dans la création d'une fibrillation chaotique. En analysant des signaux électriques dans le cœur d'un modèle animal, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de la Food and Drug Administration des États-Unis ont découvert un facteur supplémentaire - l'amplitude variable du potentiel d'action - qui peut également provoquer de dangereuses turbulences électriques dans le cœur.

La recherche, soutenu par la National Science Foundation, a été rapporté le 20 avril dans le journal Lettres d'examen physique .

"Mathématiquement, nous pouvons maintenant comprendre certaines de ces instabilités mortelles et comment elles se développent dans le cœur, " a déclaré Flavio Fenton, professeur à la Georgia Tech School of Physics. "Nous avons proposé un nouveau mécanisme qui explique quand la fibrillation se produira, et nous avons une théorie qui peut prédire, en fonction des paramètres physiologiques, quand cela arrivera."

Le signal de tension qui régit le rythme cardiaque à commande électrique est cartographié par les médecins à partir de la surface du corps à l'aide de la technologie d'électrocardiogramme, qui se caractérise par cinq segments principaux (P-QRS-T), chacun représentant différentes activations dans le cœur. Les ondes T se produisent à la fin de chaque battement cardiaque, et indiquez la partie arrière de chaque vague. Les chercheurs savent que des anomalies de l'onde T peuvent signaler un risque accru de rythme cardiaque potentiellement mortel.

Fenton et ses collaborateurs ont étudié l'amplitude du potentiel d'action cellulaire, qui est contrôlé par les canaux ioniques sodium qui font partie du système de régulation naturel du cœur. Les ions sodium circulant dans les cellules augmentent la concentration de cations - qui portent une charge positive - conduisant à un phénomène connu sous le nom de dépolarisation, dans lequel le potentiel d'action de la cellule s'élève au-dessus de son niveau de repos. Les canaux sodiques se ferment alors au pic du potentiel d'action.

Alors que les variations de la durée du potentiel d'action indiquent des problèmes avec le système électrique du cœur, les chercheurs ont maintenant associé les variations dynamiques de l'amplitude du potentiel d'action au bloc de conduction et à l'apparition de la fibrillation.

"Nous avons montré pour la première fois qu'une instabilité fondamentalement différente liée à l'amplitude peut sous-tendre ou affecter en plus le risque d'instabilités cardiaques conduisant à la fibrillation, " dit Richard Gray, l'un des co-auteurs de l'étude et un ingénieur biomédical de l'Office of Science and Engineering Laboratories de la Food and Drug Administration des États-Unis.

L'analyse mathématique fournit une explication simple.

"Vous pouvez avoir une onde avec une longue amplitude suivie d'une onde avec une courte amplitude, et si le court devient trop court, la prochaine vague ne pourra pas se propager, " a déclaré Diana Chen, un étudiant diplômé de Georgia Tech et premier auteur de l'étude. "Les ondes qui traversent le cœur doivent se déplacer ensemble pour maintenir un rythme cardiaque efficace. Si l'une d'elles se brise, la première vague peut entrer en collision avec la prochaine vague, initiant les ondes spirales."

Si des résultats similaires sont trouvés dans les cœurs humains, cette nouvelle compréhension de la formation de la turbulence électrique pourrait permettre aux médecins de mieux prédire qui serait à risque de fibrillation. L'information pourrait également conduire au développement de nouveaux médicaments pour prévenir ou traiter la maladie.

"Une prochaine étape scientifique serait d'étudier des produits pharmaceutiques qui réduiraient ou élimineraient l'instabilité de l'amplitude cellulaire, " dit Gray. " A l'heure actuelle, la plupart des approches pharmaceutiques sont axées sur la durée du potentiel d'action."

Le rôle essentiel des ondes électriques dans la régulation de l'activité cardiaque permet à la physique - et aux mathématiques - d'être utilisées pour comprendre ce qui se passe dans cet organe le plus critique, dit Fenton.

"Nous avons déduit une explication mathématique de la façon dont cela se produit, pourquoi il est dangereux et comment il déclenche une arythmie, " a-t-il expliqué. " Nous disposons désormais d'un mécanisme qui permet de mieux comprendre l'origine de ces perturbations électriques. Ce n'est que lorsque vous avez ces changements d'amplitude d'onde que les signaux ne peuvent pas se propager correctement."