Frapper son bec contre le tronc d’un arbre semblerait être une activité qui provoquerait des maux de tête, des douleurs à la mâchoire et de graves blessures au cou et au cerveau. Pourtant, les pics peuvent le faire 20 fois par seconde et ne souffrent d’aucun effet néfaste.

Les pics sont présents dans les zones forestières du monde entier, sauf en Australie. Ces oiseaux ont la capacité inhabituelle d’utiliser leur bec pour marteler les troncs d’arbres afin de faire des trous pour extraire les insectes et la sève. Encore plus impressionnant, ils font cela sans se blesser.

Nous sommes des scientifiques des matériaux qui étudient les substances biologiques comme les os, les peaux, les plumes et les coquillages que l’on trouve dans la nature. Nous nous intéressons à la structure du crâne et de l’os de la langue des pics, car nous pensons que leur anatomie inhabituelle pourrait donner des indications qui pourraient aider les chercheurs à développer de meilleurs équipements de protection de la tête pour les humains.

Les commotions chez l’homme

Les pics subissent de nombreux chocs à fort impact sur la tête lorsqu’ils picorent.

Ils ont des plumes et des griffes de queue puissantes qui les aident à garder leur équilibre lorsque leur tête se déplace vers le tronc d’arbre à 7 mètres (23 pieds) par seconde. Puis, lorsque leur bec frappe, leur tête ralentit à environ 1 200 fois la force de gravité (g).

Tout cela se produit sans que le pic ne subisse de commotions ou de lésions cérébrales.

Une commotion est une forme de lésion cérébrale traumatique causée par des coups répétés à la tête. Elle est courante et se produit fréquemment lors de sports de contact comme le football ou le hockey.

Les lésions cérébrales traumatiques répétées finissent par provoquer un trouble cérébral progressif, l’encéphalopathie traumatique chronique (ETC), qui est irréversible et entraîne des symptômes tels que la perte de mémoire, la dépression, l’impulsivité, l’agressivité et le comportement suicidaire.

La Ligue nationale de football affirme que les commotions cérébrales chez les joueurs de football se produisent à partir de 80 g. Alors comment les pics survivent-ils à des impacts répétés de 1 200 g sans endommager leur cerveau ?

Nous avons cherché les secrets clés de la capacité du pic à tolérer l’impact élevé pendant le martelage. Nous avons étudié les microstructures des os, puis fait une analyse biomécanique sur la tête.

Structures inhabituelles des os du crâne et de la langue

En comparant les crânes des pics et des poulets, nous avons découvert que les pics ont des adaptations pour absorber les impacts que les autres oiseaux n’ont pas. Cela comprend des os du crâne spécialisés, des muscles du cou, des becs et des os de la langue.

Les os du crâne ont une composition chimique et une densité différentes. Par exemple, une adaptation structurelle est réalisée en augmentant l’accumulation de minéraux dans les os pour les rendre plus rigides et plus forts par rapport aux autres oiseaux.

Surprenant, l’os du crâne est très mince et il y a moins de fluide qui sépare le cerveau de l’os du crâne que chez les autres oiseaux et animaux. Cela suggérerait que le crâne est adapté pour être plus dur et plus résistant en même temps.

Typiquement, dans la science des matériaux du monde réel, il y a un compromis général entre la dureté et la ténacité. Cependant, le fait d’avoir des matériaux à la fois durs et résistants sur la tête diminue la quantité d’impact transféré au cerveau.

Une deuxième différence est que les pics ont moins de fluide interne entourant le cerveau que les autres grands animaux. Cela permet de limiter le mouvement du cerveau pendant le picage. La quantité réduite de fluide a un effet analogue à celui du jaune d’un œuf dur, qui ne sera pas endommagé par les secousses, par rapport au jaune d’un œuf cru, non cuit.

Les pics ont également un os intégré dans leur langue qui aide à extraire les insectes des arbres. Cette langue inhabituelle s’enroule autour de l’arrière du crâne et s’ancre à l’avant, entre les yeux. Cette configuration permet à la langue et à son os d’agir comme un ressort, amortissant la force physique et les vibrations associées.

Différents types d’os

La rigidité et la résistance d’un os squelettique typique sont dues à une gaine dense d’os compact qui a encapsulé un os poreux et spongieux. Mais l’os de la langue du pivert présente la structure inverse : une gaine flexible et un os central plus dur. Cette configuration interne-externe offre une meilleure flexibilité et peut absorber des impacts et des vibrations plus élevés.

Notre travail suggère que les os inhabituels du crâne et de la langue du pic-bois sont un exemple de structures résistantes aux impacts essentielles pour protéger le cerveau du pic-bois pendant le comportement de picage.

En ce moment, les biologistes et les neuroscientifiques travaillent activement à l’étude du cerveau du pic-bois pour voir s’il y a des preuves pathologiques de lésions cérébrales – comme le CTE chez les humains.

Nous espérons que ces recherches révèlent s’il existe d’autres mécanismes de protection ou de guérison en jeu au niveau des tissus ou des cellules dans le cerveau des pics qui, nous l’espérons, révéleront comment protéger et guérir les lésions cérébrales humaines.

Le professeur Joanna McKittrick, ingénieure pionnière de l’Université de Californie San Diego et experte renommée en science des matériaux, est décédée le 15 novembre 2019, peu de temps après avoir terminé cet article. Elle avait 65 ans. Elle était un défenseur passionné des femmes et des étudiants sous-représentés dans les STEM et un mentor réfléchi.

Joanna McKittrick, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale, Université de Californie San Diego et Jae-Young Jung, chercheur postdoctoral en chirurgie orthopédique, Université de Californie, San Francisco.

Cet article est republié depuis The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.