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Christophe Chomant

DEA de sciences cognitives 2003-2004

Ehess, Ens Ulm & École Polytechnique

 

 

Modèles de la perception des mouvements et des objets

 

Illusions vestibulaires et risques aériens

 

(dans le cadre du cours dispensé par M. Jacques Droulez)

 

 

Un Airbus s’écrase à Bahrein…                                                                                            1

Responsabilité du système vestibulaire dans l’accident                                                             2

Le système vestibulaire                                                                                                          2

Prévisions théoriques sur les types d’illusions                                                                           3

La réalité des illusions et accidents les plus fréquents                                                               4

1°) Une illusion somatogyre à la sortie d’un virage prolongé :                                                                   4

2°) L’illusion somatogyre d’inclinaison                                                                                                          4

3°) L’effet de Coriolis                                                                                                                                         4

4°) L’illusion somatogravique de « fausse ascension »                                                                              4

Un questionnaire de connaissances à destination de pilotes d’avion                                           5

Pourrait-on imaginer un système naturel de discrimination de l’accélération et de la pesanteur ? 5

Quels sont le fonctionnement et la programmation des simulateurs de fête foraine ?                   6

 

Un Airbus s’écrase à Bahrein…

Un article paru dans la revue Air Safety Week rapporte l’accident d’un Airbus A320 de la compagnie Gulf Air, du vol GF 072, survenu pendant la nuit du 23 au 24 août 2000 près de l’aéroport de Bahrein [article].

L’avion s’est écrasé dans l’eau, avant la piste, et les 143 passagers sont morts.

Les causes semblent être le fait d’un enchevêtrement de concours de circonstances (liées à l’inexpérimentation du pilote, à la composition de l’équipage et aux prises de décision), mais un élément central et déclenchant semble être celui de « l’illusion de fausse montée », qui survient pendant des décollages ou atterrissages de nuit.

En effet, pendant la descente d’approche, à 5 %, le pilote a déclenché le système TOGA (Take Off Go Around), qui a libéré la puissance des réacteurs et accéléré l’appareil de façon constante.

Cette accélération constante a causé dans le système vestibulaire du pilote l’illusion que l’avion ne descendait pas mais se maintenait en position horizontale, à vitesse constante.

Cette illusion s’est produite parce que, dans la nuit, le pilote ne disposait pas d’informations visuelles, et parce qu’il a négligé de surveiller les cadrans de vitesse et d’altitude.

Lorsqu’un signal a indiqué que la vitesse limite était atteinte, le pilote a poussé les commandes vers l’avant pour descendre, en ignorant qu’il accentuait plus encore la descente de l’avion, à 15 %.

L’analyse de la boite noire a montré que lorsqu’un système d’alarme avait signalé au pilote que l’avion s’approchait trop rapidement du sol, il avait essayé de redresser l’appareil, mais sans y parvenir.

Responsabilité du système vestibulaire dans l’accident

Le système vestibulaire est directement impliqué dans cette catastrophe : en effet, du fait que les cils otolithiques s’inclinent dans la même direction (à savoir vers l’arrière) selon qu’on est soumis à une accélération ou à une ascension, le pilote a pris l’accélération de l’appareil pour une ascension relative, ce qui lui a fait croire que son avion volait à l’horizontale à vitesse constante.

L’illusion est d’autant plus perverse que l’accentuation de l’angle de descente accentue l’accélération, ce qui accentue l’illusion de monter – ou ne contribue pas à la dissiper.

 

Un autre article, publié par la Air Safety Foundation, nous indique que l’ensemble des illusions perceptives et vestibulaires a causé au moins 271 accidents d’avion entre 1990 et 1999, accidents dont 90 % sont fatals, aboutissent à l’écrasement de l’appareil, avec la mort des passagers.

Le système vestibulaire


Le système vestibulaire est un organe situé dans l’oreille interne et qui, aux côtés du système visuel et des articulations (ainsi également que des capteurs musculaires et dermiques), informe le cerveau sur les mouvements effectués par la tête ou le corps de l’organisme [figure] :

 

Le système vestibulaire comprend des cils otolithiques qui sont stimulés par le passage dans un sens ou dans l’autre d’une endolymphe qui est enfermée dans des canaux semi-circulaires. Le degré d’inclinaison des cils otolithiques renseigne le cerveau sur l’accélération de mouvement effectué par la tête, ou par toute autre force s’exerçant sur les cristaux :

 


L’appareil vestibulaire est également constitué de 3 canaux semi-circulaires orientés dans les 3 dimensions de l’espace. Le mouvement inertiel de l’endolymphe dans ces 3 canaux et la stimulation des cils otolithiques informent le cerveau sur l’orientation spatiale des mouvements effectués :

 

Prévisions théoriques sur les types d’illusions

On peut, sur la base de ces connaissances, essayer de prévoir quelles illusions sont possibles d’un point de vue théorique.

L’inclinaison des cils peut être provoquée par quatre phénomènes distincts :

1°) un mouvement de l’endolymphe dans un ou plusieurs canaux semi-circulaires, causé par un changement de position de la tête ;

2°) inversement, un mouvement de l’endolymphe causé par l’arrêt d’un mouvement de la tête ;

3°) une inclinaison de la tête, en avant, en arrière, sur la gauche ou sur la droite, par l’influence de la force de gravité qui s’exerce sur les otolithes ;

4°) une accélération subie par la tête dans l’axe longitudinal ou latéral.

 

Si le cerveau est privé d’informations visuelles, il ne peut plus discriminer les différentes causes possibles d’inclinaison des cils.

On peut prévoir deux grandes catégories de confusions possibles dans l’interprétation cognitive d’inclinaison des cils en l’absence d’autres informations perceptives :

1°) un mouvement inertiel de l’endolymphe lors de l’arrêt d’un mouvement de la tête peut être interprété comme un mouvement de la tête, dans le sens inverse au mouvement qui vient de s’arrêter. Il s’agit dans ce cas d’une illusion dite « somatogyre » [figure] ;

2°) une variation de vitesse dans l’axe longitudinal peut être interprété comme une inclinaison de la tête vers l’avant ou vers l’arrière. Il s’agit dans ce cas d’une illusion dite « somatogravique » [figure].

 

On pourrait donc recenser en théorie de nombreux cas possibles d’illusion vestibulaire : pour chaque canal considéré isolément, on pourrait imaginer au moins 6 illusions somatogyres ou somatograviques, ce qui nous ferait un total d’au moins 18 illusions possibles.

La réalité des illusions et accidents les plus fréquents

Dans la réalité des conditions en vol, 4 illusions principales sont observées (qui surviennent lors de vols de nuit, dans le brouillard ou dans les orages). Ces quatre principales illusions vestibulaires sont décrites dans différents articles de sécurité aérienne [articles] et sont les suivantes :

1°) Une illusion somatogyre à la sortie d’un virage prolongé :

Un mouvement constant et durable de l’appareil (par exemple vers la droite) finit par ne plus stimuler les cils otolithiques. En revanche, lorsque le pilote arrête la rotation, l’endolymphe, par inertie, prolonge son mouvement. Les cils otolithiques sont alors activés et le pilote a la sensation d’effectuer un virage dans le sens inverse. Sa tendance sera alors de corriger la trajectoire de l’appareil plus avant du virage effectué, et il déroute l’avion. Seul le contrôle des cadrans peut permettre au pilote de détecter l’erreur et de préserver le bon cap. Ce type de phénomène, qui semble bénin, peut en fait, par le cumul de ce type de manœuvres, entraîner une désorientation totale de l’avion, à 180° par exemple.

2°) L’illusion somatogyre d’inclinaison

C’est une illusion analogue à la précédente, sauf qu’il ne s’agit pas du mouvement inertiel de l’endolymphe lors d’une rotation horizontale, mais lors d’un mouvement d’inclinaison. Si le pilote laisse par exemple s’incliner doucement l’avion sur la droite pendant qu’il consulte une carte, lorsqu’il stabilise l’appareil, l’endolymphe, par inertie, poursuit son mouvement, ce qui donne au pilote l’impression relative de s’incliner sur la gauche, ce qui l’incite à aggraver l’inclinaison à droite.

3°) L’effet de Coriolis

Si un pilote cumule l’ascension d’un décollage, plus un virage à gauche ou à droite, plus un mouvement contingent de la tête dans un plan perpendiculaire aux deux autres plans de mouvement, les trois canaux semi-ciculaires se trouvent alors stimulés en même temps et le pilote ressent une sensation de tournoiement et de vertige qui lui fait perdre tout sens d’orientation dans l’espace. La seule façon de contrôler l’avion sera de se référer très rapidement aux cadrans de navigation.

4°) L’illusion somatogravique de « fausse ascension »

L’accélération horizontale et l’ascension d’un côté, et la décélération et la descente d’un autre côté, peuvent être confondues, parce que ces deux couples provoquent la même inclinaison des cils otolithiques, dans un sens ou dans l’autre.


C’est précisément l’illusion vestibulaire dont a été victime le pilote du vol GF 072 à Bahrein : il a ressenti l’accélération en descente de son avion comme une montée relative. Il a donc ressenti son accélération constante en descente comme un vol horizontal à vitesse constante. C’est pourquoi, lorsqu’il a voulu faire descendre l’avion pour atterrir, il a aggravé l’angle de descente et a précipité l’avion dans la mer, sans possibilité de redressement.

Un questionnaire de connaissances à destination de pilotes d’avion

On retrouve – tout logiquement – ces quatre illusions convoquées dans un questionnaire de sécurité à destination des pilotes [questionnaire]. Sur 104 occurrences, 10 sont consacrées à des phénomènes d’illusion perceptive, et parmi lesquelles 5 à des illusions vestibulaires :

 

n° 13 : « En vol stabilisé, vous êtes sujet à une illusion d’origine vestibulaire. Il est recommandé… » (d’éviter tout mouvement céphalique et de vous fier à vos instruments) ; c’est l’effet de Coriolis ;

 

n° 24 : « En sortie d’un virage de longue durée coordonné, à taux constant, à l’horizontale, il y a risque d’éprouver une illusion… » (somatogyre, donnant l’impression de virer de l’autre côté) ; c’est l’illusion somatogyre de virage prolongé dans le plan horizontal ;

 

n° 53 : « Les illusions sensorielles dites somatograviques sont susceptibles d’apparaître… » (lors d’accélérations prolongées dans le sens vecteur vitesse de l’aéronef) ; c’est l’illusion somatogravique ;

 

n° 67 : « Après avoir involontairement pris une légère inclinaison, un pilote opère une correction. Il a alors la sensation d’être incliné du côté opposé à l’inclinaison initiale. Cette illusion est… » (d’origine vestibulaire) ; c’est l’illusion somatogyre d’inclinaison ;

 

n° 88 : « Chez l’homme, l’orientation spatiale se fait grâce aux informations fournies par des récepteurs situés près des articulations, par l’œil et par… » (l’appareil vestibulaire de l’oreille interne).

 

Enfin, deux questions peuvent être posées en prolongement de ces réflexions :

Pourrait-on imaginer un système naturel de discrimination de l’accélération et de la pesanteur ?

 Nous savons – enfin, nous pouvons supposer – que le système vestibulaire est un produit de l’évolution naturelle de l’espèce.

Il se trouve que les conditions de confusion entre gravité et accélération constante sont des conditions récentes dans l’histoire de l’humanité – ce pourquoi précisément les humains subissent des illusions vestibulaires somatograviques et provoquent des accidents à l’insu de leurs convictions intimes.

D’où la question de savoir quel type d’amélioration aurait pu – ou pourrait – apporter la nature pour éviter ces illusions somatograviques.

Nous avons cherché dans différentes directions, en imaginant notamment :

- l’adjonction de cils otolithiques à l’intérieur des canaux semi-circulaires ;

- ou l’adjonction d’un second otolithe dans le prolongement du premier ;

- ou une seconde couche de cils, symétrique à la première, au « plafond » du vestibule…

…mais aucune de ces perspectives ne paraît satisfaisante pour permettre de discriminer accélération et inclinaison.

C’est une question qui pourrait être explorée… mais qui n’a peut-être pas d’issue ni d’intérêt – sauf à mettre au point un système artificiel qui pourrait préserver les pilotes de l’illusion.

Quels sont le fonctionnement et la programmation des simulateurs de fête foraine ?

Les illusions vestibulaires sont exploitées par les simulateurs de navigation spatiales (aérienne, terrestre ou sous-marine) qui sont ouverts au public dans les fêtes foraines.

Ces machines suggèrent en effet des impressions :

- d’accélération et de freinage ;

- d’ascension et de descente durables ;

- ou de force centrifuge latérale…

…ceci uniquement par des mouvements d’orientation de la machine dans les trois dimensions, sans forces d’accélération.

En fait, la machine incline nos cils otolithiques de façon à suggérer, en combinaison avec la vision du film, l’impression de forces – qui sont purement illusoires.

 

Une question intéressante serait de savoir comment sont conçus concrètement les programmes d’orientation de ces machines :

- sont-ils conçus par un être humain qui, en observant le film, de façon empirique, note ou indique des instructions dynamiques qui constitueront le programme ?

- ou bien sont-ils conçus une machine perceptive et computationnelle artificielle qui serait capable, en visionnant le film, de calculer les orientations que doit prendre la machine, ceci avec évidemment une fidélité plus grande qu’un observateur humain ?

La réponse à cette question n’a pas été trouvée. La chose paraît possible en théorie.