Chapitre 1. Rappel d’embryologie et d’anatomie de l’unité vertébrale
Embryologie
L’embryon possède un squelette axial ou notochorde, tube élargi situé en avant des ébauches du tube neural.
La notochorde [13] est formée d’un sac membranaire contenant des cellules constituées de gélatine chordale et qui sera remplacé par le squelette vertébral.
Le mésenchyme périchordal se transforme en squelette vertébral grâce aux somites ; il apparaîtra autant de vertèbres qu’il y a de somites. Les somites formeront les myotomes et les sclérotomes :
– les myotomes donneront les muscles latéraux et postérieurs du tronc ;
– les sclérotomes donneront les différents éléments du squelette axial (figure 1.1).
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| Figure 1.1 Embryologie du métamère. |
Les sclérotomes prolifèrent pour se placer entre la notochorde et le tube neural.
Au niveau de chaque future vertèbre, la notochorde sera entourée par du tissu osseux, le tube neural sera enfermé dans un anneau qui constituera ensuite le canal rachidien. Chaque vertèbre sera formée par la réunion de la moitié inférieure d’un sclérotome et de la moitié supérieure du sclérotome sous-jacent. À la partie antérieure des somites persistent des zones qui ne seront pas envahies par les sclérotomes et deviendront les disques intervertébraux.
La notochorde disparaît au niveau des futurs corps vertébraux, mais elle persiste à la partie centrale du disque intervertébral où elle formera le nucleus pulposus.
Les sclérotomes deviendront le cartilage préosseux au deuxième mois de la vie foetale et présenteront deux parties :
– la partie antérieure, correspondant au corps vertébral ;
– la partie postérieure, correspondant à l’arc postérieur.
Anatomie du rachis lombaire
Ossification d’une vertèbre type
À la fin du troisième mois de la vie foetale, un point d’ossification apparaît au niveau du corps vertébral (figure 1.2).
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| Figure 1.2 Ossification de la vertèbre. |
Des cartilages intermédiaires persistent entre le corps vertébral et l’arc postérieur jusqu’à l’âge de 6 ans [25].
À ces trois points d’ossification primitive, il convient d’ajouter des points d’ossification secondaires :
– Un point secondaire pour l’apophyse épineuse.
– Un point secondaire pour chaque apophyse transverse.
– Un point secondaire pour chacune des apophyses articulaires supérieures et inférieures. L’ensemble est complètement ossifié vers l’âge de 18 ans.
Ostéologie des vertèbres lombaires [9, 12, 13, 19, 21, 25]
Le rachis a une fonction double :
– une fonction de mobilité et de cinétique ;
– une fonction de protection des éléments nerveux (moelle épinière).
Le corps vertébral
Volumineux, réniforme à grand axe transversal. Il se compose d’une corticale d’os dense entourée de tissu spongieux ; les corticales des faces supérieure et inférieure forment les plateaux vertébraux, en contact avec les disques intervertébraux.
La périphérie des plateaux forme ce qu’on appelle le listel marginal ; les plateaux vertébraux sont recouverts de cartilage articulaire, ce qui explique la fréquence des ostéophytes à la partie antérieure du corps vertébral.
Les travées d’os spongieux se distribuent le long de lignes de force verticales, horizontales et obliques. Les lignes de force obliques ont une disposition en éventail, un supérieur et un inférieur.
L’éventail supérieur est issu du plateau supérieur du corps vertébral et passe par les pédicules pour se terminer au niveau des apophyses articulaires supérieures, de part et d’autre de l’apophyse épineuse (figure 1.3).
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| Figure 1.3 Structure d’une vertèbre lombaire. |
L’éventail inférieur part du plateau inférieur du corps vertébral et passe par les pédicules pour gagner les apophyses articulaires inférieures et l’apophyse épineuse. À l’entrecroisement de ces systèmes obliques s’ajoute un système de travées verticales présentant un point faible antérieur au niveau du corps vertébral. Les forces de compression les plus importantes s’exercent au niveau du corps de L3 (figure 1.4).
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| Figure 1.4 Vertèbre lombaire – vue de profil. |
Les pédicules
Épais, ils assurent l’union du corps vertébral avec l’arc neural. Leur grand axe est antéropostérieur, dirigé vers l’avant dans le plan horizontal. Leur diamètre transversal est compris entre 0,5 et 1,7 cm, leur diamètre vertical entre 1,3 et 1,7 cm.
Les lames
Elles sont plus hautes que larges et assurent l’union entre l’apophyse transverse, le pédicule et l’apophyse épineuse. Cette union est matérialisée dans l’os par la présence de traits constituant le faisceau inter-transversaire (figures 1.5 et 1.6).
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| Figure 1.5 Vertèbre lombaire – vue postérieure. |
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| Figure 1.6 Vertèbre lombaire – vue antérieure. |
Les apophyses transverses ou apophyses costiformes
De grande taille, d’1,5 cm environ, ils sont implantés au niveau de la jonction entre le pédicule et l’apophyse articulaire supérieure. Différents muscles s’y insèrent (muscles transversaires épineux), de même que certains ligaments (ligaments iliolombaires, ligaments inter-transversaires). Ils sont obliques en haut, en arrière et en dehors (figures 1.7 et 1.8).
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| Figure 1.7 Insertions sur la face antérieure de L2. |
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| Figure 1.8 Insertions sur la face postérieure de L2. |
Les apophyses épineuses
Au niveau lombaire, ce sont des lames verticales, rectangulaires, épaisses, orientées en arrière.
On y trouve les insertions des ligaments interépineux et supraépineux et de l’aponévrose lombosacrée.
Le canal rachidien
Il est de forme triangulaire à trois côtés égaux.
Il assure la protection des éléments nerveux. Il a une face antérieure discocorporéale et deux faces postérieures, droite et gauche, constituées par les pédicules et leur jonction avec l’apophyse épineuse (figure 1.9, tableau 1.1).
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| Figure 1.9 Vertèbre lombaire, vue supérieure. |
| Espaces vertébraux | Diamètre en mm | Anatomie |
|---|---|---|
| L1 | 16–29 | 12,3–22,3 |
| L2 | 16–28 | 12,3–21,5 |
| L3 | 16–27 | 12,3–20,7 |
| L4 | 14–27 | 10,7–20,7 |
| L5 | 15–29 | 11,5–22,3 |
| Espaces vertébraux | Diamètre max. antéropost. | Diamètre max. transversal |
| L1 | 17 | 21 |
| L2 | 16 | 22 |
| L3 | 15 | 22 |
| L4 | 15,5 | 23 |
| L5 | 17 | 25 |
Les apophyses articulaires postérieures
Situées entre le pédicule et les lames, ce sont les éléments postérieurs du trépied articulaire.
Les articulations formées sont de type trochoïde en hémicylindre :
– les articulations supérieures sont concaves et regardent en arrière et en dedans ;
– les articulations inférieures sont convexes et regardent en avant et en dehors (figure 1.10) ;
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| Figure 1.10 Orientation des apophyses postérieures, d’après Castaing [13]. |
– les facettes articulaires sont recouvertes de cartilage articulaire (tableau 1.2).
| Espace vertébral | Coté droit | Coté gauche |
|---|---|---|
| L4 inférieur | 1,66 mm | 1,46 mm |
| L5 supérieur | 1,90 mm | 1,88 mm |
| L5 inférieur | 1,90 mm | 1,94 mm |
| S 1 | 2,56 mm | 2,32 mm |
Caractères particuliers de certaines vertèbres lombaires
– 1 re lombaire : ses apophyses transverses sont les plus petites du segment lombaire.
– 3 e lombaire : elle a les plus grandes apophyses transverses du rachis lombaire.
– 5 e lombaire : le corps vertébral est plus haut en avant qu’en arrière ; son aspect cunéiforme résulte de la nécessité d’adaptation à la position debout.
Articulations interapophysaires postérieures
Leurs facettes sont verticales et regardent en arrière et en dedans ; leur orientation facilite la flexion, mais limite la rotation.
L’épaisseur du cartilage articulaire augmente de haut en bas ; d’après Delmas [17], l’épaisseur atteint son maximum au niveau de S1. Entre les structures cartilagineuses s’interpose une frange synoviale appelée ménisque intervertébral. Ces formations méniscales ou replis capsulaires seraient impliqués dans certains « blocages » qui se produisent au niveau des facettes. Les articulations interapophysaires (ou zygapophysaires) sont entourées d’une capsule renforcée par des ligaments.
L’espace articulaire varie de 1 à 4 mm ; au cours des mouvements de rotation, les pressions s’exercent sur la base des apophyses articulaires supérieures ; les pressions sont importantes au cours des mouvements d’extension et à l’occasion du port unilatéral de charges lourdes.
Articulation discosomatique
C’est une amphiarthrose constituée des éléments suivants :
– le plateau supérieur et inférieur de deux vertèbres voisines ;
– un ligament interosseux, ou disque intervertébral, en forme de lentille biconvexe, qui les unit.
Le disque intervertébral comprend deux parties :
– une partie centrale, le nucleus ;
Anatomie
Le disque intervertébral [6] est une structure conjonctive souple qui unit les corps vertébraux et assure la solidité de la partie antérieure du rachis.
Les disques intervertébraux sont normalement au nombre de 23 et ils représentent le quart de la hauteur de la colonne vertébrale. Le disque, qui occupe l’espace intervertébral, participe à la stabilité du rachis, mais c’est lui qui supporte les déformations élastiques occasionnées par les mouvements. Il amortit ainsi l’effet, parfois nocif, des forces extrinsèques et il est en partie responsable de la souplesse du rachis.
Le disque intervertébral [23] est formé de trois tissus différents : l’annulus, le nucleus et la plaque terminale du plateau vertébral.
L’annulus a une structure polystratifiée, comme un pneu de voiture ; chaque couche est formée de fibres de collagène bien organisées, orientées en sens inverse de celles des couches voisines et obliques à 30° environ par rapport à l’horizontale. Cette structure confère à l’annulus une valeur élevée du module de tension et une grande solidité, ainsi qu’une valeur égale du module de torsion dans chacune des directions.
Le nucleus est enfermé à l’intérieur de l’annulus et de la plaque terminale du plateau vertébral ; il se compose essentiellement d’un polymère très hydrophile appelé glycosaminoglycane, capable d’absorber une importante quantité d’eau et formant une matrice gélatineuse.
L’obliquité des fibres est différente d’une couche à l’autre et les fibres s’entrecroisent (figure 1.12).
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| Figure 1.12 Structure du disque intervertébral lombaire, d’après Kapandji [19]. |
Les fibres sont extrêmement serrées. Sur sa face antérieure, l’annulus est recouvert par le ligament longitudinal antérieur et, sur sa face postérieure, par le ligament longitudinal postérieur. Sa disposition en diabolo avec ses insertions discales latérales s’oppose à la déformation du disque. La hauteur de la face postérieure des corps vertébraux augmente progressivement. Les disques déterminent les courbures du rachis et leur hauteur diminue d’avant en arrière et de haut en bas (tableau 1.3).
| Disque | Hauteur antérieure | Hauteur postérieure |
|---|---|---|
| L3-L4 | 8,2 mm | 6,7 mm |
| L4-L5 | 8,7 mm | 6,9 mm |
| L5-S1 | 11,5 mm | 3,8 mm |
Embryologie [13, 24]
La partie antérieure du rachis, à savoir les corps vertébraux et les disques voisins, est formée à partir des cellules mésenchymateuses qui s’agglomèrent autour d’une structure centrale cellulaire, cylindrique, gélatineuse, d’origine endodermique, appelée processus notochordal ou notochorde.
Les artères vertébrales segmentaires pénètrent dans le tissu mésenchymateux et induisent l’ossification des segments voisins qui vont se calcifier vers la dixième semaine de la vie foetale. Cette calcification aboutit à la formation des corps vertébraux. La partie originale du tissu mésenchymateux, située à distance des artères segmentaires, échappe cependant à cette ossification et va se transformer en cartilage hyalin, puis fibreux, et aboutir ainsi à la formation du disque intervertébral.
La partie centrale du disque conservera jusqu’à l’âge adulte les formations cellulaires dérivées de la notochorde. Ces vestiges disparaissent cependant rapidement au niveau des corps vertébraux ossifiés. La persistance des cellules notochordales au centre du disque est importante. Cette lignée cellulaire détermine en effet la formation de la partie centrale du disque, c’est-à-dire du nucleus pulposus, et assure la différenciation avec les structures lamellaires périphériques cartilagineuses, puis fibreuses, aboutissant à la formation, à l’âge adulte, de l’anneau fibreux.
Anatomie microscopique
Le disque intervertébral se divise en trois parties bien distinctes : les plaques cartilagineuses au contact des corps vertébraux, le noyau central de consistance gélatineuse, ou nucleus pulposus, entouré par une structure lamellaire périphérique, l’anneau fibreux (figures Figure 1.1, Figure 1.2, Figure 1.3, Figure 1.7 and Figure 1.13).
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| Figure 1.13 Disque sain. |
Anatomie du disque
Sa fonction de base est triple.
Les disques se comportent comme un ligament maintenant ensemble les différentes vertèbres.
Ils servent d’amortisseurs des chocs amenant le poids à la partie inférieure du corps (charge axiale) en position droite ascendante.
Ce sont des points de pivot permettant à la colonne vertébrale de s’incliner et de tourner.
Le disque se compose de trois structures fondamentales : le nucleus pulposus, l’anneau fibreux et les plaques cartilagineuses vertébrales.
Bien que leurs pourcentages puissent différer, trois composants de base sont présents dans ces trois dernières structures : les protéoglycanes (protéines), le collagène (cartilage) et l’eau.
Le nucleus pulposus est le centre gélatineux, riche en eau, du disque, qui est soumis à une pression élevée quand le sujet est debout.
Il a deux fonctions principales : supporter et transmettre le poids du tronc vers le bas (charge axiale) et servir de pivot à partir duquel s’effectuent les mouvements de la partie inférieure du tronc.
Il a pour troisième fonction de servir de ligament et de maintenir ensemble les vertèbres. L’anneau fibreux est une structure beaucoup plus fibreuse que le nucleus. Il contient davantage de collagène et moins d’eau. Il a pour fonction d’entourer le nucleus comprimé et d’éviter qu’il soit expulsé à l’extérieur. Il est constitué de 15 à 25 feuillets concentriques de collagène appelés lames. Celles-ci ont une disposition particulière qui les rend extrêmement résistantes et parfaitement capables de retenir le nucleus sous pression.
L’anneau apophysaire est la partie osseuse découverte de la périphérie externe des corps vertébraux. Les fibres les plus externes du disque (fibres de Sharpey) s’insèrent dans cette région. Des ostéophytes peuvent se former à partir de l’anneau apophysaire aux stades plus tardifs de la dégénérescence discale et/ou de l’arthrose (spondylarthrose). Spécifiquement, les ostéophytes se présentent comme des prolongements développés au niveau des points d’insertion des fibres de Sharpey.
Le ligament longitudinal postérieur est la dernière protection du tissu nerveux postérieur contre les effets irritants et inflammatoires développés par le nucleus pulposus.
Le disque, qui est formé d’un anneau fibreux et d’un nucleus pulposus, présente trois zones distinctes (figure 1.14).
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| Figure 1.14 Anatomie du disque. |
Le nucleus pulposus, un gel riche en eau (du fait que l’eau est captée et maintenue à l’intérieur du disque par les molécules de protéoglycane agrégées), est situé au centre du disque.
L’anneau fibreux, correspond aux parties fibreuses externes du disque, se compose de collagène de type I.
Les plaques cartilagineuses vertébrales, plaques cartilagineuses unissant les disques aux vertèbres, qui vascularisent (alimentent en nutriments) les deux-tiers internes de l’anneau et la totalité du nucleus.
Pour augmenter encore la résistance de l’anneau fibreux, des feuillets de collagène forment des bandes s’étendant au travers de l’anneau et appelées lames. Les lames les plus externes (fibres de Sharpey), différentes des lames internes, s’insèrent sur l’os périphérique solide (apophyse de l’anneau) de chaque corps vertébral. C’est la région où se forment classiquement les ostéophytes.
Nucleus pulposus
Le nucleus pulposus est une structure molle, de forme sphérique, de 2 mm de diamètre environ, de consistance semi-gélatineuse chez l’enfant et l’adolescent. Il est situé entre les plaques cartilagineuses et à l’intérieur de l’anneau fibreux qui le maintiennent sous pression.
C’est une masse amorphe, blanche, légèrement brillante et qui, au microscope, ne se différencie pas bien de l’anneau fibreux qui l’entoure.
Le nucleus pulposus est une structure gélatineuse hydratée, située au centre de chaque disque intervertébral, et qui a la consistance du dentifrice.
Il est composé d’eau à 80 % et d’éléments solides : protéoglycanes (65 %), fibres de collagène de type II (17 %) et fibres d’élastine en faible quantité.
Ensemble, les protéoglycanes et le collagène forment la matrice du noyau. Les cellules du disque, qui produisent l’eau où baignent les molécules de protéoglycanes, sont très proches des chondrocytes du cartilage articulaire. Les protéoglycanes existent sous différentes formes structurelles au sein du disque, mais la structure la plus importante est représentée par les agrécanes.
Les agrécanes ont pour principale fonction de capter et conserver l’eau conférant sa résistance au nucleus. Comme une éponge, les agrécanes peuvent absorber et conserver 500 fois leur poids en eau (figure 1.15).
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| Figure 1.15 Composition du disque intervertébral. |
Ensemble, les protéoglycanes et le collagène forment la matrice du noyau.
Les cellules du disque, qui produisent l’eau dans laquelle baignent les molécules de protéoglycanes, sont très proches des chondrocytes du cartilage articulaire.
Les protéoglycanes sont présents sous différentes formes au sein du disque, mais la structure la plus importante porte le nom d’agrécanes.
Configuration générale des protéoglycanes
Cent chaînes polysaccharidiques se lient avec une protéine de type fibreux dont l’une des extrémités porte un ou deux domaines globulaires.
Sécrétés par les chondrocytes, ils se composent de sous-unités appelées glycosaminoglycanes (GAG). Les GAG se lient à un noyau protéique pour former des agrécanes ou d’autres protéoglycanes.
Par le biais de protéines de liaison, ces agrécanes s’unissent à l’acide hyaluronique (qui est un autre GAG, mais non sulfaté, dépourvu de protéine centrale et qui ne forme pas de PG) pour donner des agrégats de protéoglycanes.
Les protéoglycanes sont des macromolécules composées d’une protéine centrale au long de laquelle sont unies, par leur extrémité terminale, de nombreuses molécules de glycosaminoglycanes sulfatés.
Les protéoglycanes sont extrêmement divers et varient par le type et la taille de la protéine centrale et par le type, le nombre et la longueur des glycosaminoglycanes qui lui sont associés. La décorine, un protéoglycane qui recouvre la surface des fibrilles de collagène, comporte une molécule de chondroïtine ou de dermatanesulfate, tandis que l’agrécane, un autre protéoglycane, qui est l’un des principaux composants de la matrice extracellulaire du cartilage, contient près de 100 molécules de chondroïtinesulfate et 30 molécules de kératane-sulfate unies à une protéine centrale de plus de 3000 acides aminés.
Il est également possible que la substance fondamentale s’organise en agrégats moléculaires de plus grande taille encore puisque les protéoglycanes peuvent s’associer par une des extrémités de la protéine centrale tout au long de l’acide hyaluronique, au moyen de protéines globulaires de liaison (figure 1.16).
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| Figure 1.16 Agrécane. |
Le noyau a deux fonctions. D’une part, absorber la majeure partie de l’énorme charge axiale qui vient d’en haut et qui correspond au poids du corps. D’autre part, maintenir les lames de l’anneau fibreux de façon à ce que celui-ci soit suffisamment résistant pour parvenir à absorber la charge axiale du nucleus et de l’anneau pour travailler ensemble.
À la périphérie du noyau, on observe souvent une zone de transition qui la sépare de l’anneau fibreux et qui délimite une petite cavité remplie d’une substance gélatineuse, plus visqueuse que celle du tissu nucléaire, et au sein de laquelle le nucleus paraît se déplacer.
La teneur en eau diminue avec l’âge et avec la pression reçue par le disque ; il existe de ce fait une diminution de la taille chez toute personne menant une vie active.
La perte progressive de volume des protéoglycanes explique la perte d’eau. Vers l’âge de 40 ans, on observe une perte progressive de liquide et son remplacement par du tissu fibreux au niveau du noyau.
Entre 60 et 80 ans, le nucleus se transforme en fibrocartilage.
Avec l’âge des fissurations apparaissent dans les lames de l’anneau.
Anneau fibreux
L’anneau fibreux constitue une vraie capsule entourant le nucleus. Il est formé de lames concentriques plus nombreuses à la partie antérieure de l’espace intervertébral (une vingtaine) qu’à sa partie postérieure (une dizaine).
La partie antérieure de l’anneau est donc habituellement plus épaisse et, par conséquent, plus solide. L’anneau fibreux est cependant complètement fermé et ceinture la totalité de l’espace intervertébral. Les lames qui le composent s’insèrent sur le listel marginal situé à la périphérie de l’espace et des plaques cartilagineuses de la partie centrale.
Il est formé de 15 à 25 feuillets de collagène appelés lames. Les lames sont maintenues ensemble par des protéoglycanes.
Ces feuillets font le tour du disque auquel, avec le nucleus, ils confèrent une très grande résistance à la charge axiale.
D’une couche à l’autre, les fibres élastiques sont disposées obliquement, mais en sens inverse, ce qui leur permet de contrôler principalement les forces de rotation et de translation latérales qui s’exercent sur le disque.
L’anneau fibreux est composé de fibrocartilage et de collagène de type I.
Les fibres de l’anneau sont disposées obliquement entre les vertèbres et forment des couches concentriques ; les fibres de couches consécutives se croisent en faisant un angle de 30–60°.
En périphérie, certaines fibres annulaires s’étendent du plateau vertébral jusqu’au bord du cartilage, pour pénétrer dans l’os du corps vertébral (fibres de Sharpey) (figure 1.17) ; les fibres profondes s’insèrent sur le cartilage à chaque extrémité du disque.
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| Figure 1.17 Fibres de Sharpey. |
La partie postérieure de l’anneau est renforcée par le ligament longitudinal postérieur. Celui-ci constitue la dernière barrière entre le disque, la fragile moelle épinière et les racines nerveuses. Il a les mêmes composants biochimiques que le disque, mais en proportions différentes. L’anneau est constitué d’eau (65 %), de collagène de type I et II (55 % du poids sec) et de protéoglycanes (60 %) (surtout sous forme d’agrégats de plus grande taille), correspondant à plus de 20 % du poids sec.
L’anneau contient également des fibres élastiques (10 %) qui partent à peu près de l’endroit où l’anneau est uni à la plaque cartilagineuse vertébrale (figure 1.18). Les lames sont composées de fibres de collagène de type I (type le plus résistant) et de type II. Les lames les plus externes sont presque toutes formée de fibres de type I.
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| Figure 1.18 Fibres de collagène de l’anneau. |
Si on va davantage vers l’intérieur, vers le nucleus, on observe dans les couches les plus internes un plus grand nombre de fibres de type II et moins de type I. Les lames les plus internes sont très difficiles à différencier du nucleus. Il n’existe pas de limite nette entre le nucleus et l’anneau.
Les fibres de collagène de chaque lame agissent parallèlement en faisant un angle de 65° avec le plan sagittal. Chaque lame suit un trajet faisant un angle de 65°, mais avec une orientation inverse de celle des lames immédiatement situées à sa droite et à sa gauche. Cette disposition augmente beaucoup la résistance de l’anneau au cisaillement, mais facilite l’apparition de fissures ou de crevasses au sein des différentes couches de l’anneau.
L’anneau a pour fonction d’aider le nucleus à résister et à amortir le poids axial du corps. Pour avoir la configuration la plus résistante, l’anneau a besoin d’une certaine aide du nucleus, en ce sens qu’il doit le repousser en dehors pour éviter le repli de ses lames vers l’intérieur. Le nucleus doit maintenir une pression hydrostatique très élevée pour cela.
L’anneau fibreux se compose de :
– eau (65 %) ;
– collagène de type I et II (55 % du poids sec) ;
– protéoglycanes (surtout sous forme d’agrégats de plus grande taille) (60 %), correspondant à plus de 20 % du poids sec.
Les fibrilles de collagène forment des structures caractérisées par une grande résistance aux forces de traction et la façon dont elles sont associées entre elles varie d’un tissu conjonctif à l’autre (figure 1.19).
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| Figure 1.19 Fibres de collagène de l’anneau. |
Chaque fibre de collagène est formée par l’association de molécules de collagène, des protéines fibreuses de différents types.
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