“Now we would like you to subtract number 13 from 6233, and keep subtracting 13 from the remainder until we tell you to stop. You should do the subtraction as fast and as accurately as possible."
Telle est l’une des consignes que reçoivent les participants au protocole du TSST (Trier Social Stress Test). On reproduit ici l’épreuve de calcul mental du TSST pour générer un stress et mesurer quelques paramètres dont les variations, le cas échéant, attesteront de l’adaptabilité physiologique de l’organisme.
Professeure
- Anne FLORIMOND, au lycée Richelieu, Rueil-Malmaison (92)
Caractéristiques de la séquence
| LIAISON AVEC LE PROGRAMME | |
|---|---|
| Niveaux concernés | Terminale spécialité SVT |
| Partie du programme | L’adaptabilité de l’organisme, dans le sous-thème "Comportements et stress : vers une vision intégrée de l’organisme" du thème "Corps humain et santé". |
| PLACE DANS LA PROGRESSION |
|---|
| La séquence proposée permet de commencer le sous-thème sur le stress, sans prérequis particulier issu du programme de SVT de Terminale. |
| MOTIVATION |
|---|
| Au moment d’aborder la partie du programme sur le stress, le professeur pourrait être à la peine pour trouver des idées de TP manipulatoires. C’est sans compter sur l’ExAO « macroscopique », dédié à des mesures physiologiques chez l’homme et déjà fortement utilisée dans les anciens programmes de Seconde, qui peut tout à fait trouver sa place lors de l’étude de l’adaptabilité de l’organisme. À dire vrai, si l’on souhaite démontrer que la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire s’élèvent lors d’un stress (ce sont des notions parmi d’autres du programme, même si l’objectif cardinal du chapitre est plutôt orienté vers la commande de ces modification physiologiques), la seule solution est d’utiliser un dispositif ExAO. On propose donc ici une activité de nature expérimentale, avec des mesures permettant de générer des données. Ce travail pourra d’ailleurs rappeler aux élèves les dimensions du projet expérimental et numérique qu’ils ont travaillées en enseignement scientifique de Première : utilisation d’un capteur, acquisition numérique de données, traitement mathématique, représentation et interprétation des données. Enfin, l’activité est énoncée sous un format permettant de travailler de nouvelles facettes de l’ECE. La piste retenue ici est la prise de recul vis-à-vis des résultats obtenus, ce qui est l’occasion de mettre en œuvre les méthodes mathématiques permettant de tester la fiabilité des données recueillies. |
| PROBLÈME À RÉSOUDRE |
|---|
Pour créer un stress aigu chez un organisme humain afin d’en étudier les modalités, les scientifiques appliquent un protocole de test en laboratoire, le TSST (Trier Social Stress Test).
|
| NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, compétences | |
|---|---|
| Notions | Extrait du bulletin officiel spécial n°8 du 25 juillet 2019 : Face aux perturbations de son environnement, l’être humain dispose de réponses adaptatives impliquant le système nerveux et lui permettant de produire des comportements appropriés. Le stress aigu désigne ces réponses face aux agents stresseurs. La réponse de l’organisme est d’abord très rapide : le système limbique est stimulé, en particulier les zones impliquées dans les émotions telles que l’amygdale. Cela a pour conséquence la libération d’adrénaline par la glande médullo-surrénale. L’adrénaline provoque une augmentation du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et la libération de glucose dans le sang. |
| Savoir-faire |
|
| Compétences |
|
| Cadre de référence des compétences numériques (CRCN) | |
|---|---|
|
|
|
|
Déroulement de la séquence
| ACTIVITÉ | ||
|---|---|---|
| Durée : environ 1 heure
– Partie A : Appropriation du contexte et activité pratique : 30 minutes – Partie B : Présentation et interprétation des résultats, poursuite de la stratégie et conclusion : 30 minutes |
Coût : environ 10 euros pour une groupe de 18 élèves (électrodes prégélifiées + filtres anti-bactériens) | Sécurité : RAS |
| Outils numériques et ressources |
|---|
|
Déroulement global de la séquence
Déroulement détaillé de la séquence
1. Un test de vérification de ce qui était à rechercher avant la séance
Au cours de lectures avant la séance, les élèves auront pu découvrir les différentes catégorie d’agents stresseurs ainsi que le protocole du TSST (Trier Social Stress Test) :
Un QCM est proposé pour repérer les éventuelles difficultés des élèves à la suite à ce qui est donné à étudier avant la classe.
Remarque : de multiples outils existent pour créer des QCM en ligne. On peut citer par exemple Wooclap, Socrative, Quizinière, ou tout simplement les applications offertes par l’ENT monlycee.net.
QCM - Choisir l’unique proposition exacte pour chaque question :
1. Le protocole du TSST utilise un agent stresseur qui est de nature :
o chimique
o sociale
o biologique
o physique
2. Parmi cette liste d’agents stresseurs, l’intrus est :
o les soucis familiaux
o les soucis de santé
o le cortisol
o la perspective d’un examen scolaire
3. Le protocole du TSST comporte :
o une période de préparation de 10 minutes, suivie d’une simulation d’entretien d’embauche de 5 minutes puis d’une tâche de calcul mental de 5 minutes
o une période de préparation de 5 minutes, suivie d’une simulation d’entretien d’embauche de 10 minutes puis d’une tâche de calcul mental de 15 minutes
o une période de préparation de 5 minutes, suivie d’une simulation d’entretien d’embauche de 5 minutes puis d’une tâche de calcul mental de 5 minutes
4. Lors du protocole du TSST, l’épreuve de calcul mental :
o consiste à faire des soustractions de 10 en 10 à partir d’un nombre élevé
o consiste à faire des additions de 13 en 13 à partir d’un nombre élevé
o a lieu devant un jury de 3 personnes familières
o est enregistrée et filmée
5. Les paramètres physiologiques mesurés lors du protocole du TSST sont :
o la fréquence cardiaque et la pression artérielle
o la fréquence cardiaque et le taux de cortisol salivaire
o la pression artérielle et le taux de cortisol salivaire
o uniquement la fréquence cardiaque
2. L’énoncé de l’activité
CONTEXTE
Telle est l’une des consignes que reçoivent les participants au protocole du TSST (Trier Social Stress Test), face à des examinateurs impassibles, en blouse blanche, qui lui posent des questions auxquelles il doit répondre dans un temps réduit en étant enregistré.
On cherche à identifier des réponses immédiates de l’organisme face à un agent stresseur en simulant une partie du protocole de TSST, et à expertiser la fiabilité des résultats obtenus.
CONSIGNES
| Partie A : Appropriation du contexte et activité pratique | |
|---|---|
| La stratégie adoptée consiste à mesurer la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire* d’un cobaye soumis ou non à l’épreuve de calcul mental du TSST puis à répéter ces mesures. *À noter que le protocole réel du TSST ne mesure pas la fréquence respiratoire des individus. Ici, on choisit de réaliser tout de même cette mesure, qui permettra de construire une notion du programme à propos des manifestations du stress aigu. | |
| Partie B : Présentation et interprétation des résultats, poursuite de la stratégie et conclusion | |
|---|---|
| |
| Protocole | |
|---|---|
| Matériel :
– chaîne d’acquisition ExAO comprenant un débit-mètre et un jeu de trois électrodes pré-gélifiées pour enregistrement de l’ECG ; – logiciel d’acquisition et sa fiche technique ; – logiciel tableur – alcool à 70° – coton | |
| Étapes du protocole à réaliser :
– Réaliser des acquisitions ExAO de l’ECG (électrocardiogramme) et du débit ventilé chez un cobaye non stressé et chez le même cobaye soumis à l’épreuve de calcul mental du TSST – Pour chaque situation, traiter les données avec le menu « Traitements, Calculs spécifiques » du logiciel d’acquisition pour calculer la fréquence cardiaque moyenne et la fréquence respiratoire moyenne. – Répéter ces mesures et traitements | |
| Précautions de la manipulation :
– durée de chaque acquisition = 2 minutes – le cobaye étant dans l’impossibilité de parler en raison du dispositif de mesure de son activité ventilatoire, il devra noter au fur et à mesure ses résultats lors de l’épreuve de calcul mental. En cas d’erreur, l’expérimentateur lui ordonnera de reprendre le calcul depuis le début. – commencer l’épreuve de calcul mental un peu avant de démarrer la mesure – imbiber le coton avec de l’alcool à 70° et nettoyer la peau aux endroits où les électrodes doivent être placées – position des électrodes sur les faces internes des poignets et de la cheville : 
| |
3. Des exemples de résultats avec leur exploitation
- Présentation et interprétation des résultats
Commençons par un visuel de quelques extraits d’enregistrements :
ECG du cobaye dans des conditions "zen"
ECG du cobaye lors de l’épreuve de calcul mental
Activité ventilatoire du cobaye dans des conditions "zen"
Activité ventilatoire du cobaye lors de l’épreuve de calcul mentalDe prime abord, on remarque une très légère (presque imperceptible !) augmentation de la fréquence cardiaque et une augmentation plus nette de la fréquence respiratoire lors de l’application de l’agent stresseur. Mais en toute rigueur, il faut quantifier les résultats (le déchiffrage de l’ECG n’est pas chose aisée) et tenir compte de toutes les acquisitions.
Pour chaque acquisition, on détermine donc avec le logiciel dédié (dans notre cas, LATIS-bio) la fréquence cardiaque et la fréquence ventilatoire à l’aide des fonctions de calcul « Fréquence cardiaque » et « Fréquence respiratoire ventilatoire » du menu « Traitements, Calculs spécifiques ».
Les données recueillies sont ensuite saisies avec le tableur en vue du calcul de la moyenne des trois essais :
Résultats bruts et moyennes (3 acquisitions)
Nous observons des différences de moyennes qui suggèrent effectivement que la situation de stress s’accompagne d’une augmentation de la fréquence cardiaque et de la fréquence respiratoire.
Néanmoins, les écarts entre les moyennes zen/stress ne semblent pas très importants. De plus, les moyennes ont été faites avec un petit nombre d’essais. Une expertise de la fiabilité des données avec des méthodes statistiques semble nécessaire.
- Poursuite de la stratégie
Les données recueillies forment un échantillon de mesures dont on doit calculer l’écart type et l’incertitude-type.
– Le calcul de l’écart type standard
L’écart type sert à estimer la dispersion des données autour de la moyenne. Il peut être calculé à l’aide des fonctionnalités du tableur :
– Le calcul de l’incertitude-type
Plaçons nous d’abord dans la perspective de l’ECE renouvelée. L’élève au cours de sa formation aura été confronté à deux éventualités, largement explicitées dans le vademecum ECE 2023 :
Premier cas de figure : une série de mesures (mesure coopérative) est réalisée par différents élèves du groupe de travaux pratiques. Les résultats sont collectés -pour constituer une banque de référence- et traités avec un tableur pour la calcul de la moyenne, de l’écart type et de l’incertitude-type. Cette dernière est égale à l’écart type standard divisé par la racine carrée du nombre N de mesures. La taille N de l’échantillon étant assez importante (idéalement, au moins 20 mesures), on détermine ensuite l’intervalle d’incertitude en appliquant à l’incertitude-type un facteur 2.
Deuxième cas de figure : l’élève a réalisé une mesure unique. Il peut tester la fiabilité de sa mesure en se servant de la banque de référence, qui lui permet de calculer la moyenne et l’écart type. Dans ce cas précis de mesure unique, l’incertitude type correspond à l’écart type et la compatibilité entre une valeur de référence et la valeur mesurée est de l’ordre de deux incertitudes-types.
Mais dans le cas particulier de l’activité proposée dans cet article, nous avons seulement 3 mesures et nous ne possédons pas de banque de référence ! Notre échantillon étant de petite taille (ici N=3), nous devons introduire un coefficient d’élargissement (appelé coefficient de Student) prenant en compte la taille de l’échantillon.
La valeur du coefficient de Student, donnée par la table de Student*, dépend du nombre de mesures réalisées et du niveau de confiance choisi :
Dans notre cas, pour un niveau de confiance de 95%, nous devons adopter un coefficient de Student égal à 4,3.
*Remarquons au passage que c’est cette même table de Student qui donne le coefficient 2 (plus précisement 2,09) utilisé dans notre premier cas de figure (jeu de 20 mesures).
Voici le détail du calcul de incertitude-type, puis de l’incertitude élargie, avec les fonctionnalités du tableur :
Un tout dernier (!) calcul permet d’obtenir un encadrement de la mesure :
Finalement, pour notre cobaye, le traitement de l’échantillon de mesures sous l’angle statistique donne les résultats suivants :
Nous venons de déterminer que la fréquence cardiaque de notre cobaye vaut (avec un seuil de confiance de 95%) 57,7+/- 3,97 cpm au repos alors qu’elle vaut 63,7 +/- 0,80 cpm lors de l’épreuve de calcul mental. Les deux intervalles de valeurs ne se recoupant pas (ouf !), on peut affirmer que la fréquence cardiaque s’élève lors de l’application d’un agent stresseur.
Nous avons également déterminé que la fréquence respiratoire de notre cobaye vaut (avec un seuil de confiance de 95%) 19,4 +/- 0,70 cpm au repos contre 22,1 +/- 1,54 cpm lors de l’épreuve de calcul mental. Les deux intervalles de valeurs ne se recoupant pas, on peut affirmer que la fréquence respiratoire s’élève lors de l’application d’un agent stresseur.
- Conclusion
En simulant une partie du protocole de TSST, nous avons obtenu des moyennes de fréquence cardiaque et de fréquence respiratoire légèrement plus importantes qu’en l’absence d’application d’un agent stresseur. En utilisant les méthodes statistiques des mathématiques, nous avons prouvé que les différences mesurées étaient très probablement significatives. Nous avons donc bien identifié, chez un cobaye, des réponses immédiates de l’organisme face à un agent stresseur.
Focus sur des outils mathématiques : écart-type, incertitude-type associée à une série de mesures, incertitude élargie
Ce focus explicite les outils et méthodes statistiques que nous avons utilisés :
- L’écart type (d’après vademecum ECE 2023)
Chaque mesure expérimentale s’accompagne d’une variabilité. Les mesures faites se regroupent généralement autour d’une valeur moyenne. Pour estimer la dispersion des mesures on utilise l’écart type. Si on travaille sur des échantillons et non sur une population, on utilise l’écart type d’échantillon, dont la formule de calcul est :
Le calcul de l’écart typeDans cette formule :
– xi est la valeur mesurée lors d’une mesure
– 𝑥̅ est la moyenne
– N est nombre de mesures faites.
Point de vigilance : écart type de la population versus écart type de l’échantillon
Si on veut calculer l’écart type d’un échantillon (c’est le cas ici) et non celui d’une population, il faut bel et bien diviser la somme des carrés des écarts à la moyenne par N-1 et non par N (N étant l’effectif de l’échantillon).Pour paramétrer le calcul d’un écart type d’échantillon avec le tableur Excel : dans le menu "Formules", choisir "Plus de fonctions » puis « Statistiques » puis « ECARTYPE STANDARD ». - L’incertitude-type associée à une série de mesures
L’incertitude associée à une moyenne issue de N mesures est donnée par la formule suivante :
formule de l’incertitude-typeDans cette formule, s est l’écart-type et N le nombre de mesures réalisées.
La vidéo ci-dessous explicite bien le calcul et l’intérêt de l’incertitude-type :
- L’incertitude élargie
Dans la pratique, on ne peut réaliser qu’un nombre limité de mesurages. Pour prendre en compte ce nombre limité, on multiplie l’incertitude-type par un facteur k appelé facteur d’élargissement, pour obtenir une incertitude dite élargie :
La formule de l’incertitude élargieDans cette dernière formule, t est le facteur d’élargissement. La valeur de t est donnée par une table dite table de Student. Elle dépend du nombre de mesures réalisées et du niveau de confiance choisi :
La table de StudentAu final, la valeur vraie de la mesure sera donnée par l’encadrement suivant :
L’expression finale de la valeur vraie d’une mesure
Des suggestions de prolongement de l’activité
- Expertise de résultats effectifs du TSST et poursuite de l’analyse critique
Les publications scientifiques sur la réalisation du TSST donnent accès à des résultats obtenus sur des cohortes de volontaires. Ce graphique (parmi d’autres), extrait de la publication "The ‘Trier Social Stress Test’ – A Tool for Investigating Psychobiological Stress Responses in a Laboratory Setting" peut être proposé aux élèves :
On remarquera que l’augmentation effective de la fréquence cardiaque des cobayes lors du TSST "réel" est beaucoup plus importante (augmentation d’environ 35%) que lors du TSST "simulé’ dans notre salle de TP (augmentation d’environ 10 %). Différentes hypothèses peuvent expliquer cela (des conditions moins éprouvantes que celles du test réel ? un environnement trop familier ? un test réduit à une (trop) courte épreuve de calcul mental, sans la simulation préalable de l’entretien d’embauche ?) et permettent ainsi de finaliser l’analyse critique de la pratique expérimentale menée dans la salle de TP.
Notons que la publication ne donne pas de légende pour les barres verticales figurant sur le graphique. Dans la plupart des cas, dans les articles scientifiques, ces « barres d’erreur » indiquent l’incertitude. Les spécialistes utilisent le terme d’« erreur standard de la moyenne (ESM) ». - Exploitation d’outils numériques pour étudier le déterminisme des manifestations de l’organisme face à un agent stresseur
– L’application "stress" (en ligne) proposée par Fabrice Pellegrin est un logiciel de simulation qui permet de mettre en évidence les différentes manifestations de la réponse rapide de l’organisme face à un agent stresseur, ainsi que leur déterminisme (voie de l’adrénaline) : voir l’article "Quelques aspects de la réponse au stress en classe de terminale spécialité" sur le site SVT de l’académie de Nice.
– Cette même application est très intéressante pour montrer l’existence d’une réponse plus lente (voie du cortisol ; rappelons que ce dernier est mesuré dans la salive des cobayes lors du TSST) et son déterminisme.
– La voie de l’adrénaline mobilisant le système limbique, les élèves pourront exploiter des données d’imagerie médicale avec le logiciel EduAnat2 : voir la proposition pédagogique "Stress et amygdale" sur la plate-forme Acces.
| ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF | |
|---|---|
| Plus-values dégagées | L’activité proposée permet d’introduire la thématique du stress en menant d’entrée de jeu une expérimentation. Le fait de travailler sur un nombre limité de mesures est l’occasion de développer la démarche d’analyse critique d’une pratique expérimentale, et donc de réutiliser les méthodes statistiques vues en classe de seconde dans le programme de mathématiques. |
| Pistes d’amélioration | Comme il ne s’agit pas de faire un TP de statistiques (rappelons qu’une proportion non négligeable des élèves inscrits en spécialité SVT en Terminale a cessé de faire des mathématiques depuis deux ans !), il pourrait être intéressant de proposer à certains élèves, pour les opérations à réaliser avec le tableur, un fichier dans lequel les formules de calcul sont déjà intégrées : 
La feuille de calcul (format xlsx) pour la saisie des données, avec des formules de calcul déjà présentes
La feuille de calcul (format ods) pour la saisie des données, avec des formules de calcul déjà présentes
La feuille de calcul pour la saisie des données, sans les formules - format xlsx
La feuille de calcul pour la saisie des données, sans les formules - format ods
|
SITOGRAPHIE :
– Trier Social Stress Procedure (en anglais - contient tous les détails de la procédure de TSST, sans les résultats)
– The Trier Social Stress Test Protocol for Inducing Psychological Stress (en anglais - donne accès non seulement à la procédure, mais aussi à quelques graphiques de résultats : fréquence cardiaque et cortisol)
– The ‘Trier Social Stress Test’ – A Tool for Investigating Psychobiological Stress Responses in a Laboratory Setting (en anglais - donne accès à de nombreux graphiques de résultats)
– Mesures et incertitudes (cet article explicite l’association d’une incertitude à la valeur d’une grandeur afin de pouvoir qualifier la qualité de la mesure)
– Traitement statistique des mesures (cet article explicite les étapes du calcul de l’incertitude pour une série de N mesures, y compris si le nombre N de mesures (taille de l’échantillon) est petit)
– La toute dernière version du vademecum pour les ECE 2023 (publication à venir sur Eduscol)
REMARQUES/RESSOURCES COMPLEMENTAIRES
- Le protocole du TSST pourrait être un support très intéressant pour :
– alimenter une discussion sur l’égalité fille-garçon. La partie mathématiques de ce test montre une réponse plus « importante » des femmes que des hommes.
– devenir une source d’inspiration pour imaginer une question de grand oral (cas des élèves de spé SVT, et pourquoi pas d’autres élèves ?) - un questionnaire intéressant pour "réfléchir" sur l’anxiété : voir ici
REMERCIEMENTS :
- à Datsa DJORDJEVIC (adjointe technique de recherche et de formation au lycée Richelieu) pour avoir parfaitement assuré la préparation matérielle du test et joué le rôle de cobaye (!)
- à Jennifer BERTRAND, Mélanie FENAERT ainsi que les autres membres du GEP Versailles, pour la relecture de cet article
- à Gerd Altmann de Pixabay pour le prêt du logo de cet article.
