Analyse et modélisation de la préhension pouce-index lors de mouvements du bras chez l'humain

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.