Développement et validation d'un instrument non-invasifde caractérisation du comportement musculaire respiratoire

Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France)

Perception d’effort et de mise en charge et asymétrie motrice lors du passage assis à debout chez le sujet hémiparétique

L’asymétrie de mise en charge (MEC) lors du passage assis à debout (PAD) chez les personnes hémiparétiques est une observation clinique connue mais peu expliquée. Ce projet visait donc le développement de connaissances sur les facteurs explicatifs de l’asymétrie de MEC chez cette clientèle en s’intéressant plus spécifiquement au lien entre la distribution des efforts aux genoux lors du PAD et l’asymétrie de MEC observée ainsi qu’à la perception de ces deux éléments lors de cette tâche. Ainsi, les objectifs généraux étaient de : 1) déterminer si l’exécution spontanée asymétrique du PAD des sujets hémiparétiques est expliquée par une distribution des efforts symétriques aux genoux en quantifiant ces efforts par le Taux d’utilisation musculaire électromyographique (TUMEMG) et, 2) déterminer si les individus hémiparétiques sont conscients des stratégies motrices qu’ils utilisent en évaluant leurs perceptions de MEC et d’efforts aux genoux durant le PAD. La première étude a évalué la capacité des personnes hémiparétiques à percevoir leur distribution de MEC aux membres inférieurs lors du PAD. Par rapport aux participants sains, leur distribution de MEC fut davantage asymétrique et leurs erreurs de perception plus élevées. La deuxième étude a quantifié la distribution des efforts aux genoux chez les sujets sains et hémiparétiques lors du PAD spontané. Les deux groupes ont montré une association entre leur distribution de MEC et leur distribution d’effort. Toutefois, la relation était plus faible chez les patients. Le classement des participants hémiparétiques en sous-groupes selon leur degré d’asymétrie de force maximale des extenseurs des genoux (faible, modéré, sévère) a révélé une similarité des efforts aux genoux parétique et non parétique chez le groupe ayant une atteinte sévère. La troisième étude a déterminé si la perception de la distribution des efforts aux genoux des sujets hémiparétiques était reliée à leur distribution réelle d’effort mesurée lors de PAD exécutés dans différentes positions de pieds. En plus d’être incapables de percevoir les changements de distribution d’effort induits par les différentes positions de pieds, leurs erreurs de perception d’effort furent plus élevées que celles de MEC. Par le biais du test fonctionnel assis-debout de cinq répétitions, la dernière étude a déterminé l’influence du nombre de répétitions du PAD sur les distributions de MEC et d’efforts aux genoux chez les sujets sains et hémiparétiques. Contrairement aux contrôles, les distributions des sujets hémiparétiques furent plus asymétriques à la première répétition du test fonctionnel que lors de l’exécution spontanée unique du PAD. En somme, les résultats de cette thèse ont démontré que la distribution des efforts aux genoux doit être considérée parmi les facteurs explicatifs de l’asymétrie de MEC des individus hémiparétiques lors du PAD et qu’il y a un besoin de mieux documenter la perception des personnes hémiparétiques lorsqu’elles exécutent des tâches fonctionnelles.

Study on the activation of the biceps brachii compartments in normal subjects

Les prothèses myoélectriques modernes peuvent être dotées de plusieurs degrés de liberté ce qui nécessite plusieurs signaux musculaires pour en exploiter pleinement les capacités. Pour obtenir plus de signaux, il nous a semblé prometteur d'expérimenter si les 6 compartiments du biceps brachial pouvaient être mis sous tension de façon volontaire et obtenir ainsi 6 signaux de contrôle au lieu d'un seul comme actuellement. Des expériences ont donc été réalisées avec 10 sujets normaux. Des matrices d'électrodes ont été placées en surface au-dessus du chef court et long du biceps pour recueillir les signaux électromyographiques (EMG) générés par le muscle lors de contractions effectuées alors que les sujets étaient soit assis, le coude droit fléchi ~ 100 ° ou debout avec le bras droit tendu à l'horizontale dans le plan coronal (sur le côté). Dans ces deux positions, la main était soit en supination, soit en position neutre, soit en pronation. L'amplitude des signaux captés au-dessus du chef court du muscle a été comparée à ceux obtenus à partir du chef long. Pour visualiser la forme du biceps sous les électrodes l'imagerie ultrasonore a été utilisée. En fonction de la tâche à accomplir, l'activité EMG a était plus importante soit dans un chef ou dans l'autre. Le fait de pouvoir activer préférentiellement l'un des 2 chefs du biceps, même si ce n'est pas encore de façon complètement indépendante, suggère que l'utilisation sélective des compartiments pourrait être une avenue possible pour faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques du membre supérieur.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Hypoxie transitoire en relation avec les activités rythmiques des muscles de la mastication chez les patients atteints du bruxisme du sommeil

Study Objectives: Sleep bruxism (SB) is a repetitive jaw-muscle activity characterized by clenching or grinding of the teeth and/or by bracing or thrusting of the mandible occurring during sleep. SB is scored, from electromyographic traces, as rhythmic masticatory muscle activity (RMMA). Most RMMA occurred during sleep in association with sleep arousal. Since not all RMMA episodes were associated with sleep arousal we hypothesized that some event could be observed in relation to small fluctuations of the oxygen level resulting in mild desaturation/hypoxia. Methods: Sleep laboratory or home recordings from 22 SB (teeth grinding) patients were analyzed from our data bank. A total of 143 RMMA/SB episodes were classified in 4 categories: (i) no arousal & no body movement; (ii) arousal + & no body movement; (iii) no arousal & body movement +; (iv) arousal + & body movement +. Minimum blood oxygen levels were assessed from finger oxymetry signal: 1) during the baseline period before RMMA, i.e., an average of 7 s before RMMA onset (-20 s to -14 s); 2) during RMMA, i.e. a window of 15 s corresponding to -5 s before the onset until +10 s after the episode. For all episodes, the minimum oximetry values were compared for each patient. Results: There was a significant variation of blood oxygen level over time (p=0.001) with a statistically significant transient hypoxia during RMMA at time (+7),(+8) and (+9) s. The variation over time was similar among the 4 groups (non significant group*time interaction p=0.10) and no overall difference was observed between groups (p=0.91). Of the 22 subjects, 6 subjects (27%) remained equal or had a slight increase in SaO2 (+8) s after the RMMA/SB onset compared to baseline (-20 s to -14) s, 10 subjects (45%) showed a small decrease in SaO2 (>0 to <1%) and 6 others (27%) had a decrease of 1-1.8%. Conclusions: These preliminary findings suggest that in some SB patients, RMMA episodes are potentially triggered by minor transient hypoxia. Key words: sleep bruxism, oximetry, desaturation, hypoxia, rhythmic masticatory muscle activity

Proposition de combinaisons optimales de contractions volontaires maximales isométriques pour la normalisation de 12 muscles de l'épaule

Afin d’être représentatif d’un niveau d’effort musculaire, le signal électromyographique (EMG) est exprimé par rapport à une valeur d’activation maximale. Comme l’épaule est une structure articulaire et musculaire complexe, aucune contraction volontaire isométrique (CVMi) proposée dans la littérature ne permet d’activer maximalement un même muscle de l’épaule pour un groupe d’individus. L’objectif de ce mémoire est de développer une approche statistique permettant de déterminer les CVMi optimales afin de maximiser les niveaux d’activation d’un ensemble de muscles de l’épaule. L’amplitude du signal EMG de 12 muscles de l’épaule a été enregistrée chez 16 sujets alors qu’ils effectuaient 15 CVMi. Une première approche systématique a permis de déterminer les 4 CVMi parmi les 15 qui ensemble maximisent les niveaux d’activation pour les 12 muscles simultanément. Ces 4 contractions ont donné des niveaux d’activation supérieurs aux recommandations antérieures pour 4 muscles de l’épaule. Une seconde approche a permis de déterminer le nombre minimal de CVMi qui sont nécessaires afin de produire un niveau d’activation qui n’est pas significativement différent des valeurs d’activation maximales pour les 16 sujets. Pour 12 muscles de l’épaule, un total de 9 CVMi sont requises afin de produire des valeurs d’activation qui sont représentatives de l’effort maximal de tous les sujets. Ce mémoire a proposé deux approches originales, dont la première a maximisé les niveaux d’activation qui peuvent être produits à partir d’un nombre fixe de CVMi tandis que la deuxième a permis d’identifier le nombre minimal de CVMi nécessaire afin de produire des niveaux d’activation qui ne sont pas significativement différentes des valeurs d’activation maximales. Ces deux approches ont permis d’émettre des recommandations concernant les CVMi nécessaires à la normalisation de l’EMG afin de réduire les risques de sous-estimer l’effort maximal d’un ensemble d’individus.

Effets de l’utilisation d’un chien d’assistance sur les efforts aux membres supérieurs lors de la montée d’une pente en fauteuil roulant chez les individus ayant une lésion médullaire

Problématique. L'utilisation d'un chien d'assistance à la mobilité (CAM) représente une option novatrice pour préserver l’intégrité des membres supérieurs (MSs) chez les utilisateurs de fauteuil roulant manuel (FRM). Aucune étude biomécanique n’a quantifié les effets du CAM sur les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné. Objectif. Cette étude quasi-expérimentale vise à comparer les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné avec et sans l’assistance d’un CAM. Méthodologie. Dix participants avec une lésion de la moelle épinière (LME) qui utilisent un FRM et possèdent un CAM ont monté un plan incliné à trois reprises avec et sans l’assistance du CAM. Les forces appliquées sur les cerceaux, mesurées avec des roues instrumentées, et les mouvements du FRM et des MSs, enregistrés avec un système d'analyse du mouvement, ont permis de mesurer les efforts mécaniques aux MSs. Simultanément, l'activité électromyographique (EMG) des muscles grand pectoral, deltoïde antérieur, biceps et triceps a été enregistrée et normalisée avec sa valeur maximale pour mesurer les efforts musculaires aux MSs. Résultats. En général, le CAM réduit significativement les valeurs moyennes et maximales de la force totale appliquée aux cerceaux et de sa composante tangentielle, des moments nets de flexion, de rotation interne et d’adduction aux épaules et des taux d’utilisation musculaire du deltoïde antérieur, du biceps et du triceps. Conclusion. L’assistance d’un CAM réduit les efforts aux MSs lors de la montée d’un plan incliné chez les utilisateurs d’un FRM ayant une LME.

Assessing locomotion in cats trained on a flat treadmill and on a ladder treadmill before and after spinal cord injury (SCI)

Les effets des lésions de la moelle épinière sur la locomotion sont souvent évalués sur un tapis roulant avec une surface plane, ce qui demande peu d’implication active des structures supraspinales. L’objectif du présent travail est d’évaluer si un type d’entraînement nécessitant une plus grande part de contrôle volontaire (c.-à-d. supraspinal) pourrait améliorer la récupération de la marche chez le chat après une hémilésion unilatérale spinale au niveau thoracique (T10). Pour ce faire, pendant 6 semaines les chats ont été entrainés sur un tapis roulant conventionnel ou sur un tapis-échelle roulante, tâche requérant un placement des pattes plus précis. Les paramètres de la marche ont été évalués par cinématique et électromyographie (EMG) avant et une fois par semaine pendant 6 semaines après lésion. Nos résultats comparant la marche sur tapis conventionnel à celle sur échelle roulante montrent des différences dans les excursions angulaires et les couplages entre les membres. On observe aussi des différences dans l’amplitude des EMG notamment une augmentation de la deuxième bouffée du muscle Semitendineux (St) sur l’échelle roulante. Après l’hémilésion spinale cette bouffée disparait du côté de la lésion tandis qu’elle est maintenue du côté intact. Après l’entrainement sur échelle roulante, on observe des changements de trajectoire de la patte et une disparition du pied tombant (foot drag) qui suggèrent une amélioration du contrôle de la musculature distale. Nos résultats montrent que le patron locomoteur observé sur tapis conventionnel est influencé par le type d’entraînement procuré. De plus, certains paramètres de la locomotion suggèrent que l’entraînement sur échelle roulante, qui requiert plus de contrôle supraspinal, favorise une meilleure récupération de la marche après lésion spinale.

Les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de la posture chez les sujets sains

Le système vestibulaire et le cortex moteur participent au contrôle de la posture, mais la nature de leurs interactions est peu documentée. Afin de caractériser les interactions vestibulo-corticales qui sous-tendent le contrôle de l’équilibre en position debout, l’activité électromyographique (EMG) du soléaire (SOL), du tibial antérieur (TA) et du péronier long (PERL) de la jambe droite a été enregistrée chez 14 sujets sains. La stimulation galvanique vestibulaire (GVS) a été appliquée avec la cathode derrière l’oreille droite ou gauche à différents intervalles inter-stimulus (ISIs) avant ou après la stimulation magnétique transcrânienne induisant des potentiels moteurs évoqués (MEPs) au niveau des muscles enregistrés. Lorsque que la cathode était à droite, une inhibition des MEPs a été observée au niveau du SOL à un ISI de 40 et 130 ms et une facilitation des MEPS a été observée au niveau TA à un ISI de 110 ms. Lorsque la cathode était à gauche, une facilitation des MEPs a été observée au niveau du SOL, du TA et du PERL à un ISI de 50, -10 et 0 ms respectivement. L’emplacement de ces interactions sur l’axe neural a été estimé en fonction des ISIs et en comparant l’effet de la GVS sur les MEPs à son effet sur l’EMG de base et sur le réflexe-H. Selon ces analyses, les modulations observées peuvent avoir lieu au niveau spinal ou au niveau supraspinal. Ces résultats suggèrent que les commandes de la voie corticospinale peuvent être modulées par le système vestibulaire à différents niveaux de l’axe neuronal.