Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Étude des interactions interhémisphériques entre les représentations des muscles de l'épaule et du tronc dans le cortex moteur primaire.

Après un accident vasculaire cérébral (AVC), 30% des personnes ont une atteinte de la fonction motrice du membre supérieur. Un des mécanismes pouvant intervenir dans la récupération motrice après un AVC est la réorganisation des interactions interhémisphériques. À ce jour, la plupart des études se sont intéressées aux interactions entre les représentations des muscles de la main. Or la réalisation de mouvements de la main nécessite une coordination précise des muscles proximaux de l’épaule et le maintien d’une stabilité assurée par les muscles du tronc. Cependant, il existe peu d’informations sur le contrôle interhémisphérique de ces muscles. Ainsi, l’objectif de cette étude était de caractériser les interactions entre les représentations corticales des muscles proximaux (Deltoïde antérieur (DA)), et axiaux (Erecteur spinal (ES L1)) chez le sujet sain et de les comparer avec les interactions interhémisphériques entre les représentations des muscles distaux (1er interosseux dorsal (FDI)). Deux techniques de stimulation magnétique transcrânienne ont été utilisées pour évaluer ces interactions. La stimulation du cortex moteur ipsilatéral évoque une période de silence ipsilatérale (iSP)-reflétant l’inhibition interhémiphérique-dans le FDI et le DA. Dans ES L1, l’iSP est précédée d’une facilitation. Le paradigme de l’impulsion pairée démontre aussi la présence d’inhibition interhémisphérique dans les trois muscles. Ces résultats suggèrent un patron distinct d’interactions réciproques entre les représentations des muscles distaux, proximaux et axiaux qui peut être expliqué à la fois par des changements d’excitabilité au niveau cortical et sous-cortical. Ces résultats pourraient servir de bases normatives afin d’évaluer les changements survenant suite à un AVC.

Analyse cinématique 3D de la coordination des articulations de l'épaule par l'entremise du rythme scapulo-huméral

L'épaule est souvent affectée par des troubles musculo-squelettiques. Toutefois, leur évaluation est limitée à des mesures qualitatives qui nuisent à la spécificité et justesse du diagnostic. L'analyse de mouvement tridimensionnel pourrait complémenter le traitement conventionnel à l'aide de mesures quantitatives fonctionnelles. L'interaction entre les articulations de l'épaule est estimée par le rythme scapulo-huméral, mais la variabilité prononcée qu'il affiche nuit à son utilisation clinique. Ainsi, l'objectif général de cette thèse était de réduire la variabilité de la mesure du rythme scapulo-huméral. L'effet de la méthode de calcul du rythme scapulo-huméral et des conditions d'exécution du mouvement (rotation axiale du bras, charge, vitesse, activité musculaire) ont été testées. La cinématique des articulations de l'épaule a été calculé par chaîne cinématique et filtre de Kalman étendu sur des sujets sains avec un système optoélectronique. La méthode usuelle de calcul du rythme scapulo-huméral extrait les angles d'élévation gléno-humérale et de rotation latérale scapulo-thoracique. Puisque ces angles ne sont pas co-planaires au thorax, leur somme ne correspond pas à l'angle d'élévation du bras. Une nouvelle approche de contribution articulaire incluant toutes les rotations de chaque articulation est proposée et comparée à la méthode usuelle. La méthode usuelle surestimait systématiquement la contribution gléno-humérale par rapport à la méthode proposée. Ce nouveau calcul du rythme scapulo-huméral permet une évaluation fonctionnelle dynamique de l'épaule et réduit la variabilité inter-sujets. La comparaison d'exercices de réadaptation du supra-épineux contrastant la rotation axiale du bras a été réalisée, ainsi que l'effet d'ajouter une charge externe. L'exercice «full-can» augmentait le rythme scapulo-huméral et la contribution gléno-humérale ce qui concorde avec la fonction du supra-épineux. Au contraire, l'exercice «empty-can» augmentait la contribution scapulo-thoracique ce qui est associé à une compensation pour éviter la contribution gléno-humérale. L'utilisation de charge externe lors de la réadaptation du supra-épineux semble justifiée par un rythme scapulo-huméral similaire et une élévation gléno-humérale supérieure. Le mouvement de l'épaule est souvent mesuré ou évalué en condition statique ou dynamique et passive ou active. Cependant, l'effet de ces conditions sur la coordination articulaire demeure incertain. La comparaison des ces conditions révélait des différences significatives qui montrent l'importance de considérer les conditions de mouvement pour l'acquisition ou la comparaison des données.

Different coordination modes for disulfoxides towards diorganotin(IV) dichlorides. X-ray crystal structures of 1,2-cis-bis-(phenylsulfinyl)ethene (rac-,cis-cbpse) and adducts [{Ph2SnCl2(meso-bpse)}n] and [{n-Bu2SnCl2(pdtd)}2]

The reactions of meso-1,2-bis(phenylsulfinyl)ethane (meso-bpse) with Ph2SnCl2, 2-phenyl-1,3-dithiane trans-1-trans-3-dioxide (pdtd) with n-Bu2SnCl2 and 1,2-cis-bis-(phenylsulfinyl)ethene (rac-,cis-cbpse) with Ph2SnCl2, in 1:1 molar ratio, yielded [{Ph2SnCl2(meso-bpse)}n], [{n-Bu2SnCl2(pdtd)}2] and [{Ph2SnCl2(rac,cis-cbpse)}x] (x = 2 or n), respectively. All adducts were studied by IR, Mössbauer and 119Sn NMR spectroscopic methods, elemental analysis and single crystal X-ray diffractometry. The X-ray crystal structure of [{Ph2SnCl2(meso-bpse)}n] revealed the occurrence of infinite chains in which the tin(IV) atoms appear in a distorted octahedral geometry with Cl atoms in cis and Ph groups in trans positions. The X-ray crystal structure of [{n-Bu2SnCl2(pdtd)}2] revealed discrete centrosymmetric dimeric species in which the tin(IV) atoms possess a distorted octahedral geometry with bridging disulfoxides in cis and n-butyl moieties in trans positions. The spectroscopic data indicated that the adduct containing the rac,cis-cbpse ligand can be dimeric or polymeric. The X-ray structural analysis of the free rac-,cis-cbpse sulfoxide revealed that the crystals belong to the C2/c space group.

Metallochlorophylls of magnesium, copper and zinc: evaluation of the influence of the first coordination sphere on their solvatochromism and aggregation properties

In this study the role of different metal centers (magnesium, zinc and copper) on the enhancement of the hydrophilic character of metallochlorophylls, was evaluated. The solvatochromism as well as the aggregation process for these compounds in water/ethanol mixtures at different volume ratios were evaluated using Fluorescence, and Resonant Light Scattering (RLS) measurements, aiming to characterize the behavior of these compounds. Independently on the studied metallochlorophyll, the presence of at least 60% of water results in a considerable increase in the fluorescence emission, probably a direct consequence of a lower aggregation of these compounds, which is confirmed by the results from RLS measurements. Additionally, the results suggest that magnesium and zinc chlorophyll should be promising phototherapeutic agents for Photodynamic Therapy.

Effective coordination concept applied for phase change (GeTe)(m)(Sb(2)Te(3))(n) compounds

In this work, we employed the effective coordination concept to study the local environments of the Ge, Sb, and Te atoms in the Ge(m)Sb(2n)Te(m+3n) compounds. From our calculations and analysis, we found an average effective coordination number (ECN) reduction of 1.59, 1.42, and 1.37, for the Ge, Sb, Te atoms in the phase transition from crystalline, ECN=5.55 (Ge), 5.73 (Sb), 4.37 (Te), to the amorphous phase, ECN=3.96 (Ge), 4.31 (Sb), 3.09 (Te), for the Ge(2)Sb(2)Te(5) composition. Similar changes are observed for other compositions. Thus, our results indicate that the coordination changes from the crystalline to amorphous phase are not large as previously assumed in the literature, i.e., from sixfold to fourfold for Ge, which can contribute to obtain a better understanding of the crystalline to amorphous phase transition. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3533422]

Coordination dynamics and attentional costs of continuous and discontinuous bimanual circle drawing movements

It has been suggested that the temporal control of rhythmic unimianual movements is different between tasks requiring continuous (e.g., circle drawing) and discontinuous movements (e.g., finger tapping). Specifically, for continuous movements temporal regularities are ail emergent property, whereas for tasks that involve discontinuities timing is ail explicit part of the action goal. The present experiment further investigated the control of continuous and discontinuous movements by comparing the coordination dynamics and attentional demands of bimanual continuous circle drawing with bimanual intermittent circle drawing. The intermittent task required participants to insert a 400 ms pause between each cycle while circling. Using dual-task methodology, 15 right-handed participants performed the two circle drawing tasks, while vocally responding to randomly presented auditory probes. The circle drawing tasks were performed in symmetrical and asymmetrical coordination modes and at movement frequencies of 1 Hz and 1.7 Hz. Intermittent circle drawing exhibited superior spatial and temporal accuracy and stability than continuous circle drawing supporting the hypothesis that the two tasks have different underlying control processes. In terms of attentional cost, probe RT was significantly slower during the intermittent circle drawing task than the continuous circle drawing task across both coordination modes and movement frequencies. Of interest was the finding that in the intermittent circling task reaction time (RT) to probes presented during the pause between cycles did not differ from the RT to probes occurring during the circling movement. The differences in attentional demands between the intermittent and continuous circle drawing tasks may reflect the operation of explicit event timing and implicit emergent timing processes, respectively. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The effects of viscous loading of the human forearm flexors on the stability of coordination

This experiment investigated whether the stability of rhythmic unimanual movements is primarily a function of perceptual/spatial orientation or neuro-mechanical in nature. Eight participants performed rhythmic flexion and extension movements of the left wrist for 30 s at a frequency of 2.25 Hz paced by an auditory metronome. Each participant performed 8 flex-on-the-beat trials and 8 extend-on-the-beat trials in one of two load conditions, loaded and unload. In the loaded condition, a servo-controlled torque motor was used to apply a small viscous load that resisted the flexion phase of the movement only. Both the amplitude and frequency of the movement generated in the loaded and unloaded conditions were statistically equivalent. However, in the loaded condition movements in which participants were required to flex-on-the-beat became less stable (more variable) while extend-on-the-beat movements remained unchanged compared with the unload condition. The small alteration in required muscle force was sufficient to result in reliable changes in movement stability even a situation where the movement kinematics were identical. These findings support the notion that muscular constraints, independent of spatial dependencies, can be sufficiently strong to reliably influence coordination in a simple unimanual task.

Governing coordination: Behavioural principles and neural correlates

The coordination of movement is governed by a coalition of constraints. The expression of these constraints ranges from the concrete—the restricted range of motion offered by the mechanical configuration of our muscles and joints; to the abstract—the difficulty that we experience in combining simple movements into complex rhythms. We seek to illustrate that the various constraints on coordination are complementary and inclusive, and the means by which their expression and interaction are mediated systematically by the integrative action of the central nervous system (CNS). Beyond identifying the general principles at the behavioural level that govern the mutual interplay of constraints, we attempt to demonstrate that these principles have as their foundation specific functional properties of the cortical motor systems. We propose that regions of the brain upstream of the motor cortex may play a significant role in mediating interactions between the functional representations of muscles engaged in sensorimotor coordination tasks. We also argue that activity in these ldquosupramotorrdquo regions may mediate the stabilising role of augmented sensory feedback.

Spontaneous transitions in the coordination of a whole body task

This paper describes an example of spontaneous transitions between qualitatively different coordination patterns during a cyclic lifting and lowering task. Eleven participants performed 12 trials of repetitive lifting and lowering in a ramp protocol in which the height of the lower shelf was raised or lowered 1 cm per cycle between 10 and 50 cm. Two distinct patterns of coordination were evident: a squat technique in which moderate range of hip, knee and ankle movement was utilised and ankle plantar-flexion occurred simultaneously with knee and hip extension; and a stoop technique in which the range of knee movement was reduced and knee and hip extension was accompanied by simultaneous ankle dorsi-flexion. Abrupt transitions from stoop to squat techniques were observed during descending trials, and from squat to stoop during ascending trials. Indications of hysteresis was observed in that transitions were more frequently observed during descending trials, and the average shelf height at the transition was 5 cm higher during ascending trials. The transitions may be a consequence of a trade-off between the biomechanical advantages of each technique and the influence of the lift height on this trade-off.

Neuromuscular-skeletal constraints upon the dynamics of unimanual and bimanual coordination

In the first of three experiments, 11 participants generated pronation and supination movements of the forearm, in time with an auditory metronome. The metronome frequency was increased in eight steps (0.25 Hz) from a base frequency of 1.75 Hz. On alternating trials, participants were required to coordinate either maximum pronation or maximum supination with each beat of the metronome. In each block of trials, the axis of rotation was either coincident with the long axis of the forearm, above this axis, or below this axis. The stability of the pronate-on-the-beat pattern, as indexed by the number of pattern changes, and the time of onset of pattern change, was greatest when the axis of rotation of the movement was below the long axis of the forearm. In contrast, the stability of the supinate-on-the-beat pattern was greatest when the axis of rotation of the movement was above the long axis of the forearm. In a second experiment, we examined how changes in the position of the axis of rotation alter the activation patterns of muscles that contribute to pronation and supination of the forearm. Variations in the relative dominance of the pronation and supination phases of the movement cycle across conditions were accounted for primarily by changes in the activation profile of flexor carpi radialis (FCR) and extensor carpi radialis longus (ECR). In the Final experiment we examined how these constraints impact upon the stability of bimanual coordination. Thirty-two participants were assigned at random to one of four conditions, each of which combined an axis of rotation configuration (bottom or top) for each limb. The participants generated both inphase (both limbs pronating simultaneously, and supinating simultaneously) and antiphase (left limb pronating and right limb supinating simultaneously, and vice versa) patterns of coordination. When the position of the axis of rotation was equivalent for the left and the right limb, transitions from antiphase to inphase patterns of coordination were Frequently observed. In marked contrast, when the position of the axis of rotation for the left and right limb was contradistinct, transitions From inphase to antiphase patterns of coordination occurred. The results demonstrated that when movements are performed in an appropriate mechanical context, inphase patterns of coordination are less stable than antiphase patterns.

'Tetol': a stereo-rigid four-strand motif for alkali and alkaline earth metal ion coordination

The tetraalcohol 2,3,5,6-endo,endo,endo,endo-tetrakis(hydroxymethyl]bicyclo[2.2.1]heptane (tetol, 1) has been prepared and crystallises readily as the lithium(I) complex [Li(1)(2)]Cl, forming an oligomeric multi-chain structure in which pairs of alcohols from two crystallographically independent tetol molecules bind lithium ions tetrahedrally. However, formation of monomeric structures in solution is inferred from electrospray mass spectroscopy, which has also shown evidence of exchange of lithium ion in the complexed species by added alkaline earth ions. (C) 2000 Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Bimanual coordination in chronic schizophrenia

Anomalies of movement are observed both clinically and experimentally in schizophrenia. While the basal ganglia have been implicated in its pathogenesis, the nature of such involvement is equivocal. The basal ganglia may be involved in bimanual coordination through their input to the supplementary motor area (SMA). While a neglected area of study in schizophrenia. a bimanual movement task may provide a means of assessing the functional integrity of the motor circuit. Twelve patients with chronic schizophrenia and 12 matched control participants performed a bimanual movement task on a set of vertically mounted cranks at different speeds (1 and 2 Hz) and phase relationships. Participants performed in-phase movements (hands separated by 0 degrees) and out-of-phase movements (hands separated by 180 degrees) at both speeds with an external cue on or off. All participants performed the in-phase movements well. irrespective of speed or cueing conditions. Patients with schizophrenia were unable to perform the out-of-phase movements, particularly at the faster speed, reverting instead to the in-phase movement. There was no effect of external cueing on any of the movement conditions. These results suggest a specific problem of bimanual coordination indicative of SMA dysfunction per se and/or faulty callosal integration. A disturbance in the ability to switch attention during the out-of-phase task may also be involved. (C) 2001 Academic Press.