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.

Behavior in pigeons during regeneration

This paper examines the recovery of the vestibular related head posture and balance ability in pigeons during regeneration of the vestibular system following ototoxic insult.

The effects of gravity on the development of otolith organs in the Japanese quail

This paper examines the detailed embryologic development of the otolith organs, part of the vestibular system responsible for balance, in Japanese quail. The data from this study will provide baseline data for comparison with experiments conducted by NASA during space flight.

Implementação de um sistema eletrônico para avaliar a distribuição da força na região plantar de pacientes

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Isolation of sphere-forming stem cells from the mouse inner ear

The mammalian inner ear has very limited ability to regenerate lost sensory hair cells. This deficiency becomes apparent when hair cell loss leads to hearing loss as a result of either ototoxic insult or the aging process. Coincidently, with this inability to regenerate lost hair cells, the adult cochlea does not appear to harbor cells with a proliferative capacity that could serve as progenitor cells for lost cells. In contrast, adult mammalian vestibular sensory epithelia display a limited ability for hair cell regeneration, and sphere-forming cells with stem cell features can be isolated from the adult murine vestibular system. The neonatal inner ear, however, does harbor sphere-forming stem cells residing in cochlear and vestibular tissues. Here, we provide protocols to isolate sphere-forming stem cells from neonatal vestibular and cochlear sensory epithelia as well as from the spiral ganglion. We further describe procedures for sphere propagation, cell differentiation, and characterization of inner ear cell types derived from spheres. Sphere-forming stem cells from the mouse inner ear are an important tool for the development of cellular replacement strategies of damaged inner ears and are a bona fide progenitor cell source for transplantation studies.

A review of Tai Chi Chuan and parameters related to balance

Introduction: Previous systematic reviews of the literature on the effects of Tai Chi Chuan(TCC)on balance have focussed either on determining the quality of the research design or have provided just a general description of the studies.To the best of our knowledge none have approached this topic by conducting an analysis from the point of view of the factors which affect balance.It is important to present this perspective as it will help to guide future research in this field. Methodology: Seven electronic data bases were searched for publications dated between 1996 and 2012.The inclusion criteria were;randomized controlled trials(RCT)written in English. Results: From a total of 397 articles identified, 27 randomized controlled trials were eligible for the analysis. Conclusions: Studies reviewed appear to confirm that TCC improves static and dynamic balance and in the functional factors which affect balance in persons of over 55 years of age.Only one study was identified on people affected with problems with the vestibular system. No studies on the influence of TCC on improvement in balance in individuals suffering from deteriorated brain function were identified.

Otoconin-90, the mammalian otoconial matrix protein, contains two domains of homology to secretory phospholipase A2

The ability to sense orientation relative to gravity requires dense particles, called otoconia, which are localized in the vestibular macular organs. In mammals, otoconia are composed of proteins (otoconins) and calcium carbonate crystals in a calcite lattice. Little is known about the mechanisms that regulate otoconial biosynthesis. To begin to elucidate these mechanisms, we have partially sequenced and cloned the major protein component of murine otoconia, otoconin-90 (OC90). The amino acid sequence identified an orphan chimeric human cDNA. Because of its similarity to secretory phospholipase A2 (sPLA2), this gene was referred to as PLA2-like (PLA2L) and enabled the identification of human Oc90. Partial murine cDNA and genomic clones were isolated and shown to be specifically expressed in the developing mouse otocyst. The mature mouse OC90 is composed of 453 residues and contains two domains homologous to sPLA2. The cloning of Oc90 will allow an examination of the role of this protein in otoconial biosynthesis and in diseases that affect the vestibular system.

Invited lectures from a spatial orientation symposium in honor of Frederick Guedry, Day 2

This report contains the invited lectures from day 2 of a Spatial Orientation Symposium in honor of the late Dr. Frederick Guedry, held at the Institute of Human and Machine Cognition (IHMC) in Pensacola, Florida in November of 2010. The conference was sponsored by the Coalition Warfare Program of the Office of the Under Secretary of Defense for Acquisition, Technology, and Logistics. It was organized by Drs. Angus Rupert and Ben Lawson (USAARL) and hosted by Drs. Anil Raj and Ken Ford (IHMC). The lectures from day 1 are in Lawson et al., 2014. Day 2 includes lectures by Drs. Scott, Ben Lawson, Angus Rupert, Owen Black, Karen Atkins, Kim Gottshall, Anil Raj, and Måns Magnusson. The lectures focus on the structure, function and reflexes of the vestibular system, orientation perceptions, motion sickness, adaptation, and rehabilitation. This report also features banquet talks given by Drs. Lawson and Rupert, in which they honor Dr. Fred Guedry. Also featured is an interview with Dr. Guedry, conducted by a Navy historian, in which the reader can catch a glimpse into Dr. Guedry's wartime experiences and early days as a researcher.

Meniere’s, Migraine & Motion Sickness

CONCLUSION Elevated MSS in MD is likely to be a consequence of the onset of MD and not migraine per se. OBJECTIVES Pathologies of the vestibular system influence motion sickness susceptibility (MSS). Bilateral vestibular deficits lower MSS, vestibular neuritis or benign paroxysmal positional vertigo have little overall effect, whereas vestibular migraine elevates MSS. However, less is known about MSS in Meniere’s disease (MD), a condition in which many patients experience vestibular loss and migraine symptoms. METHODS We conducted an online survey that posed diagnostic and disease questions before addressing frequency of headaches, migraines, visual display dizziness (VDD), syncope, social life and work impact of dizziness (SWID4) and motion sickness susceptibility (MSSQ). The two groups were: diagnosed MD individuals with hearing loss (n=751) and non-MD individuals in the control group (n=400). RESULTS The MD group showed significantly elevated MSS, more headache and migraine, increased VDD, higher SWID4 scores, and increased syncope. MSS was higher in MD than controls only after the development of MD but not before, nor in childhood. Although elevated in MD compared with controls, MSS was lower than migraine patients from past data. Multivariate analysis revealed VDD, SWID4 and MSS in adulthood as the strongest predictors of MD, but not headache nor migraine.

Évaluation du contrôle sensorimoteur chez les patients ayant une scoliose idiopathique de l'adolescent - Vers un biomarqueur des troubles sensorimoteur basé sur la stimulation vestibulaire galvanique

La scoliose est la pathologie déformante du rachis la plus courante de l’adolescence. Dans 80 % des cas, elle est idiopathique, signifiant qu’aucune cause n’a été associée. Les scolioses idiopathiques répondent à un modèle multifactoriel incluant des facteurs génétiques, environnementaux, neurologiques, hormonaux, biomécaniques et de croissance squelettique. Comme hypothèse neurologique, une anomalie vestibulaire provoquerait une asymétrie d’activation des voies vestibulospinales et des muscles paravertébraux commandés par cette voie, engendrant la déformation scoliotique. Certains modèles animaux permettent de reproduire ce mécanisme. De plus, des anomalies liées au système vestibulaire, comme des troubles de l’équilibre, sont observées chez les patients avec une scoliose. La stimulation vestibulaire galvanique permet d’explorer le contrôle sensorimoteur de l’équilibre puisqu’elle permet d’altérer les afférences vestibulaires. L’objectif de cette thèse est d’explorer le contrôle sensorimoteur en évaluant la réaction posturale provoquée par cette stimulation chez les patients et les participants contrôle. Dans la première étude, les patients sont plus déstabilisés que les contrôles et il n’y a pas de lien entre l’ampleur de l’instabilité et la sévérité de la scoliose. Dans la deuxième étude, à l’aide d’un modèle neuromécanique, un poids plus grand aux signaux vestibulaires a été attribué aux patients. Dans la troisième étude, un problème sensorimoteur est également observé chez les jeunes adultes ayant une scoliose, excluant ainsi que le problème soit dû à la maturation du système nerveux. Dans une étude subséquente, des patients opérés pour réduire leur déformation du rachis, montrent également une réaction posturale de plus grande amplitude à la stimulation comparativement à des participants contrôle. Ces résultats suggèrent que l’anomalie sensorimotrice ne serait pas secondaire à la déformation. Finalement, un algorithme a été développé pour identifier les patients ayant un problème sensorimoteur. Les patients montrant un contrôle sensorimoteur anormal ont également une réponse vestibulomotrice plus grande et attribuent plus de poids aux informations vestibulaires. Globalement, les résultats de cette thèse montrent qu’un déficit sensorimoteur expliquerait l’apparition de la scoliose mais pas sa progression. Le dysfonctionnement sensorimoteur n’est pas présent chez tous les patients. L’algorithme permettant une classification de la performance sensorimotrice pourrait être utile pour de futures études cliniques.

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.

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.

A prática do Tai-Chi como nova fronteira terapêutica da fisioterapia na melhoria da capacidade funcional do idoso

Projeto de Graduação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciada em Fisioterapia

Static postural balance study in patients with vestibular disorders using a three dimensional eletromagnetic sensor system

The vestibular-ocular reflex assessment is important, but not enough. Tridimensional electromagnetic sensor systems represent a new method to assess posturography. Aim: To assess body sway in healthy subjects who had positive Dix Hallpike and Epley maneuvers and with other vestibular dysfunctions by means of a three-dimensional system. Study design: Prospective. Materials and Methods: We had 23 healthy women, 15 with peripheral vestibular dysfunction found upon caloric test and 10 with positive Epley and Dix Hallpike maneuvers. All tests performed in the following positions: open and closed eyes on stable and unstable surfaces. Results: With the Eyes Open and on a stable surface, p < 0.01 between the control group and the one with peripheral vestibular dysfunction in all variables, except the a-p maximum, full speed and mediolateral trajectory velocity, which had a p < 0.01 between the group with vestibular dysfunction and controls in all positions. The group with positive Epley and Dix Hallpike maneuvers had p < 0.01 at full speed and in its components in the x and y in positions with open and eyes closed on an unstable surface. Conclusion: The tridimensional electromagnetic sensors system was able to generate reliable information about body sway in the study volunteers.

Bevacizumab in NF2-related vestibular schwannomas: a nationally coordinated approach to delivery and prospective evaluation

Background: NF2 patients develop multiple nervous system tumors including bilateral vestibular schwannomas (VS). The tumors and their surgical treatment are associated with deafness, neurological disability, and mortality. Medical treatment with bevacizumab has been reported to reduce VS growth and to improve hearing. In addition to evaluating these effects, this study also aimed to determine other important consequences of treatment including patient-reported quality of life and the impact of treatment on surgical VS rates. Methods: Patients treated with bevacizumab underwent serial prospective MRI, audiology, clinical, CTCAE-4.0 adverse events, and NFTI-QOL quality-of-life assessments. Tumor volumetrics were classified according to the REiNs criteria and annual VS surgical rates reviewed. Results: Sixty-one patients (59% male), median age 25 years (range, 10–57), were reviewed. Median follow-up was 23 months (range, 3–53). Partial volumetric tumor response (all tumors) was seen in 39% and 51% had stabilization of previously growing tumors. Age and pretreatment growth rate were predictors of response. Hearing was maintained or improved in 86% of assessable patients. Mean NFTI-QOL scores improved from 12.0 to 10.7 (P < .05). Hypertension was observed in 30% and proteinuria in 16%. Twelve treatment breaks occurred due to adverse events. The rates of VS surgery decreased after the introduction of bevacizumab. Conclusion: Treatment with bevacizumab in this large, UK-wide cohort decreased VS growth rates and improved hearing and quality of life. The potential risk of surgical iatrogenic damage was also reduced due to an associated reduction in VS surgical rates. Ongoing follow-up of this cohort will determine the long-term benefits and risks of bevacizumab treatment.