Évaluation biomécanique de la locomotion à la suite d'une arthroplastie de la hanche

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion.

L'importance du système noradrénergique aux niveaux thoracique et lombaire de la moelle épinière pour la locomotion du chat

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Rôle du système du trijumeau dans la locomotion chez le nouveau-né d’opossum (Monodelphis domestica)

L’opossum Monodelphis domestica naît très immature et grimpe sans aide de la mère, du sinus urogénital à une mamelle où il va s’attacher pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers la mamelle et les candidats les plus probables sont le toucher, l’équilibre et l’olfaction. Pour tester l’action des différents systèmes sur la motricité chez l’opossum nouveau-né, des régions céphaliques du trijumeau, du vestibulaire et de l’olfaction ont été stimulées électriquement sur des préparations in vitro en comparaison avec une stimulation seuil T (intensité minimale de la stimulation à la moelle épinière cervicale induisant le mouvement des membres antérieurs). Par comparaison, un mouvement similaire était induit par des stimulations à ~2T du ganglion du trijumeau, à ~20 T du complexe vestibulaire, et à ~600 T des bulbes olfactifs. L’étude de l'innervation de la peau faciale et des voies relayant les informations du trijumeau vers la moelle épinière (ME) a été approfondie en utilisant de l’immunohistochimie pour les neurofilament-200 et du traçage rétrograde avec du Texas-Red couplé à des Dextrans Aminés. De nombreuses fibres nerveuses ont été révélées dans le derme de plusieurs régions de la tête. Quelques cellules du ganglion trigéminal projettent à la ME rostrale, mais la majorité projette vers la médulla caudale où se trouvent les neurones secondaires du trijumeau ou des cellules réticulospinales. Les résultats de cette étude indiquent une influence significative des systèmes du trijumeau et du vestibulaire, mais pas de l'olfaction, sur le mouvement des membres antérieurs des opossums nouveau-nés.

Contribution du globus pallidus lors de la locomotion sous guidage visuel.

Les nombreuses études cliniques sur les maladies affectant les noyaux gris centraux (NGC) ont montré l’importance des déficits moteurs engendrés par un dysfonctionnement de ces structures. La locomotion est particulièrement affectée chez ces patients, ce qui suggère un rôle important des NGC dans le contrôle de celle-ci. En revanche, très peu d’études fondamentales ont enregistré l’activité des neurones des NGC durant la locomotion chez des modèles intacts. Le globus pallidus, en tant qu’une des principales structures de sortie des NGC, constitue une cible idéale pour étudier le signal transmis par les NGC au thalamus et au tronc cérébral. L’objectif de notre étude est de mieux comprendre la contribution que joue le segment externe du globus pallidus (GPe) dans le contrôle de la locomotion sous guidage visuel. Cette étude constitue le premier rapport d’enregistrements de l’activité des neurones du GPe lors de modifications volontaires de la marche sous guidage visuel. Notre hypothèse générale est que le GPe contribue au contrôle de la locomotion, et particulièrement lors des modifications de la marche. Nous avons enregistré l’activité des neurones du GPe de chats au repos, puis marchant sur un tapis et enjambant des obstacles. Nos résultats ont révélé que la plupart des cellules montraient peu de changements lors de la locomotion non-obstruée par rapport au repos. En revanche, la moitié des neurones enregistrés présentaient une modulation significative de leur décharge durant l’enjambement de l’obstacle. Nous avons observé une majorité de ces cellules qui diminuaient leur fréquence et un tiers de neurones qui l’augmentaient pendant le pas modifié, suggérant que le GPe exerce sur le mouvement un contrôle dépendant du contexte, permettant sélectivement l’augmentation ou la diminution de l’activité motrice. De plus, presque toutes les cellules déchargeaient durant la totalité de la phase de balancement du membre antérieur controlatéral, ce qui semble indiquer une contribution du GPe dans le timing et la durée de cette phase. Finalement, la moitié des neurones présentaient un changement réciproque entre la condition de lead et la condition de trail. Ce résultat suggère que le GPe participerait à la sélection d’action du membre lors des modifications de la marche. Nos résultats illustrent la complexité de l’activité du GPe lors de la locomotion sous guidage visuel et ils sont compatibles avec une contribution plus générale au mouvement que celle exercée par le cortex moteur.

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.

Judgments of path, not heading, guide locomotion

To steer a course through the world, people are almost entirely dependent on visual information, of which a key component is optic flow. In many models of locomotion, heading is described as the fundamental control variable; however, it has also been shown that fixating points along or near one's future path could be the basis of an efficient control solution. Here, the authors aim to establish how well observers can pinpoint instantaneous heading and path, by measuring their accuracy when looking at these features while traveling along straight and curved paths. The results showed that observers could identify both heading and path accurately (similar to 3 degrees) when traveling along straight paths, but on curved paths they were more accurate at identifying a point on their future path (similar to 5 degrees) than indicating their instantaneous heading (similar to 13 degrees). Furthermore, whereas participants could track changes in the tightness of their path, they were unable to accurately track the rate of change of heading. In light of these results, the authors suggest it is unlikely that heading is primarily used by the visual system to support active steering.

The role of visual and nonvisual information in the control of locomotion

During locomotion, retinal flow, gaze angle, and vestibular information can contribute to one's perception of self-motion. Their respective roles were investigated during active steering: Retinal flow and gaze angle were biased by altering the visual information during computer-simulated locomotion, and vestibular information was controlled through use of a motorized chair that rotated the participant around his or her vertical axis. Chair rotation was made appropriate for the steering response of the participant or made inappropriate by rotating a proportion of the veridical amount. Large steering errors resulted from selective manipulation of retinal flow and gaze angle, and the pattern of errors provided strong evidence for an additive model of combination. Vestibular information had little or no effect on steering performance, suggesting that vestibular signals are not integrated with visual information for the control of steering at these speeds.

Eye-movements aid the control of locomotion

Eye-movements have long been considered a problem when trying to understand the visual control of locomotion. They transform the retinal image from a simple expanding pattern of moving texture elements (pure optic flow), into a complex combination of translation and rotation components (retinal flow). In this article we investigate whether there are measurable advantages to having an active free gaze, over a static gaze or tracking gaze, when steering along a winding path. We also examine patterns of free gaze behavior to determine preferred gaze strategies during active locomotion. Participants were asked to steer along a computer-simulated textured roadway with free gaze, fixed gaze, or gaze tracking the center of the roadway. Deviation of position from the center of the road was recorded along with their point of gaze. It was found that visually tracking the middle of the road produced smaller steering errors than for fixed gaze. Participants performed best at the steering task when allowed to sample naturally from the road ahead with free gaze. There was some variation in the gaze strategies used, but sampling was predominantly of areas proximal to the center of the road. These results diverge from traditional models of flow analysis.

An fMRI study of parietal cortex involvement in the visual guidance of locomotion

Locomoting through the environment typically involves anticipating impending changes in heading trajectory in addition to maintaining the current direction of travel. We explored the neural systems involved in the “far road” and “near road” mechanisms proposed by Land and Horwood (1995) using simulated forward or backward travel where participants were required to gauge their current direction of travel (rather than directly control it). During forward egomotion, the distant road edges provided future path information, which participants used to improve their heading judgments. During backward egomotion, the road edges did not enhance performance because they no longer provided prospective information. This behavioral dissociation was reflected at the neural level, where only simulated forward travel increased activation in a region of the superior parietal lobe and the medial intraparietal sulcus. Providing only near road information during a forward heading judgment task resulted in activation in the motion complex. We propose a complementary role for the posterior parietal cortex and motion complex in detecting future path information and maintaining current lane positioning, respectively. (PsycINFO Database Record (c) 2010 APA, all rights reserved)

Effect of substrate on the locomotion behaviour of the South American iguanian lizard Polychrus acutirostris

Arboreal and terrestrial habitats impose different constraints on tetrapod locomotion. We studied Polychrus acutirostris, a tree-dwelling lizard that also moves on the ground, in order to evaluate the effects of support incline and diameter on locomotion parameters. Limb movements of six specimens were filmed to quantify kinematic variables (velocity, stride frequency, stride length, and limb coordination) on distinct perch diameters (4.0, 1.5, 0.8 cm) and inclines (90, 45, and on level ground). The results show a notable slowness in arboreal habitat combined with a relatively fast locomotion when using the ground as temporary habitat. These animals developed walking trots mainly using lateral sequence. Non-symmetrical trots adopted at the highest velocities on the ground indicate difficulties of ""accommodation"" to the constraints imposed by this condition. Velocity generally decreases with the decreasing diameter, and with increasing incline, of the supports. Slowness, gaits favouring the body stability, elective role of the stride frequency in the modulation of the speed, and the role of the hindlimb in the force exchange to propel the body, constitute the main features of the locomotion pattern of P. acutirostris.

Scale architecture of the palmar and plantar epidermis of Polychrus acutirostris Spix, 1825 (Iguania, Polychrotidae) and its relationship to arboreal locomotion

In tetrapod squamates, the diversity of micro-ornamentations of the epidermis of the contact areas of hands and feet is generally associated with constraints and modalities related to locomotion. Polychrus acutirostris is a medium-sized lizard that occurs in open heterogeneous habitats in South America, such as the cerrados, caatingas, and fallow lands. It progresses slowly on branches of various diameters in its arboreal environment. It can also move more rapidly on the ground. The hands and feet are prehensile and may be considered an adaptation for grasping and climbing. Epidermal surfaces from the palmar and plantar areas of the hands and feet of P. acutirostris were prepared for SEM examination, and studied at various magnifications. They show three major levels of complexity: (1) scale types, organized in gradients of size and imbrication, (2) scalar ornamentations, organized by increasing complexity and polarity, and (3) presence of Oberhautchen showing typically iguanian honeycomb micro-ornamentations. The shape and surface structure of the scales with their pattern of micro-ornamental peaks, which improve grip, and the grasping hands and feet indicate that P. acutirostris is morpho-functionally specialized for arboreality. (C) 2009 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Locomotion patterns in two South American gymnophthalmid lizards: Vanzosaura rubricauda and Procellosaurinus tetradactylus

We quantified gait and stride characteristics (velocity, frequency, stride length, stance and swing duration, and duty factor) in the bursts of locomotion of two small, intermittently moving, closely related South American gymnophthalmid lizards: Vanzosaura rubricauda and Procellosaurinus tetradactylus. They occur in different environments: V rubricauda is widely distributed in open areas with various habitats and substrates, while P. tetradactylus is endemic to dunes in the semi-arid Brazilian Caatinga. Both use trot or walking trot characterised by a lateral sequence. For various substrates in a gradient of roughness (perspex, cardboard, sand, gravel), both species have low relative velocities in comparison with those reported for larger continuously moving lizards. To generate velocity, these animals increase stride frequency but decrease relative stride length. For these parameters, P. tetradactylus showed lower values than V rubricauda. In their relative range of velocities, no significant differences in stride length and frequency were recorded for gravel. However, the slopes of a correlation between velocity and its components were lower in P. tetradactylus on cardboard, whereas on sand this was only observed for velocity and stride length. The data showed that the difference in rhythmic parameters between both species increased with the smoothness of the substrates. Moreover, P. tetradactylus shows a highly specialised locomotor strategy involving lower stride length and frequency for generating lower velocities than in V. rubricauda. This suggests the evolution of a central motor pattern generator to control slower limb movements and to produce fewer and longer pauses in intermittent locomotion. (c) 2008 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Head shape evolution in Tropidurinae lizards: does locomotion constrain diet?

Different components of complex integrated systems may be specialized for different functions, and thus the selective pressures acting on the system as a whole may be conflicting and can ultimately constrain organismal performance and evolution. The vertebrate cranial system is one of the most striking examples of a complex system with several possible functions, being associated to activities as different as locomotion, prey capture, display and defensive behaviours. Therefore, selective pressures on the cranial system as a whole are possibly complex and may be conflicting. The present study focuses on the influence of potentially conflicting selective pressures (diet vs. locomotion) on the evolution of head shape in Tropidurinae lizards. For example, the expected adaptations leading to flat heads and bodies in species living on vertical structures may conflict with the need for improved bite performance associated with the inclusion of hard or tough prey into the diet, a common phenomenon in Tropidurinae lizards. Body size and six variables describing head shape were quantified in preserved specimens of 23 species, and information on diet and substrate usage was obtained from the literature. No phylogenetic signal was observed in the morphological data at any branch length tested, suggesting adaptive evolution of head shape in Tropidurinae. This pattern was confirmed by both factor analysis and independent contrast analysis, which suggested adaptive co-variation between the head shape and the inclusion of hard prey into the diet. In contrast to our expectations, habitat use did not constrain or drive head shape evolution in the group.

Matemal separation affects cocaine-induced locomotion and response to novelty in adolescent, but not in adult rats

Maternal separation is known to exert long-term effects on both behavior and the neuroendocrine system. We investigated cocaine-induced locomotor activation as well as the locomotor and corticosterone response to forced novelty in maternally separated adolescent and adult rats. Maternal separation consisted of separating litters from their darns daily during 5 h from postnatal days 2 to 6. Control animals were subjected only to regular cage changes. Cocaine- (10 mg/kg, i.p.) and novelty-induced locomotion were recorded in an activity cage. After the animals were tested for behavioral response to novelty, trunk blood samples were collected and plasma corticosterone levels were determined by radioimmunoassay. Adolescent rats exposed to maternal separation exhibited an increased locomotor response to novelty and cocaine; corticosterone levels were lower in these adolescent animals, after exposure to the novel environment. These effects of materrial separation were not observed in rats that were tested as adults. Thus the maternal separation protocol produced enduring but transient changes in the behavioral response to cocaine and in the stress response to novelty. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.