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

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

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

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

Control of posture and stability of the double-joint (Shoulder/Elbow) arm

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

Control of posture and stability of the double-joint (Shoulder/Elbow) arm

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

Short- and long-term changes in joint co-contraction associated with motor learning as revealed from surface EMG.

In the field of motor control, two hypotheses have been controversial: whether the brain acquires internal models that generate accurate motor commands, or whether the brain avoids this by using the viscoelasticity of musculoskeletal system. Recent observations on relatively low stiffness during trained movements support the existence of internal models. However, no study has revealed the decrease in viscoelasticity associated with learning that would imply improvement of internal models as well as synergy between the two hypothetical mechanisms. Previously observed decreases in electromyogram (EMG) might have other explanations, such as trajectory modifications that reduce joint torques. To circumvent such complications, we required strict trajectory control and examined only successful trials having identical trajectory and torque profiles. Subjects were asked to perform a hand movement in unison with a target moving along a specified and unusual trajectory, with shoulder and elbow in the horizontal plane at the shoulder level. To evaluate joint viscoelasticity during the learning of this movement, we proposed an index of muscle co-contraction around the joint (IMCJ). The IMCJ was defined as the summation of the absolute values of antagonistic muscle torques around the joint and computed from the linear relation between surface EMG and joint torque. The IMCJ during isometric contraction, as well as during movements, was confirmed to correlate well with joint stiffness estimated using the conventional method, i.e., applying mechanical perturbations. Accordingly, the IMCJ during the learning of the movement was computed for each joint of each trial using estimated EMG-torque relationship. At the same time, the performance error for each trial was specified as the root mean square of the distance between the target and hand at each time step over the entire trajectory. The time-series data of IMCJ and performance error were decomposed into long-term components that showed decreases in IMCJ in accordance with learning with little change in the trajectory and short-term interactions between the IMCJ and performance error. A cross-correlation analysis and impulse responses both suggested that higher IMCJs follow poor performances, and lower IMCJs follow good performances within a few successive trials. Our results support the hypothesis that viscoelasticity contributes more when internal models are inaccurate, while internal models contribute more after the completion of learning. It is demonstrated that the CNS regulates viscoelasticity on a short- and long-term basis depending on performance error and finally acquires smooth and accurate movements while maintaining stability during the entire learning process.

Joint range of motion limitations in children and young adults with spinal muscular atrophy

Objectives
To elicit descriptive data about limited joint range of motion (ROM) in subjects with type II or III spinal muscular atrophy (SMA) and to examine the relation between the number of motions with limited range and both age and functional ability.
Design
Descriptive cross-sectional study.
Setting
Neurologic pediatric outpatient clinic at a hospital in Taiwan.
Participants
Twenty-seven subjects with SMA type II (mean age, 9.8±6.5y) and 17 with SMA type III (mean age, 12.2±8.7y).
Intervention
Measurement with transparent goniometers of joint ROM bilaterally of the shoulder, elbow, wrist, hip, knee, and ankle.
Main outcome measures
The proportion of participants with each ROM limitation compared with all participants with the same SMA type, age distribution of the participants with each ROM limitation, mean range loss of each motion limitation, and the contracture index (risk index of joint contracture).
Results
Eighty-nine percent of the participants with SMA type II experienced knee extension limitation. Approximately 50% of the participants with both types of SMA had ankle dorsiflexion limitation. The motions of knee and hip extension and ankle dorsiflexion also had a relatively high contracture index. The number of motions with limited range positively correlated (P<.001) with age and upper-extremity functional grade (the higher the functional grade, the poorer the functional ability) for SMA type II.
Conclusions
We found varying degrees of joint ROM limitation. Certain motions were noted to be high risks for the development of contractures. This risk was higher mostly in younger children.

Radiographic arthrosis after elbow trauma : interobserver reliability

Purpose : This study measured observer variation in radiographic rating of elbow arthrosis.

Methods : Thirty-seven independent orthopedic surgeons graded the extent of elbow arthrosis in 20 consecutive sets of plain radiographs, according to the Broberg and Morrey rating system (grade 0, normal joint; grade 1, slight joint-space narrowing with minimum osteophyte formation; grade 2, moderate joint-space narrowing with moderate osteophyte formation; and grade 3, severe degenerative change with gross destruction of the joint). The kappa multirater measure (κ) was used to estimate reliability between observers, with 0 indicating no agreement above chance, and 1 indicating perfect agreement.

Results : There was fair agreement in arthrosis ratings between surgeons. Surgeons with more than 10 years of experience had greater agreement than did surgeons with less experience, and surgeons who treated more than 10 elbow fractures per year had better agreement than did those treating fewer fractures. In post hoc analyses, 2 simplified binary rating systems (eg, “none or mild” vs “moderate or severe” arthrosis) resulted in moderate agreement among observers.

Conclusions : The 4 grades of the Broberg and Morrey classification system have only fair interobserver reliability that is influenced by subspecialty and experience. Binary rating systems might be more reliable.

ANATOMICAL AND FUNCTIONAL STUDY OF THE MEDIAL COLLATERAL LIGAMENT COMPLEX OF THE ELBOW

Objective: To carry out an anatomical study of the medial collateral ligament, an important elbow stabilizer in different degrees of elbow flexion-extension. Methods: Forty elbows were dissected in order to analyze the functional behavior of the anterior, posterior and transverse ligament bands during valgus stress maneuvers of the elbow in different degrees of flexion and extension. Two groups were determined; in the group GPA the posterior band of the ligament was sectioned initially, then the articular capsule and finally the anterior band; in group GAP this order was reversed. Results: Instability was observed in GPA only in the third stage, when there was a greater mean elbow's opening during the flexion (between 50 degrees and 70 degrees); in GAP the instability was present since the first stage; the degrees of flexion with greater instability were the same as in group GPA. Conclusion: The anterior band of the medial collateral ligament of the elbow is the most important stabilizer of the elbow valgus instability, and its principal action occurs between 50 degrees and 70 degrees of elbow flexion. Level of Evidence III, Diagnostic Studies Investigating a diagnostic test.

Effects of glenoid component version on humeral head displacement and joint reaction forces: an experimental study

The purpose of this study was to determine whether changes in glenoid version are associated with humeral head displacement and changes in the joint reaction forces, as these might contribute to instability or loosening in total shoulder replacement. A total shoulder prosthesis was implanted in neutral version in 6 cadaveric shoulders. Glenoid version was then changed in steps of 4 degrees toward more anteversion and retroversion. An increase in anteversion resulted in anterior translation of the humeral head and in eccentric loading of the anterior part of the glenoid. Retroversion was associated with posterior displacement and posterior loading of the glenoid. A change in rotation of the humeral component did not compensate for altered version of the glenoid component. These results suggest that both instability and glenoid component loosening may be related to the version of the glenoid component. Therefore, assessment of loosening and instability justifies precise assessment of glenoid component version.

[Elbow dysplasia in the dog: finite element analysis]

For young active dogs of large, fast-growing breeds, diseases of the elbow represent an increasing important disorder. Genetic predisposition, overweight and joint overload have been proposed as possible causes of elbow dysplasia. In this study, the influence of various biomechanical parameters on load transfer in healthy and pathological dog elbows has been analysed by means of a two-dimensional finite element model. Pathological changes in the elbow structure, such as altered material properties or asynchronous bone growth, have a distinct influence on the contact pressure in the joint articulation, internal bone deformation and stresses in the bones. The results obtained support empirical observations made during years of experience and offer explanations for clinical findings that are not yet well understood.

Genetic covariation of pelvic organ and elbow mobility in twins and their sisters

A range of environmental risk factors, with childbirth the most notable, have been associated with the development of pelvic organ prolapse and urinary incontinence. However, indications of genetic influence (positive family histories, ethnic differences) have prompted research into the heritability of measures of pelvic organ descent and joint mobility, which have also been associated with prolapse and incontinence. Genes appear to influence about half of the variation in these measures and, furthermore, the pelvic organ measures are associated with elbow hyperextension at a phenotypic level (r approximate to .2). We examined these measures in young, nulligravid women to determine if their association is due to a common genetic source. Data were collected from 178 Caucasian female co-twins and non-twin sisters, 50 of whom returned to be retested, which allowed reliability to be estimated and unreliable variance to be isolated in the multivariate analyses. Structural equation modeling was used to estimate genetic associations between latent elbow and bladder mobility factors for which heritabilities were estimated to be 0.80 and 0.64 respectively. The association between these factors appeared to be mediated by common genes (genetic r = .48, non-shared environmental r = -.06), with genes influencing latent elbow mobility accounting for 14% of the variation in latent bladder mobility. We speculate that genes influencing connective tissue structure may underlie this association.