The use of treatment theories and procedures for postural control in adult with hemiplegia: A national survey

This study investigated the use of treatment theories and procedures for postural control training used by Occupational Therapists (OTs) when working with hemiplegic adults who have had cerebrovascular accident (CVA) or traumatic brain injury (TBI). The method of data collection was a national survey of 400 randomly selected physical disability OTs with 127 usable surveys returned. Results showed that the most common used treatment theory was neurodevelopmental treatment (NDT), followed by motor relearning program (MRP), proprioceptive neuromuscular facilitation (PNF), Brunnstrom's approach, and the approach of Rood. The most common treatment posture used was sitting, followed by standing, mat activity, equilibrium reaction training, and walking. The factors affecting the use of various treatment theories procedures were years certified, years of clinical experience, work situation and work status. Pearson correlation coefficient analyses found significant positive relationships between treatment theories and postures. There were significant high correlations between usage of all pairs of treatment procedures. ^

Understanding the Effect of Protein Tyrosine Phosphatase Receptor Type 0 on Mammalian Sensory Development: Behavioral Studies on PTPRO Knockout Mice

Nerve development, which includes axon outgrowth and guidance, is regulated by many protein families, including receptor protein tyrosine phosphatases (RPTP's).Protein tyrosine phosphatase receptor type 0 (PTPRO) is a type III RPTP that is important for axon growth and guidance, as observed in chicks and flies. In order to examine the effects ofPTPRO on mammalian development, standard behavioral tests were used to compare mice lacking the gene for PTPRO (ROKO mice) to wild-type (WT) mice. The ROKO mice showed a significant delay in reacting to a thermal noxious stimulus, hotplate analgesia, when compared to the WT mice suggesting deficient nociceptive function. In a rotarod test for proprioceptive function the ROKO mice exhibited a significant decrease in the amount of time spent on the rotating rod than did the WT mice. Additional proprioception tests were performed including the climb, step reflex, beam, and mesh walk tests. In the climb and step (place) test, the ROKO group had a significantly lower accuracy in performing the tests than did the WT mice. Thus, mice lacking the PTPRO gene showed behavioral deficiencies that reflect impairment in sensory function, specifically for nociception and proprioception.

Haptic discrimination of two-dimensional angles : influences of exploratory strategy

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

Haptic discrimination of two-dimensional angles : influences of exploratory strategy

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

Computational models for improved diagnosis and prognosis of stroke using robot-based biomarkers

Stroke is a leading cause of death and permanent disability worldwide, affecting millions of individuals. Traditional clinical scores for assessment of stroke-related impairments are inherently subjective and limited by inter-rater and intra-rater reliability, as well as floor and ceiling effects. In contrast, robotic technologies provide objective, highly repeatable tools for quantification of neurological impairments following stroke. KINARM is an exoskeleton robotic device that provides objective, reliable tools for assessment of sensorimotor, proprioceptive and cognitive brain function by means of a battery of behavioral tasks. As such, KINARM is particularly useful for assessment of neurological impairments following stroke. This thesis introduces a computational framework for assessment of neurological impairments using the data provided by KINARM. This is done by achieving two main objectives. First, to investigate how robotic measurements can be used to estimate current and future abilities to perform daily activities for subjects with stroke. We are able to predict clinical scores related to activities of daily living at present and future time points using a set of robotic biomarkers. The findings of this analysis provide a proof of principle that robotic evaluation can be an effective tool for clinical decision support and target-based rehabilitation therapy. The second main objective of this thesis is to address the emerging problem of long assessment time, which can potentially lead to fatigue when assessing subjects with stroke. To address this issue, we examine two time reduction strategies. The first strategy focuses on task selection, whereby KINARM tasks are arranged in a hierarchical structure so that an earlier task in the assessment procedure can be used to decide whether or not subsequent tasks should be performed. The second strategy focuses on time reduction on the longest two individual KINARM tasks. Both reduction strategies are shown to provide significant time savings, ranging from 30% to 90% using task selection and 50% using individual task reductions, thereby establishing a framework for reduction of assessment time on a broader set of KINARM tasks. All in all, findings of this thesis establish an improved platform for diagnosis and prognosis of stroke using robot-based biomarkers.

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.

Proprioception in ankle sprain from exercises and bandages

Ankle sprains are the most common injuries in sports, usually causing damage to the lateral ligaments. Recurrence has as usual result permanent instability, and thus loss of proprioception. This fact, together with residual symptoms, is what is known as chronic ankle instability, CAI, or FAI, if it is functional. This problem tries to be solved by improving musculoskeletal stability and proprioception by the application of bandages and performing exercises. The aim of this study has been to review articles (meta-analisis, systematic reviews and revisions) published in 2009-2015 in PubMed, Medline, ENFISPO and BUCea, using keywords such as “sprain instability”, “sprain proprioception”, “chronic ankle instability”. Evidence affirms that there does exist decreased proprioception in patients who suffer from CAI. Rehabilitation exercise regimen is indicated as a treatment because it generates a subjective improvement reported by the patient, and the application of bandages works like a sprain prevention method limiting the range of motion, reducing joint instability and increasing confidence during exercise. As podiatrists we should recommend proprioception exercises to all athletes in a preventive way, and those with CAI or FAI, as a rehabilitation programme, together with the application of bandages. However, further studies should be generated focusing on ways of improving proprioception, and on the exercise patterns that provide the maximum benefit.

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.

Overdenture sobre implantes em pacientes idosos

Um dos grandes desafios da Medicina Dentária moderna está relacionado com a necessidade de um atendimento diferenciado e multidisciplinar voltado para os cuidados com a saúde bucal da população idosa e pela promoção de um envelhecimento saudável. O médico dentista precisa estar atento às mudanças e particularidades advindas do envelhecimento, dada a inter-relação entre saúde oral e saúde geral do paciente. A perda dos dentes, que constitui um dos problemas mais comuns a nível mundial, resulta em diversos prejuízos funcionais, tais como: reabsorção óssea, desconforto, instabilidade, diminuição da capacidade proprioceptiva e mastigatória, afetando, assim, a qualidade de vida desses pacientes devido à grande insatisfação com a reabilitação oral tradicional. Com o surgimento dos implantes osteointegrados, estes aspectos foram melhorados, pela possibilidade de novas opções de tratamento como as sobredentaduras ou overdentures, que comprovaram ampla margem de indicação a esses pacientes que buscam melhoria funcional de suas peças protéticas. Deste modo, o presente trabalho tem como objetivo apresentar uma alternativa de tratamento aos pacientes idosos através de reabilitações orais com as sobredentaduras ou overdentures, restabelecendo a saúde do sistema estomatognático e o equilíbrio biopsicossocial do paciente idoso. Foi realizada uma pesquisa bibliográfica online entre Dezembro de 2015 e Março de 2016, com o objetivo de fazer uma revisão bibliográfica acerca do tema. Foi estabelecido um limite temporal entre 1995 e 2015, entretanto algumas outras publicações relevantes com datas anteriores foram consideradas.

New tools for cognitive and motor rehabilitation: development and clinical validation

Nervous system disorders are associated with cognitive and motor deficits, and are responsible for the highest disability rates and global burden of disease. Their recovery paths are vulnerable and dependent on the effective combination of plastic brain tissue properties, with complex, lengthy and expensive neurorehabilitation programs. This work explores two lines of research, envisioning sustainable solutions to improve treatment of cognitive and motor deficits. Both projects were developed in parallel and shared a new sensible approach, where low-cost technologies were integrated with common clinical operative procedures. The aim was to achieve more intensive treatments under specialized monitoring, improve clinical decision-making and increase access to healthcare. The first project (articles I – III) concerned the development and evaluation of a web-based cognitive training platform (COGWEB), suitable for intensive use, either at home or at institutions, and across a wide spectrum of ages and diseases that impair cognitive functioning. It was tested for usability in a memory clinic setting and implemented in a collaborative network, comprising 41 centers and 60 professionals. An adherence and intensity study revealed a compliance of 82.8% at six months and an average of six hours/week of continued online cognitive training activities. The second project (articles IV – VI) was designed to create and validate an intelligent rehabilitation device to administer proprioceptive stimuli on the hemiparetic side of stroke patients while performing ambulatory movement characterization (SWORD). Targeted vibratory stimulation was found to be well tolerated and an automatic motor characterization system retrieved results comparable to the first items of the Wolf Motor Function Test. The global system was tested in a randomized placebo controlled trial to assess its impact on a common motor rehabilitation task in a relevant clinical environment (early post-stroke). The number of correct movements on a hand-to-mouth task was increased by an average of 7.2/minute while the probability to perform an error decreased from 1:3 to 1:9. Neurorehabilitation and neuroplasticity are shifting to more neuroscience driven approaches. Simultaneously, their final utility for patients and society is largely dependent on the development of more effective technologies that facilitate the dissemination of knowledge produced during the process. The results attained through this work represent a step forward in that direction. Their impact on the quality of rehabilitation services and public health is discussed according to clinical, technological and organizational perspectives. Such a process of thinking and oriented speculation has led to the debate of subsequent hypotheses, already being explored in novel research paths.

Desenvolvimento de equipamento para estimular a propriocepção utilizando ímãs permanentes

This study developed the Magnetic Proprioceptive Stimulator – MPS at the Technological Federal University of Parana - UTFPR to stimulate, record and quantify the proprioceptive activity of the shoulder joint, using permanent magnets. A pilot study was conducted to investigate the proprioceptive stimulation generated by MPS. The results of this study show that the magnetic and mechanical forces generated by permanent magnets can change the static and dynamic stability of the shoulder joint. The angular changes of the shoulder joint during the stimulation of proprioception were photographed, videotaped and analyzed by vector editing program. The joint movements caused by the action of the magnets were recorded by an optical sensor installed in the MPS and displayed in a graphical interface for analyzing the proprioceptive dynamics. The study concluded that the Magnetic Proprioceptive Stimulator is safe, effective to stimulate proprioception and features high economic viability.

Movement Sonification: Effects on Motor Learning beyond Rhythmic Adjustments

Motor learning is based on motor perception and emergent perceptual-motor representations. A lot of behavioral research is related to single perceptual modalities but during last two decades the contribution of multimodal perception on motor behavior was discovered more and more. A growing number of studies indicates an enhanced impact of multimodal stimuli on motor perception, motor control and motor learning in terms of better precision and higher reliability of the related actions. Behavioral research is supported by neurophysiological data, revealing that multisensory integration supports motor control and learning. But the overwhelming part of both research lines is dedicated to basic research. Besides research in the domains of music, dance and motor rehabilitation, there is almost no evidence for enhanced effectiveness of multisensory information on learning of gross motor skills. To reduce this gap, movement sonification is used here in applied research on motor learning in sports. Based on the current knowledge on the multimodal organization of the perceptual system, we generate additional real-time movement information being suitable for integration with perceptual feedback streams of visual and proprioceptive modality. With ongoing training, synchronously processed auditory information should be initially integrated into the emerging internal models, enhancing the efficacy of motor learning. This is achieved by a direct mapping of kinematic and dynamic motion parameters to electronic sounds, resulting in continuous auditory and convergent audiovisual or audio-proprioceptive stimulus arrays. In sharp contrast to other approaches using acoustic information as error-feedback in motor learning settings, we try to generate additional movement information suitable for acceleration and enhancement of adequate sensorimotor representations and processible below the level of consciousness. In the experimental setting, participants were asked to learn a closed motor skill (technique acquisition of indoor rowing). One group was treated with visual information and two groups with audiovisual information (sonification vs. natural sounds). For all three groups learning became evident and remained stable. Participants treated with additional movement sonification showed better performance compared to both other groups. Results indicate that movement sonification enhances motor learning of a complex gross motor skill-even exceeding usually expected acoustic rhythmic effects on motor learning.

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.

Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury.

Electrical neuromodulation of lumbar segments improves motor control after spinal cord injury in animal models and humans. However, the physiological principles underlying the effect of this intervention remain poorly understood, which has limited the therapeutic approach to continuous stimulation applied to restricted spinal cord locations. Here we developed stimulation protocols that reproduce the natural dynamics of motoneuron activation during locomotion. For this, we computed the spatiotemporal activation pattern of muscle synergies during locomotion in healthy rats. Computer simulations identified optimal electrode locations to target each synergy through the recruitment of proprioceptive feedback circuits. This framework steered the design of spatially selective spinal implants and real-time control software that modulate extensor and flexor synergies with precise temporal resolution. Spatiotemporal neuromodulation therapies improved gait quality, weight-bearing capacity, endurance and skilled locomotion in several rodent models of spinal cord injury. These new concepts are directly translatable to strategies to improve motor control in humans.

Head repositioning accuracy in patients with neck pain and asymptomatic subjects: concurrent validity, influence of motion speed, motion direction and target distance

Background: Cervicocephalic kinesthetic deficiencies have been demonstrated in patients with chronic neck pain (NP). On the other hand, authors emphasized the use of different motion speeds for assessing functional impairment of the cervical spine. Purpose: The objectives of this study were (1) to investigate the head repositioning accuracy in NP patients and control subjects and (2) to assess the influence of target distance, motion speed, motion direction and pain. Materials and methods: Seventy-one subjects (36 healthy subjects and 35 NP patients; age 30–55 years) performed the head repositioning test (HRT) at two different speeds for horizontal and vertical movements and at two different distances. For each condition, six consecutive trials were sampled. Results: The study showed the validity and reproducibility of the HRT, confirming a dysfunctional threshold of 4.5°. Normative values of head repositioning error up to 3.6° and 7.1° were identified for healthy and NP subjects, respectively. A distance of 180 cm from the target and a natural motion speed increased HRT accuracy. Repositioning after extension movement showed a significantly larger error in both groups. Intensity, duration of pain as well as pain level did not significantly alter head repositioning error. Conclusions: The assessment of proprioceptive performance in healthy and NP subjects allowed the validation of the HRT. The HRT is a simple, not expensive and fast test, easily implementable in daily practice to assess and monitor treatment and evolution of proprioceptive cervical deficits.