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

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

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

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

Aprendizagem motora baseada em demonstrações de movimento biológico

O objetivo deste estudo foi avaliar o processo de aprendizagem motora de uma habilidade complexa da Ginástica Artística a partir da observação de demonstrações de modelos de pontos de luz e vídeo. Dezesseis participantes divididas em grupos dos respectivos modelos executaram um pré-teste, seguido de 100 tentativas de uma parada de mãos, igualmente distribuídas em blocos de 10 tentativas em dois dias, alternando períodos de demonstração e prática, com um teste de retenção após um dia. Cinemática de braço, tronco e perna das participantes possibilitaram análise da semelhança entre a coordenação de cada participante e do modelo e do tempo de movimento; a performance das participantes também foi avaliada por duas especialistas em Ginástica Artística. Ambas as análises indicaram que os grupos não diferiram. Os resultados são discutidos em termos da hipótese de suficiência de informação nos modelos de movimento biológico particularmente aplicada ao processo de aprendizagem de habilidades motoras complexas.

Segmental bioelectrical impedance analysis to assess perioperative fluid changes.

OBJECTIVES: Perioperative fluid accumulation determination is a challenge for the clinician. Bioelectrical impedance analysis (BIA) is a noninvasive method based on the electrical properties of tissues, which can assess body fluid compartments. The study aimed at assessing their changes in three types of surgery (thoracic, abdominal, and intracranial) requiring various regimens of fluid administration. DESIGN: Prospective descriptive trial. PATIENTS: A total of 26 patients scheduled for elective surgery were separated into three groups according to site of surgery: thoracic (n = 8), abdominal aortic (n = 8), and brain surgery (n = 10). SETTING: University teaching hospital. INTERVENTION: None. MEASUREMENTS: Whole body, segmental (arm, trunk, and legs) BIA at multiple frequency (0.5, 50, 100 kHz) was used to assess perioperative fluid accumulation after surgery. The fluid balances were calculated from the charts. RESULTS: The patients were aged 62+/-4 yrs. Fluid balances were 4.8+/-1.0 L, 4.1+/-0.5 L, and 1.9+/-0.3 L, respectively, in the three groups. In trunk surgery patients, fluid accumulation was detected as a drop in impedance in the operated area at all frequencies. In the operated area, there was an expansion of both intra- and extracellular compartments. A reduction in high frequencies' impedance in the legs was only detected after aortic surgery. Fluid accumulation and trunk impedance changes were strongly correlated. Neurosurgery only induced minor body fluid changes. CONCLUSIONS: Segmental BIA is able to detect and localize perioperative fluid accumulation. It may become a bedside tool to quantify and to localize fluid accumulation.

Segmental body composition assessed by bioelectrical impedance analysis and DEXA in humans.

The present study assessed the relative contribution of each body segment to whole body fat-free mass (FFM) and impedance and explored the use of segmental bioelectrical impedance analysis to estimate segmental tissue composition. Multiple frequencies of whole body and segmental impedances were measured in 51 normal and overweight women. Segmental tissue composition was independently assessed by dual-energy X-ray absorptiometry. The sum of the segmental impedance values corresponded to the whole body value (100.5 +/- 1.9% at 50 kHz). The arms and legs contributed to 47.6 and 43.0%, respectively, of whole body impedance at 50 kHz, whereas they represented only 10.6 and 34.8% of total FFM, as determined by dual-energy X-ray absorptiometry. The trunk averaged 10.0% of total impedance but represented 48.2% of FFM. For each segment, there was an excellent correlation between the specific impedance index (length2/impedance) and FFM (r = 0.55, 0.62, and 0.64 for arm, trunk, and leg, respectively). The specific resistivity was in a similar range for the limbs (159 +/- 23 cm for the arm and 193 +/- 39 cm for the leg at 50 kHz) but was higher for the trunk (457 +/- 71 cm). This study shows the potential interest of segmental body composition by bioelectrical impedance analysis and provides specific segmental body composition equations for use in normal and overweight women.

A survey of multi-fingered robot hands: issues and grasping achievements

Recently a substantial amount of research has been done in the field of dextrous manipulation and hand manoeuvres. The main concern has been how to control robot hands so that they can execute manipulation tasks with the same dexterity and intuition as human hands. This paper surveys multi-fingered robot hand research and development topics which include robot hand design, object force distribution and control, grip transform, grasp stability and its synthesis, grasp stiffness and compliance motion and robot arm-hand coordination. Three main topics are presented in this article. The first is an introduction to the subject. The second concentrates on examples of mechanical manipulators used in research and the methods employed to control them. The third presents work which has been done on the field of object manipulation.

Relationship between limb movement speed and associated contraction of the trunk muscles

Rapid shoulder movement is preceded by contraction of the abdominal muscles to prepare the body for the expected disturbance to postural equilibrium and spinal stability provoked by the reactive forces resulting from the movement. The magnitude of the reactive forces is proportional to the inertia of the limb. The aim of the study was to investigate if changes in the reaction time latency of the abdominal muscles was associated with variation in the magnitude of the reactive forces resulting from variation in limb speed. Fifteen participants performed shoulder flexion at three different speeds (fast, natural and slow). The onset of EMG of the abdominal muscles, erector spinae and anterior deltoid (AD) was recorded using a combination of fine-wire and surface electrodes. Mean and peak velocity was recorded for each limb movement speed for five participants. The onset of transversus abdominis (TrA) EMG preceded the onset of AD in only the fast movement condition. No significant difference in reaction time latency was recorded between the fast and natural speed conditions for all muscles. The reaction time of each of the abdominal muscles relative to AD was significantly delayed with the slow movement compared to the other two speeds. The results indicate that the reaction time latency of the trunk muscles is influenced by limb inertia only with limb movement below a threshold velocity.

Changes in motor planning of feedforward postural responses of the trunk muscles in low back pain

Changes in trunk muscle recruitment have been identified in people with low-back pain (LBP). These differences may be due to changes in the planning of the motor response or due to delayed transmission of the descending motor command in the nervous system. These two possibilities were investigated by comparison of the effect of task complexity on the feedforward postural response of the trunk muscles associated with rapid arm movement in people with and without LBP. Task complexity was increased by variation of the expectation for a command to either abduct or flex the upper limb. The onsets of electromyographic activity (EMG) of the abdominal and deltoid muscles were measured. In control subjects, while the reaction time of deltoid and the superficial abdominal muscles increased with task complexity, the reaction time of transversus abdominis (TrA) was constant. However, in subjects with LBP, the reaction time of TrA increased along with the other muscles as task complexity was increased. While inhibition of the descending motor command cannot be excluded, it is more likely that the change in recruitment M of TrA represents a more complex change in organisation of the postural response.

Head, eye and arm coordination in table tennis

The aim of this study was to determine the role of head, eye and arm movements during the execution of a table tennis forehand stroke. Three-dimensional kinematic analysis of line-of-gaze, arm and ball was used to describe visual and motor behaviour. Skilled and less skilled participants returned the ball to cued right or left target areas under three levels of temporal constraint: pre-, early- and late-cue conditions. In the pre- and early-cue conditions, both high and low skill participants tracked the ball early in flight and kept gaze stable on a location in advance of the ball before ball-bat contact. Skilled participants demonstrated an earlier onset of ball tracking and recorded higher performance accuracy than less skilled counterparts. The manipulation of cue condition showed the limits of adaptation to maintain accuracy on the target. Participants were able to accommodate the constraints imposed by the early-cue condition by using a shorter quiet eye duration, earlier quiet eye offset and reduced arm velocity at contact. In the late-cue condition, modifications to gaze, head and arm movements were not sufficient to preserve accuracy. The findings highlight the functional coupling between perception and action during time-constrained, goal-directed actions.

Retraining of interjoint arm coordination after stroke using robot-assisted time-independent functional training

We have developed a haptic-based approach for retraining of interjoint coordination following stroke called time-independent functional training (TIFT) and implemented this mode in the ARMin III robotic exoskeleton. The ARMin III robot was developed by Drs. Robert Riener and Tobias Nef at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, or ETH Zurich), in Zurich, Switzerland. In the TIFT mode, the robot maintains arm movements within the proper kinematic trajectory via haptic walls at each joint. These arm movements focus training of interjoint coordination with highly intuitive real-time feedback of performance; arm movements advance within the trajectory only if their movement coordination is correct. In initial testing, 37 nondisabled subjects received a single session of learning of a complex pattern. Subjects were randomized to TIFT or visual demonstration or moved along with the robot as it moved though the pattern (time-dependent [TD] training). We examined visual demonstration to separate the effects of action observation on motor learning from the effects of the two haptic guidance methods. During these training trials, TIFT subjects reduced error and interaction forces between the robot and arm, while TD subject performance did not change. All groups showed significant learning of the trajectory during unassisted recall trials, but we observed no difference in learning between groups, possibly because this learning task is dominated by vision. Further testing in stroke populations is warranted.

Influence of predominant patterns of coordination on the exploitation of interaction torques in a two-joint rhythmic arm movement

In this study we investigate the coordination between rhythmic flexion-extension (FE) and supination-pronation (SP) movements at the elbow joint-complex, while manipulating the intersegmental dynamics by means of a 2-degrees of freedom (df) robot arm. We hypothesized that constraints imposed by the structure of the neuromuscular-skeletal system would (1) result in predominant pattern(s) of coordination in the absence of interaction torques and (2) influence the capabilities of participants to exploit artificially induced interaction torques. Two experiments were conducted in which different conditions of interaction torques were applied on the SP-axis as a function of FE movements. These conditions promoted different patterns of coordination between the 2-df. Control trials conducted in the absence of interaction torques revealed that both the in-phase (supination synchronized with flexion) and the anti-phase (pronation synchronized with flexion) patterns were spontaneously established by participants. The predominance of these patterns of coordination is explained in terms of the mechanical action of bi-articular muscles acting at the elbow joint-complex, and in terms of the reflexes that link the activity of the muscles involved. Results obtained in the different conditions of interaction torques revealed that those neuromuscular-skeletal constraints either impede or favor the exploitation of intersegmental dynamics depending on the context. Interaction torques were indeed found to be exploited to a greater extent in conditions in which the profiles of interaction torques favored one of the two predominant patterns of coordination (i.e., in-phase or anti-phase) as opposed to other patterns of coordination (e.g., 90 degrees or 270 degrees). Those results are discussed in relation to recent studies reporting exploitation of interaction torques in the context of rhythmic movements.

Neuromuscular-skeletal origins of predominant patterns of coordination in a rhythmic two-joint arm movement

The authors tested for predominant patterns of coordination in the combination of rhythmic flexion-extension (FE) and supination-pronation (SP) at the elbow-joint complex. Participants (N = 10) spontaneously established in-phase (supination synchronized with flexion) and antiphase (pronation synchronized with flexion) patterns. In addition, the authors used a motorized robot arm to generate involuntary SP movements with different phase relations with respect to voluntary FE. The involuntarily induced in-phase pattern was accentuated and was more consistent than other patterns. That result provides evidence that the predominance of the in-phase pattern originates in the influence of neuro-muscular-skeletal constraints rather than in a preference dictated by perceptual-cognitive factors implicated in voluntary control. Neuromuscular-skeletal constraints involved in the predominance of the in-phase and the antiphase patterns are discussed.