Le projet scientifique

Le projet scientifiqueThématique 3

Processus mentaux et contrôle sensorimoteur

Cette thématique étudie le rôle des habiletés cognitives et du contrôle sensorimoteur sur la performance, la rééducation des fonctions motrices et la prévention des blessures. Les projets de recherche et les ressources humaines proviennent des trois sites géographiques du LIBM. Chaque projet s’intègre dans une ligne thématique pérenne et s’appuie sur un financement en cours ou fera l’objet d’une demande à venir. Cet axe comprend 3 analyses complémentaires associant recherche fondamentale et appliquée :

i) Fondements neurophysiologiques et effets thérapeutiques de l’imagerie motrice

ii) Excitabilité corticospinale et plasticité du contrôle sensorimoteur

iii) Interactions entre tâches cognitives et fonction posturale.

 

  1. 1.    Fondements neurophysiologiques et effets thérapeutiques de l’imagerie motrice

L’imagerie motrice est une thématique prioritaire. Les précédents contrats ont permis d’en comprendre le rôle pour améliorer les performances sportives et faciliter le recouvrement des fonctions motrices après lésion centrale ou périphérique. Nous évaluons les capacités d’imagerie et suivons la qualité du travail mental par enregistrement en temps réel des corrélats physiologiques de l’imagerie (Collet et al., 2011). Ces méthodes et outils vont nous permettre de détailler les fondements neurophysiologiques et d’étudier la plasticité cérébrale induite par l’imagerie motrice, consécutivement à son utilisation thérapeutique en complément de la rééducation classique.

            Mieux comprendre les processus impliqués dans l’inhibition de la commande motrice lors de la représentation d’un mouvement est un enjeu de recherche fondamentale (Guillot et al., 2012). L’objectif est d’identifier les régions corticales et sous-corticales impliqués dans l’inhibition de la commande et de comprendre leurs interactions par des analyses avancées de connectivité fonctionnelle (Collaboration CERMEP de Lyon). L’IRMf et la MEG seront des méthodes privilégiées pour identifier les activations chez des sujets sains, comparativement à des patients dont l’inhibition de la commande motrice n’est plus utile (personnes amputées et paralysées). La tétraplégie avait constitué un bon modèle d’étude durant le précédent contrat (Di Rienzo et al., 2014a). Enfin, la plasticité cérébrale induite par la pratique de l’imagerie motrice (qui stimule activement les réseaux du système moteur) devra également permettre l’étude des processus de consolidation des apprentissages après un entraînement mental. Pour cela, nous associerons des méthodologies d’investigation scientifique complémentaires (enregistrement d’indices neurovégétatifs, stimulations magnétique ou à courant continu) ainsi que des indices comportementaux pour évaluer l’efficacité du travail mental.

 

            Parallèlement, nous étudierons l’intérêt de compléter la rééducation classique par l’imagerie motrice chez des sujets immobilisés (Di Rienzo et al., 2014b) : patients atteints d’une lésion ou dégénérescence centrale (atteinte médullaire), de lésions périphériques (amputation transtibiale, chirurgie orthopédique avec pose d’une prothèse), ou d’incapacités motrices temporaires (entorses, fractures) qui affectent le système locomoteur. L’apport de l’imagerie motrice au recouvrement des fonctions posturales et motrices constituera un sujet de recherche appliquée, en collaboration avec des cliniciens français et étrangers. La population vieillissante permettra d’étudier l’évolution des capacités d’imagerie et le rôle préventif du travail par imagerie motrice en tant que facteur limitant de la perte d’autonomie et de prévention des chutes (Saimpont et al., 2013). L’intégrité des dynamiques cérébrales lorsque les programmes moteurs sont entretenus par la pratique mentale durant des périodes d’immobilisation et la réorganisation vicariante des réseaux devenus fonctionnellement inutiles à la suite d’une lésion constitueront des projets de recherche centraux menés en collaboration avec des équipes médicales (Hôpital Henri Gabrielle, Clinique Médico-Chirurgicale de Réadaptation des Massues, Centre Albert Trillat de Lyon) et des universités partenaires (Universités de Montréal et Laval).

            Enfin, nous évaluerons le lien entre imagerie motrice et mentale à travers l’acquisition et le transfert d’habiletés visuospatiales et motrices aux situations d’apprentissage (Hoyek et al., 2014). En particulier, les capacités visuospatiales déterminent la vitesse et la qualité d’acquisition de connaissances anatomiques et chirurgicales. Nous étudierons l’effet de l’imagerie motrice et mentale dans le renforcement des compétences spatiales nécessaires à l’apprentissage de l’anatomie et à la maîtrise des gestes chirurgicaux. Nous conceptualiserons des outils pédagogiques numériques innovants (animations 3D, jeux sérieux) destinés à faciliter l’apprentissage de l’anatomie et permettre l’entraînement des futurs chirurgiens. Ces ressources pédagogiques seront validées expérimentalement en laboratoire, dans des conditions écologiques et servir de base à l’élaboration de stratégies pédagogiques dans les formations médicales et paramédicales.

 

  1. 2.    Excitabilité corticospinale et plasticité du contrôle sensori-moteur

La plasticité du cortex moteur est directement induite par la demande fonctionnelle. La stimulation magnétique transcrânienne permet d’objectiver les modifications de l'excitabilité corticospinale après une intervention aiguë (diminution en situation de fatigue) ou chronique (augmentation après entraînement). La modulation des informations afférentes modifie la représentation corticale et l'excitabilité corticospinale. Compte tenu de l’importance des afférences dans la construction des commandes motrices (Wiesendanger & Miles, 1982), l’objectif sera de mieux cerner comment ces informations sensorielles impactent, en retour, l'activité corticale.

La vibration tendineuse est une méthode spécifique d’entraînement basée sur l'augmentation des afférences proprioceptives (Rittweger, 2010). Pratiquée de manière chronique, elle induit des adaptations qui se traduisent par des gains de force musculaire (Lapole et al., 2013). Notre projet est de caractériser l’effet des vibrations tendineuses et/ou musculaires sur l’excitabilité corticospinale et motoneuronale. La stimulation magnétique transcrânienne à simple et double choc permettra d’étudier de manière distincte l’excitabilité corticale et cortico-spinale. Par ailleurs, la stimulation électrique cervico-médullaire permettra de mesurer l’excitabilité motoneuronale. Ces méthodes complémentaires permettront de localiser, à l’issue d’un programme d’entraînement par vibrations, des sites de facilitation (e.g., adaptations spinales vs. supra-spinales), et évaluer les effets thérapeutiques potentiels des protocoles de vibration tendineuse.

Parallèlement, nous étudierons l’excitabilité des circuits corticaux sensori-moteurs interposés entre les afférences proprioceptives et la voie corticospinale, grâce à la stimulation magnétique transcrânienne conditionnée (Devanne et al., 2009). L’élévation de l’excitabilité de ces circuits en raison d’une forte sollicitation du cortex somesthésique par les vibrations est l’hypothèse principale. Les effets de la fatigue seront également envisagés, tout comme ceux de la pathologie.

La plasticité des circuits d’intégration sensorimotrice sera finalement étudiée en lien avec la proprioception lors de tests posturaux dynamiques. La répétition de tâches déstabilisant les sujets par des vibrations tendineuses (effets aigus) ou un travail unipodal et/ou sur surface instable permet, à long terme, une amélioration des performances (effets chroniques). Ces travaux seront complétés par l’étude du réflexe H, reflétant l'intégration, au niveau spinal, des informations proprioceptives de type Ia sous contrôle de mécanismes d'inhibition pré-synaptique. L’amélioration du contrôle proprioceptif devrait s’accompagner d’une optimisation du traitement spinal des informations proprioceptives.

 

  1. 3.    Interactions entre tâches cognitives et fonction posturale

Les paradigmes de double tâche associant contrôle postural et résolution d’une tâche cognitive permet l’étude des interrelations entre processus mentaux et contrôle sensorimoteur. Un des intérêts majeurs de ce type de paradigmes est qu’ils mobilisent des structures corticales spécialisées et hiérarchisées. Le comportement résultant est variable et indique une priorité accordée à l’un ou l’autre des aspects de la tâche. La littérature montre que l’âge, la spécificité, les consignes données et la difficulté de la tâche posturale et cognitive interagissent dans les stratégies observées.

Le niveau d’expertise n’a pas été spécifiquement intégré comme facteur affectant la posture, mais indirectement appréhendé en comparant des populations d’expertise variable, comme par exemple des personnes jeunes et des personnes âgées. L’effet d’une double tâche sur des sujets novices reste à préciser. Cette condition reste toutefois difficile à construire tant nous sommes amenés, dans la vie courante, à préserver notre posture tout en réalisant une tâche connexe. Nous proposons d’étudier le lien entre niveau de maîtrise posturale et habileté cognitive. Les effets du paradigme de double tâche sur l’une, l’autre ou les 2 tâches constitutives devraient être moindres à mesure que l’expertise dans la tâche posturale augmente.

Nous solliciterons un apprentissage sensorimoteur par la méthode de la balancelle, soit un système constitué d’un plateau rigide reposant sur deux arcs de cercle et qui modifie la coordination entre les déplacements du centre des pressions et les mouvements du centre de gravité. En effet, le mouvement de rotation-translation amplifie le déplacement du centre des pressions et, par suite, l’accélération horizontale communiquée au centre de gravité. Des précédentes études ont montré qu’un entraînement de deux fois dix minutes suffisait pour réduire significativement les déplacements du centre des pressions, attestant l’apprentissage d’une nouvelle coordination posturale (Rougier et al., 2011 ; Rougier, 2012). Il est donc possible de caractériser le comportement postural d’un sujet novice dans une tâche sensori-motrice nouvelle. Outre l’approfondissement des connaissances fondamentales relatives aux structures nerveuses impliquées dans le maintien de la station debout et dans l’apprentissage sensori-moteur, ces données devraient nous permettre de mieux évaluer les protocoles d’entraînement (chez les sportifs) ou de réadaptation (chez les personnes victimes d’incapacités motrices).

L’imagerie motrice est une opération cognitive dont l’effet sur le contrôle postural reste méconnu. Même si le contrôle postural dépend d’un contrôle sensorimoteur, il laisse toutefois une latitude d’intervention aux processus cognitifs. La double tâche peut avoir des effets facilitateurs ou délétères sur la posture, en fonction des caractéristiques de la tâche cognitive. Les données disponibles montrent que l’imagerie pourrait améliorer ou dégrader ou encore n’avoir aucune influence sur la posture. Nous proposons de manipuler le contenu (vivacité, vitesse), la nature (mouvement impliquant ou non les muscles posturaux) et la modalité (visuelle ou kinesthésique) des tâches d’imagerie motrice pour étudier ses interactions avec la fonction posturale et préciser le type d’interférence entre les deux tâches. Des principes pouvant être utilisés en rééducation de la fonction posturale ou en prévention des chutes chez les personnes âgées devraient en être déduits.

Dans une approche complémentaire, nous nous intéresserons aux bénéfices induits par l’imagerie motrice sur la performance motrice. On sait que l’imagerie motrice doit respecter des règles précises pour être efficace. Il s’agira d’approfondir ces principes d’utilisation et d’étudier plus spécifiquement les interactions entre la dépense énergétique induite par la tâche motrice et les processus mentaux.

 

Références :

Collet C, Guillot A., Lebon F., MacIntyre T. & Moran A. (2011). Measuring motor imagery using psychometric, behavioural, and psychophysiological tools. Exercise and Sport Sciences Reviews, 39, 85-92.

Devanne H., Degardin A., Tyvaert L., Bocquillon P., Houdayer E., Manceaux A., Derambure P. & Cassim F. (2009). Afferent-induced facilitation of primary motor cortex excitability in the region controlling hand muscles in humans. European Journal of Neuroscience, 30, 439-448.

Di Rienzo F., Guillot A., Matéo S., Delpuech C., Daligault S., Rode G. & Collet C. (2014). Neuroplasticity of prehensile neural networks after quadriplegia. Neuroscience, sous presse.

Di Rienzo F., Collet C., Hoyek N. & GuillotA. (2014). Impact of neurologic deficits on motor imagery: A systematic review of clinical evaluations. Neuropsychology Review, 24, 116-147

Guillot A., Di Rienzo F., Moran A., MacIntyre T. & Collet C. (2012). Imagining is not doing but involves motor commands: A review of experimental data related to motor inhibition.Frontiers in Human Neuroscience, 6, Article 247 (1-22).

Hoyek N., Collet C., Di Rienzo F., De Almeida M. & GuillotA. (2014). Effectiveness of three-dimensional digital animation in teaching human anatomy in an authentic classroom context. Anatomical Sciences Education, DOI: 10.1002/ase.1446.

Lapole T., Canon F. & Perot C. (2013). Ipsi- and contralateral H-reflexes and V-waves after unilateral chronic Achilles tendon vibration. European Journal of Applied Physiology, 113, 2223-2231.

Rittweger J. (2010). Vibration as an exercise modality: how it may work, and what its potential might be. European Journal of Applied Physiology, 108, 877-904.

Rougier P.R., Mathias M. & Tanzi A. (2011). Short-term effects on postural control can be evidenced by using a seesaw. Neuroscience Letters, 488, 133-137.

Rougier P.R. (2012). How an acute mastering of balance on a seesaw can improve the relationship between “static” and “dynamic” upright postural control. Gait and Posture, 36, 383-388. 

Saimpont A.,Malouin F., Tousignant B. & Jackson P.L. (2013). Motor imagery and mental practice in older adults. Journal of Motor Behavior, 45, 21-28.

Wiesendanger M. & Miles T.S. (1982). Ascending pathway of low-threshold muscle afferents to the cerebral cortex and its possible role in motor control. Physiological Reviews, 62, 1234-1270.