[PDF] Itinéraire pour une contribution de la Neurophysiologie de l

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THÈSE

PRÉSENTÉE A

L'UNIVERSITÉ PARIS DESCARTES

ÉCOLE DOCTORALE : CERVEAU, COGNITION, COMPORTEMENT (ED3C, n°158)

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : Neurosciences

ETUDE DU CONTROLE POSTURAL CHEZ L'HOMME :

Analyse des facteurs neurophysiologiques, biomécaniques et cognitifs, impliqués dans les 500 premières millisecondes d'une chute

Directeur de recherche : Pierre-Paul VIDAL

Co-directeur de recherche : Sébastien LAPORTE

Soutenance le : 22 Novembre 2013

Devant la commission d'examen composée de :

Rapporteur Laurence Chèze PU Laborat. de Biomécanique et Mécanique des chocs, IFSSTAR

Rapporteur Jacques Duysens DR Faculty of Kinesiology and Rehabilitation Sciences, KU Leuven

Examinateur Richard Fitzpatrick Dr. Neuroscience Research Australia, Univ. New South Wales

Examinateur Philippe Thoumie PUPH Université Paris Sud, Hôpital Rothschild

Directeur Pierre-Paul Vidal DR Centre d'Etude de la Sensori-Motricité, Paris Descartes

Co-Directeur Sébastien Laporte PU Laboratoire de Biomécanique, ENSAM 2 3 Dans toutes les occupations, la joie ne surgit qu'après des travaux accomplis avec effort. Mais en philosophie, le plaisir vient en même temps que la connaissance. Ce n'est pas une fois la recherche achevée que nous éprouvons la joie, mais pendant la recherche elle-même.

Epicure. Doctrines et maximes (-341 -270)

4 5 Dans la vie, rien n'est à craindre, tout est à comprendre.

Marie Curie (1867-1934)

6 7

REMERCIEMENTS 11

RESUME 13

SUMMARY 15

LISTE D'ABRÉVIATIONS 17

LISTE DES ANNEXES 19

AVANT-PROPOS 21

INTRODUCTION GENERALE

La chute chez les seniors est un problème de santé publique 23 La chute implique une chaîne complexe de traitement de l'information 24

Objectifs généraux 24

CHAPITRE I - CONTEXTE SCIENTIFIQUE

1. DE LA VERTICALISATION PROGRESSIVE A LA POSTURE DEBOUT 28

1.1. Eclairage phylogénétique 28

1.1.1. Se tenir debout est-il le propre de l'Homme ? 28

1.1.2. Corrélats anatomiques et sensoriels liés à l'acquisition de la bipédie 29

1.1.3. Avantages et Inconvénients de la bipédie 30

1.2. Verticalité et Bipédie : l'éclairage de l'Ontogénèse 30

2. DE LA POSTURE DEBOUT ACQUISE A L'EQUILIBRE 32

2.1. L'homme n'est jamais en parfait équilibre 32

2.2. Ressources sollicitées pour le contrôle postural 33

2.2.1. Référentiels Spatiaux 34

2.2.2. " Capteurs Détecteurs d'Erreur » : les afférences sensorielles 36

2.2.3. Schéma corporel et Modèle interne 48

2.2.4. Intégration et contrôle centraux 49

2.2.5. Réponse motrice et Effecteurs 57

2.3. Application au contrôle de la posture debout perturbée : cas du Rattrapage 58

2.3.1. Bases Neurophysiologiques des Réponses Posturales 58

2.3.2. Stratégies de contrôle de l'équilibre 61

2.3.3. Synergies musculaires 67

2.3.4. Evolution du contrôle de l'équilibre chez l'enfant 69

3. DE L'EQUILIBRE A LA CHUTE ... 70

3.1. Comment définir une chute accidentelle ? 70

3.2. Qui est à risque de chute? 71

3.2.1. Effet du Genre : un mécanisme inexpliqué 71

3.2.2. Effet de l'Age : une courbe en U inversé 72

3.2.3. Pathologies neurologiques et Troubles de l'équilibre 72

8

3.2.4. Le sujet chuteur 73

3.3. Conséquences des Chutes chez la Personne Agée 73

3.3.1. Conséquences traumatiques et fonctionnelles aigües 73

3.3.2. Conséquences psychomotrices : le syndrome post-chute 74

3.4. Prévention de la (re-) Chute 74

3.4.1. Identification des facteurs de risque (Facteurs Prédisposants vs. Précipitants) 74

3.4.2. Evaluation de la posture et de l'équilibre 75

3.4.3. Interventions pour prévenir la (re-)chute 77

4. SYNTHESE & OBJECTIFS GENERAUX 78

CHAPITRE II - ETUDE EXPERIMENTALE DES 500 PREMIERES MILLISECONDES DE LA CHUTE

1. ETUDE DE LA CHUTE 'IN-SITU': approches existantes et mécanismes impliqués 82

1.1 Méthodes de Perturbation 82

1.1.1 De nombreux dispositifs expérimentaux 82

1.1.2 L'intérêt des perturbations médio-latérales 86

1.2 Chute vs. Rattrapage : mécanismes de différenciation 87

1.2. Effet de l'apprentissage (habituation, entraînement) 92

1.3. La réaction de Startle, implication potentielle dans l'occurrence d'une chute 94

1.4. Synthèse et Objectifs 96

2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL 98

2.1. Population d'étude 98

2.2. Situation expérimentale 98

2.2.1. Dispositif et paradigme expérimental 98

2.2.2. Méthode 100

2.3. Paramètres mesurés et calculés 102

2.3.1. Synthèse des moyens de mesure existants 102

2.3.2. Acquisition des données 104

2.3.3. Analyse des données 111

3. RESULTATS 118

3.1. Chronologie de la " chute » 118

3.1.1. Description de la phase passive 118

3.1.2. Description de la phase active (T3) 120

3.2. Description générale des réponses posturales observées 121

3.3. Différences Chute vs. Rattrapage 124

3.3.1. Effet des caractéristiques " sujet » sur la chute 124

3.3.2. Effet des caractéristiques " essai » sur la chute 126

3.3.3. Mécanismes liés à la chute : analyse de l'action correctrice engagée 128

4. DISCUSSION 144

4.1. Biomécanique de la réponse 144

4.2. Description qualitative des réponses posturales 147

4.3. Hypothèses sur les causes de la chute 149

4.3.1. Sensibilité et Variabilité inter-individuelle à la chute 149

4.3.2. Occurrence de la chute et caractéristiques de la perturbation 151

4.3.3. Caractérisation de l'échec des mécanismes de réequilibration 153

Mécanismes liés au pas favorisant une chute 154 9 Mécanismes liés aux activités musculaires favorisant une chute 158 Mécanismes associés à la contribution des bras 160

4.4. Afférences sensorielles, de la détection du déséquilibre au déclenchement d'une réponse 162

5. Conclusion 168

5.1. Synthèse des résultats 168

5.2. Limites & Perspectives 170

CHAPITRE III - MODELISATION DE LA CHUTE

Introduction 173

1. Des propriétés mécaniques utiles à la régulation de l'équilibre 174

1.1. Propriétés mécaniques des effecteurs 174

1.1.2. Biomécanique musculaire 175

1.1.3. Autres moyens semi-passifs 178

1.2. Régulation de l'équilibre : théories mécanique vs. " neurologique » 178

Arguments en faveur d'un contrôle " mécanique » 179 Arguments en faveur d'un contrôle " neurologique » 180

Théorie " combinée » ou mixte 181

2. MODELES HUMAINS APPLICABLES AU CONTEXTE DE LA CHUTE 182

2.1. Synthèse des modèles humains construits pour l'étude de la posture 182

2.2. Aller plus loin sur un modèle poly-articulé 184

2.2.1. Modèles : principes généraux 184

3. SYNTHESE & CHOIX DU MODELE 188

4. EXPERIMENTATION : identification des paramètres 189

4.1. Démarche 189

4.2. Population 189

4.3. Reconstruction 3D et Détermination des PIS 189

Dispositif expérimental : système d'imagerie EOS 190

4.4. Construction du modèle 190

Procédure de reconstruction 190

Paramétrage du modèle / évaluation des inerties 192

4.1. Paramètres mesurés et calculés 195

5. COMPARAISON {Modélisation - Expérimentation} 195

6. CONCLUSION, LIMITES et PERSPECTIVES 201

Chapitre IV - DYNAMIQUE ATTENTIONNELLE AU-COURS DE LA CHUTE

1. RESSOURCES ATTENTIONNELLES ET CONTROLE POSTURAL 204

1.1. " Focus attentionnel » 204

1.1.1. Les différents types d'attention 204

1.1.2. Les modèles des processus attentionnels 205

1.2. Implication des ressources cognitives dans le contrôle postural 207

1.2.1. Non, le cortex cérébral n'est pas impliqué dans le contrôle postural 207

10

1.2.2. Oui, le cortex cérébral est impliqué dans le contrôle postural 208

1.3. Paradigme de la Double-Tâche 211

1.3.1. Description du paradigme 211

1.3.2. Automaticité 212

1.3.3. Une variété de tâches cognitives et posturales 212

1.3.4. Effets d'interférence décrits 214

1.4. Synthèse, Objectifs et Choix Méthodologiques 216

1.4.1. Synthèse et objectifs 216

1.4.2. Tâche de ''Rapid Serial Visual Presentation'' (RSVP) 217

2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL 218

2.1. Sujets 218

2.2. Paradigme de la double tâche 218

2.2.1. Tâche cognitive, stimuli et setup 218

2.2.2. Tâche posturale 219

2.2.3. Synchronisation des deux tâches 219

2.3. Procédure expérimentale 220

2.3.1. Déroulement de l'expérience et Nombre d'essais 220

2.3.2. Consignes 220

2.4. Acquisition et Traitement des données 221

3. RESULTATS 221

3.1. Effet de la condition de double-tâche sur la performance cognitive 222

3.2. Effet de la condition de double-tâche sur la réponse posturale 224

3.2.1. Caractéristiques du premier pas 224

3.2.2. Activités Musculaires 226

4. DISCUSSION 228

4.1. Effet sur la posture 228

4.2. Effet sur la performance cognitive 230

5. CONCLUSION, LIMITES ET PERSPECTIVES 232

CONCLUSION GENERALE 235

BIBLIOGRAPHIE 241

ANNEXES 274

11

Remerciements

Le travail de recherche étant avant tout un travail d'équipe je remercie toutes les personnes qui m'ont

formé, aidé et soutenu tout au long de cette thèse

Tout d'abord, je tiens à remercier particulièrement Monsieur Vidal, directeur du CESEM, qui a dirigé cette

thèse et Monsieur Laporte mon co-directeur, sans qui cette thèse n'aurait vraisemblablement pas vu le jour.

Je les remercie pour m'avoir fait profiter de leur expérience, de leur savoir, de leurs intuitions et de leur

imagination; pour nos échanges et la " confrontation des certitudes et des incertitudes », pour leurs conseils

de tout ordre et leurs encouragements.

Je remercie le Pr. Laurence Chèze et le Pr J. Duysens pour m'avoir fait l'honneur d'être rapporteurs de cette

thèse. De même, je remercie le Pr. P. Thoumie et le Pr. R. Fitzpatrick pour avoir accepté de prendre part au

jury de soutenance.

Je retiendrai de ce parcours de jeune chercheur l'aventure périlleuse et l'aspect collectif d'une course en

solitaire ... une expérience dont on ressort grandi et enrichi. C'était un parcours jalonné d'étapes ...

à PARIS,

je tiens à témoigner ma reconnaissance à l'ENS Cachan, l'Université Paris Descartes, l'ED3C et l'IFD pour

leur support financier, pédagogique et leur accompagnement tout au long du projet.

- au CESEM, je remercie son Directeur, P.P Vidal, pour son accueil, le matériel mis à disposition, etc. Je

remercie également Elodie Chiarovano pour notre travail en binôme, Patrice Jegouzo pour avoir plusieurs

fois "fait disparaître" les problèmes de la "Machine à Tomber", Henri Gioanni pour son savoir partagé et sa

pédagogie; Damping Wang, ingénieur de la plateforme sensorimotricité ; sans oublier bien sûr, la

bienveillance de Manouelle Nordey et Pascal Renouf.

- au LPP, je tiens à remercier Florian Waszack pour sa contribution aux derniers travaux de recherche

- au LBM (Arts et Métiers), je remercie d'abord la directrice Wafa Skalli pour son accueil au-sein du

laboratoire ; Ensuite, je tiens à remercier Jennyfer Lecompte pour l'intérêt qu'elle a porté à mon travail et

son implication à différents niveaux. Je remercie également Baptiste Sandoz, Joseph Bascou, Samy Bendaya,

Aurélien Laville et Xavier Drevelle pour leur apport ponctuel, ainsi que les étudiants ingénieurs en Master :

Nadia Baud, Nicolas Pelouin, Loïc Taïeb. Enfin, je n'oublie pas Bilel Mokhtari et Mohamed Marhoum

toujours disponibles.

- à Quinten, du côté de Levallois, je remercie Alexandre Templier et Mariem Alaoui pour avoir accepté notre

partenariat et m'avoir accueilli au sein de leur entreprise; je remercie ensuite particulièrement Lucas Davy et

Alexandre Civet pour leur aide, ainsi que toute l'équipe pour leur joie et leur dynamisme.

- aux collégiens de Guillaume Dubé dans le 19ème pour nos échanges et l'effort de vulgarisation requis par

le projet "Thèse au collège"

à RENNES,

je remercie Jacques Prioux, directeur de la filière 2SEP de l'ENS CACHAN, pour nous avoir sensibilisé à la

recherche dès la première année de scolarité, il a suscité ma curiosité puis le goût de la recherche ;

Je remercie aussi Anne-Hélène Olivier, qui m'avait soutenu en M1 et que j'ai eu le bonheur de croiser

quelques années plus tard en Norvège à Posture/Gait ; sans oublier, au laboratoire M2S, Armel Cretual, et

mes deux collègues de promo Sébastien Brault et Fredéric Derbre venus à ma rescousse à quelques reprises.

à AUXERRE, mon cadre de référence fraternel, arrivé avant moi au bout de cette course à LILLE, Thierry Lellard pour nos échanges scientifiques

partout en France et ailleurs, j'ai une pensée vers les autres thézards et post-docs devenus amis, croisés

dans le voyage et qui m'ont à leur manière donné un coup de pouce: Laure à Toulon, Marc à l'INSEP pour

ses conseils en début de parcours, Lyndell, Florence, Melissa en Australie, Ying et Bo en Chine, mes

chouettes collègues de bureau Hussam et Guillaume, Céline à Garches, Jacob aux USA, Camille, Louise, ...

en Bretagne, petite et grande, mes chers parents et ...'mi vida' 12 13

Résumé

La chute chez les seniors constitue un problème de santé publique. Citée comme la seconde cause de

décès accidentel dans le monde, elle concerne un tiers des Français de plus de 65 ans. Les séquelles physiques

et fonctionnelles qui en résultent, les conséquences psychosociales nuisibles pour la qualité de la vie, la perte

d'autonomie et son coût de prise en charge justifient l'attention qui lui est actuellement portée. Du point de

vue du chercheur, les interprétations sous-jacentes à la surexposition des personnes âgées au risque de chute

restent controversées, notamment parce que la compréhension de la coordination dynamique corporelle et de

l'implication corticale lors du contrôle de l'équilibre est encore limitée. L'étude de la chute et des mécanismes

qui y conduisent présente donc un double intérêt, fondamental et sociétal. Une chute survient si deux

conditions sont réunies. La première est la perte initiale de l'équilibre, un 'pré-requis' qui peut toucher la

population entière dans son quotidien. La seconde est un échec des mécanismes de rééquilibration, c'est à dire

de la stratégie de réponse mise en oeuvre pour compenser la déstabilisation : comment s'opère la sélection d'une

stratégie de rattrapage, à partir de quelle appréciation du contexte et des informations sensorielles disponibles est-elle choisie ?

qu'est ce qui assure son opérationnalité et garantit le rattrapage ou signe au contraire son échec ?... Pour répondre à ces

questions, nous nous sommes donc intéressés à ce moment critique où il est encore possible de modifier

l'issue finale par des ajustements posturaux et des actions motrices rapides et adéquats chez une population de

jeunes adultes.

La première étude est une analyse globale de la phase précoce d'une chute -abrégée par un harnais- (soit

quelques centaines de millisecondes après la perturbation), afin d'évaluer la capacité du sujet à réagir à une

perturbation imprévue et de développer des stratégies garantissant une protection efficace. Cette première

étape se propose d'identifier les indicateurs discriminants et prédictifs d'une chute et d'un rattrapage au niveau

neurophysiologique et biomécanique. Cette étude a également permis de mettre en évidence la présence d'un

délai temporel incompressible appelé " phase passive », source de contraintes spatio-temporelles à l'expression

complète d'une réponse posturale adaptée.

Dans la seconde étude, de modélisation, nous avons élaboré un modèle mécanique personnalisé,

construit à partir de radiographies tridimensionnelles non invasives du corps entier. Cette modélisation nous a

permis d'analyser la contribution relative de propriétés biomécaniques passives et des synergies musculaires

actives en jeu pendant les perturbations récupérables de l'équilibre ou non en comparant les résultats

expérimentaux ('réels') obtenus à l'aide d'un dispositif asservi pour provoquer des chutes de plain-pied et la

réponse théorique prédite ('simulée') à l'aide du modèle. Les résultats obtenus permettent de confirmer que le

comportement du corps est en phase précoce- dicté par ses propriétés mécaniques, et peut être assimilé à un

modèle simplifié.

Après avoir mis en évidence l'existence d'une phase inertielle d'une durée équivalente à la moitié du

temps disponible avant l'impact, notre questionnement s'est orienté vers le traitement de l'information en-

cours lors de cette phase afin d'évaluer la contribution corticale alors que la réponse posturale évolue. La

troisième étude consiste principalement à appréhender la charge cognitive impliquée dans le contrôle sensori-

moteur, en particulier lors d'une chute, à l'aide du paradigme de double-tâche

En conclusion, à travers une approche pluridisciplinaire, les résultats obtenus dans cette thèse permettent

d'émettre des recommandations intéressantes pour une prévention et une rééducation adaptée dans le but de

contribuer à l'amélioration de la qualité de vie des personnes âgées. 14 15

Summary

A better understanding of what happens during an unintentional fall is relevant in preventing their

occurrence. A fall is due to a failure of compensatory reactions to recover from postural perturbations

during the descent phase which starts at the subject loss of balance point and lasts no more than 700-

1000milliseconds [Hsiao, 1998]. The aim of the first study was to compare the biomechanical and muscular

behavior during the pre-impact phase during non-recoverable falls and successful recovery trials. The

experimental study aimed to evaluate the subject 's ability to distinguish in the first 500 milliseconds

following the onset of perturbation a low-threatening perturbation from a high challenging one and can

then predict the scenario that will more likely lead to a fall using specific motor strategies. In such a

challenging task, we hypothesized that the constraints imposed by the biomechanical properties ultimately

determine the ability to trigger efficient muscle activities.

Full body 3D kinematics and associated muscle activities were collected in 30 young healthy subjects during

fast and slow unpredictable multidirectional support-surface translations. 40 cm support-surface translations

were used to evoke the balancing reactions (0,35 vs 0,9 m/s during resp. 1000 vs 500 millisecond The

perturbation velocities were selected so that successful recovery should occur in milder trials whereas fast

trials were sufficiently challenging to trigger non-recoverable falls. Analyses focused on the spatial and

temporal characteristics of the Centre of Mass, angle variations, recovery step characteristics, and EMG

activities (onset latencies and amplitudes) across each trial and muscle. Moreover, a 17-segment numerical

and personalized model was created, based on stereoradiographic head to feet X-ray images followed by

3D-reconstruction methods to assess subject-specific geometry and inertial parameters. The outputs

resulting from simulated falls allowed us to discard the contributions of the passive (inertia-induced) versus

the active mechanisms (feedback-controlled and time-delayed neuromuscular components) of the response.

The first outcome of that study was that the fall could be divided in distinct phases. For about 200

milliseconds following the onset of platform translation, the head remained stable in space. Similarly, the

comparison with the simulated data supported that the CoM displacement matched the subject-dependant mechanical model. During a second phase of the fall, despite the fact that automated muscle postural

synergies started at 80 milliseconds after perturbation onset, the trajectory of the body appeared to be

exclusively dictated by its biomechanical properties. Later, muscle activities influenced the body trajectories,

which consequently differed on a trial-to-trial basis. The simulation was in good agreement with the

experimental results. The specificity of the postural response resulting in a strategy chosen to avoid a fall

thus appeared in a late-phase, which can be explained because during a fall, the subjects had to prepare to

the impact on the basis of sensory information that were not redundant but available in a sequential order :

proprioceptive information appearing first while vestibular and visual information continued to signal a

stabilized head in space. The sole proprioceptive information would be insufficient to trigger rapid and

appropriate postural response. Moreover, in accordance with our results suggesting the importance of the

late-phase and on-line controlled responses, a long inertial passive phase in the fast trials does not allow a

large spatiotemporal window for compensatory reactions to occur. These could not only depend on the

previously described automated postural synergies because the time constraints imposed by biomechanics

permit in principle volitional motricity to play an important role very early in the fall. Finally, apart from

elucidating the complex interplay between the biomechanical and neuromuscular aspects during a postural

control system challenging task in healthy subject, a better understanding of the pre-impact phase of fall

could help in designing more effective strategies at reducing injury rates in the older population.

An on-going study tries to investigate the cognitive mechanisms at play during the distinctive phases

identified during a non-recovery fall. 16 17

Liste d'abréviations

APA Ajustements Posturaux Anticipateurs L ( f /s) Leftward (fast/slow) AVC Accident Vasculaire Cérébral LL Longue Latence B ( f /s) Backward (fast/slow) LO Labyrinthe Osseux

BS Base de Support ML Moyenne Latence

BW Backward Walk MN Motoneurone

C Chute NC Non Chute

quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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