THESE DE DOCTORAT DE L UNIVERSITE DE LA MEDITERRANNEE

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1 THESE DE DOCTORAT DE L UNIVERSITE DE LA MEDITERRANNEE Spécialité Neurosciences Ecole doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé Présentée par M. François VACHEROT Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE LA MEDITERRANNEE LES ANOMALIES D EXCITABILITE DU CORTEX MOTEUR PRIMAIRE ET LEURS RELATIONS AVEC LES TROUBLES LOCOMOTEURS DANS LA MALADIE DE PARKINSON Sous la direction de M. le Pr Jean-Philippe AZULAY Soutenue le 27 septembre 2010 Devant le jury composé de : M. le Pr Luc DEFEBVRE (rapporteur) M. le Pr Alain MAERTENS de NOORDHOUT (rapporteur) M. le Pr André NIEOULLON (examinateur) M. le Pr Jean-Philippe AZULAY (directeur de thèse) Mme le Dr Christine ASSAIANTE (examinateur) M. le Dr Shahram ATTARIAN (examinateur)

2 RESUME Les travaux réalisés lors de cette thèse ont porté sur le cortex moteur et les troubles de la marche de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). L atteinte fonctionnelle des aires motrices corticales dans la MP et leur implication dans la physiopathologie des désordres moteurs a surtout été établie à partir de données issues des aires corticales des membres supérieurs. L analyse électrophysiologique par stimulation magnétique transcranienne réalisée dans ces travaux de thèse a exploré les aires motrices corticales des membres inférieurs et révélé des troubles d excitabilité différents de ceux classiquement décrits dans les aires corticales des membres supérieurs. En effet, il ressort principalement de l étude sur le membre inférieur une diminution de la facilitation intracorticale (FIC) alors que la littérature décrit essentiellement pour les aires motrices corticales des membres supérieurs une altération des mécanismes inhibiteurs intracorticaux. Les anomalies corticales mises en évidence sont corrélées avec les paramètres locomoteurs affectés par la maladie, longueur d enjambée et vitesse de marche. L analyse des patients avec et sans traitement a permis de montrer que la supplémentation dopaminergique agit à la fois au niveau cortical et locomoteur normalisant partiellement les déficits observés. Les anomalies de FIC des aires corticales motrices des membres inférieurs paraissent donc être impliquées dans la physiopathologie des troubles de la marche dans la MP et pourraient de ce fait constituer un paramètre d évaluation et un objectif thérapeutique de choix. L utilisation de la stimulation magnétique transcranienne répétitive couplée à la neuronavigation permettrait d explorer cette dernière piste. 1

3 Relationship between motor cortex excitability and locomotor disorders in Parkinsonian patients This thesis aims to study the relationships between motor cortex impairment and locomotor disorders in Parkinsonian patients (PP). Most of the previous studies have focused on the upper limb cortical areas showing the existence of an imbalance in cortical excitability, which mainly evolves towards a state of impaired intracortical inhibition. However, just a few studies have been devoted so far to the exact cortical abnormalities responsible for Parkinsonians gait disorders. The transcranial magnetic stimulation (TMS) studies presented here demonstrate that the excitability abnormalities occurring in PP differ between the cortical areas associated with the lower and upper limbs, since defective intracortical facilitation (ICF) processes were mainly detected in the lower limbs cortical areas. Furthermore, these specific excitability abnormalities identified seem to be involve in the genesis of the hypokinetic locomotor component since correlations were established between the ICF level and the shortened stride length (and by correlates, with the reduced velocity). Patients were assessed with and without dopaminergic substitution treatment (DST). We found that DST modified significantly both the cortical excitability abnormalities and the defective locomotor parameters. Impaired facilitatory processes in lower limbs cortical areas may be involved in the pathophysiology of gait disorders in PD. This hypothesis should be addressed in an experiment coupling repetitive TMS and neuronavigation. 2

4 Mots clés: cortex moteur primaire, locomotion, maladie de Parkinson, stimulation magnétique transcranienne, excitabilité corticale, facilitation intracorticale, inhibition intracorticale, longueur d enjambée. Keywords: primary motor cortex, locomotion, Parkinson s disease, transcranial magnetic stimulation, cortical excitability, intracortical facilitation, intracortical inhibition, stride length. Laboratoire d accueil : CNRS, UMR 6149, Pôle 3C Equipe Développement et Pathologie de l Action Université de Provence & CNRS Centre Saint Charles Case B 3, Place Victor Hugo Marseille cedex 03, FRANCE. Telephone: Service hospitalier d accueil : Service du Pr. Azulay Pathologie du mouvement Pôle de Neurosciences cliniques Hôpital de la Timone Bd. Jean Moulin, Marseille Cedex 05, FRANCE. Telephone: Fax:

5 Curriculum vitae : Deug en Sciences du Sport (UFR STAPS Marseille) : Licence en Sciences du Sport (mention ABien) : Diplôme d Etat en Masso-Kinésithérapie (IFMK Marseille). Mémoire sur la neurophysiologie de la douleur et l électrothérapie antalgique : Maîtrise en Sciences du Sport, filière «Entraînement sportif et recherche» (mention Bien). Mémoire sur la stimulation magnétique transcranienne et la maladie de Parkinson : DEA de Neurosciences (mention ABien). Mémoire sur les contributions senorielles au contrôle postural dans la dystonie cervicale : 1 ère année de thèse en Neurosciences (EDSVS Marseille) : 2 ème année de thèse en Neurosciences : 3 ème année de thèse en Neurosciences. 1 ère année d école d Ostéopathie (Institut Franco-Britannique d Ostéopathie). Vacherot F, Vaugoyeau M, Mallau S, Soulayrol S, Assaiante C, Azulay JP. Postural control and sensory integration in cervical dystonia. Clin Neurophysiol May;118(5): : 4 ème année de thèse en Neurosciences. 2 ème année d école d Ostéopathie : 5 ème année de thèse en Neurosciences. 3 ème année d école d Ostéopathie. Micallef J, Attarian S, Dubourg O, Gonnaud PM, Hogrel JY, Stojkovic T, Bernard R, Jouve E, Pitel S, Vacherot F, Remec JF, Jomir L, Azabou E, Al-Moussawi M, Lefebvre MN, Attolini L, Yaici S, Tanesse D, Fontes M, Pouget J, Blin O. Effect of ascorbic acid in patients with Charcot-Marie-Tooth disease type 1A: a multicentre, randomised, double-blind, placebo-controlled trial. Lancet Neurol Oct 7. 4

6 Azulay JP, Cantiniaux S, Vacherot F, Vaugoyeau M, Assaiante C. Locomotion : physiologie, méthodes d'analyse et classification des principaux troubles. ENCYCL. MED. CHIR. NEUROL., 2009, n FASC D p : Soutenance de thèse en Neurosciences. 4 ème année d école d Ostéopathie. Azulay JP, Vacherot F, Vaugoyeau M. [Gait disorders: mechanisms and classification] Rev Neurol (Paris) Feb;166(2): Vacherot F, Attarian S, Eusebio A, Azulay JP. Excitability of the lower-limb area of the motor cortex in Parkinson's disease. Neurophysiol Clin Aug;40(4): Vacherot F., Attarian S., Vaugoyeau M., Azulay J.-P. A motor cortex excitability and gait analysis on Parkinsonian patients. Mov dis 2010 (sous presse: MDS ) 5

7 Remerciements Tout d abord, un grand merci à Jean-Philippe Azulay d avoir accepté de diriger ma thèse et de m avoir permis d aborder les thématiques scientifiques que je souhaitais. Merci à mon laboratoire d accueil du CNRS : Seb, Sophie, Bernard Amblard, et plus particulièrement Christine et Marianne, présentes du début à la fin dans les moments importants. «Grob» à toutes les deux. Merci à Shahram Attarian pour son aide, son enseignement, sa disponibilité. Merci à l association France Parkinson pour son soutient m encourageant à terminer cette thèse. Merci aux membres du jury de me faire l honneur d évaluer cette thèse, en particulier messieurs les professeurs Luc Defebvre et Alain Maertens de Noordhout pour leurs rapports. Merci à mes proches de m avoir supporté dans tous les sens du terme pendant toutes ces années difficiles pour eux aussi 6

8 Table des matières I. INTRODUCTION.. 11 II. LA MARCHE : DEFINITION ET DESCRIPTION. 13 II.1. Généralités. 13 II.1. a) Définition.. 13 II.1. b) Description du cycle locomoteur.. 13 II.1. c) Les activations musculaires.. 15 II.2. Spécificités de la marche humaine. 19 II.2. a) Spécificités mécaniques.. 19 II.2. b) La coordination posturo-locomotrice 19 II.2. b) La posture 20 II.2. b) Le contrôle postural. 22 II.2. b) Le rôle des afférences sensorielles.. 23 II.2. b) Les interactions entre l activité locomotrice et le contrôle postural II.3. Considérations particulières 30 II.3. a) Le problème de la complexité de la tâche.. 30 II.3. b) Les modèles mécaniques 32 II.3. c) Considérations biomécaniques. 33 II.3. d) Les invariants cinétiques et cinématiques. 35 III. NEUROPHYSIOLOGIE DE LA LOCOMOTION.. 37 III.1. Rappels historiques.. 37 III.2. L activité médullaire.43 III.2. a) La notion de générateur central de patron. 43 III.2. b) Les données chez l homme. 46 III.3. Les aires locomotrices supra-segmentaires. 49 III.3. a) Le tronc cérébral. 50 III.3. b) La région locomotrice mésencéphalique.. 50 III.3. c) Le noyau pédonculopontin.. 52 III.3. d) Le cervelet 55 III.4. Les ganglions de la base.57 III.4. a) Neuroanatomie 57 III.4. b) L approche lesionnelle 58 III.4. c) Le rôle moteur des GDB. 58 III.5. Les aires corticales. 62 III.5. a) L approche lésionnelle.. 62 III.5. b) Les données électrophysiologiques 63 7

9 III.5. c) Les données d imagerie fonctionnelle. 64 III.5. d) L intégration des commandes corticales 65 III.5. e) L intervention du tractus corticospinal lors de la marche.. 66 III.6. La modulation de l activité locomotrice 68 III.6. a) Le rôle des afférences périphériques 68 III.6. b) Les voies descendantes.. 71 III.6. c) Les capacités de rétroaction et d intégration des réseaux spinaux. 73 III.6. c) La modulation des signaux descendants 73 III.6. c) La modulation des afférences sensorielles 75 III.6. d) Le système propriospinal.. 78 III.6. e) Les informations visuelles. 79 III.6. f) Les informations vestibulaires 81 IV. MODELE EXPERIMENTAL: LA MALADIE DE PARKINSON.. 83 IV.1. Généralités 83 IV.1.a) Historique. 83 IV.1.b) Epidémiologie IV.1.c) Etiologie. 85 IV.1.d) Physiopathologie. 85 IV.1.e) Diagnostic. 87 IV.1.f) Eléments cliniques. 87 IV.1.f) Les troubles moteurs 88 IV.1.f) Les déficits sensoriels et perceptifs. 88 IV.1.f) Evolution.. 91 IV.2. Les troubles du contrôle postural. 93 IV.2.a) Les troubles de la posture. 93 IV.2.b) Les troubles de l équilibre. 94 IV.3. Les troubles de la marche IV.3.a) Description.. 96 IV.3.b) Les troubles paroxystiques de la marche IV.3.c) L indiçage sensoriel 98 IV.4. Les différents traitements et leurs effets sur les troubles locomoteurs.. 99 IV.4.a) Le traitement médical.. 99 IV.4.b) La rééducation fonctionnelle 100 IV.4.c) La stimulation cérébrale profonde IV.4.d) La stimulation magnétique transcranienne répétitive 102 IV.5. Electrophysiopathologie de la maladie de Parkinson IV.5.a) Organisation générale des GDB 103 IV.5.b) Données électrophysiologiques sur les GDB. 104 IV.5.c) Les modèles neurofonctionnels des GDB 106 IV.5.d) Les désordres électrophysiologique dans la MP 108 8

10 IV.5.e) Les conséquences de la MP sur les aires corticales IV.5.e) Les données électrophysiologiques 111 IV.5.e) Les données issues de l imagerie. 113 IV.5.e) Les données issues de la stimulation magnétique transcranienne. 115 V. QUESTIONS POSEES VI. L EXCITABILITE DES AIRES CORTICALES DES MEMBRES INFERIEURS DANS LA MP VI.1. Objectifs de l étude 118 VI.2. Méthodologie : la stimulation magnétique transcranienne 118 VI.2.a) La stimulation magnétique transcranienne 118 VI.2.b) Acquisition des PEM 119 VI.2.c) Variables mesurées des PEM. 120 VI.3. Résultats 122 VI.4. Discussion-conclusion Article VII. CORRELATIONS ENTRES LES TROUBLES ELECTROPHYSIOLOGIQUES ET LOCOMOTEURS DANS LA MP VII.1. Objectifs de l étude VII.2. Corrélations entre des données cliniques et électrophysiologiques. 128 VII.2.a) La bradykinésie. 129 VII.2.b) La rigidité VII.3. Méthodologie : la SMT et l analyse de la marche 130 VII.3.a) Le système d analyse de la marche 130 VII.3.b) Les différentes paramètres locomoteurs VII.3.c) Données de la littérature 134 VII.3.d) Acquisition des paramètres. 135 VII.4. Résultats VII.5. Discussion-conclusion Article VIII. DISCUSSION GENERALE PERSPECTIVES IX. BIBLIOGRAPHIE. 147 X. ANNEXE

11 Liste des abbréviations SNC : système nerveux central MLR : région locomotrice mésencéphalique AMS : aire motrice supplémentaire CPG : générateur central de patron NPP : noyau pédonculopontin GDB : ganglions de la base M1 : cortex moteur primaire CPFDL : cortex préfrontal dorsolatéral MP : maladie de Parkinson TA : tibialis anterior SPECT : tomographie par émission de photon IRM : imagerie par résonnance magnétique PEM : potentiel évoqué moteur FIC : facilitation intracorticale IIC : inhibition intracorticale EMG : électromyographie EEG : électroencéphalographie SMT : stimulation magnétique transcranienne NST : noyau subthalamique UPDRS : Unified Parkinson's Disease Rating Scale CSP : période de silence central 10

12 I. INTRODUCTION La capacité de déplacement d une espèce est un déterminant de première importance pour son évolution et sa survie. Diverses solutions ont été adoptées par les organismes vivants pour assurer leur mobilité dans différents espaces. Alliant précision, stabilité, économie et réutilisation de l énergie, la marche de l homme est devenue une production motrice très aboutie lui permettant de couvrir de grandes distances et de porter son regard plus loin que les autres primates restés sur quatre pattes. La marche est toujours aujourd hui considérée comme une des clés du processus d hominisation. Le principal challenge fut de concilier les nouvelles exigences posturales inhérentes à la station bipède à l activité locomotrice. En d autres termes, des interactions complexes ont du s établir entre les systèmes de la motricité rythmique et de contrôle postural dynamique. La marche peut en effet être considérée comme une succession de postures en déséquilibre avec un perpétuel rattrapage d un déséquilibre antérolatéral. La majorité de ces processus échappent à la conscience et est assurée par des structures neurophysiologiques «profondes», phylogénétiquement très anciennes, situées dans les régions les plus archaïques de l encéphale. Cette production motrice n en demeure pas moins très influençable dans sa forme par de multiples facteurs psycho-sociaux comme le caractère, l humeur, le statut social, le stress, mais également biomécaniques (taille, poids, formes et longueurs des segments) et pathologiques (maladie rhumatismales, orthopédiques et neurologiques). Pour ces raisons, l activité locomotrice est probablement la production motrice recrutant le plus diffusément la plupart des structures cérébrales et des réseaux associatifs. Ces caractéristiques font de la marche un vecteur privilégié et souvent précurseur d expression d un processus pathologique. Les connaissances actuelles sont telles 11

13 qu elles permettent souvent de déterminer la région du système nerveux central atteinte en fonction du trouble (loco) moteur observé. Pour exemple, le syndrome parkinsonien est diagnostiqué essentiellement avec l examen clinique dont l analyse de la marche constitue un élément essentiel. Conjointement à la recherche électrophysiologique, les travaux actuels complètent le plus souvent leurs investigations par des analyses du mouvement, comportementales, fonctionnelles afin de préciser ce lien entre la structure, l activité neuronale et la fonction. Les applications thérapeutiques des avancées fondamentales sont de ce fait plus évidentes. Cette approche nécessite cependant le couplage de méthodes d analyse spécifiques. C est dans cette lignée que s inscrivent les travaux de cette thèse recoupant des données acquises par stimulation magnétique transcranienne et analyse du mouvement. Des liens ont pu ainsi être établis entres les anomalies d excitabilité du cortex moteur primaire et l hypokinésie à la marche dans la maladie de Parkinson. Cela permet d envisager ces régions comme des cibles pertinentes aux thérapeutiques modulant l excitabilité des structures nerveuses (comme la stimulation magnétique répétitive). 12

14 II. LA MARCHE : DEFINITION ET DESCRIPTION II.1. Généralités II.1. a) Définition La marche est une activité motrice hautement automatisée échappant en majeure partie au contrôle conscient. Le patron locomoteur est constitué d'une activité alternée des membres inférieurs, succession de doubles appuis et d'appuis unilatéraux. Sur une activité rythmique et cyclique de fond viennent se greffer les modulations nécessaires à l adaptation à l environnement, aux caractéristiques de la personne et à sa volonté. Selon Hess (1943, 1957), le mouvement comprend : Une composante éréismatique dont le but est la fixation des segments corporels et le contrôle du centre de gravité favorisant l élaboration d un support postural nécessaire au mouvement volontaire (Massion, 1984 ; Paillard, 1988). un mouvement morphocinétique, résultat d un modèle interne dont la réalisation implique des changements fonctionnels rapides de réseaux de neurones. un mouvement télécinétique ou topocinétique, c'est-à-dire, orienté vers un but, vers l interaction avec l environnement. II.1. b) Description du cycle locomoteur Le cycle locomoteur peut être défini par l ensemble des évènements articulaires, musculaires et biomécaniques qui se produisent entre deux appuis successifs au sol. Il comprend deux phases (Grillner et Zangger, 1975 ; Viala, 1985). La phase de transfert ou 13

15 balancement (ou encore phase oscillante), pendant laquelle le membre se déplace audessus du sol, débute par un double appui postérieur d'élan suivi de la phase oscillante proprement dite et représente 40% du cycle total. La phase de support ou d appui, lorsque le membre est au contact avec le sol, comprend une période de double appui antérieur de réception, suivie d'un temps d'appui unilatéral, pied à plat. Sa durée représente 60 % du cycle total avec un temps de double appui représentant environ 10 %(fig. 1). Figure 1 : Le cycle de marche et ses différentes phases On distingue au cours de ces deux phases plusieurs sous divisions en fonction des phases d extension et de flexion des membres. Chez le quadrupède, lorsque la marche s accélère, la durée relative de la phase de flexion reste assez constante alors que la durée de la phase d appui diminue. Selon Massion (1998), la phase de flexion paraît donc constituer l élément invariant du cycle laissant supposer que cette phase est déterminée 14

16 centralement chez le quadrupède alors que la phase d appui dépend d avantage des contraintes externes et des signaux sensoriels qu elle génère. Dillingham et al. (1992), utilisant l association d un contact électrique plantaire, d une plate-forme 3D (Kistler), et de l analyse tridimensionnelle du mouvement (système Vicon), ont montré que durant la marche, la jambe oscillante paraissait être le facteur principal permettant au corps d avancer, emmagasinant de l énergie et la restituant au corps pendant la phase oscillante. Sa contribution à l avancée du corps serait ainsi plus importante que la propulsion par la jambe d appui. C est aussi par le contrôle de la durée de cette phase d oscillation que le système nerveux module le patron de marche afin, par exemple, d éviter un obstacle (Warren et al., 1986 ; Patla et al., 1989). Le renforcement de l activation du muscle fléchiseur dorsal de la cheville (tibialis anterior) et du muscle fléchisseur de la hanche (rectus femoris) produit l allongement de l enjambée (Varraine et al., 2000). Des études chez le chat ont pu montrer l implication du tractus corticospinal dans le contrôle de l allongement du pas par activation renforcée des muscles fléchisseurs afin d éviter un obstacle (Drew, 1988 ; 1991 ; 1993). II.1. c) Les activations musculaires La principale activité musculaire lors de la marche provient des fléchisseurs et extenseurs de la cheville et de la hanche (fig. 2). Néanmoins, de nombreux autres muscles interviennent également. La dépense énergétique est due à de nombreux muscles à la fois lors de la phase d appui et la phase d oscillation. Il semblerait même que cette dernière phase consomme une part majoritaire de la dépense énergétique totale (Marsh et al., 2004). Alors que l architecture temporelle de l activité locomotrice (EMG) est relativement bien 15

17 conservée entre les sujets et selon les conditions de marche, l architecture spatiale présente des changements considérables en fonction de la vitesse de marche, du niveau de décharge du poids du corps ou de la direction (pour revue, voir Ivanenko, 2009). Malgré cela, la cinématique est remarquablement similaire dans tous les cas. Les analyses électromyographiques montrent que les muscles extenseurs sont activés assez globalement dès la première phase d extension, avant même l appui au sol, donc avant la genèse d afférences périphériques par le contact au sol. Le déclenchement de cette phase n est donc pas d origine réflexe mais centrale. La mise en jeu des fléchisseurs débute à la fin de la phase d extension. Certains muscles bi-articulaires, comme les fléchisseurs du genou qui sont également extenseurs de hanche, sont actifs au cours des deux phases de la locomotion. Figure 2 : Les activations musculaires lors de la marche (Capaday, 2002) HC: heel contact (contact talon) TO: toe off (décollage des orteils) Stance : phase d appuis Swing : phase d oscillation Hip : hanche Knee : genou Ankle : cheville Cycle de marche en % Certains muscles restent silencieux à faible vitesse (rectus femoris, vaste latéral, sartorius, latissimus dorsi, triceps brachii) c'est-à-dire à moins de 4 km/h. Ces mêmes 16

18 muscles se révèlent très actifs à des vitesses plus élevées (fig. 3). L activité des muscles distaux (tibialis anterieur, court fléchisseur des orteils, soléaire, péroniers latéraux, gastronémien latéral) présentent un patron et une intensité similaires quelle que soit la vitesse, même si l activité moyenne augmente avec la vitesse. L activité des muscles proximaux (biceps femoris, vaste lateral, rectus femoris, sartorius) devient plus proéminente à vitesse élevée et leurs patrons d activation changent en fonction de la vitesse. Le patron d activation des muscles du tronc et et des muscles abdominaux a également tendance à changer profondément en fonction de la vitesse. Par exemple, l activité des muscles cervicaux (splenius capitis, sternocléidomastoïdiens) est très faible à basse vitesse mais devient significative à des vitesses plus importantes (Ivanenko et al., 2009). Malgré les variations des patrons d activation musculaire en fonction des sujets ou du contexte de marche, il y a des éléments invariants induits par la biomécanique de la marche bipède. Par exemple, l activation des muscles extenseurs de la cheville à la fin de la phase d appui. Il y a aussi un invariant temporel structurant le programme locomoteur. En effet, il semblerait qu en plus d une architecture spatiale d activation musculaire, il y ait une architecture temporelle coordonnant les éléments du patron de marche. L augmentation de la vitesse engendrerait une modification en amplitude et en durée des bouffées d activation (Nilsson et al., 1985 ; den Otter et al., 2004 ; Ivanenko et al., 2004). Une étude des effets de la stimulation transitoire des noyaux vestibulaires, du tractus pyramidal, de la voie rubrospinale, des formations réticulaires bulbaires au cours des diverses phases du pas chez le chat, montre que ces stimulations n'interfèrent en aucune manière avec le déroulement temporel du programme et qu'elles sont seulement susceptibles de modifier le degré de l'activité musculaire en cours (Orlovsky, 1972a et b). 17

19 Figure 3 : Evolution des activations musculaires en fonction de la vitesse de marche (Ivanenko et al., 2009). TA, tibialis anterior; FDB, flexor digitorum brevis; SOL, soleus; PERL, peroneus longus; LG, gastrocnemius lateralis; ST, semitendinosus; BF, biceps femoris (long head); VL, vastus lateralis; RF, rectus femoris; SART, sartorius; ADDL, adductor longus; Gmed, gluteus medius; GM, gluteus maximus; ESL2, erector spinae recorded at L2; OI, internal oblique; LD, latissimus dorsi; TRIC, triceps brachii. II.2. Spécificités de la marche humaine II.2. a) Spécificités mécaniques 18

20 Certaines différences fondamentales distinguent la marche humaine de la locomotion animale bipède. L attaque du sol par le talon, le maintien d une orientation du tronc oscillant autour de la verticale, l extension quasi complète du genou au milieu de la phase d appui, le double pic de force lors de la marche à vitesse rapide, l ensemble de ces caractéristiques sont propres à l homme (Alexander 2004). Ces différences induisent une différence notoire entre le contrôle locomoteur chez l homme et chez l animal, notamment en termes de contrôle postural mais également en termes de patterns d activation musculaires (Capaday 2002). Mécaniquement, la locomotion humaine est plus économique que celle d autres animaux bipèdes ; alors que, à vitesse comparable, la course l est moins que d autres formes de locomotion animale (Alexander, 2004). L efficacité mécanique d un mode de locomotion correspond par exemple au ratio entre travail mécanique réalisé par les muscles et énergie mécanique (cinétique et potentielle) produite par ce travail (Vaughan, 2003). II.2. b) La coordination posturo-locomotrice La particularité fondamentale de la marche bipède réside dans l addition d une contrainte d équilibre dynamique nécessitant un contrôle postural spécifique sollicitant des mécanismes neuronaux propres. La marche est potentiellement déséquilibrante et doit donc être précédée et accompagnée d adaptations posturales, cette base posturale constituant un support nécessaire sur lequel le mouvement volontaire peut s effectuer. La commande corticale du mouvement volontaire fournit un signal (feedforward) permettant de produire une réponse posturale anticipée et adaptée aux déséquilibres provoqués par le mouvement volontaire effectué (Massion, 1992). Le contrôle de la locomotion humaine répond aux mêmes contraintes d équilibre postural que d autres types de locomotion, 19

21 contraintes amplifiées par la posture debout, et reposerait sur une distribution plus large des structures nerveuses du SNC impliquées dans le contrôle locomoteur (Capaday, 2002). II.2. b) La posture La posture peut se définir comme «la stabilisation automatique du corps dans le champ des forces de gravité dans une position standard caractéristique de l espèce» (Paillard, 1980). Elle correspond à la position relative des segments corporels à un moment donné. Elle se définie également par l orientation des segments corporels par rapport à la verticale gravitaire, cette ligne passant environ à 5cm en avant de l articulation de la cheville. Le corps peut être considéré comme la superposition de modules articulés dont la cohésion est assurée par des muscles ayant en commun des régulations centrales et périphériques spécifiques, le but étant de maintenir la position de référence (Massion et Viallet, 1990). La posture, ou stabilisation antigravitaire, résulterait de l existence de programmes précâblés dans les structures nerveuses de la moelle épinière et du tronc cérébral (Paillard, 1976) générant une série de réactions et de réflexes successifs et agissant de façon rétroactive (réactions au déséquilibre) ou proactive (anticipation du déséquilibre). On distingue : une réaction de redressement permettant au sujet de s ériger par le jeu des synergies musculaires et de se positionner dans la posture de référence, la verticale posturale. une réaction de soutien, modulée par les muscles à action anti-gravitaire, maintenant la projection du CG dans le polygone de sustentation. Les facteurs mécaniques dus aux tendons, aux muscles, aux ligaments stabilisent mais ne suffisent pas à eux seuls à créer la réaction de soutien. 20

22 un réflexe d anticipation permettant un ajustement préalable. Par exemple, un mouvement du membre inférieur doit être précédé d ajustements intéressants l ensemble des segments corporels afin de prévenir le déséquilibre (Massion, 1984). des réactions réflexes aux déplacements du CG pouvant être de deux types : les réflexes précoces, segmentaires, mono- et poly-synaptiques. Ils ne sont toutefois pas indispensables et les réactions au déplacement du CG persistent même après désafférentation. Les réflexes de longue latence (120 ms) passent par le tronc cérébral et l encéphale, et entraînent des contractions des muscles gastrocnémiens et tibial antérieur que l on peut évaluer par la réponse à la poussée. des réactions de secours se traduisant en cas de déséquilibre par quelques pas ou des mouvements des bras (par exemple, geste de moulin à vent devant un précipice). des réactions de protection qui surviennent lors d une chute par déséquilibre postural, («réactions parachutes»: geste de protection par antépulsion des membres supérieurs par exemple). En résumé, la réaction de redressement permet de se relever, et la réaction de soutien de maintenir le centre de gravité à l intérieur du polygone de sustentation. Les réflexes posturaux d anticipation permettent des modifications du tonus avant le mouvement déstabilisateur. Les réactions réflexes au déplacement du CG permettent souvent de prévenir la chute. En cas d échec de ces mesures, les réactions de secours adaptées sont des mouvements plus amples pour éviter la chute, dont les conséquences sont minimisées par les réactions de protection. Ainsi, en fonction de l intensité du mouvement déséquilibrant, la réaction posturale recrute progressivement et de façon ascendante les différents niveaux du corps. La réponse à de petits déséquilibres se produit 21

23 au niveau des muscles de la cheville. Pour des perturbations posturales plus importantes, la réaction sollicitera la hanche puis le tronc pour finir, dans les situations extrêmes (lorsque l équilibre est compromis), par un pas en avant ou sur le côté (Nashner et al., 1979) II.2. b) Le contrôle postural Le contrôle postural a deux objectifs : l orientation posturale et l équilibre postural (Amblard et al., 1985 ; Horak, 2006). L orientation posturale correspond à l alignement actif du tronc et de la tête avec le vecteur gravitaire, les surfaces de support, l environnement visuel et les références internes. L équilibre postural correspond à la coordination des stratégies d équilibration afin de stabiliser le centre de masse en réponses à des perturbations de l équilibre générées par l environnement ou le corps (fig. 4). Figure 4 : La double fonction du contrôle postural Le contrôle postural réside dans le maintien de la projection au sol du centre de gravité à l intérieur du polygone de sustentation (délimité par les appuis au sol). Le corps 22

24 peut être considéré comme un pendule inversé réagissant à des forces externes comme la gravité au moyen de forces sous contrôle des systèmes nerveux et musculo-squelettiques. Au départ le centre de pression (CP) est situé entre les deux pieds et en avant des chevilles. Quand au centre de gravité (CG) du corps, il se situe chez l'homme en position verticale, à 55 % de la hauteur du sujet, mesurée à partir du sol, en avant de la seconde vertèbre sacrée. Lors du maintien statique de la posture, la projection du CG ne correspond pas parfaitement au CP entre les pieds, entraînant des accélérations tant dans les directions antéropostérieures que médiolatérales. L information sensorielle concernant la force d appui prend naissance au niveau des récepteurs de charge constitués par les organes tendineux de Golgi des muscles extenseurs à fonction antigravitaire, des mécanorécepteurs de la voûte plantaire et des gravicepteurs de la loge périrénale. La position du centre de gravité sera contrôlée par les variations du CP en fonction des mouvements de flexion/extension de la cheville dans le plan sagittal. Ainsi en cas de flexion plantaire on observe un déplacement vers l avant du CP entraînant une accélération du CG vers l arrière et vice-versa. II.2. b) Le rôle des afférences sensorielles La régulation de la position du centre de masse et de l orientation de l axe du corps et des membres est tributaire des afférences visuelles, vestibulaires, sensitives tactiles et proprioceptives (fig. 5) (Lacquaniti et al., 1984 ; Massion, 1998). L évaluation du rôle de ces entrées sensorielles se fait en condition de suppression ou de stimulation sélective d un des canaux sensoriels : la microgravité supprime les entrées vestibulaires otolithiques statiques et graviceptives (Amblard et al., 1997), de même que les lésions ou les pathologies 23

25 vestibulaires (Borel et al., 2002), la vision stroboscopique supprime la vision dynamique, les vibrations tendineuses stimulent sélectivement les afférences fusoriales Ia (Lekhel et al., 1997). L étude de certains modèles pathologiques comme la dystonie cervicale (Vacherot et al., 2007) ou chez des enfants (Assaiante et Amblard, 1993 ; 1995) peut également s avérer pertinent pour illustrer les capacités de repondération dans l utilisation des informations sensorielles dans le contrôle postural lors de déficit ou de manque de maturation d un canal sensoriel. La dystonie cervicale semble affecter principalement l orientation posturale de la tête alors même que la composante d équilibre de l ensemble du corps parait préservée. Soumettant ces patients à un protocole expérimental supprimant sélectivement certaines informations sensorielles évaluant la part respective des systèmes vestibulaire, proprioceptif et visuel, nous avons pu mettre en évidence une négligence des informations provenants du segment cervico-céphaliques et une utilisation préférentielle des informations proprioceptives des membres inférieurs épargnées par la pathologie cervicale (Vacherot et al., 2007). Malgré le développement de ces stratégies adaptatives, les patients conservent un bon contrôle de l orientation et de la stabilisation postural globale. Figure 5 : Les contributions sensorielles au contrôle postural La contribution des entrées visuelles dans l organisation de la posture a été évaluée en supprimant totalement ces informations ou en ne supprimant que la vision de 24

26 mouvement avec un éclairage stroboscopique, ou encore par la création de conflits sensoriels au moyen de chambres mobiles (Lee et Aronson, 1974). Il est connu depuis longtemps que la privation totale d entrée visuelle augmente les balancements posturaux, mais n affecte pas la capacité à stabiliser la tête sur l espace lors de la marche sur un support étroit (Assaiante et Amblard, 1995). La vision exerce une action correctrice sur l orientation mais son rôle n est pas essentiel. Les informations visuelles dynamiques paraissent déterminantes pour la stabilité de la posture. En effet, l utilisation d éclairage stroboscopique détériore la stabilité posturale en condition statique ou dynamique (Assaiante et Amblard, 1995). Certains sujets s appuient davantage sur la vision pour orienter ou stabiliser leur posture (Isableu et al., 1997). En présence d un cadre visuel incliné, les sujets dépendants à l égard du champ visuel ont d une part une posture inclinée dans le sens du cadre et d autre part des performances de stabilisation posturale inférieures à celle des visuels indépendants, qui privilégient d autres informations sensorielles (vestibulaires ou proprioceptives) pour contrôler leur posture. Les informations relatives au corps constituent le versant afférent des réflexes posturaux et sont à l origine de la construction du schéma corporel. Les récepteurs musculaires, articulaires et cutanés participent à la connaissance de la position relative des segments corporels et du corps dans l environnement. Les récepteurs et les fuseaux neuromusculaires informent le système nerveux sur la longueur du muscle et sur la vitesse de changement de longueur du muscle. Le couplage de toutes ces informations permet d avoir des seuils très bas de détection de mouvement (Fitzpatrick et McCloskey, 1994). La contribution proprioceptive au contrôle postural a pu être évaluée grâce aux vibrations tendineuses mécaniques qui, appliquées aux tendons des muscles extenseurs d une 25

27 articulation et en l absence de vision, simulent une flexion de cette articulation et provoquent des réactions posturales compensatrices (Roll et Roll, 1988). Le système vestibulaire fonctionne comme un accéléromètre et détecte les accélérations de la tête. Les canaux semi-circulaires codent les accélérations angulaires et les otolithes, les accélérations linéaires de la tête. Les otolithes détectent l orientation verticale de la tête en condition statique et lors de lentes oscillations du corps alors que les canaux semi-circulaires détectent plutôt des oscillations rapides du corps. L implication du système vestibulaire dans le contrôle postural a été évaluée à partir de sujets vestibulo-lésés. Une neurotomie vestibulaire unilatérale engendre une déviation de la tête du côté lésé et une perte de la stabilisation de la tête sur l espace au profit d un ancrage sur les épaules (Borel et al., 2002). La lésion des nerfs vestibulaires entraîne une incapacité transitoire à se tenir debout (Lacour et Xerri, 1980). La bonne stabilisation de la tête lors de la marche sur support étroit en l absence de vision laisse supposer que le vestibule serait fortement impliqué dans cette stratégie de stabilisation segmentaire (Assaiante et al., 2000). Des expériences en normogravité et microgravité ont montré une bonne stabilisation de la tête lors d oscillations latérales du tronc sans la vision (Amblard et al., 1997), bien que les informations otolithiques statiques et graviceptives soient supprimées dans cette situation. Au regard de ces données, le vestibule paraît impliqué d une part dans l orientation verticale de la tête et indirectement des autres segments corporels via les otolithes, et d autre part dans la stabilisation segmentaire avec les canaux semi-circulaires. Pour résumer (fig. 6), la vision est particulièrement importante dans des conditions d équilibre difficile comme la marche sur un sol irrégulier ou instable. Le système vestibulaire est mis à contribution surtout dans l obscurité. La proprioception intervient 26

28 plutôt lorsque la surface d appui est stable. Les informations visuelles et vestibulaires sont impliquées dans la stabilisation de l orientation de la tête alors que les informations proprioceptives provenant des membres inférieurs interviennent d avantage dans la stabilisation du tronc (Beloozerova et al., 2003 ; Deliagina et al., 2000). L utilisation de ces différentes sources d information fait l objet d une pondération sensorielle propre à chaque individu (Mergner et Rosemeier, 1998 ; Day et al., 2002). De même, lors de l atteinte sénile ou pathologique de l un des trois canaux sensoriels, on peut observer une repondération des informations restantes et l apparition d une dépendance à leur égard (Lekhel et al., 1997 ; Azulay et al., 1999 ; Münchau et Bronstein, 2001). La marche et l équilibre deviennent précaires dans toute condition réduisant une deuxième source d afférence (Rossignol et al., 2006 ; Takakusaki et al., 2008). Figure 6 : Les différentes modalités sensorielles et leurs conditions d intervention dans le contrôle de la marche et de l équilibre II.2. b) Les interactions entre l activité locomotrice et le contrôle postural Avant l action perturbatrice d un mouvement volontaire, le rôle des ajustements posturaux est de maintenir les perturbations exercées sur la posture à l intérieur des limites 27

29 biomécaniques définies autour des points d appui au sol (polygone de sustentation) en minimisant le déplacement du CG préservant ainsi l équilibre de l ensemble du corps. Avant même l initiation de la marche, le contrôle postural n'assure pas une immobilité totale. Le maintien du CG à l'intérieur du polygone de sustentation entraîne des oscillations permanentes bien que souvent imperceptibles (1 Hz). Les muscles de la cheville jouent à cet effet un rôle de première importance (stratégie dite du pendule inversé, Dickinson et al., 2000; Cavagna et al., 2002). On peut assimiler le corps humain à une masse à déplacer en utilisant le modèle mécanique de la roue, où le noyau est le centre de gravité et les rayons, les membres inférieurs. Plusieurs facteurs biomécaniques concourent à ce que la ligne de progression du centre de gravité soit la plus proche possible d une droite (pas pelvien, flexion de genou, abattée du pied, etc ). L initiation de la marche respecte une séquence stéréotypée d ajustements posturaux dont le premier évènement est l élévation d un pied jusqu au décollement de l hallux du pied opposé. Ce démarrage correspond à une véritable chute en avant résultant d une inhibition du contrôle du tonus postural. Le trajet du centre de pression (CP) montre que ce démarrage débute par un déplacement dans le sens postérieur et latéral vers le pied initiant. Cette poussée au sol va propulser le CG vers l avant et vers le pied d appui. Le CP se déplace ensuite latéralement vers le pied d appui puis enfin dans le sens postéro-antérieur sous le pied d appui. L analyse électromyographique objective une séquence stéréotypée qui commence par une chute brutale du tonus du gastrocnemius accompagnée par une activation intense du tibialis antérieur. Au cours de la marche stabilisée le CP présente un parcours en zigzag qui traduit la poussée au sol du pied d appui pour assurer la propulsion du CG vers l avant et vers la jambe 28

30 qui termine son oscillation (Vaughan, 2003). Cette double poussée assure à la fois le maintien de la marche à vitesse constante et celui de l équilibre latéral lors de l appui unipodal. Le CG se déplace le long d une sinusoïde qui évolue dans les trois plans de l espace, s élevant à chaque temps portant et s abaissant à chaque double appui dans le plan vertical. Dans le plan horizontal, l ensemble du corps se met en équilibre dynamique alternativement sur chaque membre inférieur portant, le CG subissant donc des oscillations latérales dessinant une sinusoïde dont les sommets correspondent à chaque temps portant. Pendant la marche, ce sont principalement les muscles abducteurs-adducteurs de hanche qui permettent le contrôle de l équilibre, les fléchisseurs-extenseurs de cheville ayant un rôle plus négligeable (Vaughan, 2003). Le retour à la posture initiale reproduit globalement en miroir le processus de l initiation. A l arrêt il existe une décélération du CG pour finalement le stabiliser entre les deux pieds dans leur position finale. La décélération débute lors du dernier simple appui en réduisant la propulsion des fléchisseurs plantaires. Lorsque le deuxième pied entre en contact avec le sol à la hauteur du pied d appui pour rétablir la posture, la majeure partie de la décélération s effectue par absorption de l énergie cinétique par un travail excentrique des fléchisseurs plantaires. Afin de stabiliser en toute sécurité le CG, le CP doit dépasser légèrement sa position finale et revenir progressivement vers l arrière pour se mettre en correspondance avec le CG à l intérieur du polygone de sustentation. II.3. Considérations particulières La richesse et la finesse des systèmes biologiques interagissant avec un environnement dynamique rendent son contrôle infiniment complexe et suggèrent, comme le proposait Marey (1868), l existence de lois propres au contrôle du mouvement biologique. 29

31 Certaines approches expérimentales ont pu mettre en évidence un certain nombre de stratégies reflétant des solutions biologiques à ce problème de la complexité et de la dimensionnalité du contrôle du système locomoteur (Bernstein, 1967). Ainsi, le système nerveux central utiliserait et optimiserait les propriétés biomécaniques, viscoélastiques et d inertie du corps (transfert d énergie mécanique) et de ses segments focalisant son activité sur le contrôle de paramètres globaux du mouvement (Winter et Eng, 1995 ; Vaughan, 2003). II.3. a) Le problème de la complexité de la tâche Contrôler le mouvement d un système articulé est une problématique ancienne qui doit tenir compte de la complexité de la tâche et du nombre de degrés de liberté à contrôler. Ces degrés de liberté correspondent aux différents mouvements anatomiques autorisés par le système effecteurs (dimensionnalité). L équivalence, ou redondance motrice (Kuo, 1994), est en liaison avec la dimensionnalité du système moteur : il existe une infinité de commandes motrices et de configurations dynamiques permettant de réaliser une tâche donnée (patterns d activation musculaire, configurations posturales, trajets moteurs, etc ). Il se pose donc la question du choix de la solution par le système nerveux central. Même si on accorde au SNC des capacités infinies de traitement de l information, des stratégies de simplification de la tâche semblent exister (Bernstein, 1967). Selon les théories dynamiques, le corps est constitué d un trop grand nombre de parties pour que celles-ci puissent petre contrôlées de manière indépendante (Schöner et Kelso, 1988). La simplification du contôle moteur résiderait dans l établissement de relations (appelées «équations de contraintes») unissant entre eux un certain nombre de degrès de liberté, 30

32 diminuant ainsi le nombre de variables indépendantes (Debû, 2001).Les solutions adoptées par un système moteur hiérarchisé sont essentiellement une décentralisation de l action des structures corticales au profit des structures spinales capables par elles même de générer des mouvements coordonnés. Bernstein (1967) a identifié toute une série de questions qui ont eu la particularité d allier connaissances de principes issus de la mécanique et connaissances acquises en biologie, ouvrant ainsi la voie à l étude «biomécanique» du mouvement. Selon Bernstein, la génération et le contrôle de la commande motrice suppose deux systèmes de contrôle : le contrôle en boucle ouverte qui rend compte de la possibilité d exécuter un mouvement en dehors de toute afférence sensorielle, et le contrôle en boucle fermée qui permet, par l action des boucles sensorimotrices, de corriger le mouvement en cours. Il propose même une équation du mouvement qui rend compte de ces deux types de contrôle. Le système nerveux central doit posséder une représentation interne des propriétés dynamiques du système moteur, qui lui permettent de générer une commande motrice. Bernstein propose de grandes voies par lesquelles ces problèmes peuvent être résolues : le «gel»(«freezing») de certains degrés de liberté non indispensables pour la tâche, le choix d une solution motrice la moins coûteuse énergétiquement, ou encore la nécessaire connaissance «unifiée» de l état du système au temps t, facilitée par l existence de modèles internes dans lesquelles les propriétés dynamiques du corps et de son interaction avec l environnement sont intégrées au niveau central. Le physiologiste Michael Foster ( ) abordait ce type de problématique dans son Textbook of Physiology (1879): «le phénomène de l acte réflexe nous a montré que la moelle contient un nombre de mécanismes (plus ou moins) compliqués capables de produire, des mouvements coordonnés similaires à ceux qui sont générés de manière 31

33 volontaire. Maintenant, il doit être économique pour le système d utiliser ces mécanismes déjà existants, en agissant directement sur ces centres, plutôt que d avoir recours à un apparatus qui lui serait propre, mais d un type similaire à celui de la moelle d un point de vue anatomique, il est (en outre) clair que la connexion avec le cerveau que représente la partie cervicale du système spinal, ne contient pas suffisamment de fibres, même de petite dimension, capables de connecter le cerveau avec toutes les terminaisons nerveuses sensorielles et motrices, du tronc et des autres segments corporels». II.3. b) Les modèles mécaniques Mc Geer (1990) et plus récemment Collins et al. (2005) ont développé une approche simplifiant la réalisation de systèmes bipèdes, entièrement mécaniques. Le développement de cette approche est due à l observation que de simples jouets composés de deux segments rigides (verticaux au repos) liés l un à l autre par un segment rigide perpendiculaire à ces deux segments peuvent générer un pattern de marche lorsqu ils sont placés sur une pente dont l inclinaison n est pas trop importante, pour éviter une chute du corps vers l avant (fig. 7). Ceci est mécaniquement rendu possible par l effet conjoint de deux facteurs : l inertie du jouet et l action de la gravité. Le mécanisme du double pendule inversé est primordial dans la compréhension de l entretien de l énergie mécanique nécessaire à la propulsion du corps vers l avant. Le mouvement de ces systèmes bipèdes dits «passifs» fût dans un premier temps réalisé pour une marche bidimensionnelle dans le plan sagittal. 32

34 Figure 7 : Dessin de Fallis (1988) démontrant la capacité d un jouet de forme humanoïde à produire un déplacement avec appuis altérnés lorsqu il est placé dans une pente. II.3. c) Considérations biomécaniques La compréhension de la relation entre énergie cinétique, nécessaire à la translation du corps dans le plan sagittal, et énergie potentielle, associée aux variations de hauteur du centre de gravité, a été réalisée et quantifiée dès le milieu des années 1960 par Cavagna et Margaria (1966). Ce travail, et ses prolongements plus récents par Cavagna et collègues (Willems et al., 1995; Cavagna et al., 2000; Cavagna et al., 2002) ont permis de caractériser le caractère pendulaire de la marche humaine. Ainsi la bascule alternative de chaque segment autour d un point fixe au sol a été assimilée au mécanisme de double pendule inversé : pour la marche humaine, l énergie potentielle atteint son maximum au cours de la moitié de la phase d appui, et est transférée (pas totalement, voir Alexander, 1989) de manière passive en énergie cinétique lors de la bascule du corps vers l avant. Alexander (1989) postule que toute forme de déplacement biologique répond à des critères d optimalité développés au cours de l évolution et au cours de l apprentissage 33