Dissertations / Theses on the topic 'Unités motrices (UM)'

Le système nerveux central contrôle des mouvements par l’activation des unités de motrices (UM), les plus petites structures fonctionnelles du muscle. Les UM produisent une activité électrique qui peut être détectée par la technique de l’électromyographie de surface (EMGs). Le caractère stochastique du signal EMGs est dû principalement à la superposition des trains de potentiels d’action d’UM (TPAUM) (recrutement spatial), les TPAUM sont caractérisés par leurs instants de décharge (recrutement temporel), ainsi que par la forme des potentiels d’action (PA), qui dépend de certains facteurs méthodologiques et de facteurs intrinsèques au muscle. Le but de cette thèse sera d’étudier les possibilités et les limites d’utilisation de l’analyse de forme de la densité de probabilité des amplitudes (DP) du signal EMGs comme indicateur sur les stratégies de recrutement des UM et du contrôle moteur. Cette analyse semble pertinente puisque le signal EMGs est la somme de processus aléatoires ; les TPAUM. Des modifications sur ces variables devraient être perçues sur le signal composite. La contribution apportée par cette thèse se scinde en deux parties : la proposition d’un modèle complet de génération qui s’inspire de travaux récents issus de la littérature. Ce modèle prend en considération, pour la génération du signal EMGs, de nombreux paramètres physiologiques, anatomiques et nerveux, ainsi que la génération de la force. Cette prise en compte permet d’avoir un meilleur réalisme lors de la simulation. La deuxième partie concerne plusieurs études, en simulation et en expérimental, sur l’analyse des signaux EMGs monopolaires détectés sur le biceps brachial lors de contractions isométriques isotonique (force constante)/anisotonique (force graduée). L’objectif est d’extraire de l’information sur le patron de recrutement des UM à partir de ces signaux. Dans ce contexte, nous avons testé deux approches d’analyse de forme de la DP du signal EMGs qui sont la Statistique d’Ordre Supérieur (SOS), et un algorithme récent, le modèle de forme noyau (CSM : Core Shape Modeling). Les résultats indiquent une forte sensibilité des descripteurs proposés pour la séparation des classes de signaux (force, niveau de synchronisation de décharge), à l’effet filtrant du tissu adipeux et de la composante non propagée. L’efficacité de la classification dépend d’autre part de l’anatomie et du nombre d’UM composant le muscle. Pour les facteurs neuronaux, les deux stratégies de recrutement testées donnent les mêmes tendances avec plus de réalisme physiologique pour l’une d’entre elles. De plus, l’analyse de forme (par SOS), dans certains cas, nous donne des informations sur l’anatomie du muscle considéré, en termes de position de l’UM par rapport à l’électrode. En termes de performance de classification, l’algorithme CSM, donne un résultat relativement meilleur que l’approche SOS, que ce soit en simulation ou en expérimentation. Pour résumer, ce travail de thèse s’inscrit comme une démarche exploratoire du potentiel de l’analyse de forme de la DP du signal EMGs dans l’extraction d’information sur les modalités d’activation musculaire. De nombreux efforts restent à fournir en accord avec les perspectives proposées
The central nervous system control the movement through the activation of the motors units (MUs), the smallest muscle functional structure. The MU produce electrical activity that can be detected by the technique of surface electromyography (sEMG). The stochastic nature of EMGs signal is mainly due to the superposition of trains of MU action potentials ( MUAPT) (spatial recruitment), the MUAPT are characterized by their discharge frequency (temporal recruitment) and the shape of the action potential (PA), which depends on some factors methodological and intrinsic to the muscle. The aim of this thesis is to study the possibilities and limitations of using the shape analysis of the EMGs signal’s probability density function (DP) as an indicator on MU recruitment strategies and motor control. This analysis seems relevant since the EMGs signal is the sum of random processes, the MUAPT. The contribution of this thesis is divided into two parts : the proposal of a complete model generation inspired by recent work from the literature. This model takes into consideration, for the EMGs signal generation, many physiological, anatomical and nervous parameters, as well as the force generation. Such consideration allows for greater realism in the simulation. The second part concerns several studies, simulation and experimental analysis of EMGs monopolar signals detected on the biceps brachii during isometric contractions isotonic (constant force) / anisotonique (graduated force). The aim is to extract information on the pattern of MU recruitment from these signals. In this context, we tested two approaches based on the shape analysis of the EMGs signal’s DP which are the Higher Order Statistics (HOS), and a recent algorithm, the Core Shape Modeling (CSM). The results indicate a high sensitivity of the proposed descriptors for separating classes of signals (force, sync level of the discharge), the filtering effect of adipose tissue and non propagating component. The efficiency of the classification depends the other hand of the anatomy and the number of MU which composed the muscle. For neuronal factors, both recruitment strategies tested give similar trends with one of them is physiologically more realistic. In addition, analysis of shape (SOS), in some cases, gives us information about muscle anatomy of the concerned muscle, in terms of MU position relative to the electrode. Concerning performance of classification, the algorithm CSM gives a result relatively better than SOS approach, either in simulation or experimentation. To summarize, this thesis is listed as an exploratory process of the shape analysis potential of the EMGs signal’s DP in order to extract the information on the muscular activation’s modalities. A lot of efforts are still required in accordance with the perspectives offered

Les effets de la preparation motrice sur l'activite musculaire et la transmission corticospinale ont ete analyses chez le singe au cours d'une etude associant une approche comportementale et une approche electrophysiologique. L'examen de l'activite des unites motrices (um) du biceps et du triceps a ete realise pendant la preparation et l'execution d'un mouvement de flexion de l'avant-bras. En fonction de leur participation a chacune de ces deux periodes les um se distribuent en deux groupes distincts. Les parametres fonctionnels des um actives exclusivement pendant l'execution du mouvement permettent de presumer qu'elles sont de type rapide phasique; alors que les um actives specifiquement pendant la preparation motrice lorsque le bras est parfaitement immobile et qu'il n'existe aucune variation d'activite concomitante des um du triceps, seraient de type lent tonique. Les um actives pendant les deux periodes sont supposees etre rapides toniques-phasiques. Les variations d'excitabilite des circuits cortico-spinaux revelent que les effets du cortex moteur peuvent etre transmis aux um rapides toniques-phasiques pendant la preparation et aux um rapides phasiques pendant l'execution du mouvement. Pendant la preparation l'activation tres precoce des um lentes toniques serait due aux effets provenant des aires premotrices; cette activite pourrait modifier l'etat physiologique du muscle en augmentant son tonus ou sa raideur ce qui assurerait une plus grande efficacite de la decharge des um rapides au moment de l'execution du mouvement

Les travaux presentes dans ce memoire nous ont permis d'etablir de facon approfondie les caracteristiques biomecaniques et les proprietes fonctionnelles des unites motrices des muscles extensor carpi radialis longus et extensor carpi radialis brevis au cours de contractions isometriques volontaires et reflexes. Sur la base de nos resultats, nous avons propose un schema d'organisation des contractions volontaires selon lequel les unites motrices lentes, qui sont recrutees les premieres au cours de contractions progressives, joueraient plutot, par leurs proprietes fonctionnelles, un role dans le maintien d'une tonicite musculaire de base, alors que les unites motrices rapides, recrutees plus tard et developpant des forces plus importantes, joueraient plutot un role dans la production et l'ajustement de la force de la contraction. Il nous semble que le meme type d'interpretation puisse egalement etre adopte dans le cas du reflexe tonique vibratoire. En effet, la composante monosynaptique de ce reflexe, par son action sur les unites motrices lentes, assurerait la mise en place d'une certaine tonicite musculaire de base, alors que sa composante polysynaptique, par son action plus exclusive sur les unites motrices rapides, jouerait plutot un role dans la production de la force de la contraction

Ce travail est une contribution a l'etude des phenomenes qui accompagnent la plasticite neuro-musculaire. Nous avons analyse les effets de la denervation partielle sur les proprietes des unites motrices du muscle rapide extensor digitorum longus (edl) chez le rat wistar a 2 stades du developpement post-natal: 3 jours et 18 jours. Les effets sont mesures deux mois plus tard sur l'animal adulte avec un eventail de techniques electrophysiologiques, histologiques, immunohistochimiques et comportementales. Les enregistrements electromyographiques revelent une augmentation importante de l'activite musculaire qui devient tonique dans les muscles partiellement denerves. On constate une diminution de la force developpee, un ralentissement de la contraction, une augmentation importante de la resistance a la fatigue et une forte augmentation de la proportion des fibres musculaires de type lent. L'augmentation d'activite s'accompagne d'une conversion complete des fibres et de l'ensemble de leurs proprietes contractiles vers un type lent. Ces modifications sont beaucoup plus marquees chez les rats operes a 3 jours. En particulier, la faible force developpee par les edl partiellement denerves a 3 jours s'accompagne d'une diminution de la taille des um alors, qu'au contraire, la taille des um augmente chez les rats operes a 18 jours. La diminution de la taille des um et la production d'une activite tonique continue chez les operes a 3 jours s'accompagne d'une reduction de la taille des soma des motoneurones marques par voie retrograde. Trois molecules sont utilisees pour modifier les effets de la denervation partielle: la l-dopa, precurseur de la dopamine et de la noradrenaline, la leupeptine, inhibiteur de la calcium activated neutral protease, et le mk-801, bloquant des recepteurs au nmda. Ces experiences montrent que ces molecules, appliquees pendant une periode critique du developpement, diminuent les effets de la denervation partielle

Dans les muscles extenseurs radiaux du carpe (ecr) engages en contractions volontaires chez l'homme sain, nous avons etudie certains facteurs de modulations de la reponse reflexe ou de la decharge tonique d'unites motrices identifiees. L'efficacite du reflexe monosynaptique ia a ete etudiee en relation avec la preference manuelle. La probabilite de reponse des unites motrices aux percussions des tendons homonymes etait asymetrique en faveur du bras preferentiel seulement chez les droitiers. Quelle que soit la preference manuelle, l'amplitude du reflexe de hoffmann n'etait pas asymetrique. La plus grande reactivite reflexe aux percussions tendineuses observee dans le bras droit des droitiers resulterait d'une asymetrie de l'innervation et/ou suite a une utilisation preferentielle du bras droit pour les activites manuelles fines. Nous avons ensuite etudie les inhibitions presynaptique et reciproque ia dans les muscles ecr engages seuls en extension isometrique du carpe ou co-actives avec leurs antagonistes en fermeture de la main. Ces inhibitions etaient capables d'inverser le gain avec lequel les afferences ia issues des muscles ecr recrutent les motoneurones homonymes en affectant selectivement l'excitabilite des differents types d'unites motrices activees. Dans les unites motrices de haut seuil de force, l'inhibition reciproque estimee aussi d'apres les modulations de leur decharge tonique devenait meme une facilitation antagoniste. Sans exclure l'implication de processus supraspinaux, nous avons suggere que l'efficacite de ces deux inhibitions changeait selon la tache motrice a cause des afferences sensorielles activees, notamment cutanees. Nous proposons que l'assistance proprioceptive, qui n'est pas stereotypee comme le suggere le terme reflexe mais malleable aux exigences de la tache motrice, contribue a optimiser l'activite de differentes sous-populations d'unites motrices via des mecanismes modulateurs spinaux specifiques sous controle supraspinal.

Développer une méthodologie en vue d'une investigation non traumatisante du fonctionnement neuromusculaire à partir du signal EMG de surface fait l'objet de cette thèse. Une caractérisation des unités motrices, entités fonctionnelles du muscle, contribue à une exploration approfondie du système neuromusculaire. Une telle investigation implique une identification des trains de potentiel d'action d'unités motrices qui composent le signal enregistré en surface. L'importance des caractéristiques inhérentes à ce type d'approche que sont l'imprécision, la nature incertaine des informations, nous a conduit à recourir à la logique floue comme principal outil, pour élaborer un algorithme de décomposition du signal EMG de surface. Son application à une coupe musculaire du biceps brachial, a permis une localisation des zones d'activités musculaires et une caractérisation des unités motrices associées. Le chapitre 1 présente la composition du signal EMG et les techniques de mesure associées, notamment le système Laplacien de recueil nécessaire au problème posé. L'adaptation non évidente des techniques de décomposition existantes et présentées chapitre 2, nous a conduit à élaborer un algorithme de décomposition non supervisé, dont le principe est décrit chapitre 3. La méthode repose sur un processus itératif et inclut une technique de classification fondée sur un système floue de décision. La localisation des zones d'activités musculaires décrite chapitre 4, fondée sur une modélisation du potentiel d'action d'unité motrice paramétrée par la distance, utilise la procédure d'optimisation de Quasi-Newton avec contrainte. Dans le dernier chapitre, est décrite une technique de synchronisation, utile à la détermination des paramètres caractéristiques des unités motrices. Les résultats intéressants obtenus pour ces deux applications, montrent la pertinence de l'emploi d'une méthode qui s'appuie sur la démarche adoptée par un expert lors d'une décomposition manuelle d'un signal EMG.

Afin de determiner comment les afferences motoneuronales sont organisees en fonction de la tache motrice et du type d'unite motrice nous analysons les unites motrices (um) des extenseurs du carpe dans des taches qui impliquent la synergie musculaire et l'attention. La variabilite de decharge, indice du bruit synaptique, est augmentee en relation de la synergie musculaire et non de l'attention. Les afferences communes et synchronisees, revelees par la synchronisation, sont heterogenes dans leurs projections au noyau moteur et dans leur implication dans la synergie musculaire ; elles sont caracterisees par une duree differente des pics de synchronisation. Pour une premiere fois des composants de la synchronisation sont clairement dissocies chez l'homme. La synchronisation des um est un correlat des processus attentionnels au niveau spinal. Paradoxalement, la synchronisation a court terme est augmentee dans une tache qui demande beaucoup d'attention la coherence des um comme un indice du contenu frequentiel de l'activite afferente synchronisatrice ne change pas dans la bande de 20-35 hz en relation avec la synergie musculaire et l'attention mais elle change de temps en temps dans celle de 7-18 hz. Le degre de synchronisation co-varie avec le degre de coherence dans la bande de 7-18 hz plus souvent que dans celle de 20-35 hz. Il semble que les afferences communes qui sont modulees en fonction de la tache sont d'origine corticale et qu'elles dechargent avec un contenu frequentiel de 7-18 hz. Les um de type rapide montrent plus souvent une coherence significative dans les bandes de 7-18 hz et 20-35 hz que ceux de type lent. Il reste a determiner si (1) la distribution heterogene des afferences communes et synchronisees d'origine supraspinale, en relation avec la synergie musculaire et le type d'um, ainsi que (2) la synchronisation a court terme dans les taches demandant beaucoup d'attention ont un role fonctionnel pour la performance motrice.

L'etude de la contraction des unites motrices lentes du muscle peroneus longus du chat a permis de confirmer leur adaptation particuliere a la fonction posturale. Ainsi, pour des tensions tetaniques equivalentes, la resistance du muscle a de faibles etirements est plus importante pendant la contraction des unites motrices lentes que pendant celle des unites rapides. L'immobilisation limitee au peroneus longus a entraine une diminution des tensions developpees par les unites motrices qui est comparativement plus importante pour les unites motrices lentes. En revanche, l'immobilisation n'a pratiquement pas modifie la sensibilite des terminaisons primaires et secondaires des fuseaux neuro-musculaires du muscle. Il est neanmoins vraisemblable que le volume des informations proprioceptives provenant du muscle pendant son immobilisation a diminue puisque sa longueur n'a pu changer. Compte tenu des projections des afferences proprioceptives sur les motoneurones homonymes, cette reduction pourrait etre a l'origine de modifications dans le fonctionnement des unites motrices. Il est sans doute significatif que l'absence de sollicitations posturales pendant l'immobilisation du muscle agisse surtout sur les unites motrices lentes

L'identification rapide ou en temps réel de l'activation spatio-temporelle des unités motrices (UM) qui représentent les unités fonctionnelles du système neuromusculaire est fondamentale dans les applications de contrôle des prothèses et en réhabilitation fonctionnelle. Cependant, cette procédure demande un temps de calcul énorme. Par conséquent, le travail de cette thèse a été consacré à fournir un algorithme permettant l'identification en temps réel des stratégies d'activation spatiale et temporelle des UMs en appliquant des méthodes inverses sur les signaux HD-sEMG (électromyogramme de surface à haute densité) à partir d'une grille placée sur le Biceps Brachial (BB). À cette fin, nous proposons une approche innovante, qui implique l'utilisation de la méthode inverse classique de minimisation de norme et une interpolation de courbe en 3D, à savoir l'approche est nommée CFB-MNE. Cette méthode, fondée sur l'identification inverse (estimation de la norme minimale) couplée à un dictionnaire des potentiels d'action des unités motrices simulées (MUAP) d'un modèle récent et testée sur des simulations, a permis la localisation en temps réel des unités motrices individuelles simulées. Une analyse de robustesse (modifications anatomiques, physiologiques et instrumentales) a ensuite été effectuée pour vérifier l'efficacité de l'algorithme proposé. Enfin, l'algorithme proposé a été testé sur des UMs avec des schémas de recrutement réalistes donnant des résultats prometteurs et encourageants en identification spatiale et temporelle sur trois scenarios. Pour conclure, en perspectives, les résultats prometteurs obtenus suggèrent l'utilisation de l'apprentissage automatique et de l'intelligence artificielle (IA) pour améliorer encore les performances de l'algorithme proposé
Fast or real-time identification of the spatiotemporal activation of Motor Units (MUs), functional units of the neuromuscular system, is fundamental in applications as prosthetic control and rehabilitation guidance but often dictates expensive computational times. Therefore, the thesis work was devoted to providing an algorithm that enables the real-time identification of MU spatial and temporal activation strategies by applying inverse methods on HD-sEMG (high-density surface electromyogram) signals from a grid placed over the Biceps Brachii (BB). For this purpose, we propose an innovative approach, that involves the use of the classical minimum norm inverse method and a 3D fitting curve interpolation, namely CFB-MNE approach. This method, based on inverse identification (minimum norm estimation) coupled to simulated motor unit action potential (MUAP) dictionary from a recent model and tested on simulations, allowed the real time localization of simulated individual motor units. A robustness analysis (anatomical, physiological, and instrumental modifications) was then performed to verify the efficiency of the proposed algorithm. Finally, the proposed algorithm was tested on MUs with realistic recruitment patterns giving promising results in both spatial and temporal identification. To conclude, a door to future perspectives was opened, according to the obtained promising results, suggesting the use of machine learning and artificial intelligence (AI) to further boost the performance of the proposed algorithm

Le présent travail a pour objectif principal l'étude du rôle fonctionnel de la syllabe en production verbale orale et écrite de mots isolés.
Suite à une tentative de définition de « ce qu'est exactement une syllabe » dans une Introduction, nous avons rapporté des arguments en faveur d'un rôle fonctionnel de cette unité en perception visuelle et auditive.
Le Chapitre I présente une revue de la littérature portant sur la production verbale orale et écrite conceptuellement dirigée (Caramazza & Miceli, 1990 ; Dell, 1986 ; Levelt, Roelofs, & Meyer, 1999). Les différents niveaux de traitement (conceptuel, syntaxique, lexical et moteur) et les propositions concernant les mécanismes de traitement impliqués à chacune de ces étapes sont présentés. Une attention particulière a été portée aux propositions des principaux modèles concernant le rôle de la syllabe dans les processus d'accès lexical et de planification motrice.
Le Chapitre II est consacré à un effet qui est à l'origine d'un vif débat : l'effet d'amorçage syllabique. Ferrand, Segui et Grainger (1996) ont montré que la présentation d'un groupe de segments correspondant à la première syllabe d'un mot (e.g., ba-baleine ; balbalcon) facilite plus la dénomination qu'un groupe de segments plus court (e.g., ba-balcon) ou plus long (bal-baleine). Nous avons essayé de répliquer ce résultat en dénomination orale d'images (Expériences 2a, 2b et 3). Nous avons rapporté des données en faveur de l'hypothèse du recouvrement segmental (Sciller, 1998, 1999, 2000). Nous avons ensuite testé si le temps de présentation de l'amorce (Expérience 4) et le moment de présentation du groupe de segments (Expérience 5) pouvaient expliquer l'absence d'effet d'amorçage syllabique. Là encore, les données sont en accord avec l'hypothèse du recouvrement segmental (Schiller, 1998, 1999, 2000). Nous avons aussi exploré la possibilité d'obtenir cet effet en production verbale écrite (Expériences 1a et 1b).
Dans le Chapitre III, nous avons testé l'hypothèse selon laquelle les latences d'initialisation de mots monosyllabiques devraient être plus courts que celles de mots bisyllabiques, si la syllabe joue un rôle fonctionnel en production verbale orale et écrite. Des études pour les deux modalités ont répondu par la négative (Bachoud-Levi et al., 1998 ; Lambert, 1999 ; Lambert et al., sous presse ; Roelofs, 2002b). Toutefois, Meyer, Roelofs et Levelt, (2003) ont proposé qu'un critère temporel de réponse (Lupker et al., 1997) influence l'instant d'initialisation de la réponse. En conséquence, un effet du nombre de syllabes peut apparaître. Nous avons essayé de répliquer ce résultat en production verbale orale (Expérience 6) et de l'étendre à la production verbale écrite (Expérience 7). Toutefois, nous n'avons pas rapporté de données en faveur de l'hypothèse de Meyer et collaborateurs (2003) pour les deux modalités.
Le Chapitre IV a pour objectif de faire une synthèse des résultats que nous avons obtenus et de proposer des perspectives de recherches.

L’objectif de ce travail a été d’analyser les effets d’une préparation motrice sur l’activité des motoneurones (MN). Pour cela, des protocoles expérimentaux combinant l’enregistrement unitaire de l’activité des unités motrices des muscles extenseurs du poignet avec des paradigmes de préparation motrice de nature temporelle ont été utilisés chez l’Homme. L’analyse des caractéristiques de la décharge tonique des MN montre un allongement des intervalles inter-potentiels associé à une diminution de leur variabilité durant la période préparatoire, bien avant que la réponse motrice ne soit déclenchée. Ces changements démontrent clairement l’implication de mécanismes inhibiteurs spinaux au cours de la préparation motrice pouvant s’exercer au travers d’interneurones prémotoneuronaux. Il est montré que les modulations d’activité motoneuronales induites par la préparation motrice ne sont ni spécifiques au muscle effecteur de la réponse motrice ni prédictifs de la performance. Il est proposé que l’inhibition exercée sur les MN pendant la préparation motrice constitue un mécanisme généralisé de frein pour retenir le déclenchement prématuré de la réponse motrice, tandis que la diminution de variabilité dans la décharge serait un phénomène de compensation, permettant de produire des forces stables malgré la désactivation motoneuronale. L’implication du niveau motoneuronal dans la préparation motrice montre qu’une information au préalable influence l’état du système moteur jusqu’à son élément le plus périphérique, supportant ainsi le caractère hautement distribué des processus préparatoires. Ce travail a également conduit à proposer l’utilisation de l’entropie approximative pour l’analyse de l’activité motoneuronale, permettant d’éviter les écueils liés aux méthodes classiques d’analyse tout en respectant l’hypothèse d’un codage neuronal temporel
The aim of this work was to analyze the effects of motor preparation on motoneuron (MN) activity. For this purpose, recordings of wrist extensor muscles motor unit activity were combined with time motor preparation paradigms in Human. Changes in the MN tonic discharge were found to occur during preparatory period, i.e. well before it is time to act. These changes were a lengthening of the mean inter-spike interval associated with a decrease of its variability. These data clearly demonstrate that spinal inhibitory mechanisms are activated during motor preparation and suggest the involvement of premotoneuronal interneurons. The modulations of motoneuronal activity induced by the motor preparation are neither specific to the agonist muscle involved in the motor response nor predictive of the performance. It is assumed that the inhibition acting on the MN during the motor preparation constitutes a general braking mechanism serving to prevent premature motor response, whereas the decrease of discharge variability would be a compensatory phenomenon, allowing to produce an efficient steady force in spite of lower motoneuronal activation. The involvement of the motoneuronal level in motor preparation demonstrates that advance information may influence the state of the motor system, including even the most peripheral motor neurons in the spinal cord, which supports the idea that motor preparation involves highly distributed functional processes. In addition, this work led us to argue in favor of the approximate entropy analysis as a suitable method for analyzing spike trains, allowing to detect changes in the regularity of the time-ordered inter-spikes intervals

L’amyotrophie spinale infantile (ou ASI) est une maladie neuromusculaire de l’enfant, induite par un faible niveau de protéine SMN (pour Survival of Motor Neuron) présent dans l’organisme et pour laquelle aucune thérapie curative n’est connue à ce jour. Nous montrons, par ce travail, que le retard de maturation des unités motrices, observé chez les souris ASI de type II, est corrélé avec la mort motoneuronale. L’exercice physique retarde la mort motoneuronale et induit une accélération de la maturation des unités motrices. En outre, l’exercice physique est capable d’augmenter spécifiquement l’expression du gène codant pour la sous unité activatrice du récepteur au NMDA et majoritaire dans les motoneurones, nommée NR2A, qui est sous exprimée dans la moelle épinière des souris ASI de type II. En conséquence, inhiber l’activité du récepteur au NMDA bloque les effets de l’exercice sur le développement musculaire, la neuroprotection et la durée de vie. Ainsi, restaurer la fonction du récepteur au NMDA pourrait être une approche thérapeutique prometteuse dans le traitement de l’ASI.

Résumé en français :

L’objectif de nos investigations a été d’étudier, chez le sujet humain, les mécanismes responsables de l'altération des performances motrices au cours du vieillissement. La première étude était destinée d’une part, à comparer la diminution maximale de force observée dans les différents régimes de contraction et, d’autre part, à contribuer à la compréhension des mécanismes à l’origine de la meilleure préservation de force pour le régime excentrique. Etant donné que jusqu’à présent, seuls des facteurs musculaires avaient été proposés afin d’expliquer les différences existant en fonction du régime de contraction, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à une éventuelle participation de facteurs nerveux.

Dans la seconde étude, nous avons testé de manière indirecte (via l’enregistrement d’activités réflexes) l’efficacité des afférences périphériques au cours du vieillissement. En effet, sous le contrôle de la commande centrale, celles-ci contribuent également à réguler le niveau d’excitabilité des motoneurones. Une moindre efficacité de celles-ci pourrait donc être un facteur supplémentaire responsable de l’altération de la fonction motrice.

Nous avons ensuite analysé (études III et IV) les propriétés contractiles et le comportement des unités motrices lors de contractions lentes et très rapides (contractions balistiques). Cela nous a permis de vérifier s’il existait chez les seniors une relation entre la diminution de force, de sa vitesse d’installation, et la stratégie d’activation des unités motrices.

Enfin, dans l’étude V, nous avons analysé la fatigabilité neuromusculaire chez les seniors, comparativement aux sujets jeunes. Plus spécifiquement, nous avons étudié les contractions concentriques et excentriques maximales fatigantes. La fatigue n’a en effet pas encore été étudiée lors de ces deux types de contraction chez les adultes jeunes et âgés. L’objectif de cette dernière étude était surtout d’analyser la part relative des mécanismes nerveux et musculaires à l’origine de la fatigue ainsi que leur décours dans le temps en fonction de l’âge des sujets.

L’approche méthodologique utilisée nous a permis d’analyser les modifications fonctionnelles du muscle et de ses unités motrices avec l’âge. Un intérêt tout particulier a été porté aux ajustements de la commande nerveuse et à la compréhension des mécanismes sous-jacents. L’ensemble de nos résultats expérimentaux documentent de manière originale l’interaction étroite entre les adaptations nerveuses et musculaires au cours du vieillissement. Plus largement, notre travail doctoral contribue à une meilleure connaissance de la remarquable plasticité du système neuromusculaire chez l’homme.

Résumé en anglais :\
Doctorat en Sciences de la motricité
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Le système nerveux périphérique a des capacités intrinsèques de régénération, mais la récupération motrice est insuffisante dans les cas de lésions les plus graves. Si la chirurgie reste l'approche thérapeutique "de référence", son efficacité est souvent limitée et diverses stratégies alternatives ont été développées, comme la thérapie à base de cellules souches. Cependant, on observe également une régénération incomplète des nerfs, et plusieurs approches visent à améliorer le potentiel de ces cellules. Parmi celles-ci, la modulation de l'environnement redox à l'aide de molécules antioxydantes est l'une des plus prometteuses. La sélénoprotéine T (SELENOT) est une oxydoréductase qui fait partie de la famille des sélénoprotéines, l'une des plus importantes familles d'enzymes antioxydantes dans l'organisme. Récemment, un peptide mimétique (PSELT) dérivé de SELENOT a montré un effet cardioprotecteur et neuroprotecteur dans un environnement nocif. La première partie de cette étude visait à évaluer le potentiel thérapeutique du PSELT dans un modèle de lésion du nerf facial chez le rat. Puis, nous avons recherché si le PSELT pouvait potentialiser l’effet thérapeutique d’une thérapie basée sur les cellules souches dérivées des capsules frontières (CF), une population de cellules souches située dans le derme qui a montré un fort potentiel neurogènique. Immédiatement et 48 heures après l'opération, le PSELT a été injecté dans une chambre de régénération d’origine veineuse dont le rôle était de réunir les deux rameaux d’un nerf facial axotomisé au niveau de la sortie du foramen stylo-mastoïdien. L’évaluation motrice des vibrisses, réalisée trois mois après la lésion, a montré que PSELT améliorait la récupération motrice de manière plus efficace comparée aux animaux témoins et à ceux ayant reçu un traitement chirurgical standard. Ces bénéfices cliniques ont été confirmés par des analyses électromyographiques et histologiques qui ont révélé une meilleure repousse nerveuse, une meilleure myélinisation et une réinnervation plus fine des muscles cibles. La combinaison de PSELT avec des cellules souches dérivées des CF n'a pas potentialisé la régénération nerveuse par rapport à la thérapie basée sur le PSELT seul, tant au niveau clinique qu'histologique. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent que le PSELT offre un avantage thérapeutique pour traiter les lésions des nerfs périphériques par rapport aux approches de chirurgie et de thérapie cellulaire, et constitue donc un candidat précieux pour la médecine régénérative
Peripheral nervous system has intrinsic regeneration abilities, but motor recovery is insufficient in the most severe cases of lesions. Although surgery remains the “gold standard” therapeutic approach, its efficiency is often limited, and various alternate strategies have been developed such as stem cell-based therapy. However, uncomplete nerve regeneration is also observed, and several approaches aim to improve the potential of these cells. Among them, redox environment modulation using antioxidant molecules is one of the most promising. Selenoprotein T (SELENOT) is an oxidoreductase which is a member of the selenoprotein family, one of the most important family of antioxidant enzymes in the organism. Recently, a mimetic peptide (PSELT) derived from SELENOT has shown a cardioprotective and a neuroprotective effect in a noxious environment. The first part of this study aimed at evaluating the therapeutic potential of PSELT in a facial nerve injury model in rat. In a second part, we asked whether PSELT could improve a stem cells-based therapy using boundary cap (BC) stem cells, a stem cell population located in the dermis which showed a high neurogenic potential. Immediately and 48 hours after the surgery, PSELT was injected into a free femoral vein interposition graft bridging the stumps of an axotomized facial nerve at the level of the exit point of the stylomastoid foramen. Three months later, motor performance of the vibrissae has been analyzed. PSELT significantly improved motor recovery compared to control, and end suture-treated animals. These results were confirmed by electrophysiological and histological analysis which highlighted a better nerve regeneration, an increased myelination and a more specific innervation of the whisker pad in the PSELT-treated group. Combination of PSELT with BC-derived stem cells did not improve further nerve regeneration compared to the PSELT-based therapy alone, both at the clinical and histological levels. Altogether, our results indicate that PSELT offers a therapeutic advantage to treat peripheral nerve lesion compared to surgery and cell therapy approaches, and thus constitutes a valuable candidate for regenerative medicine

L'ectrostimulation dite conventionnelle (CONV) est délivrée par des impulsions électriques de basse fréquence (≤ 50 Hz), de courte durée (< 400 μs) et de haute intensité. Ce type d'ESNM permet ainsi d'évoquer une contraction musculaire grâce à l'activation directe des axones moteurs et est associé à une fatigue musculaire exagérée par rapport aux contractions volontaires (VOL). Au contraire, lors de l'utilisation d'impulsions de longues durées (1 ms), de hautes fréquences (≥ 80 Hz) et de faibles intensités (i.e. protocole « Wide-Pulse, High-Frequency » (WPHF)), une partie de la force musculaire évoquée aurait pour origine des mécanismes centraux. En effet, une augmentation de la force produite en réponse à WPHF a été rapportée alors que l'intensité de stimulation était constante. Cette « extra force » (EF) refléterait le recrutement par voie réflexe des motoneurones spinaux. L'objectif de ce travail de thèse était de mieux appréhender les mécanismes neurophysiologiques à l'origine de l'EF et d'évaluer les conséquences métaboliques et corticales du protocole WPHF (1 ms - 100 Hz) par rapport à des protocoles d'exercices VOL et de type CONV (50 μs - 25 Hz). Les réponses musculaires des fléchisseurs plantaires et les réponses cérébrales ont été évalué par résonance magnétique nucléaire (la spectroscopie par résonance magnétique du phosphore 31 du muscle et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle du cerveau) et électrophysiologie (EMG). Ces résultats constituent une première étape importante vers une meilleure prise en charge des pathologies liées à des atteintes du neuromusculaire
Conventional neuromuscular electrical stimulation (CONV) is delivered via surface electrodes at short pulse duration (< 400 μs), low frequencies (≤ 50 Hz) and high current intensities. The motor unit recruitment pattern of CONV, however, is different from the pattern of voluntary contractions (VOL) and leads to a hastened onset of muscle fatigue. The use of wide-pulses (1ms), high frequencies (100 Hz) (WPHF) and low current intensities might approach the natural activation pattern of VOL by enhancing the neural contribution to force production. Previous studies investigating WPHF reported progressive and unexpected force increments ("Extra Forces") despite a constant stimulation intensity which might reflect the more pronounced activation of sensory pathways within the central nervous system. The objective of this thesis was to investigate this "Extra Force" (EF) phenomenon and to evaluate the efficiency of WPHF (1 ms pulse duration at 100 Hz) in terms of metabolic demand and neural contribution to force production in comparison to CONV NMES (0.05 ms pulse duration at 25 Hz) and VOL. Our experiments comprised electrophysiological (EMG) and nuclear magnetic resonance techniques (31P spectroscopy of the muscle, functional imaging of the brain). The findings should be considered in future studies investigating the potential of NMES in a clinical context as a treatment for neuromuscular pathologies

Selon des études comportementales, les comportements complexes sont des processus multi-échelles, souvent composés de sous-éléments (unités fonctionnelles ou primitives). Cette thèse propose des architectures fonctionnelles afin de représenter la structure dynamique des unités fonctionnelles ainsi que celle des comportements multi-échelles résultants. Dans un premier temps, des unités fonctionnelles sont modélisées comme des flux structurés de faible dimension dans l'espace de phase (modes de fonctionnement). Des dynamiques supplémen-taires (signaux opérationnels) opèrent sur ces modes de fonctionnement faisant émerger des comportements complexes et sont classifiés selon la séparation entre leur échelle temporelle et celle des modes. Ensuite, des mesures de complexité, appliquées sur des architectures dis-tinctes composant un mouvement simple, révèlent un compromis entre la complexité des modes de fonctionnement et celle des signaux opérationnels. Celui-ci dépend de la séparation entre leurs échelles temporelles et soutient l'efficacité des architectures utilisant des modes non triviaux. Dans un deuxième temps, une architecture pour le comportement séquentiel (ici l'écriture) est construite via le couplage des modes de fonctionnement (réalisant des lettres) et des signaux opérationnels, ceux-ci beaucoup plus lents ou beaucoup plus rapides. Ainsi, l'importance des interactions entre les échelles temporelles pour l'organisation du comporte-ment est illustrée. Enfin, les contributions des modes et des signaux sur la sortie de l'architec-ture sont déterminées. Ceci semble être uniquement possible grâce à l'analyse du flux de phase (c'est-à-dire, non pas à partir des trajectoires dans l'espace de phase ni des séries temporelles)
Behavioural studies suggest that complex behaviours are multiscale processes, which may be composed of elementary ones (units or primitives). Traditional approaches to cognitive mod-elling generally employ reductionistic (mostly static) representations and computations of simplistic dynamics. The thesis proposes functional architectures to capture the dynamical structure of both functional units and the composite multiscale behaviours. First, a mathe-matical formalism of functional units as low dimensional, structured flows in phase space is introduced (functional modes). Second, additional dynamics (operational signals), which act upon functional modes for complex behaviours to emerge, are classified according to the separation between their characteristic time scale and the one of modes. Then, complexity measures are applied to distinct architectures for a simple composite movement and reveal a trade off between the complexities of functional modes and operational signals, depending on their time scale separation (in support of the control effectiveness of architectures employing non trivial modes). Subsequently, an architecture for serial behaviour (along the example of handwriting) is demonstrated, comprising of functional modes implementing characters, and operational signals much slower (establishing a mode competition and ‘binding’ modes into sequences) or much faster (as meaningful perturbations). All components being coupled, the importance of time scale interactions for behavioural organization is illustrated. Finally, the contributions of modes and signals to the output are recovered, appearing to be possible only through analysis of the output phase flow (i.e., not from trajectories in phase space or time)

La sclérose latérale amyotrophique est une maladie neurodégénérative fatale caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones moteurs centraux et périphériques. L’un des premiers signes de la maladie est la dénervation de la jonction neuromusculaire (JNM). Les diverses unités motrices (UM) ne présentent toutefois pas la même vulnérabilité à la dénervation dans la SLA: les UM rapide fatigables sont en fait les plus vulnérables et les UM lentes sont les plus résistantes. Alors que des études précédentes ont démontré dans plusieurs modèles animaux de la SLA de nombreuses variations synaptiques, les découvertes ont été contradictoires. Par ailleurs, le type d’UM n’a pas été tenu en compte dans ces divers travaux. Nous avons donc émis l’hypothèse que la présence de la mutation SOD1 pourrait affecter différemment la transmission synaptique des UM, en accord avec leur vulnérabilité sélective. En effectuant des enregistrements électrophysiologiques et de l’immunohistochimie, nous avons étudié la transmission synaptique des différents types d’UM du muscle à contraction rapide Extensor Digitorum Longus (EDL; rapide fatigable (FF) MU) et du muscle à contraction lente Soleus (SOL; lente (S) and rapide fatigue-résistante (FR) MU) de la souris SOD1G37R et leur congénères WT. Pour identifier le type d’UM, un marquage par immunohistochimie des chaînes de myosine a été effectué. Un triple marquage de la JNM a également été effectué pour vérifier son intégrité aux différents stades de la maladie. À P160, dans la période asymptomatique de la maladie, alors qu’aucune altération morphologique n’était présente, l’activité évoquée était déjà altérée différemment en fonction des UM. Les JNMs FF mutantes ont démontré une diminution de l’amplitude des potentiels de plaque motrice (PPM) et du contenu quantique, alors que les JNMs lentes démontraient pratiquement le contraire. Les JNMs FR montraient quant à elles une force synaptique semblable au WT. À P380, dans la période présymtomatique, de nombreuses altérations morphologiques ont été observées dans le muscle EDL, incluant la dénervation complète, l’innervation partielle et les extensions du nerf. La transmission synaptique évoquée des UM FF étaient toujours réduites, de même que la fréquence des potentiels de plaque motrice miniatures. À P425, à l’apparition des premiers symptômes, l’activité synaptique des JNMs S était redevenue normale alors que les JNMs FR ont montré à ce moment une diminution du contenu quantique par rapport au contrôle. De manière surprenante, aucun changement du ratio de facilitation n’a été observé malgré les changements flagrants de la force synaptique. Ces résultats révèlent que la fonction de la JNM est modifiée différemment en fonction de la susceptibilité des UM dans l’ALS. Cette étude fournit des pistes pour une meilleure compréhension de la physiologie de la JNM durant la pathologie qui est cruciale au développement d’une thérapie adéquate ciblant la JNM dans la SLA.
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal late-onset neurodegenerative disease characterized by the progressive loss of upper and lower motor neurons. Denervation of the neuromuscular junction (NMJ) is an early pathological event in various ALS models. Motor units (MU) appear unequally susceptible to denervation, the fast fatigable (FF) MU being the most vulnerable and the slow (S) MU the most resistant. While previous studies in several ALS models have consistently reported alterations in synaptic transmission, their findings have been contradictory. Interestingly, the MU types were not taken into account in these studies, which could explain these discrepancies. We hypothesized that the MU selective vulnerabilities observed in ALS will be associated with MU-specific NMJ alterations throughout the disease course. Using electrophysiology, we studied synaptic transmission of different types of MU in the fast-twitch Extensor Digitorum Longus (EDL; fast fatigable (FF) MU) and the slow-twitch Soleus (SOL; slow (S) and fast fatigue resistant (FR) MU) of the SOD1 mice and their WT littermates. MU types were identified using immunohistochemical labelling of the respective myosine heavy chains. Immunohistochemistry was also performed to assess NMJ integrity by using antibodies against main NMJ components. At a presymptomatic stage (P160), while no morphological alterations of NMJs were seen in both muscles, evoked activity was altered in a MU-specific manner in SOD1 mice. FF MU from SOD1 mice showed a decrease in EPP amplitude and quantal content whereas S MU showed the opposite. Mutant FR MU showed no difference in evoked activity compared to WT. At presymptomatic stage (P380), various morphological alterations were seen in the SOD1 EDL, including denervation, partial innervation and nerve sprouting. Evoked activity was still reduced in FF MU, as well as mEPP frequency. In contrast, at disease onset (P425), synaptic strength of the S MU was now similar to WT MU, whereas FR NMJs showed a decrease in EPP amplitude and quantal content. Surprisingly, paired-pulse facilitation was not altered in any MU type and at any age despite changes in synaptic strength. Taken together, these results reveal that NMJ function is differentially modified according to MU susceptibility in ALS. This study provides insights for a better understanding of NMJ physiology during the illness that is crucial to the development of a proper NMJ-targeted treatment in ALS.