Mécanismes de contrôle optimal dans le mouvement d’atteinte post-AVC

Optimal Control in Reaching Post Stroke

• Auteur / Autrice : Germain Faity
• Direction : Denis Mottet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain - MPL
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EuroMov Digital Health in Motion
• Jury : Président / Présidente : Bastien Berret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mottet, Jérôme Froger, Agnès Roby-brami, Thierry Lejeune, Laetitia Fradet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Lejeune, Laetitia Fradet

Mots clés

Mots clés libres

Nonuse

Contrôle optimal

Avc

Compensation

Effort

Precision

Nonuse

Optimal Control

Stroke

Reaching

Compensation

Effort

Résumé

À la suite d'un accident vasculaire cérébral, de nombreux patients sous-utilisent leur bras parétique malgré une récupération suffisante pour le faire, ce qui peut mener à une diminution secondaire de leurs capacités motrices. La théorie dominante pour expliquer ce recours excessif aux compensations (utilisation du bras non-parétique, compensations du tronc) est basée sur l’hypothèse d’une sous-estimation apprise par conditionnement de l’utilité du bras parétique, mais une autre explication est possible. La non-utilisation du bras parétique pourrait résulter d'une stratégie de contrôle optimal visant à minimiser l'effort et à maximiser la fonction du bras en présence d'une faiblesse musculaire et d'une coordination intermusculaire déficiente. Plusieurs études ont été menées sur des participants jeunes et âgés en bonne santé, ainsi que sur des patients ayant subi un AVC dans le cadre de tâches motrices du haut du corps (seated reaching, circular steering) afin de tester cette hypothèse. Nos résultats ont révélé que lorsque l’on demande à des participants sains assis de toucher une cible placée en face d’eux, mais que leur bras a été préalablement alourdi, ils se penchent en avant pour effectuer la tâche. Lorsqu'on leur demande de minimiser les compensations du tronc, les participants sains sont capables de réduire les compensations au prix d'une activation accrue des muscles de l'épaule et d'un effort ressenti plus important. Cela démontre qu'il est possible d'induire une non-utilisation du bras proximal chez des sujets sains sans avoir à passer par une phase d'apprentissage. A l'inverse, en allégeant le bras de patients post-AVC, ceux-ci diminuent leurs compensations obligatoires et non-obligatoires du tronc, augmentant ainsi spontanément l’utilisation du bras. Une analyse détaillée a révélé que la stratégie de non-utilisation, en favorisant l'utilisation de compensations non-obligatoires, permet d’éviter les activations musculaires trop importantes dues à la faiblesse de l'épaule et réduit ainsi l'effort ressenti par les patients. En outre, en raison de la diminution de la variabilité motrice due à la baisse de l’activation musculaire et d'un meilleur contrôle des mouvements grâce au recours accru au tronc, innervé bilatéralement, la stratégie de non-utilisation épaule-coude permet également d’améliorer le contrôle du mouvement du bras parétique chez les patients et donc la fonction des membres supérieurs. Par conséquent, les compensations obligatoires et non-obligatoires sont très adaptatives et augmentent lorsque la cible est plus petite ou, inversement, diminuent lorsque la cible est plus élevée (une cible plus élevée rendant les compensations du tronc moins utiles, voire contre productives). Nous avons également trouvé une corrélation entre le déficit du membre parétique, les compensations motrices et les compensations cérébrales, confirmant que plus le déficit est important, plus les patients ont recours aux compensations motrices et cérébrales pour y pallier. Enfin, nous avons démontré que, dans une approche de type contrôle optimal, seule une fonction de coût prenant en compte la réserve de force des articulations pouvait correctement modéliser les compensations du tronc et prédire la non-utilisation du bras en présence d'un déficit de force de l'épaule. Ces résultats suggèrent que la stratégie de non-utilisation du membre parétique chez les patients post-AVC est, au moins en partie, une solution optimale pour réduire l'effort et améliorer la fonction motrice. Nous proposons une méthode pour identifier les patients qui bénéficieraient le plus d'interventions visant à réduire la sous-utilisation (CIMT, TRMT) et discutons du rôle de l'entraînement spécifique de la force de l'épaule dans l'amélioration de l'utilisation du bras chez les patients post-AVC.

After a stroke, many patients underuse their paretic arm despite substantial recovery, which can lead to a secondary decline in motor function. The mainstream theory explaining this overuse of compensatory patterns (such as using the less affected arm or compensating with the trunk) is based on the hypothesis of a learned underestimation of the utility of the paretic arm through behavioural conditioning; however, an alternative explanation is possible. Nonuse of the paretic arm could result from an optimal control strategy aimed at minimising effort and maximising upper limb function in the presence of muscle weakness and impaired intermuscular coordination. To test this hypothesis, we conducted several studies in healthy young and elderly participants and stroke patients using upper limb motor tasks (seated reaching, circular steering). Our results showed that when healthy seated participants were asked to reach a target placed in front of them while holding a heavy dumbbell, they leaned forward to perform the task. When instructed to minimise trunk compensation, healthy participants were able to reduce compensation at the cost of increased shoulder muscle activation and greater perceived effort. This shows that it is possible to induce shoulder-elbow nonuse (proximal arm nonuse) in healthy subjects without requiring a learning phase. Conversely, by lightening the arm of post-stroke patients, they decreased their mandatory and non-mandatory trunk compensations, thereby spontaneously increasing arm use. A detailed analysis revealed that the nonuse strategy, by favouring compensations, avoids excessive muscle activations due to shoulder weakness and thus reduces the perceived effort. In addition, by reducing motor variability through reduced muscle activation and improving movement control through increased reliance on the less affected trunk, the proximal arm nonuse strategy also improves motor control of paretic arm movements and overall upper limb function in stroke patients. Consequently, both mandatory and non-mandatory compensations are highly adaptive, increasing when the target is smaller, or conversely decreasing when the target is higher (a higher target making trunk compensations less useful or even counterproductive). We also demonstrated a correlation between paretic limb impairment, motor and brain compensations, confirming that motor and brain compensations arise to compensate for motor deficits. Finally, we demonstrated that, within an optimal control approach, only a cost function that accounts for actual joint strength reserves can accurately model trunk compensations and predict proximal arm nonuse in the presence of shoulder strength deficit. These results suggest that the strategy of nonuse of the paretic limb in post-stroke patients is, at least in part, an optimal solution to reduce effort and improve motor function. We propose a method for identifying patients who would benefit most from interventions aimed at reducing compensations (CIMT, TRMT) and discuss the role of specific shoulder strength training in improving arm use in post-stroke patients.