L'analyse de l'activité électromyographique (EMG) corrélative de l'imagerie motrice (IM) et l'effet de l'entraînement mental sur l'amélioration et le recouvrement de la force musculaire permettent de mieux comprendre les mécanismes nerveux de l'IM et l'importance du contenu de l'image mentale. Une activité EMG subliminale a en effet été enregistrée lors de l'IM, validant l'hypothèse d'une inhibition incomplète de la commande motrice. Elle était modulée selon l'intensité de l'effort mental et le régime de contraction, comme lors d'une contraction physique. Ces données renforcent l'équivalence physiologique entre IM et exécution réelle. Les programmes d'entraînement et de réhabilitation intégrant l'IM s'appuient sur ces données théoriques. L'amélioration de la force musculaire était significativement plus importante suite à un entraînement combinant répétitions physiques et mentales, comparativement à une pratique physique seule, même si l'effet ne concernait que certains groupes musculaires. Ce travail démontre également l'efficacité d'un entraînement par IM, lorsqu'il est associé à des soins de kinésithérapie, après rupture du ligament croisé antérieur ou brûlure de la main. L'IM jouerait un rôle prépondérant dans l'activation des programmes moteurs et faciliterait la récupération fonctionnelle. L'IM peut donc être considérée comme un complément bénéfique aux programmes d'entraînement et de réhabilitation dans le développement et le recouvrement des fonctions motrices

L’analyse de l’activité électromyographique (EMG) corrélative de l’imagerie motrice (IM) et l’effet de l’entraînement mental sur l’amélioration et le recouvrement de la force musculaire permettent de mieux comprendre les mécanismes nerveux de l’IM et l’importance du contenu de l’image mentale. Une activité EMG subliminale a en effet été enregistrée lors de l’IM, validant l’hypothèse d’une inhibition incomplète de la commande motrice. Elle était modulée selon l’intensité de l’effort mental et le régime de contraction, comme lors d’une contraction physique. Ces données renforcent l’équivalence physiologique entre IM et exécution réelle. Les programmes d’entraînement et de réhabilitation intégrant l’IM s’appuient sur ces données théoriques. L’amélioration de la force musculaire était significativement plus importante suite à un entraînement combinant répétitions physiques et mentales, comparativement à une pratique physique seule, même si l’effet ne concernait que certains groupes musculaires. Ce travail démontre également l’efficacité d’un entraînement par IM, lorsqu’il est associé à des soins de kinésithérapie, après rupture du ligament croisé antérieur ou brûlure de la main. L’IM jouerait un rôle prépondérant dans l’activation des programmes moteurs et faciliterait la récupération fonctionnelle. L’IM peut donc être considérée comme un complément bénéfique aux programmes d’entraînement et de réhabilitation dans le développement et le recouvrement des fonctions motrices / Analyzing the electromyographic (EMG) activity accompanying motor imagery (MI) as well as the imagery‐related effects on strength enhancement contributes to a better understanding of the neural mechanisms of MI. Accordingly, the subliminal EMG activity recorded during MI supports the hypothesis of an incomplete inhibition of the motor command during mental rehearsal. Interestingly, the pattern of EMG response was modulated by the mental effort and the imagined contraction type, in the same way as during physical movement. Furthermore, the data provided evidence that MI contributed both to increase muscle strength, though strength gains were not observed in all muscles. Finally, MI was found to facilitate motor recovery following anterior cruciate ligament tear as well as in burned patients. These results confirm that MI should be considered a reliable and costeffective technique to improve motor recovery and motor performance.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La paralysie cérébrale (PC) est un trouble non progressif causé par une lésion cérébrale. La PC survient tôt dans la vie et présente une atteinte hétérogène et une altération fonctionnelle. Chez les personnes atteintes de PC, les modifications du Contrôle neuronal et des muscles entraînent des modifications permanentes de la fonction motrice, entraînant des déficits de mouvement. L'une des raisons des patrons de marche atypiques chez les enfants atteints de PC est l'altération l'activation musculaire. Un niveau anormal d'activation simultanée des muscles agonistes et antagonistes des muscles agonistes et antagonistes entourant une même articulation la même articulation empêche une performance de marche optimale chez les enfants atteints de PC. Ce phénomène est connu sous le nom de co-contraction musculaire (CoM) ou de co-activation musculaire (CaM) dans toutes les études. L'identification des schémas musculaires les plus détériorés, à savoir CoM/CaM, chez les enfants atteints de PC est essentielle pour une rééducation efficace de la marche. L'objectif de ce projet de maîtrise était donc de distinguer CoM/CaM chez les enfants atteints de PC de leurs pairs en développement typique (DT) pendant la marche. Cet objectif a été atteint en deux étapes ; Premièrement, nous avons décrit la CoM/CaM chez les personnes atteintes de PC via la réalisation d'une revue de littérature ; Ensuite, nous avons appliqué nos résultats de la première étape à une étude transversale pour comparer CoM/CaM pendant la marche entre des enfants atteints de CP et de DT. Une revue de littérature suivant la méthodologie en 6 étapes du Joanna Briggs Institute a été effectué. Les bases de données ont été consultées à l'aide de mots-clés pertinents. Toutes les études publiées sur CoM/CaM chez les personnes atteintes de PC pendant la marche ont été recueillies. Après un examen de la pertinence des titres et des résumés, un deuxième examen des textes intégraux des sources par deux examinateurs a été appliqué. Enfin, les données ont été extraites des articles inclus (n=21). Ensuite, à l'étape suivante, les principales méthodes utilisées pour quantifier la MCa identifiées à l'étape précédente ont été codées dans Matlab (The Mathworks Inc., Natick, États-Unis) et appliquées à nos données de 12 enfants atteints de CP et 23 enfants TD. Nous avons comparé le CaM moyen de deux groupes de muscles de la cuisse et de la jambe (Rectus Femoris (RF)/Semitendinosus (ST) et Tibialis Anterior (TA)/Lateral gastrocnemius (LG), respectivement) via des tests t non appariés (ou son équivalent non paramétrique). La revue de littérature a suggéré une CaM plus élevée chez les personnes atteintes de PC par rapport à leurs pairs en bonne santé dans toutes les études. Bien qu'il y ait eu une terminologie et des approches méthodologiques incohérentes, nous avons pu discriminer les terminologies (c'est-à-dire CoM et CaM) en fonction des méthodologies de calcul (c'est-à-dire moment et EMG) utilisées par les études. En outre, cette étude nous a permis de résumer les modèles de CaM chez les individus atteints de PC et d'identifier la relation entre certains des paramètres de marche avec CaM. Enfin, les résultats de cette étude ont révélé des informations précieuses concernant les lacunes de la recherche dans ce domaine. La deuxième étude a identifié une augmentation de la CaM pendant la marche (la foulée entière, la phase d’appuie et la phase oscillante) chez les enfants atteints de PC par rapport à leurs pairs TD. Cette augmentation n'a été observée que dans les muscles de la jambe (pendant la phase d’appuie et la phase oscillante) et dans les muscles de la cuisse (pendant la phase oscillante) lorsque nous avons normalisé les signaux d'électromyographie. Les groupes CP et DT n'avaient pas de CaM différent en utilisant l'EMG normalisé pour l'ensemble de la foulée. Cette différence met en évidence l'effet de la normalisation EMG sur les valeurs de CaM. De plus, les enfants avec le niveau II du système de classification de la fonction motrice globale (SCFMG) avaient un CaM plus élevé dans les muscles de la cuisse pendant le swing que ceux avec le niveau I. Dans l'ensemble, ce projet de maîtrise révèle de nouvelles preuves soutenant une plus grande CaM chez les enfants atteints de PC par rapport à DT pendant la marche. Néanmoins, il est important d'étudier la CaM dans différentes phases de marche car elle affecte la comparaison entre les groupes. En outre, ce projet justifie l'importance de la méthodologie (par exemple, le traitement EMG et le calcul CaM) dans les études CaM. Plus précisément, il est fort probable que les résultats changent avec différentes approches de normalisation EMG. De plus, les enfants atteints de SCFMG I et II peuvent éprouver différents niveaux de CaM pendant la phase oscillante. Davantage de comparaisons dans des recherches futures, telles qu'entre les SCFMG I, II et III dans la PC hémiplégique et diplégique pendant les sous-phases de la marche (le contact initial, le « mid-stance »), peuvent fournir de meilleures informations sur les modèles de CaM dans cette population. / Cerebral palsy (CP) is a nonprogressive disorder caused by a brain injury. CP occurs early in life, before, during, or after birth, and has heterogeneous involvement and functional impairment. In individuals with CP, changes in neural drive and muscles lead to lifelong changes in motor function, leading to movement deficits. One of the reasons for atypical gait patterns in children with CP is altered muscle activation patterns. An abnormal level of simultaneous activation of agonist and antagonist muscles crossing the same joint prevents optimal gait performance in children with CP. This phenomenon is known as muscle co-contraction (MCo) or muscle co-activation (MCa) across studies. Identification of the most deteriorated muscular patterns, namely, MCo/MCa, in children with CP is vital for effective gait rehabilitation. The objective of this master’s project, therefore, was to distinguish MCo/MCa in children with CP from their typically developing (TD) peers during gait. This objective was achieved through two studies; first, we described MCo/MCa in individuals with CP via the conduction of a scoping review; then, we applied our findings to inform a cross-sectional study to compare MCo/MCa during gait between children with CP and TD. A scoping review following the 6-stage Joanna Briggs Institute methodology was conducted. Databases were searched using relevant keywords. All published studies on MCo/MCa in individuals with CP during gait were collected. After title and abstract relevance screening, a second screening for the full texts of the sources by two reviewers was applied. Finally, data were extracted from the included articles (n=21). Then, leading methods used to quantify MCa identified from the previous study were coded in Matlab (The Mathworks Inc., Natick, USA) and applied to our data from 12 children with CP and 23 TD children. We compared the average MCa of two thigh and shank muscle groups Rectus Femoris (RF)/Semitendinosus (ST) and Tibialis Anterior (TA)/Lateral gastrocnemius (LG), respectively, via unpaired t-tests (or its non-parametric equivalent). According to our scoping review, higher MCa in individuals with CP compared to healthy peers across studies was found. Although there were inconsistent terminology and methodological approaches, we could discriminate terminologies (i.e., MCo and MCa) according to the methodologies in the calculation (i.e., moment and EMG) used by studies. Also, this study enabled us to summarize MCa patterns within individuals with CP and identify the effect of the some of the gait parameters on MCa. Finally, the findings of this study revealed valuable information regarding the research gaps in this area. The second study identified increased MCa around the knee and ankle joints for the following muscles (i.e., RF/ST and TA/LG, respectively) during walking (i.e., entire stride, stance, and swing) in children with CP compared to their TD peers. This increase was seen only in shank muscles (i.e., during stance and swing) and in thigh muscles (i.e., during the swing) when we normalized electromyography (EMG) signals. CP and TD groups did not have different MCa using normalized EMG for the entire stride. This difference highlights the effect of EMG normalization on MCa values. Also, children with Gross Motor Function Classification System (GMFCS) level II had higher MCa around the knee during swing than those with level I. Overall, this master’s project reveals new evidence supporting greater MCa in children with CP compared to TD peers during walking. Nevertheless, it is recommended to investigate MCa within different gait phases as it affects the comparison across groups. Also, this project justifies the importance of methodology (e.g., EMG processing and MCa calculation) in MCa studies. More specifically, it is likely that the results alter with different EMG normalization approaches. Moreover, children with GMFCS I and II can experience various levels of MCa during the swing phase. More comparisons in future research, such as between GMFCS I, II, and III in hemiplegic and diplegic CP during gait sub-phases (i.e., initial stance, mid-stance), can provide better information regarding MCa patterns in this population.

Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France) / Les progrès en anesthésie et en réanimation ont pour objectifs la réduction de la durée de surveillance et l'amélioration de la qualité de la récupération. Pour le cas particulier de l'assistance respiratoire, la capacité de surveiller et d'optimiser l'adaptation entre le patient et sa machine d'assistance est déterminante pour la qualité et la conduite des soins. Ce travail de thèse concerne dans sa première partie la mise en place et la validation d'un outil instrumental permettant de caractériser un comportement respiratoire par l'étude cycle à cycle du délai d'activation inspiratoire entre les muscles des voies aériennes supérieures et de la cage thoracique. Cet outil doit prendre en compte les contraintes imposées par le milieu clinique telle qu'une mesure non-invasive des muscles respiratoires. Il repose sur une mesure électromyographique (EMG) de surface des muscles respiratoires. La mesure cycle à cycle et par voie de surface du délai d'activation est un véritable challenge dans un environnement clinique qui est fortement perturbé. La démarche choisie ici est double avec en parallèle : i) La mise en place d'un outil de détection d'évènements menée sous supervision. ii) La définition d'un protocole original sur sujets sains prenant en compte les contraintes cliniques et permettant de valider l'outil et de constituer une base de connaissances pour envisager l'automatisation des procédés dans un travail futur. D'un point de vue physiologique, l'influence de la fréquence respiratoire sur le délai d'activation de l'inspiration n'a pas été étudiée à ce jour. Ce délai a donc été mesuré en condition de normocapnie à différentes fréquences respiratoires imposées par un stimulus sonore. Une étude statistique montre que l'instrument permet de distinguer deux situations physiologiques du protocole expérimental, ce qui en dé- montre la sensibilité. La deuxième partie de ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une optimisation des méthodes de détection de singularités d'intérêt. La solution choisie ici se base sur l'intensité structurelle qui calcule la "densité" de maxima d'ondelettes à différentes échelles et permet une localisation des singularités d'un signal bruité. Une formulation de cet outil qui utilise la transformée de Berkner est proposée. Celle-ci permet le chaînage des maxima d'ondelette afin de positionner précisément les amers du signal. Le filtrage de l'artefact ECG dans l'EMG diaphragmatique sans signal de référence est proposé comme exemple d'application. / Better care in an anaesthesia and critical care could be achieved by reducing monitoring duration and improving the quality of recovery. For the particular case of respiratory assistance, the capacity to track and optimize patient-ventilator synchrony is essential to quality care. As a first step, this thesis adresses the development and validation of an instrument which characterizes respiratory behavior by studying the time lag between onset of upper airway muscles and rib cage muscles, cycle by cycle during respiration. This tool must take into account the constraints imposed by the clinical environment ; measuring respiratory muscles by surface electromyographic measurements (EMG). Measurement of the onset time lag, cycle by cycle and non invasively, is a true challenge in a critical care clinical environment. Here the approach is two-fold : i) The development of a tool for events detection. ii) The definition of an original protocol on healthy subjects. The tool development constitutes a knowledge bases to eventually develop automation of the processes in future work. From a physiological point of view, the influence of respiratory rate on the EMG onset time lag during inspiration has not been studied. Thus we measured this time lag in normocapnia at various respiratory rates imposed by a sound stimulus. Statistically, the instrumental tool can distinguish two physiological situations in this experimental protocol, which confirms its sensitivity. The second step of this thesis is part of an optimization of events detection methods with singularities of interest. The chosen solution is based on structural intensity which computes the "density" of the locations of the modulus maxima of a wavelet representation along various scales in order to identify singularities of an unknown signal. An improvement is proposed by applying Berkner transform which allows maxima linkage to insure accurate localization of landmarks. An application to cancel ECG interference in diaphragmatic EMG without a reference signal is also proposed.

Les progrès en anesthésie et en réanimation ont pour objectifs la réduction de la durée de surveillance et l'amélioration de la qualité de la récupération. Pour le cas particulier de l'assistance respiratoire, la capacité de surveiller et d'optimiser l'adaptation entre le patient et sa machine d'assistance est déterminante pour la qualité et la conduite des soins. Ce travail de thèse concerne dans sa première partie la mise en place et la validation d'un outil instrumental permettant de caractériser un comportement respiratoire par l'étude cycle à cycle du délai d'activation inspiratoire entre les muscles des voies aériennes supérieures et de la cage thoracique. Cet outil doit prendre en compte les contraintes imposées par le milieu clinique telle qu'une mesure non-invasive des muscles respiratoires. Il repose sur une mesure électromyographique (EMG) de surface des muscles respiratoires. La mesure cycle à cycle et par voie de surface du délai d'activation est un véritable challenge dans un environnement clinique qui est fortement perturbé. La démarche choisie ici est double avec en parallèle : i) La mise en place d'un outil de détection d'évènements menée sous supervision. ii) La définition d'un protocole original sur sujets sains prenant en compte les contraintes cliniques et permettant de valider l'outil et de constituer une base de connaissances pour envisager l'automatisation des procédés dans un travail futur. D'un point de vue physiologique, l'influence de la fréquence respiratoire sur le délai d'activation de l'inspiration n'a pas été étudiée à ce jour. Ce délai a donc été mesuré en condition de normocapnie à différentes fréquences respiratoires imposées par un stimulus sonore. Une étude statistique montre que l'instrument permet de distinguer deux situations physiologiques du protocole expérimental, ce qui en dé- montre la sensibilité. La deuxième partie de ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une optimisation des méthodes de détection de singularités d'intérêt. La solution choisie ici se base sur l'intensité structurelle qui calcule la "densité" de maxima d'ondelettes à différentes échelles et permet une localisation des singularités d'un signal bruité. Une formulation de cet outil qui utilise la transformée de Berkner est proposée. Celle-ci permet le chaînage des maxima d'ondelette afin de positionner précisément les amers du signal. Le filtrage de l'artefact ECG dans l'EMG diaphragmatique sans signal de référence est proposé comme exemple d'application. / Better care in an anaesthesia and critical care could be achieved by reducing monitoring duration and improving the quality of recovery. For the particular case of respiratory assistance, the capacity to track and optimize patient-ventilator synchrony is essential to quality care. As a first step, this thesis adresses the development and validation of an instrument which characterizes respiratory behavior by studying the time lag between onset of upper airway muscles and rib cage muscles, cycle by cycle during respiration. This tool must take into account the constraints imposed by the clinical environment ; measuring respiratory muscles by surface electromyographic measurements (EMG). Measurement of the onset time lag, cycle by cycle and non invasively, is a true challenge in a critical care clinical environment. Here the approach is two-fold : i) The development of a tool for events detection. ii) The definition of an original protocol on healthy subjects. The tool development constitutes a knowledge bases to eventually develop automation of the processes in future work. From a physiological point of view, the influence of respiratory rate on the EMG onset time lag during inspiration has not been studied. Thus we measured this time lag in normocapnia at various respiratory rates imposed by a sound stimulus. Statistically, the instrumental tool can distinguish two physiological situations in this experimental protocol, which confirms its sensitivity. The second step of this thesis is part of an optimization of events detection methods with singularities of interest. The chosen solution is based on structural intensity which computes the "density" of the locations of the modulus maxima of a wavelet representation along various scales in order to identify singularities of an unknown signal. An improvement is proposed by applying Berkner transform which allows maxima linkage to insure accurate localization of landmarks. An application to cancel ECG interference in diaphragmatic EMG without a reference signal is also proposed. / Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France)