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Les troubles du contrôle postural (TCP) sont une cause majeure d’invalidité dans la maladie de Parkinson (MP) au stade évolué et sont fréquemment associés aux RBD (REM sleep behavior disorders). Les substrats anatomiques des TCP sont mal connus. Ils reposent en partie sur des lésions de la région locomotrice mésencéphalique (noyau pédonculopontin-PPN et noyau cunéiforme), également impliquée dans le contrôle du sommeil/vigilance et oculomoteur. Les saccades oculaires sont un modèle de contrôle moteur dont la quantification est robuste et les réseaux largement élucidés. Dans la MP au stade évolué, il existe une altération des saccades volitionnelles qui pourrait être associée aux TCP. Des dysfonctions des sous-réseaux du PPN pourraient participer à la survenue des TCP, du sommeil/vigilance et oculomoteurs.Notre objectif est de préciser les corrélats physiologiques et anatomo-fonctionnels des TCP, et le substrat de l’association clinique entre TCP et RBD dans la MP. Nous confrontons l’étude de l’initiation du pas (ajustements posturaux anticipatoires-APA) et d’autres tests de marche-équilibre à l’étude des saccades, et analysons les réseaux locomoteurs, de vigilance et oculomoteurs du PPN en IRM fonctionnelle. Nous montrons pour la première fois que les patients avec instabilité posturale ont un allongement de la latence des antisaccades et de la durée des APA, inter-corrélés. La durée des APA est corrélée aux anomalies de connectivité fonctionnelle entre le PPN et la SMA/préSMA. La présence de RBD est sous-tendue par des anomalies du réseau PPN-cortex cingulaire antérieur. L’allongement de la latence des antisaccades est associé à une désorganisation du réseau PPN-FEF. / Postural control (PC) impairment is a major cause of disability in Parkinson’s Disease (PD) and is frequently associated with RBD (REM-sleep behavior disorders-RBD). The networks underlying PC impairment in PD are not well known. They include lesions of the mesencephalic locomotor region (pedunculopontine nucleus-PPN, and cuneiform nucleus), which is also involved in the control of sleep/vigilance. Saccades are a model of motor control, their quantification is reliable and their networks have been largely elucidated. PD patients at evolved stages have predominant volitional saccades alterations which could be associated with some aspects of postural control disorders. Dysfunctions of specific PPN networks could be involved in PC impairment, sleep/vigilance and oculomotor disorders. Our goal is to specify the neurophysiological and anatomo-functional correlates of postural control impairment and to specify the substrates underlying the co-occurrence of postural control disorders and RBD in PD. We confront the study of gait initiation (anticipatory postural adjustments-APA) with the antisaccades paradigm, and we analyze the PPN functional locomotor, vigilance and oculomotor networks. We show for the first time that PD patients with postural instability have prolonged antisaccades latencies and APA duration, and that these disorders are intercorrelated. APA duration is correlated with PPN-SMA/préSMA functional connectivity abnormalities, the presence of RBD is associated with disruptions in the PPN-anterior cingular cortex network and prolonged antisaccade latencies are possibly underlined by PPN-FEF functional disorganization.

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La fatigue musculaire est un phénomène transitoire communément expérimenté dans la vie quotidienne. Principalement associée à un déficit de production de force, elle s’accompagne également d’une augmentation de l’effort mental à fournir pour déployer un niveau de force particulier. L’augmentation du taux de décharge des afférences nociceptives de petit diamètre (groupes III et IV) lors de contractions fatigantes modifie l’expression des commandes motrices – notamment en raison de processus inhibiteurs associés à leur intégration aux niveaux spinal et supraspinal – ce qui affecte finalement la production motrice. C’est la raison pour laquelle une intention motrice similaire avec et sans fatigue se traduira par des formes gestuelles différentes. Une problématique qui n’a jusque-là jamais été abordée dans la littérature concerne la capacité du Système Nerveux Central (SNC) à anticiper les effets de la fatigue musculaire de façon prédictive. Cette capacité prédictive sera étudiée dans ce travail de thèse au moyen de paradigmes expérimentaux faisant intervenir des processus de contrôle prédictifs de la posture, i.e. les Ajustements Posturaux Anticipés (APAs). Du fait que de nombreux travaux montrent que les APAs sont modulés en fonction des caractéristiques mécaniques du mouvement à venir, l’altération des capacités des muscles focaux grâce à des protocoles de fatigue maîtrisés nous a permis d’apprécier la capacité du SNC à en prédire les effets. Nous verrons que cette capacité est condition-dépendante, à savoir qu’elle dépend de la nature des contractions effectuées (volontaires vs. électro-induites) et du niveau de contraintes cognitives et temporelles imposées lors de la préparation du mouvement / Muscle fatigue is a transient and commonly experienced phenomenon. It is mainly associated with loss of force and leads to higher effort to produce a particular force level. The increased discharge rate of the nociceptive afferents (group III and IV) during fatiguing contractions alters motor command expression and finally motor production. An issue that has never been addressed in the literature is the Central Nervous System (CNS) capacity to anticipate muscle fatigue effects in a predictive fashion. This predictive capacity will be investigated thanks to experimental paradigms involving postural predictive processes of control, namely Anticipatory Postural Adjustments (APAs). Because numerous works show that APAs are modulated as a function of the mechanical properties of the upcoming movement, the induction of muscle fatigue at the levels of the focal muscles allowed us to appreciate the CNS capacity to predict muscle fatigue effects. We will demonstrate that this capacity is condition-dependent, i.e. it depends on the nature of the fatiguing contractions performed (voluntary vs. electro-induced) and on the level of cognitive and temporal constraints during movement preparation

Résumé : L’objectif de cette thèse était d’investiguer l’influence des émotions sur l’organisation biomécanique de mouvements volontaires complexes, c’est-à-dire mobilisant l’ensemble du corps. L’effet des émotions a été testé par le biais de l’hypothèse de la direction motivationnelle selon laquelle 1) les stimuli plaisants faciliteraient les comportements d’approche et perturberaient les comportements d’évitement et 2) les stimuli déplaisants faciliteraient les comportements d’évitement et perturberaient les comportements d’approche. Deux modèles expérimentaux du mouvement complexe ont été choisis : l’initiation du pas vers l’avant et vers l’arrière (étude 1) et l’élévation latérale de la jambe (études 2 à 4). Les émotions étaient manipulées en exposant les participants à des images de l’International Affective Pictures System (induisant des émotions plaisantes et déplaisantes, étude 1) et en plaçant les participants au bord d’une plateforme surélevée (induisant une peur de chuter, études 2 à 4). Les mouvements étaient réalisés sur une plateforme de force (études 1 à 3). La cinématique du mouvement de la jambe oscillante était enregistrée grâce au système de capture de mouvements VICON (études 2 et 3). Les paramètres psychologiques (dimension de valence et d’activation des émotions, peur de chuter) étaient évalués grâce à des questionnaires. Les résultats de la première étude ont montré que les émotions plaisantes facilitaient les comportements d’approche (en termes de réactivité) et perturbaient les comportements d’évitement (en termes de vitesse du centre des masses lors des ajustements posturaux anticipateurs (APA) associés à un pas vers l’arrière), comparativement aux images déplaisantes et neutres. Cependant ces images semblaient aussi pouvoir perturber les comportements d’approche (en termes de pic de vitesse du centre des masses lors de l’exécution du pas vers l’avant). Les résultats de la deuxième étude ont démontré que les comportements d’approche envers la menace posturale (c’est-à-dire le vide) étaient perturbés (en termes d’amplitude et de durée des APA), comparativement aux comportements d’évitement. La troisième étude s’est ensuite intéressée à l’existence de différences interindividuelles dans la relation entre la menace posturale (et donc la peur de chuter) et l’organisation du mouvement volontaire. Les résultats ont révélé que la confiance en l’équilibre était un facteur de protection à la menace posturale. Ainsi, les participants reportant une forte confiance en leur équilibre étaient moins perturbés par la menace posturale que les participants reportant une faible confiance en leur équilibre. Enfin, la quatrième étude a cherché à expliquer l’existence de ces différences interindividuelles. Les résultats ont montré que l’estime globale de soi pouvait expliquer une partie de ces différences. En conclusion, les résultats de cette Thèse ne semblent confirmer que partiellement l’hypothèse de la direction motivationnelle. Pris ensemble, ces résultats ont permis d’améliorer la compréhension des processus sous-jacents à l’influence des émotions sur l’organisation du mouvement volontaire.Mots clés : Ajustements Posturaux Anticipateurs, Approche-Évitement, Contrôle Moteur, Émotions, Hypothèse de la Direction Motivationnelle / The aim of this thesis is to investigate the influence of emotions on the planning and execution of whole body voluntary movement. The effect of emotions was test thanks to the motivational direction hypothesis which supposed that 1) pleasant stimuli should facilitate approach and perturb avoidance behaviors. 2) Unpleasant stimuli should facilitate avoidance and perturb approach behaviors. Two experimental protocols have been chosen to pursue the investigation: Forward and backward gait initiation (study 1) and lateral elevation of the leg (studies 2-4). The emotions were manipulated by exposing the subjects to pictures of the International Affective Pictures System (inducing pleasant and unpleasant emotions, study 1) and by placing the subjects at the edge of an elevated platform (inducing fear of falling). Movements were performed on force platform (studies 1-3). Kinematic parameters of leg movement were recorded by the system of motion capture VICON (studies 2 and 3). Psychological parameters (valence and arousal dimensions of emotions fear of falling) were assessed by questionnaires. Results of the first study showed that pleasant pictures facilitated approach behaviors (as observed in the reactivity) and perturbed avoidance behaviors (as observed in the velocity of centre of mass during anticipatory postural adjustment (APA) prior to the execution of a backward step), compared to unpleasant or neutral pictures. However, these pleasant pictures also perturbed approach behaviors (as observed in the peak of centre of mass velocity during the execution of a forward step). Results of the second study showed that approach behaviors toward the postural threat (i.e, the void) were perturbed (as observed in the amplitude and duration of APA), compared to avoidance behaviors. The third study focused on the inter-individual differences in the relation between postural threat and organization of movement. Results revealed that balance confidence of the participants dealing with increased postural threat. In other terms, participants reported a high confidence in their own balance control were least perturbed than those reported a low balance confidence and vice versa. Finally, in the fourth study we tried to explain these inter-individual differences. The self-esteem seems to explain these differences. In conclusion, the results of this thesis seem to partially confirm the hypothesis of motivational direction. Put together, the results help improve our general understanding of the influence of emotions on the planning and execution of voluntary movements.Keywords: Anticipatory Postural Adjustments, Approach-Avoidance, Emotions, Motivational Direction Hypothesis, Motor Control

L’objectif général de cette thèse était d’analyser les effets d’une modification expérimentale de la capacité-posturo-cinétique (CPC) sur l’organisation biomécanique de l’initiation de la marche (IM) chez le jeune adulte. L’hypothèse générale était qu’une altération de la CPC a un effet négatif sur la stabilité et/ou la performance motrice et, qu’à l’inverse, une amélioration de la CPC a un effet positif. Pour tester cette hypothèse, trois expérimentations ont été réalisées, chacune ayant pour objet de modifier une composante spécifique de la CPC en lien avec le contexte clinique. Dans une première expérimentation, les effets d’une fatigue bilatérale aigue des Tibialis Anterior, muscles impliqués dans les ajustements posturaux anticipateurs (APA) de l’IM, étaient analysés. Les résultats ont montré que lorsque l’IM était réalisée en condition de fatigue, le recul anticipateur du centre des pressions et la vitesse du centre de gravité lors du décollement du pied étaient réduits, malgré une augmentation de la durée des APA. En conséquence, la performance motrice (vitesse maximale du centre de gravité/longueur du pas) était réduite. Les résultats d’une étude complémentaire ont montré que les sujets restaient cependant capables d’atteindre le même niveau de performance qu’en condition « sans fatigue » lorsque la consigne expérimentale l’exigeait. Dans une deuxième expérimentation, les effets d’une hypomobilité unilatérale du genou induite par un port d’attelle ont été investigués. En condition de port d’attelle, l'amplitude des APA médio-latéraux, ainsi que la stabilité étaient augmentées comparativement à la condition contrôle (IM sans port d’attelle). En revanche, la performance motrice était réduite. Là encore, lorsque la consigne expérimentale l’exigeait, les sujets étaient capables d’atteindre le même niveau de performance motrice qu’en condition contrôle, mais au détriment de la stabilité. Enfin, dans une troisième expérimentation, les effets d’une augmentation de la mobilité de la chaîne posturale, induite par une manipulation vertébrale de type HVLA étaient analysés. Les participants étaient répartis dans groupe expérimental (subissant la manipulation HVLA) et un groupe témoin (subissant une manipulation neutre). Les résultats ont mis en évidence un gain de mobilité du rachis de 20% suite à ce type de manipulation, suggérant une amélioration de la CPC. De façon surprenante, l’amplitude des APA et la performance motrices étaient réduites dans le groupe expérimental uniquement. En conclusion, l’ensemble de ces résultats suggère que lorsque la CPC est modifiée expérimentalement, le SNC priorise la protection corporelle, le maintien de la stabilité posturale ou le maintien de la performance motrice, en fonction de la consigne expérimentale et de la contrainte appliquée au niveau du système musculo-squelettique. / The main objective of this thesis was to assess the effects of an experimental modification of the posturo-kinetic capacity (PKC) on the biomechanical organization of gait initiation (GI) in young adults. The general hypothesis was that an alteration of PKC has a negative effect on stability and / or motor performance and that conversely, an improvement in PKC has a positive effect. To test this hypothesis, three experimentations were conducted. Each of them aimed at modifying a specific component of the PKC related to the clinical context. In a first experimentation, the effects of acute bilateral fatigue of Tibialis Anterior, muscles involved in the anticipatory postural adjustments (APA) of GI, were analyzed. Results showed that when the GI was performed in fatigue condition, the anticipatory backward of the center of pressure as well as the speed of the center of gravity during the detachment of the foot were reduced, despite an increase in the duration of APA. As a consequence, the driving performance (maximum center of gravity speed / step length) was reduced. Results of a complementary study showed that the subjects were nevertheless able to reach the same level of performance as in "no fatigue" condition when the experimental set point required it. In a second experimentation, the effects of unilateral hypomobility of the knee induced by orthosis were investigated. In orthosis condition, both mediolateral APA amplitude and stability were increased, compared to control condition (GI without orthosis). However, motor performance was reduced. Again, when the experimental set point required it, the subjects were able to achieve the same level of motor performance as under control conditions, but to the detriment of stability. Finally, in a third experimentation, the effects of an increase of postural chain mobility induced by HVLA-type (High-Velocity, Low-Amplidude) vertebral manipulation were assessed. The participants were divided into experimental group (with HVLA manipulation) and a sham group (with neutral manipulation). The results showed a spinal mobility gain of 20% following this type of manipulation, suggesting an improvement of the PKC. Surprisingly, APA amplitude and motor performance were reduced in the experimental group only. To conclude, all these results suggest that when PKC is experimentally modified, the CNS prioritizes body protection, maintenance of the postural stability or maintenance of the motor performance, depending on experimental conditions and constraints applied on musculoskeletal system.

L’objectif général de cette thèse était d’investiguer l’organisation posturale de l’initiation de la marche (IM) lors de l’application cumulée de contraintes temporelles et spatiales. L’hypothèse générale était que le système postural, chez le jeune adulte sain, est capable de s’adapter à une variation du degré de contrainte imposé expérimentalement, pour maintenir un niveau de performance motrice et de stabilité invariant. Trois études ont été réalisées pour tester cette hypothèse générale, auxquelles s’est ajoutée une étude de validation de mesure des dimensions de la base de support (BS). L’objectif de la première étude était d’analyser l’effet de la pression temporelle (PT) et de la présence d’un obstacle à franchir sur l’organisation posturale de l’IM. Les résultats ont montré que la durée des ajustements posturaux anticipateurs (APA) était réduite en condition de PT forte comparativement à la condition de PT faible. Cette contrainte n’entrainait cependant pas d’altération de la stabilité et de la performance motrice, vraisemblablement grâce à l’augmentation concomitante de l’amplitude des APA. Par ailleurs, il a été montré que l’enjambement de l’obstacle induisait une augmentation de la durée de la phase oscillante provoquant, de fait, une augmentation potentielle de l’instabilité posturale. Cet effet négatif était cependant contrebalancé par un développement d’APA plus important qu’en condition sans obstacle. Dans cette première étude, la hauteur et la distance à l’obstacle étaient fixes. L’objectif de la deuxième étude était d’analyser l’effet d’une modification des caractéristiques de l’obstacle, combinée à une variation de la contrainte temporelle sur l’organisation posturale de l’IM. Trois hauteurs et distances d’obstacle, et deux niveaux de PT étaient combinés. Pour mettre en évidence le caractère adaptatif de la modulation des caractéristiques des APA en fonction des contraintes spatiotemporelles imposées, un modèle mécanique original du corps humain permettant de formaliser la trajectoire du centre des masses a été élaboré. En accord avec la première étude, les résultats ont montré que la stabilité posturale et la performance motrice demeuraient équivalentes dans les différentes conditions, malgré les larges variations des contraintes imposées. Le modèle mécanique nous a permis de démontrer que cette invariance était liée à la modulation de l’amplitude des APA, témoignant ainsi de l’adaptabilité du système postural aux contraintes imposées. Cette expérimentation a également permis de mettre en évidence de façon fortuite que plus la distance à l’obstacle était importante, plus le pourcentage de pose avant-pied augmentait. L’objectif de la troisième étude était d’analyser l’effet de la pose de pied (avant ou arrière-pied) sur l’organisation posturale de l’IM avec franchissement d’obstacle. Les résultats ont montré que cette organisation posturale dépendait étroitement de la stratégie de pose du pied. Ceux-ci suggéraient l’existence d’une relation d'interdépendance entre les mécanismes de contrôle de l'équilibre de l’IM et la stratégie de pose du pied permettant ainsi, un contrôle optimal de la stabilité. L’objectif de la quatrième étude était de valider la mesure des dimensions de la BS au cours de l’IM à l’aide d’une plateforme de force (méthode dynamique), en prenant pour « gold standard » le système VICON. Les résultats ont montré que la méthode dynamique était suffisamment précise pour pouvoir être comparée au gold standard. En conclusion, l’ensemble de ces résultats suggère que chez le jeune adulte sain, le SNC est capable de moduler de façon adaptative et optimale les mécanismes de contrôle de l’équilibre en fonction des contraintes spatiotemporelles imposées. En termes d’implications cliniques, l’IM avec franchissement d’obstacle serait une méthode de rééducation intéressante aussi bien en évaluation (test-retest) qu’en rééducation où l’obstacle permettrait de proposer une contrainte dosable et reproductible / The main objective of this thesis was to investigate the postural organization of gait initiation (GI) during the application of temporal and spatial constraints. The main hypothesis was that the postural system, in the healthy young adult, is able to adapt to the degree of constraint imposed experimentally, in order to maintain an invariant level of motor performance and stability. Three studies were conducted to test this main hypothesis, with the addition of a validation study measuring the dimensions of the base of support (BOS). The objective of the first study was to analyze the effect of temporal pressure (TP) and the presence (or not) of an obstacle to be cleared on the postural organization of GI. The results showed that the duration of anticipatory postural adjustments (APA) was drastically reduced under the condition of high TP (GI in reaction time) compared to the condition of low TP (GI in self-initiated). This constraint didn’t result in a decrease of stability and motor performance, probably due to the increase in APA amplitude. In addition, it has been shown that clearing an obstacle induces an increase in the duration of the swing phase causing, a potential increase of the postural instability. This negative effect was, however, counterbalanced by the development of more significant APA than without obstacle. In this first study, the height and the distance of the obstacle were fixed. The objective of the second study was to analyze the effect of a modification in the characteristics of the obstacle to be cleared, combined with a variation of temporal constraint on the postural organization of GI. Three heights and three obstacle distances, and two TP levels were combined. To insist on the adaptive character of the characteristics of APA modulation according to the spatiotemporal constraints imposed, an original mechanical model of the human body formalizing the centre of mass trajectory has been elaborated. In agreement with the first study, the results showed that postural stability and motor performance remained equivalent under the different experimental conditions, despite wide variations in the imposed stress level. The mechanical model allowed us to demonstrate that this invariance was related to the amplitude modulation of APA, thereby demonstrating the adaptability of the postural system to imposed constraints. This experiment also highlights "fortuitously" that as the obstacle distance increase, the higher percentage of forefoot strike increase. Also, the objective of the third study was to analyze the effect of the foot strike strategy (front or rear foot) on the postural organization of the GI with an obstacle to be cleared. The results showed that this postural organization was dependent on the swing foot-off strategy. These results suggested the existence of an interdependent relationship between GI's balance control mechanisms and the foot strike strategy, allowing an optimal control of stability. Finally, the objective of the fourth study was to validate the measurement of the BOS dimensions during GI using a force platform (dynamic method), taking the VICON system as gold standard. The results showed that the dynamic method was sufficiently precise to be compared to the gold standard. In conclusion, all of these results suggest that in the healthy young adult, the CNS is able to adaptively and optimally modulate the balance control mechanisms according to the spatiotemporal constraints imposed experimentally. For clinical implications, GI with obstacle to be cleared would be an interesting method of rehabilitation in both test-retest and rehabilitation where the obstacle would provide a measurable and reproducible constraint.

Background: Gait initiation is a major issue in Parkinson’s disease (PD). Moreover, the effect of current treatment on motor deficits vary alongside individual differences and disease severity. In some cases, postural instability has been documented as a major side-effect and refractory symptom to dopaminergic medication. Despite these shortcomings, research involving other forms of therapy including deep brain stimulation (DBS) and transcranial magnetic stimulation (TMS), has evidenced the improvement of postural deficits in PD. In this regard, there is a strong rational for the modulation of subcortical brain activity via the application of non-invasive transcranial direct current stimulation (tDCS) to interconnected cortical brain structures. Purpose: Therefore, we sought to determine the effect of tDCS applied to the supplementary motor area (SMA), on gait initiation preparation and performance in PD. Methods: A within subjects repeated measures quasi-experimental design was used to investigate the effects of a 10-minute sham-controlled tDCS intervention. Clinically diagnosed participants (n=12) with idiopathic PD were tested on medication during two sessions that bookended one week. Those who had previously undergone other forms of brain stimulation, had diabetes, severe freezing of gait, or any other neurological or functional limitations that could interfere with gait initiation were excluded from the study. Statistical Analyses/Results: Two-way repeated measures ANOVAs with Bonferroni corrections and a post-hoc analyses when appropriate, revealed a significant reduction in the magnitude of center of pressure (CoP) displacement and velocity in the mediolateral (ML) direction following tDCS. Conclusions: Findings from this study provide insights that may guide scientific research regarding the effects of tDCS on gait initiation among those with PD. Additionally, our work may highlight the importance of ML postural stability for individuals with comorbid and/or pharmacologically induced postural instabilities.