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

Quel rôle joue la gravité dans les représentations internes de l'action ? Au-delà des contraintes d'équilibre, le vecteur gravitaire influence-t-il l'action de façon globale, jusqu'à la perception des mouvements de nos semblables ? Ces questions ont été celles qui ont guidé mes travaux de thèse. L'originalité de notre approche a été de placer l'exécution et la perception de l'action dans un « continuum fonctionnel » s'articulant autour des représentations internes de l'action. Pour ce faire, l'outil de choix qui est commun aux trois expériences de cette thèse est la microgravité (0G). Les expériences de cette thèse ont montré que les représentations internes de l'action se nourrissaient des informations graviceptives pour se construire et s'adapter constamment. Cependant, dans certaines conditions telle que la 0G à court terme, apparaît un ordre de priorité. En effet, le SNC est capable de mettre en place des solutions immédiates et efficaces pour l'exécution, comme en témoigne la repondération sensorielle rapide qui s'opère en 0G dans une tâche d'orientation posturale. Cependant, un temps de latence est observé dans la recalibration des modèles internes sur la base des afférences sensorielles fortement perturbées. C'est ce que nous avons montré grâce à un protocole d'imagerie motrice, mettant en évidence une perte de l'isochronie entre les mouvements exécutés et imaginés en 0G. Enfin, nous avons mis en évidence, chez des sujets sans expérience aucune de microgravité, que la perception du mouvement humain est efficace même lorsque ce dernier est exécuté en apesanteur, bien que des réseaux cérébraux différents soient mis en jeux. / What is the role of gravity in the internal representations of action? Beyond the constraints of balance, does the gravity vector influence the action globally, up to the perception of our peers' movement? These issues have guided my thesis work. The originality of our approach was to place the execution and the perception of action in a "functional continuum" built around the internal representations of the action. To do this, the tool of choice, that is common to all three experiments presented here, is microgravity (0G). The experiments of this thesis showed that the internal representations of action are fed with graviceptive information to build and adapt constantly. However, under certain conditions such as short-term 0G, an order of priority appears. Indeed, the CNS is able to implement immediate and effective solutions, as we demonstrate it with the fast sensorial reweighting observed during a postural orientation task. However, a lag is observed in the recalibration of internal models based on sensory inputs severely disrupted. This is what we have shown through a protocol of motor imagery, showing a loss of isochrony between executed and imagined movements under 0G. Finally, we have demonstrated in subjects without any experience of microgravity, that the perception of human movement is effective even when it is performed in weightlessness, although different cerebral networks are involved.

Les travaux portant sur l’imagerie motrice (IM) ont montré l’identité des processus de production réelle et de représentation mentale du mouvement. Diverses voies expérimentales incluant la chronométrie mentale, les indices physiologiques (dont ceux issus de la neuroimagerie) ont été utilisées pour montrer que la représentation mentale de l’action repose sur les mêmes mécanismes que la préparation motrice et agirait sur la plasticité cérébrale. Le rôle de l’IM dans l’amélioration et l’apprentissage du mouvement, la récupération motrice après une lésion des effecteurs musculo-articulaires a été démontré chez le sujet sain. L’entraînement mental pourrait donc être intégré dans les protocoles thérapeutiques suite à une lésion centrale ou périphérique. Si plusieurs expériences ont montré son efficacité lorsqu’il est pratiqué après un accident vasculaire cérébral, aucune étude n’a porté sur son rôle dans la réadaptation fonctionnelle du patient médullo-lésé. L’hypothèse est que l’entraînement par IM associé à la rééducation classique peut facilement être intégrer dans les protocoles de réadaptation de ces patients et favoriserait la récupération et l’amélioration de la préhension chez les patients tétraplégiques / The mental representation of movement may help motor functions recovery after central or peripheral stroke. There is now ample evidence that motor performance and learning ma benefit from mental rehearsal in healthy subjects. However, whether the ability to perform motor imagery is preserved after spinal cord injury, the effectiveness of mental rehearsal on prehension rehabilitation has to be questioned. The review of relevant literature about motor imagery and rehabilitation show that integrating mental practice into the rehabilitation process may be a reliable tool. Traditional stroke rehabilitation therapies are usually based upon actual movement aimed at improving motor functions. However, this may be limited by muscle spasticity, muscle weakness, or persistent deficit in movement coordination. As motor imagery and actual movement share the same neural substrate, mental rehearsal may serve motor rehabilitation by involving cerebral plasticity and thus facilitating recovery. More specifically, it will be useful to elaborate guideline of mental practice in rehabilitation. Additional clinical issues, including brain mapping studies, need to be performed

L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer les bénéfices thérapeutiques d’un entraînement par imagerie motrice chez les patients ayant subi une prothèse totale de genou unilatérale. Combiner l’imagerie motrice avec la physiothérapie classique a permis de diminuer la douleur et d’augmenter la force du quadriceps durant la phase aiguë, au 1er mois postopératoire. Durant la phase chronique, au 6ème mois postopératoire, l’imagerie motrice permettrait de corriger l’asymétrie de la marche, d’une part en augmentant la force du quadriceps ipsilatéral et, par conséquent, en accentuant la charge sur le genou opéré, et d’autre part en augmentant la flexion maximale du genou durant la phase oscillante. L’imagerie motrice pourrait également aider les personnes âgées après la prothèse totale du genou à monter les escaliers plus rapidement, en toute sécurité. Cela peut atténuer le risque de chute dans les escaliers et, par conséquent, diminuer la fréquence des blessures graves. En conclusion, intégrer l’imagerie motrice dans les programmes de rééducation après prothèse totale du genou primaire unilatérale est pertinent et prometteur / The primary aim of the present work was to determine the therapeutic benefits of a specific motor imagery training. Combining motor imagery with classical physical therapy was found to be effective in reducing pain and increasing quadriceps strength after total knee arthroplasty during the acute phase at the first month postoperatively. During the chronic phase, at the 6th month postoperatively, motor imagery might contribute to correct the asymmetry of gait by increasing the strength of the ipsilateral quadriceps and, consequently accentuating the weight loading on the operated knee, as well as by improving knee proprioception through an increase in the maximum knee flexion during the swing phase. MI might also help elderly people after total knee arthroplasty to climb stairs more quickly, easily, and safely. This could attenuate the risk of falls on stairs, and consequently decrease the frequency of major injuries. In summary, the integration of motor imagery in clinical rehabilitation programs after primary unilateral total knee arthroplasty is relevant and promising

Le membre fantôme correspond à la persistance de perceptions sensitives et motrices attribuées au membre amputé. Des douleurs chroniques parfois invalidantes ainsi que des capacités d'évocation de mouvements dans le membre absent sont fréquemment rapportées. Très peu connue, cette motricité résiduelle est souvent considérée comme de l'imagerie motrice. Le premier objectif de cette thèse est de réinterroger le statut psychologique des mouvements de membre fantôme. Le second objectif est d'étudier le lien entre le contrôle moteur dans le membre fantôme et les réorganisations corticales dans le cortex moteur du sujet amputé. Au moyen de tests comportementaux et d'examens en Imagerie par Résonnance Magnétique fonctionnelle (IRMf), ces travaux de thèse ont permis de dissocier expérimentalement une forme de perceptions kinesthésiques associée à de l'imagerie motrice et une autre forme associée à de l'exécution motrice dans le membre fantôme. Cette distinction repose à la fois sur des différences de performances et sur le recrutement de régions cérébrales partiellement distinctes. Au-delà de cette distinction physiologique, les résultats obtenus suggèrent que les mouvements de membre fantôme s'apparentent à une forme d'exécution motrice plutôt qu'à de l'imagerie motrice. A travers le modèle du membre fantôme, ce travail aborde donc la question de la nature des informations menant à la perception d'un mouvement comme étant " exécuté ". Les altérations du fonctionnement cortical mises en évidence chez l'amputé peuvent représenter un modèle d'étude intéressant des différents mécanismes physiopathologiques relevés dans des situations de déficiences liées à une forme de plasticité " maladaptative ". Les observations cliniques et les examens en neuroimagerie menés au cours de cette thèse dressent en effet, un modèle relativement cohérent de l'organisation fonctionnelle du cortex après amputation. En particulier, l'existence d'un lien entre les réorganisations fonctionnelles au sein du cortex moteur et la qualité du contrôle moteur résiduel dans le membre fantôme permet de mieux comprendre les mécanismes sur lesquels reposent certaines thérapies antalgiques, comme les thérapies visuomotrices

L’objectif de ce travail était d’apporter des données encore inconnu sur la relation entre les corrélats neurophysiologiques de l’action et la représentation mentale. Un ensemble de six expérimentations ont été menées. Celles-ci nous ont permis de mieux comprendre les modalités d’utilisation de l’imagerie motrice qu’elle soit concomitante ou réaliser après la pratique réelle. Les effets de la pratique physique sur la capacité d’utilisation de l’imagerie motrice ont aussi été explorés. Nos résultats montrent que l’imagerie motrice est très efficace, qu’elle soit pratiquée de manière concomitante à la pratique réelle ou après celle-ci lorsque la fatigue physique est importante. Nous démontrons que des capacités d’imagerie élevées ne sont pas systématiquement reliées à une amélioration de la performance. De manière inédite nous démontrons que la pratique réelle peut–être bénéfique pour la capacité d’imagerie motrice d’une habilité fortement automatisée. De plus, des sessions de pratique physique prolongées et intermittentes semblent plus perturber la capacité d’imagerie motrice qu’une pratique continue. L’ensemble de ces résultats est une contribution importante aux connaissances relatives à l’utilisation de l’imagerie motrice dans la réhabilitation ou encore dans la pratique physique / The main purpose of the present work was to add substantial data regarding the psychophysiological correlates of action with respective mental representation. A total of six experimental protocols were developed to understand the mechanisms of using motor imagery concomitant and after actual practice, and the effects of exercise on motor imagery ability. According to our findings, motor imagery can very be usefull when performed concomitant with actual practice and even after an exercise session, when fatigue is most present. We demonstrate that higher levels of motor imagery ability are not always linked with greater performance enhancement. Unprecedentedly, we reported that an exercise session might even be beneficial for motor imagery ability of high-automated task. In addition, prolonged intermittent exercise session are more likely to impair motor imagery ability in comparison with continuous exercise. These findings are of special interest of sports coaches and rehabilitation professionals, which usually incorporate motor imagery into their physical training sessions

L'imagerie motrice, ou représentation interne d'un mouvement, est une technique d'entraînement mental ayant la particularité d'impacter la plasticité cérébrale activité-dépendante. La pertinence de son intégration au sein des programmes de rééducation fonctionnelle a été validée par de nombreuses études expérimentales, tout particulièrement pour les personnes victimes d'un accident vasculaire cérébral ou d'une lésion de la moelle épinière. Les résultats obtenus par ce travail de thèse élargissent l'éventail des populations pouvant bénéficier de cette approche en validant la faisabilité et en précisant les conditions optimales de l'intégration de l'imagerie motrice dans le cadre de la rééducation de personnes amputées du membre inférieur. Nous rapportons également des résultats préliminaires prometteurs quant à ses effets sur le recouvrement de leurs capacités locomotrices. Les données montrent que le travail en imagerie motrice devrait être spécifique aux mouvements fonctionnels bilatéraux et que, sous réserve d'une prochaine validation auprès de cette population, l'imagerie motrice de tâches posturales ainsi que l'utilisation conjointe de la stimulation transcrânienne à courant continu, devraient permettre de maximiser son pouvoir d'action sur le recouvrement de la locomotion de personnes amputées du membre inférieur / Motor imagery, which refers to the internal representation of a movement, has the potential to impact activity-dependent plasticity. The relevance of motor imagery, as a technique allowing substantial motor performance gains and motor recovery in the field of rehabilitation, has been validated by numerous experimental studies in stroke patients and persons suffering from spinal cord injury. By highlighting the possibility of integrating motor imagery within the framework of lower-limb amputees’ rehabilitation programs, and revealing promising preliminary data regarding locomotion recovery, the results of this thesis broaden the range of people which might benefit from this technique. Data further suggest that motor imagery should specifically focus on functional and bilateral tasks, and that concomitant use of transcranial direct current stimulation should contribute to potentiate the impact of motor imagery on locomotion recovery of lower-limb amputees

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.

L’imagerie motrice est la capacité à se représenter mentalement une action sans production concomitante de mouvement. Son efficacité reste assujettie au respect de nombreuses règles de pratique, parmi lesquelles la capacité à atteindre l'équivalence temporelle entre mouvements réels et imaginés. Les résultats de ce travail montrent que modifier la vitesse des mouvements imaginés se répercute sur la vitesse d’exécution réelle. De tels effets seraient toutefois modulés en fonction des exigences du mouvement imaginé. Le niveau d'expertise et le choix de stratégies individuelles relatif à la nature de la discipline sportive ont également un effet sur la durée des mouvements imaginés. Enfin, nos résultats démontrent que la capacité à préserver les caractéristiques temporelles du mouvement pendant l’imagerie est meilleure lorsque l’imagerie est effectuée avec un éveil physiologique proche de celui de la pratique réelle. Ces résultats sont discutés au regard du contexte de pratique de l'imagerie dans les activités physiques et sportives et sont confrontés aux travaux soulignant l’importance de recourir à des enregistrements physiologiques et d’étudier le degré de similitude entre pratique physique et imagerie motrice / Motor imagery resembles perceptual experience, but occurs in the absence of the appropriate external stimuli. Performing imagery efficiently requires some rules and conditions of practice to ascertain its effectiveness. The ability to reach temporal equivalence between actual and imagined movements, and the duration of mentally simulated actions should be correlated with the time taken to execute the same movement. The results of this work first showed that the effects of voluntarily changing imagery duration can alter the speed of the subsequent motor performance, but this effect is somewhat taskrelated. Both expertise level and individual strategies were also found to have an effect on temporal equivalence and are dependent on the specificities of the motor skills. Finally, chronometric data showed that the ability to reach the temporal equivalence between actual and imagined times is significantly greater for both the active and the basal imagery conditions, than when performed following relaxation. These results are discussed along the lines of practical application of imagery in sport. Also, characteristics of imagery experiences are studied reviewing the use of physiological recordings in relation to its accuracy and to the degree of similarity between actual motor performance and motor imagery

Ce travail de thèse visait à étudier les effets de l'immobilisation de courte durée d'un membre sur les processus cognitifs impliqués dans la planification et le contrôle des mouvements. Précisément, nous avons examiné l'impact d'une immobilisation de courte durée du membre supérieur (main droite ou gauche) sur la représentation mentale des actions de ce membre. Pour cela, nous avons eu recours à une tâche d'imagerie motrice implicite (rotation mentale de stimuli corporels), en partant du principe qu'un ensemble de processus cognitifs similaires sont sollicités que l'action soit réellement ou simplement simulée. Nos résultats indiquent que l'inactivité physique modifie le fonctionnement des processus cognitifs permettant la réalisation et l'optimisation des actions. L'immobilisation de courte durée du membre supérieur altère la capacité des sujets à se représenter mentalement des actions. L'effet de ces perturbations (changement de stratégie d'imagerie, transfert inter-membre…) peut varier d'un individu à l'autre, ainsi qu'en fonction des contraintes de la tâche d'imagerie implicite et de la durée de l'immobilisation. Un second objectif visait à examiner le potentiel de l'imagerie motrice explicite pour réactiver le système sensorimoteur suite à la période d'immobilisation de la main. Nous montrons qu'une pratique mentale en imagerie motrice kinesthésique pendant la période d'immobilisation permet de contrecarrer les perturbations fonctionnelles induite par la restriction d'exercice. / The present thesis focused on the effects of short-term limb immobilization on the cognitive level of action control. Especially, we examined the influence of short-term upper-limb immobilization (right or left-hand) on the mental representation of action. To this aim, an implicit motor imagery task (mental rotation of body-stimuli) was used, assuming similar processes between motor simulation and motor execution. Results showed that physical inactivity affects the cognitive processing of action. Short-term upper-limb immobilization impaired the ability to mentally represent action. The immobilization-induced effects (switch from a motor to a visual imagery strategy, inte-limb transfer…) may vary from one individual to another, and may depend on the constraints of the implicit imagery task or with the period of immobilization (24h vs. 48h). A second aim of this thesis was to examine the potential of explicit motor imagery to reactivate the sensorimotor system after the period of sensorimotor restriction. We showed that kinesthetic imagery practice during the period of immobilization can counteract the functional impairment induced by sensorimotor restriction.