No / The ability to successfully negotiate stairs and steps is an important factor for functional independence. While work has been undertaken to understand the biomechanics of gait in lower-limb amputees, little is known about how amputees negotiate stairs and steps. This study aimed to determine the mechanics of landing in unilateral lower-limb amputees when stepping down to a new level. A secondary aim was to assess the effects of using a shank-mounted shock-absorbing device (Tele-Torsion Pylon) on the mechanics of landing. Methods Ten unilateral amputees (five transfemoral and five transtibial) and eight able-bodied controls performed single steps down to a new level (73 and 219 mm). Trials were repeated in amputees with the Tele-Torsion Pylon active and inactive. The mechanics of landing were evaluated by analysing peak limb longitudinal force, maximal limb shortening, lower extremity stiffness, and knee joint angular displacement during the initial contact period, and limb and ankle angle at the instant of ground-contact. Data were collected using a Vicon 3D motion analysis system and two force platforms. Findings Amputees landed on a straightened and near vertical limb. This limb position was maintained in transfemoral amputees, whereas in transtibial amputees knee flexion occurred. As a result lower extremity stiffness was significantly greater in transfemoral amputees compared to transtibial amputees and able-bodied controls (P < 0.001). The Tele-Torsion Pylon had little effect on the mechanics of landing in transtibial amputees, but brought about a reduction in lower extremity stiffness in transfemoral amputees (P < 0.05). Interpretation Amputees used a stepping strategy that ensured the direction of the ground reaction force vector was kept anterior of the knee joint centre. Using a Tele-Torsion Pylon may improve the mechanics of landing during downward stepping in transfemoral amputees.

Yes / Descending kerbs during locomotion involves the regulation of appropriate foot placement before the kerb-edge and foot clearance over it. It also involves the modulation of gait output to ensure the body-mass is safely and smoothly lowered to the new level. Previous research has shown that vision is used in such adaptive gait tasks for feedforward planning, with vision from the lower visual field (lvf) used for online updating. The present study determined when lvf information is used to control/update locomotion when stepping from a kerb. Methodology/Principal Findings: 12 young adults stepped down a kerb during ongoing gait. Force sensitive resistors (attached to participants' feet) interfaced with an high-speed PDLC 'smart glass' sheet, allowed the lvf to be unpredictably occluded at either heel-contact of the penultimate or final step before the kerb-edge up to contact with the lower level. Analysis focussed on determining changes in foot placement distance before the kerb-edge, clearance over it, and in kinematic measures of the step down. Lvf occlusion from the instant of final step contact had no significant effect on any dependant variable (p>0.09). Occlusion of the lvf from the instant of penultimate step contact had a significant effect on foot clearance and on several kinematic measures, with findings consistent with participants becoming uncertain regarding relative horizontal location of the kerb-edge. Conclusion/Significance: These findings suggest concurrent feedback of the lower limb, kerb-edge, and/or floor area immediately in front/below the kerb is not used when stepping from a kerb during ongoing gait. Instead heel-clearance and pre-landing-kinematic parameters are determined/planned using lvf information acquired in the penultimate step during the approach to the kerb-edge, with information related to foot placement before the kerb-edge being the most salient.

No / When stepping down from one level to another, the leading limb has to arrest downward momentum of the body and subsequently receive and safely support bodyweight before level walking can begin. Such step downs are performed over a wide range of heights and predicting when and where contact between the landing limb and the lower level will be made is likely a critical factor. To determine if visual feedback obtained after movement initiation is habitually used in guiding landing behaviour, the present study determined whether pre-landing kinematics and the mechanics of landing would be modulated according to the type of visual feedback available during the stepping down phase. Ten healthy participants (32.3 ± 7.9 years) stepped, from a standing position, down from three different heights onto a forceplatform, either coming immediately to rest or proceeding directly to walking across the laboratory. Repeated trials were undertaken under habitual vision conditions or with vision blurred or occluded 2¿3 s prior to movement initiation. Pre-landing kinematics were assessed by determining, for the instant of landing, lead-limb knee and ankle angle, stepping distance, forwards positioning of the body CM within the base of support and the forwards and downwards body CM velocity. Landing mechanics for the initial contact period were characterized using lead limb vertical loading and stiffness, and trail limb un-weighting. When vision was occluded movement time, ankle plantarflexion and knee flexion were significantly increased compared to that determined for habitual vision, whereas forwards body CM positioning and velocity, vertical loading and stiffness, and trail limb un-weighting, were significantly reduced (p < 0.05). Similar adaptations were observed under blurred conditions, although to a lesser extent. Most variables were significantly affected by stepping task and step height. Subjects likely reduced forwards CM position and velocity at instant of landing, in order to keep the CM well away from the anterior border of the base of support, presumably to ensure boundary margins of safety were high should landing occur sooner or later than expected. The accompanying increase in ankle plantarflexion at instant of landing, and increase in single limb support time, suggests that subjects tended to probe for the ground with their lead limb under modified vision conditions. They also had more bodyweight on the trail limb at the end of the initial contact period and as a consequence had a prolonged weight transfer time. These findings indicate that under blurred or occluded vision conditions subjects adopted a cautious strategy where by they ¿sat back¿ on their trail limb and used their lead limb to probe for the ground. Hence, they did not fully commit to weight transfer until somatosensory feedback from the lead limb confirmed they had safely made contact. The effect of blurring vision was not identical to occluding vision, and led to several important differences between these conditions consistent with the use of impoverished visual information on depth. These findings indicate that online vision is customarily used to regulate landing behaviour when stepping down.

Le système locomoteur relativement simple du pétoncle en fait un modèle animal idéal pour étudier les liens entre la performance locomotrice et les différentes composantes du système locomoteur. Cinq espèces de pétoncles (Amusuim balloti, Placopecten magellanicus, Pecten fumatus, Mimachalmys asperrima, Crassadoma gigantea), présentant une morphologie de la coquille et un comportement de nage variés, ont été comparées au niveau du comportement de nage, des capacités métaboliques du muscle adducteur, des propriétés mécaniques du ligament et de la morphologie de la coquille et du muscle adducteur. Les mesures de force lors d’une réponse de fuite simulée ont révélé que l’utilisation des deux parties du muscle adducteur varie grandement entre les espèces et varie aussi avec la morphologie de la coquille et le mode de vie. Ainsi, les pétoncles avec une coquille hydrodynamique utilisent principalement les contractions phasiques alors que les pétoncles avec une coquille de forme plutôt désavantageuse pour la nage utilisent majoritairement les contractions toniques. Aussi, le patron d’utilisation des deux parties du muscle peut être modifié afin de compenser pour une coquille de forme désavantageuse pour la nage. Les capacités métaboliques du muscle adducteur phasique reflètent le patron d’utilisation du muscle des différentes espèces. La résilience du ligament des pétoncles varie entre les espèces avec P. fumatus ayant la résilience la plus élevée. Les caractéristiques morphologiques de la coquille et du muscle adducteur diffèrent entre les espèces étudiées, mais ne reflètent pas toujours la stratégie de nage. Les analyses en composantes principales ont révélé que l’épaisseur et la masse de la coquille, la masse du muscle adducteur et les attributs morphologiques apparentés, sont étroitement liés à l’endurance de la réponse de fuite. L’intensité de cette réponse est, quant à elle, principalement prédite par l’allongement de la coquille et l’oblicité du muscle adducteur. Les liens fonctionnels et évolutifs entre la performance locomotrice et les différentes composantes du système locomoteur sont le résultat de compromis imposés par le style de vie, le type d’environnement et de prédateurs où évolue le pétoncle. Chez les pétoncles, il est important d’intégrer les différents niveaux d’organisation de l’animal car bien souvent la forme ne révèle pas tout. / Due to the relative simplicity of its locomotor system, scallops are ideal for studying the links between the locomotory performance and the various components of its system. The swimming behaviour, adductor muscle metabolic capacities, and ligament properties as well as the morphology of the shell and the adductor muscle of five scallop species (Amusuim balloti, Placopecten magellanicus, Pecten fumatus, Mimachalmys asperrima, Crassadoma gigantea), each with different shell morphology and swimming behaviour, were compared. Force recording measurements during a simulated escape response revealed that the utilisation of the two parts of the adductor muscle varies markedly between the species and also varies with the shell morphology and the lifestyle of the scallop. Thus, scallop species with hydrodynamic shell shape tend to use mainly phasic contractions, while species with shell shape disadvantageous for swimming rely mostly upon tonic contractions. Also, the use of phasic and tonic muscle can be a way for scallops to compensate for a disadvantageous shell shape. The metabolic capacities of the phasic adductor muscle reflect the muscle use in the different species. The ligament resilience varied between the species, with Pecten fumatus having the highest resilience. Morphological characteristics of the shell and the adductor muscle vary between the scallop species, but do not always reflect the swimming strategy. Principal component analysis revealed that the width and mass of the shell, muscle mass and related morphological attributes, were closely linked with swimming endurance. Swimming intensity was best predicted by the aspect ratio and the obliqueness of the adductor muscle. Functional and evolutive links between locomotor performance and the various components of the locomotor system are the result of compromises imposed by the scallop life style, the type of habitat and predators present where the scallop evolves. It is important to consider and integrate the various level of organisation, as often the form does not reveal everything in scallops.

Introduction : La capacité de pouvoir réaliser deux tâches de manière simultanée (double tâche ; DT) est régulièrement sollicitée dans notre quotidien. Elle nous permet, entre autres, de pouvoir marcher de manière indépendante et sécuritaire dans la communauté. Cependant, la réalisation d'une activité en DT peut provoquer une diminution de performance de l'une ou des deux tâches (coût de la DT). La grande majorité des études ayant exploré le phénomène de DT chez les personnes âgées et les personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral (AVC) a toutefois utilisé des tâches locomotrices simples et des tâches cognitives peu écologiques (ex. soustractions, Stroop test) permettant difficilement d'extrapoler ces résultats aux activités de la vie quotidienne. Ainsi, l'objectif général de cette thèse est de mieux comprendre les interférences cognitivo-locomotrices (ICL) lors de la réalisation d'activités représentatives de la vie quotidienne chez les personnes âgées et des personnes ayant subi un AVC. Méthodologie : Afin de mieux comprendre le phénomène de DT lors d'activités représentatives de la vie quotidienne, un protocole expérimental en environnement virtuel a été développé. Lors de l'évaluation des ICL, tous les participants ont été immergés dans un environnement virtuel simulant un couloir de centre commercial, à l'aide d'un casque de réalité virtuelle (RV). Les déplacements dans l'environnement virtuel ont été réalisés à l'aide d'une plateforme omnidirectionnelle. En condition de DT, les participants devaient se déplacer dans l'environnement virtuel tout en mémorisant une liste d'achats de 5 items, délivrée au début de la tâche de marche. Deux niveaux de difficulté de tâches locomotrices et cognitives ont été utilisés. La complexification de la tâche locomotrice a été faite grâce à l'ajout d'agents virtuels devant être évités et celle de la tâche cognitive par la modification de 2 items de la liste d'achats au cours de la réalisation de la tâche. Les performances locomotrices et cognitives ont été mesurées en simple tâche (ST) et en DT. Les ICL ont été quantifiées à l'aide des coûts de la DT (% de changement des performances entre la simple et la double tâche). Ce protocole a permis d'évaluer les capacités locomotrices et cognitives en DT auprès de trois populations, c'est-à-dire les jeunes adultes en santé, les adultes en santé âgés de 55 ans et plus, ainsi que les adultes ayant subi un AVC. Résultats : Malgré leur âge et l'absence de limitations fonctionnelles, les jeunes adultes ont présenté des coûts cognitifs lors de la réalisation de la DT la plus complexe. Dans la majorité des conditions de DT, les personnes âgées de 55 ans et plus ont, quant à elles, présenté des coûts locomoteurs et/ou cognitifs. Cette étude a également démontré que les coûts locomoteurs augmentent avec l'âge, ce qui n'a pas été constaté au niveau des coûts cognitifs. Chez ces deux populations en santé, les coûts de la DT ont principalement été influencés par la complexité de la tâche cognitive. Des coûts de la DT ont également été observés chez les personnes ayant subi un AVC, dans toutes les conditions de DT à l'exception de la plus simple. Cependant, les personnes ayant subi un AVC ont présenté des coûts cognitifs dans des conditions de DT durant lesquelles les personnes en santé appariées en âge n'en ont pas présenté et la magnitude des coûts cognitifs a été plus importante chez les personnes ayant subi un AVC durant la condition de DT la plus complexe. Conclusions : La réalisation d'une DT a un effet sur les performances cognitives et/ou locomotrices, et ce, même chez les personnes ne présentant pas de limitations des fonctions locomotrices et cognitives. Des différences de patrons d'interférences ou de magnitude de coûts de la DT ont été observées en fonction de l'âge, la présence d'une lésion cérébrale ou la complexité des tâches réalisées. Ces observations soulignent l'importance d'évaluer aussi bien les performances locomotrices que cognitives lors de l'évaluation des capacités de DT. La RV semble être une modalité d'évaluation prometteuse permettant de quantifier les capacités de la DT lors de tâches représentatives de la vie quotidienne. / Background: The ability to perform two tasks simultaneously (i.e dual task, DT) is regularly used in our daily lives. It enables, among other things, to walk independently and safely in the community. However, walking while performing another task may deteriorate one or both tasks' performances (DT cost). Most studies exploring the DT phenomenon in older adults and stroke survivors have used simple locomotor tasks and cognitive tasks with questionable ecological validity (e.g., subtractions, Stroop test) that make it difficult to extrapolate these results to activities of everyday life, however. Thus, the general objective of this thesis is to better understand cognitive-locomotor interferences during activities representative of daily living in elderly people and persons who have sustained a stroke. Methodology: A virtual reality-based protocol was developed to assess DT abilities during activities representative of everyday life. All participants were immersed in a virtual mall corridor using a virtual reality (VR) headset. Walking movements in the virtual environment were performed using an omnidirectional platform. In the DT conditions, participants had to move forward in the virtual environment while memorizing a 5-item shopping list, delivered at the beginning of the walking task. Two levels of difficulty were proposed in both locomotor and cognitive tasks. The locomotor task was complexified by adding a virtual agent to avoid and the cognitive task was complexified by modifying 2 items of the shopping list during the task. Locomotor and cognitive performances were measured in single task (ST) and DT. Cognitive-locomotor interferences were quantified using DT costs (% change in performance between single and dual tasks; DTC). This DT assessment protocol was used in 3 populations, i.e healthy young adults, healthy adults aged 55 years and older, and adults with stroke. Results: Despite their age and the absence of functional limitations, young adults showed cognitive DTC when performing the most complex condition. In most DT conditions, individuals aged 55 years and older, on the other hand, exhibited locomotor and/or cognitive DTC. This study also showed that locomotor DTC increased with age, which was not the case for cognitive DTC. In both healthy populations, DTC were primarily influenced by the complexity of the cognitive task. DTC were also observed in stroke survivors in all but the simplest DT conditions. Individuals with a stroke exhibited cognitive DTC in certain DT conditions in which age-matched healthy individuals did not. Moreover, the magnitude of cognitive costs was greater in stroke survivors than in healthy individuals when the most complex DT condition was executed. Conclusions: Activities in DT impact cognitive and/or locomotor performance, even in individuals who do not present any limitations in locomotor or cognitive functions. Differences in interference pattern or in DTC magnitude were observed as a function of age, presence of a brain lesion and complexity of the tasks performed. These observations highlight the importance of assessing both locomotor and cognitive performances when characterizing DT abilities. VR seems to be a promising assessment approach to quantify DT abilities during activities representative of daily life.

La locomotion est contrôlée par des circuits spinaux qui génèrent le rythme locomoteur et coordonnent les activités musculaires entre la droite et la gauche du corps, et entre les muscles fléchisseurs et extenseurs. De plus, le rétrocontrôle sensoriel acheminé par les afférences proprioceptives et cutanées est crucial pour le fonctionnement normal du circuit locomoteur et pour l’adaptation du mouvement à l’environnement extérieur pendant la marche. La protéine DSCAM (Down Syndrom Cell Adhesion Molecule) est une molécule d’adhérence cellulaire impliquée dans un grand nombre de mécanismes nécessaires à la mise en place des réseaux neuronaux au cours du développement. Bien que DSCAM soit exprimée dans la moelle épinière de façon transitoire pendant le développement embryonnaire de la souris, et que sa mutation entraîne des défauts posturaux et moteurs très marqués, il y a très peu d’information sur son rôle dans le développement du circuit spinal lombaire contrôlant la locomotion. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cet ouvrage visent à étudier l’implication de DSCAM dans la mise en place et le maintien du circuit locomoteur spinal. Pour cela, nous avons d’abord évalué les changements neurologiques du circuit spinal lombaire de souris néonatales et adultes mutantes pour DSCAM. Les souris portant la mutation systémique DSCAM2J présentent des problèmes de coordination locomotrice associés à des changements anatomiques et neurophysiologiques dans le circuit interneuronal spinal. Par ailleurs, nous avons étudié l’impact de la mutation DSCAM2J sur la coordination des membres pendant la locomotion de la souris adulte. Nous montrons que la mutation de DSCAM altère la capacité des souris à courir et induit des changements dans leur répertoire locomoteur. En particulier, les souris mutantes DSCAM2J présentent des patrons de marche auparavant jamais décrits pour la souris. De tels changements suggèrent une réorganisation des réseaux neuronaux spinaux et supraspinaux impliqués dans le contrôle locomoteur des souris mutantes DSCAM2J. À l’aide de la technologie Cre-Lox, nous avons alors identifié et caractérisé la contribution de différentes populations interneuronales du circuit locomoteur spinal affectées par la mutation de DSCAM. Nous montrons dans cette étude que la mutation conditionnelle de DSCAM dans les interneurones spinaux excitateurs ou inhibiteurs entraîne un déséquilibre entre excitation et inhibition, induisant des défauts de coordination gauche/droite ou fléchisseur/extenseur, respectivement. Par immunomarquage, nous avons alors génétiquement identifié les populations interneuronales spinales impliquées dans le contrôle de la coordination gauche/droite ou fléchisseur/extenseur nécessaires à la locomotion. L’ensemble des résultats de nos études fonctionnelles, électrophysiologiques et anatomiques suggère que la protéine DSCAM est nécessaire au développement du circuit locomoteur spinal des mammifères. En plus de caractériser les différents rôles de DSCAM dans la mise en place de ce réseau spinal, ce travail montre comment le développement de mutations conditionnelles de DSCAM dans différentes sous-populations neuronales permet d’étudier différentes composantes du circuit locomoteur spinal. / Locomotion is controlled by spinal circuits that generate rhythm and coordinate left-right and flexor-extensor motoneuronal activities. The outputs of motoneurons and spinal interneuronal circuits are shaped by sensory feedback, relaying peripheral signals that are critical to the locomotor and postural control. Several studies in invertebrates and vertebrates have argued that the Down Syndrome Cell Adhesion Molecule (DSCAM) would play an important role in the normal development of neural circuits. Although there is evidence that DSCAM is expressed in the developing mouse spinal cord, and that its mutation induces postural and motor defects in adult mice, little is known about its functional contribution to the spinal circuits underlying locomotion. In this context, the work presented in this thesis aims at studying the implication of DSCAM in the establishment of the spinal locomotor circuit. For this purpose, we first sought to evaluate the neurological changes in the spinal locomotor circuit of neonatal and adult DSCAM mutant mice. We show that a systemic mutation of DSCAM (DSCAM2J) induces locomotor coordination defects associated with anatomical and neurophysiological changes in spinal interneuronal and sensorimotor circuits. We then investigated the functional contribution of DSCAM to locomotor gaits over a wide range of locomotor speeds using freely walking mice. We show that the DSCAM2J mutation impairs the ability of mice to run and modifies their locomotor repertoire, inducing the emergence of aberrant gaits for mice. Such changes suggest a reorganization of spinal and supraspinal neuronal circuits underlying locomotor control in DSCAM2J mutant mice. Finally, we used the Cre-Lox technology to genetically identify and characterize the neuronal populations underlying these functional changes. We show in this study that conditional mutations of DSCAM in either excitatory or inhibitory spinal interneurons induce an imbalance in excitatory-inhibitory signaling across the spinal midline that can impair the spinal locomotor circuit controlling either the bilateral coordination or the flexor/extensor coordination, respectively. Combining these studies with immunostaining experiments, we identified spinal interneuronal subpopulations implicated in either the bilateral or the flexor/extensor coordination during locomotion. Collectively, our functional, electrophysiological, and anatomical studies suggest that the mammalian DSCAM protein is involved in the normal development of the spinal locomotor circuit. In addition to characterizing the different implications of DSCAM in the development of this spinal circuit, this work shows how the use of conditional mutations of DSCAM in different neuronal subpopulations allows the study of the spinal locomotor circuit components.

Les lésions médullaires entraînent un déficit fonctionnel moteur d’importance variable selon leur localisation et leur sévérité. En cas de lésion partielle, il est possible d’observer chez des modèles animaux et des patients un certain degré de récupération fonctionnelle après une période allant de quelques semaines à plusieurs années selon les cas. Cette récupération impliquerait une réorganisation anatomique du circuit locomoteur spinal ainsi que des centres supraspinaux. Parmi ces derniers se trouve la région locomotrice mésencéphalique (MLR) qui est une région fonctionnelle capable d’initier et de moduler la locomotion. Un débat entoure cependant la nature de ses corrélats anatomiques qui pourraient être le noyau cunéiforme (CnF) qui est essentiellement composé de neurones glutamatergiques, le noyau pédonculopontin (PPN) formé de neurones cholinergiques et glutamatergiques, le noyau mésencéphalique profond (MRN/DpMe) qui est glutamatergique et le tegmentum latérodorsal (LDT) formé de populations neuronales semblables au PPN. Des études suggèrent une augmentation des projections de la MLR vers le tronc cérébral après lésion et que les neurones glutamatergiques du CnF sont responsables de l’initiation et de l’accélération de la locomotion. En combinant le traçage rétrograde, la stéréologie et la cinématique, nous mettons en évidence, dans le CnF mais aussi dans le PPN et le LDT contralatésionnels, une augmentation des projections glutamatergiques de la MLR vers la formation réticulée. Étant donné le rôle majeur des neurones glutamatergiques dans la locomotion, leur recrutement pourrait contribuer à la récupération fonctionnelle spontannée observée après lésion médullaire partielle. Une expérience de traçage antérograde nous permettra de confirmer que ces projections glutamatergiques supplémentaires forment bien de nouvelles synapses dans la formation réticulée voire dans la moelle épinière. Ce projet pourrait contribuer à préciser les sites optimaux de stimulation cérébrale profonde de la MLR pour traiter les déficits moteurs causés par les lésions médullaires partielles voire par d’autres pathologies comme la maladie de Parkinson. / Spinal cord injuries cause a functional motor deficit of varying importance depending on their location and their severity. After incomplete spinal cord injury, it is possible to notice in animal models and patients a certain functional recovery occurring on a period going from a few weeks to several years. This recovery may occur thanks to an anatomical reorganization of the spinal locomotor circuit and supraspinal locomotor centers. Among these centers is the mesencephalic locomotor region (MLR) which is a functional region able to initiate and modulate locomotion. Its exact anatomical correlates are still a matter of debate but they could include the cuneiform nucleus (CnF), a cluster of glutamatergic neurons, the pedunculopontine nucleus (PPN) that is cholinergic and glutamatergic, the deep mesencephalic nucleus (MRN/DpMe) that is glutamatergic and the laterodorsal tegmentum which is formed by neuronal populations similar to the PPN. Some studies suggest that there is an increase of projections from the MLR to the brainstem after lesion and that the glutamatergic neurons of the CnF can initiate and accelerate locomotion. Using retrograde tracing, stereological analysis and kinematic, we show, in the CnF but also in the contralesional PPN and LDT, that there is a recruitment of MLR glutamatergic projections to the medullar reticular formation. Considering the major role of glutamatergic neurones in locomotion, this recruitment could contribute to motor functional recovery after incomplete spinal cord injury. An anterograde tracing experiment could then help us to confirm that these “new” projections form synaptic connections in the medullar reticular formation and, maybe, in the spinal cord. This project could contribute to specify the optimal deep brain stimulation sites in the MLR to treat motor deficits caused by incomplete spinal cord injuries and maybe also by other pathologies such as Parkinson’s disease. / Résumé en espagnol

Résumé : Suite à une lésion de la moelle épinière, divers comportements moteurs invalidants, tels des spasmes peuvent apparaître. Les traitements actuels pour la spasticité causent divers effets secondaires, dont une réduction de la capacité locomotrice des patients. La recherche de traitements non invasifs et non pharmacologiques permettant de réduire la spasticité sans affecter la récupération fonctionnelle du patient s’avère donc un enjeu prioritaire. Par ailleurs, une réduction des spasmes rythmiques peut être observée lorsque la peau lombosacrée est pincée. Ce potentiel inhibiteur d’une stimulation cutanée tonique est également perçu chez l’animal comme le lapin et le chat suite à une perte des voies supraspinales. Par contre, bien que ce type de stimulation semble efficace pour réduire la spasticité, son effet sur la capacité locomotrice n’a toujours pas été évalué. L’objectif du projet était de déterminer l’effet d’un pincement de la peau à divers niveaux lombaires sur la locomotion du chat ayant une lésion de la moelle épinière. Six chats implantés chroniquement pour l’électromyographie (EMG) ont subi une lésion complète de la moelle épinière au niveau thoracique et ont été entraînés sur tapis roulant pour récupérer une fonction locomotrice des pattes postérieures. L’effet d’une stimulation de 6 sites cutanés sur la ligne médiane au niveau des vertèbres lombaires L2 à L7 a été évalué lors de marche à 0.4 m/s via des analyses cinématiques et EMG. Les résultats obtenus démontrent que la zone cutanée perturbant le plus l’activité locomotrice se trouve sur la ligne médiane au niveau lombaire L4. À ce niveau, une diminution de l’activité des extenseurs et des fléchisseurs est perçue au niveau de l’EMG. De plus, des modifications du patron locomoteur comme un positionnement plus caudal de la patte lors de son contact et de son décollage sont également visibles, tout comme une perte du support de poids (force de réaction au sol). La coordination spatiale entre les pattes postérieures est également perturbée. Ces résultats suggèrent que bien que la stimulation cutanée puisse être une alternative intéressante pour le traitement non pharmacologique de la spasticité, celle-ci altère la capacité locomotrice. || Abstract : After a spinal cord injury, multiple abnormal motor activities can occur, such as rhythmic spasms. These activities can be invalidating and are treated with different drugs that cause various side effects, including a reduction of locomotor ability in patients. Therefore, there is a need for novel non-invasive and non-pharmacological treatments for spasticity that will not affect the functional recovery of patients. A reduction of rhythmic spasms can be observed when the lumbosacral skin is pinched in a spinal cord-injured patient. This inhibition of rhythmic activity by a tonic cutaneous stimulation is also present in cats and rabbits after the loss of supraspinal input. Although this stimulation seems effective to reduce spasticity, its effects on real locomotion have not been evaluated. The goal of this project was to determine the effect of stimulating the skin at different lumbar levels on hindlimb locomotion of the spinal cord-transected (spinalized) cat. Six cats chronically implanted for electromyography (EMG) recording were spinalized at low thoracic levels and trained to recover hindlimb locomotion on a treadmill. The effect of stimulating the skin over the midline of lumbar vertebrae was evaluated during locomotion at 0.4 m/s and compared to control trials (without stimulation) with kinematic, kinetic and EMG analyses. Stimulating the lumbar skin disrupted hindlimb locomotion, with the largest effects observed at mid-lumbar levels. Cutaneous stimulation reduced extensor and flexor EMG activity. Moreover, position of the paw at contact and lift-off was more caudal and there was a loss of body weight support with cutaneous stimulation. Spatial coordination between the hindlimb was also perturbed by the cutaneous stimulation. Thus, results suggest that despite the fact that cutaneous stimulation appears to be an interesting approach to diminish rhythmic spasms in spinal cord-injured patients, it disrupts spinal-mediated locomotor capacity.

Résumé : Une coordination appropriée entre les pattes antérieures et postérieures chez les mammifères terrestres est essentielle pour maintenir une stabilité pendant la locomotion quadrupède. Il a été fortement suggéré que les voies propriospinales et le retour sensoriel pourraient jouer un rôle important dans la coordination antéropostérieure. Cependant, les mécanismes neurophysiologiques impliqués dans la coordination entre les membres antérieurs et les membres postérieurs pendant la marche demeurent méconnus. Suite à une lésion partielle de la moelle épinière, plusieurs déficits de la coordination antéropostérieure ont pu être dénotés chez l’animal non-humain et chez l’humain. Malgré tout, les effets d’une lésion partielle sur la coordination antéropostérieure n’ont pas encore été clairement caractérisés. Au regard du nombre considérable de blessés médullaires présentant des troubles de l’équilibre et de la coordination entre les bras et les jambes après avoir récupéré la marche, il semble essentiel de mieux comprendre ces mécanismes. L’objectif du projet était d’offrir une meilleure caractérisation de la coordination antéropostérieure chez le chat intact et suite à une hémisection latérale de la moelle épinière. Pour ce faire, un tapis roulant partitionné transverse permettant de dissocier les vitesses de locomotion entre les pattes antérieures et postérieures a été utilisé. Huit chats implantés chroniquement pour réaliser des enregistrements électromyographiques ont été entrainés dans diverses conditions de locomotion partitionnée et non-partitionnée. Parmi ces 8 chats, 6 ont subi une hémisection latérale du côté droit de la moelle épinière entre la 5ème et la 6ème vertèbre thoracique (T6). Des analyses cinématiques et électromyographiques ont été réalisées chez les chats intacts et 8 semaines après la lésion partielle de la moelle épinière. Les résultats obtenus démontrent que la coordination antéropostérieure est contrôlée par des influences bidirectionnelles et asymétriques entre les pattes antérieures et postérieures. De plus, lorsque la vitesse de locomotion des pattes antérieures était plus élevée que celle des pattes postérieures, une dissociation du rythme était observée avec les pattes antérieures réalisant davantage de pas chez le chat intact. Suite à la lésion, cette dissociation était également observée lors de la locomotion non-partitionnée. Cependant, que ce soit avant ou après la lésion, quand une telle dissociation apparaissait, une nouvelle forme stable de coordination antéropostérieure apparaissait consistant à réaliser deux pas des pattes antérieures pendant un pas des pattes postérieures (coordination 2-1). Finalement, la coordination antéropostérieure pouvait être modulée par l’utilisation du tapis roulant partitionné et une coordination 1-1 pouvait être restaurée suite à la lésion en faisant marcher les pattes postérieures à une vitesse plus élevée. À partir de ces résultats, nous avons proposé un nouveau modèle théorique du contrôle neurophysiologique de la coordination antéropostérieure. Qui plus est, un raffinement des échelles d’évaluation de la récupération locomotrice suite à des lésions de la moelle épinière s’avère indispensable afin d’inclure une caractérisation détaillée de la coordination antéropostérieure. Finalement, d’un point de vue clinique, ces résultats suggèrent que de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la coordination antéropostérieure pourraient être envisagées afin de renforcer la récupération locomotrice suite à des lésions de la moelle épinière. / Abstract : An appropriate coordination between the forelimbs and the hindlimbs in terrestrial mammals is essential to maintain stability during quadrupedal locomotion. It is thought that propriospinal pathways and sensory feedback contribute to the control of forelimbhindlimb coordination. However, the neurophysiological mechanisms involved in this coordination during locomotion remain poorly defined. After a partial spinal cord injury, several impairments of interlimb coordination have been observed in non-human animal models and human patients. Despite this, the effects of a partial lesion on forelimb-hindlimb coordination have not been clearly characterised. Patients with spinal cord injury have pronounced deficits with their equilibrium and a deficient control of interlimb coordination could be a main contributor. The purpose of these studies was to better characterize forelimb-hindlimb coordination in intact cats and following a lateral hemisection of the spinal cord. A transverse split-belt treadmill was used to independently control the speed of the forelimbs and of the hindlimbs. Eight cats were chronically implanted for e;ectromyography and trained to perform various tied-belt and transverse split-belt locomotor conditions. Among these 8 cats, 6 were hemisected at the 6th thoracic segment of the spinal cord on the right side. Electromyographic and kinematic analyses were performed in the intact state and 8 weeks post-hemisection. The results demonstrate that interlimb coordination is controlled by bidirectional and asymmetrical influences between the forelimbs and the hindlimbs. Moreover, when the forelimbs stepped faster than the hindlimbs, dissociation of the forelimb and hindlimb rhythms occurred, with the forelimbs taking more steps. After the lesion, this dissociation was observed, even during tied-belt locomotion. However, in both intact and injured cats, when such dissociation occurred, a new stable form of forelimb-hindlimb coordination appeared, consisting of two forelimb steps for one hindlimb step (2-1 forelimb-hindlimb coordination). Finally, the transverse split-belt treadmill could modulate forelimb-hindlimb coordination and 1-1 coordination could be restored after the lesion during transverse split-belt locomotion with a faster hindlimb speed. From these results, we propose a theoretical model of the neurophysiological control of interlimb coordination. Moreover, a refinement of performance scales evaluating the locomotor recovery after spinal cord injury is necessary to include a detailed characterisation of interlimb coordination. Finally, from a clinical perspective, these results suggest that new therapeutic strategies based on interlimb coordination could be used to strengthen locomotor recovery after spinal cord injuries.

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée. / In hominoids, tensile and compressive forces generated by locomotion and upper-limb use are transmitted through the elbow joint. It has been noticed that the distal humerus of hominoid is morphologically very similar across species. However, some studies have suggested that articular shape varies in relation to size and locomotor modes. This project is an attempt to characterize more thoroughly distal humeral variation in hominoids. It considers the humeral trochlea not only as a structure by itself, as it has been done before, but as an articulation that varies in orientation relative to the diaphysis. Indeed, there is evidence that articulations have a minimum size and are generally oriented to better resist habitual loads. This project tested the hypothesis that predominantly arboreal species are expected to present joints that have a size, position and orientation of articular surfaces to better resist shear loads generated by the strong finger and wrist flexor muscles crossing the elbow obliquely. Consequently, predominantly terrestrial species should present articulations shape and orientation that are better to resist axial load generated by ground reaction forces. Ten landmarks and two linear measurements were taken from a skeletal sample including specimens from the Homo, Pan, Gorilla and Pongo genus. Results show that orientation and position of humeral trochlea joint surfaces correlate with locomotor modes and that length of the articular surfaces seems to be better correlated with size. The main hypothesis suggesting that stress related to locomotion in hominoids should influence the morphology of distal humeral joints is therefore supported.