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

Orientador: Carlos Alberto dos Reis Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T09:10:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nadalin_EvertonZaccaria_M.pdf: 2191420 bytes, checksum: 38decb6d182261bd5e5fc2df03ad1b9a (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho está relacionado com o problema da pesagem de um bovino criado em campo aberto, não confinado, destinado ao corte. O conhecimento da evolução contínua do peso do animal é de grande importância neste ramo de negócios e uma solução tecnicamente satisfatória, de custo aceitável e de tecnologia proprietária, certamente representa uma significativa contribuição ao Brasil. Uma solução idealizada, que é a meta maior do projeto em que este trabalho se enquadra, prevê o uso de um dispositivo instalado nas patas do animal, contendo um sensor de pressão ou de impacto e uma unidade eletrônica local que condiciona, digitaliza e armazena os sinais do sensor. Além disto, a unidade eletrônica transmite estes dados através de uma rede de comunicação de dados sem fio e de baixo consumo de energia para centrais de coleta e processamento estrategicamente situadas na área em que o gado se desenvolve. Tal sistema viabiliza, deste modo, acumular no tempo as informações de cada pisada de cada animal. O sinal produzido por um sensor em conseqüência do impacto de cada pisada é influenciado por diversos parâmetros, dentre os quais o peso do animal. Sendo assim, é impossível estabelecer uma relação direta e exclusiva entre o sinal do sensor e o peso. Entretanto, os valores acumulados destes sinais descrevem uma função de múltiplas variáveis que pode ser tratada juntamente com algumas informações complementares sobre o ambiente, buscando-se o isolamento da variável peso. Para isto, uma abordagem adequada prevê o desenvolvimento ou adoção de um modelo do mecanismo de movimentação do animal e o tratamento numérico dos dados acumulados aplicando filtragens e buscas de correlações. Trata-se, portanto, de uma solução de natureza multidisciplinar, que exige uma aliança de conhecimentos complementares para a sua realização. Coube ao presente trabalho, desenvolvido no âmbito da engenharia eletrônica, a implementação de uma etapa preliminar e necessária que consiste de um sistema de caracterização de pisadas constituído de um conjunto de sensores piezoelétricos, uma interface que permite a transferência dos dados destes sensores a um computador e um ambiente de software através do qual foram testados algoritmos para a verificação de correlação entre os sinais associados às pisadas e o peso do agente. São frutos deste trabalho um sistema de coleta automática dos sinais de pisadas, que permitiu a captura de sinais com sensores instalados tanto numa plataforma fixa como num sapato tênis, e um estudo comparativo dos resultados obtidos de tratamentos numéricos distintos aplicados aos dados experimentais / Abstract: This work deals with the problem of weighting non-confined cattle raised in open field for meat production. The knowledge of the continuous weight change of the animal is of great importance in this business field. Therefore, a technically satisfactory solution, with acceptable price and customized technology, certainly represents a significant contribution to Brazil. The idealized solution, which is the major goal to be pursued by the project in which this work takes part, considers the use of a device placed into the animal¿s hooves. It would contain a pressure or impact sensor and a local electronic unit, which conditions, digitizes and stores the signals received from the sensor. The electronic unit also transmits this data through a low-energy wireless communication network to reception and processing stations placed strategically around the area where the cattle raises. Such a system enables accumulating data about the steps of each animal throughout time. Several parameters, including the animal¿s weight, influence the signal produced by a sensor as a consequence to the impact of a step. Therefore, it is impossible to establish a direct and exclusive relation between the signal given by the sensor and the weight. Nevertheless, the accumulated data of these signals describe a multiple variable function that can be treated together with some complementary information about the environment, seeking the isolation of the weight variable. An adequate approach predicts the development or use of a model of the animal¿s locomotion mechanism and the numeric treatment of the accumulated data by applying filtering and seeking correlations. The multidisciplinary nature of this solution demands an alliance of complementary knowledge for its accomplishment. This work, developed in the scope of electrical engineering, implemented a necessary and preliminary stage that consists of: a step characterization system, made of a set of piezoelectric sensors, an interface that allows transferring data from the sensors to a computer and a software environment, in which algorithms were tested to verify the correlation between the signals associated to the steps and the agent¿s weight. The main result of this work are a system that performs automatic collecting of steps, which allowed the capture of the signals with sensors installed both on a fixed platform and inside tennis shoes, and the comparative study of the results of different numerical treatments applied to the experimental data / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Analyse de la marche des personnes amputées de membre inférieur en situations contraignantes de la vie couranteRESUME : Le projet se situe dans le contexte du handicap moteur et plus spécifiquement concerne les personnes amputées de membre inférieur. Une autonomie de déplacement est redonnée aux patients grâce à l'appareillage et la rééducation qui restituent une partie des fonctions locomotrices. Cependant, l'autonomie des personnes amputées de membre inférieur est limitée par des situations plus contraignantes que la marche sur sol plat (plans inclinés, escaliers, dévers) et rencontrées quotidiennement. Le développement de nouveaux composants prothétiques et protocoles de rééducation peut permettre de réduire les difficultés des patients dans ces situations. Au préalable, il est nécessaire de comprendre le comportement du système ostéo-articulaire et des composants prothétiques lors de la locomotion en situations contraignantes de la vie courante. L'analyse quantifiée de la marche a été utilisée dans cet objectif de caractérisation de la locomotion. Les travaux de thèse s'inscrivent dans un projet de trois ans financé par l'ANR en partenariat avec deux centres d'appareillage et de recherche clinique, le INI-CERAH (Centre d'Études et de Recherche Appareillage des Handicapés) et l'IRR (Institut Régional de Médecine Physique et de Réadaptation), et un industriel, l'entreprise Proteor fabricant de composants prothétiques. Un protocole permettant d'étudier la locomotion et les adaptations de la locomotion entre cinq situations différentes de la vie courante a été mis en place. Une base de données unique et d'envergure, au vue de la littérature, a été créée. Elle regroupe les paramètres de la marche de 22 sujets amputés transtibiaux, de 21 sujets amputés transfémoraux et 30 sujets contrôles, ayant suivi le même protocole. Des paramètres biomécaniques ont été identifiés pour caractériser les adaptations de la locomotion des sujets amputés entre le plat et le dévers et la pente par comparaison aux adaptations des sujets contrôles entre le plat et ces situations. Cette méthode d'analyse novatrice permet d'appréhender la locomotion d'un groupe de sujet en tenant compte de la marche propre à chaque individu du groupe. Ces travaux de thèse apportent un protocole, une base de données et un complément de connaissances sur les mécanismes mis en jeu lors de la locomotion en pente et en dévers.Mots clés : Amputation, Appareillage, Biomécanique, Locomotion, Dévers, Pentes / Gait analysis of lower limb amputee locomotion in limiting situations of daily livingABSTRACT : Project deals with disability and particularly lower limb amputation. Fitting and rehabilitation restore part of locomotor system functions and allow lower limb amputee people to recover autonomy in motion. However, this autonomy is restricted due to more limiting situations than level walking (inclined surfaces, stairs, cross-slopes) patients have to face in everyday life. Developing new prosthetic components and rehabilitation protocols could reduce lower limb amputee people difficulties in these situations. In this aim, it is essential to understand the behavior of the osteo-articular system and of the prosthetic components while walking in limiting situations of daily living. Quantified gait analysis served this objective of locomotion characterization. PhD work is part of a three years project funded by ANR (French National Research Agency) in partnership with two clinical research centers, INI-CERAH and IRR, and an industrial, Proteor prosthetic components manufacturer. A protocol was set. It allows to study locomotion and locomotion adaptations of lower limb amputee people between five different daily living situations. A large and unique database, with regards to the literature, was created. It gathers parameters describing gait of 22 transfemoral amputee subjects, 21 transtibial amputee people and 30 control subjects, who followed the same protocol. Biomechanical parameters were identified to characterize amputee people locomotion adaptations between level walking and slopes and cross-slopes walking by comparing to locomotion adaptations of control subjects between flat surface and these situations. This innovative analysis method enables to analyze the locomotion of a group of people taking into account the gait pattern of each individual in the group. This work provides a protocol, a database and complementary analyses of mechanisms occurring during slope and cross-slopes locomotion.Keywords : Amputation, Biomechanics, Cross-slopes, Locomotion, Prosthetic fitting, Slopes

Le tapis de pression est utilisé depuis 2000 pour analyser la marche chez l’homme mais seulement depuis 2004 chez le chien. Objectif : la codifier l’utilisation du système GAITRite® pour analyser la marche chez les chiens sains et pathologiques ; l’obtenir des bases de données concernant les paramètres spatio-temporels ainsi que cinétique lors de la marche de chiens sains de taille différente ; déterminer des modifications de ces paramètres selon les affections spontanées ou induites ; aider au diagnostic lors de consultation des animaux boiteux et évaluer le suivi de traitements médicaux ou chirurgicaux. Les résultats obtenus montrent que ce système est capable de fournir efficacement les paramètres spatio-temporels, ainsi que la qualification de l’appui des quatre membres en un même cycle, sur plusieurs foulées consécutives. Les conditions expérimentales de l’utilisation du tapis de pression sont les mêmes pour les appuis des quatre membres lors d’un même test, ainsi des comparaisons entre membres peuvent être raisonnablement réalisées alors que les systèmes à un plateau de force ne le permettent pas. Les calculs de ratio antérieur/postérieur et de symétrie gauche/droite facilitent l’interprétation des valeurs des différents paramètres de la marche du chien et permettent de faire rapidement une distinction entre un chien sain et un chien boiteux. Nous avons montré qu’il était possible d’effectuer le suivi de traitements chirurgicaux et d'évaluer l’efficacité de biomatériaux implantables pour la réparation du nerf péronier chez le chien. De ce travail, une approche particulière et unique de l’analyse de la marche chez les quadrupèdes est proposée. Elle offre la possibilité d’obtenir efficacement les paramètres spatio-temporels de l’appui des 4 membres de la marche aussi bien chez le chien sain que chez ceux présentant des affections locomotrices précoces, discrètes ou provoquées / Pressure walkway was used for gait analysis in human since 2000 but only for a few years in dog. This thesis was proposed with the intension: to codify its utilization for walking analysis in healthy and pathological dogs; to obtain databases concerning spatial and temporal parameters as well as pressure parameter for 4 feet during walking in healthy dog of size difference; to define the variations according to the affections; to verify the assistance with the diagnosis during consultation orthopedic and to determine the performances of this material were also used to evaluate the follow-up of medical or surgical treatment.The advantages of this system were to be able to obtain the spatio-temporal parameters as well as qualification the support of 4 feet in the same cycle, on several consecutive strides. Contrary to a force platform, the experimental conditions during the use of the pressure walkway was the same for the supports of 4 feet during the same test, moreover the comparisons between foots can be reasonably realized. Calculations of the ratio fore/hind and the symmetry left/right helped more easily to walking analysis in dog and make it possible to quickly discriminate a healthy or a lame dog. This particular approach of walking analysis in the quadrupeds is unique, it was validated during this work by showing its power for the spatial, temporal characterization of the support of the 4 feet during walking in the large and small healthy dog as well as the dog presenting of the locomotors affections spontaneous or models induced for experimental

Comprendre les mécanismes mis en place au sein du système nerveux pour générer des répertoires locomoteurs complexes reste l'un des grands défis des neurosciences systémiques. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à comprendre comment les neurones de la moelle épinière contribuent à la production et à la modulation de l'activité locomotrice. Pour répondre à ce problème, nous utilisons le poisson-zèbre comme organisme modèle et avons développé de nouvelles approches génétiques et optiques afin de disséquer l'architecture du circuit formé par une classe de neurones sensoriels de la moelle et qui est conservée chez tous les vertébrés. Ces neurones sont appelés les neurones au contact du liquide céphalo-rachidien (Nc-LCR) et nous proposons de sonder leur(s) fonction(s) in vivo. Ces neurones sensoriels forment une interface unique entre le liquide céphalo-rachidien et le réseau de neurones impliqué dans le contrôle du mouvement dans la moelle épinière. Cependant, leur diagramme de connectivité demeure complètement inconnu. Afin de comprendre comment ces " Nc-LCR ou CSF-cNs " modulent la locomotion chez les vertébrés, nous avons développé un projet combinant des approches génétiques, électrophysiologiques, d'imagerie, et d'analyse du comportement, afin de cartographier le circuit qu'elles forment avec les neurones de la moelle épinière. Nos résultats montrent que les CSF-cNs projettent sur de nombreux éléments du centre générateur de rythme de la moelle. Notre approche révèle également la capacité des CSF-cNs à moduler la locomotion selon l'état dans lequel se trouve l'animal, une propriété caractéristique des circuits proprioceptifs dans la moelle épinière. / Understanding how the central nervous system generates motor sequences, coordinates limbs and body orientation in an ever-changing environment, while adapting to sensory cues remains a central question in the field of systems neuroscience. The work presented here aims to understand how local sensory neurons in the spinal cord contribute to the production and/ or the modulation of locomotor activity. We focused our work on a conserved class of spinal sensory neurons termed cerebrospinal fluid contacting neurons (CSF-cNs). These neurons lie at the interface between the CSF and spinal interneurons controlling motor output and represent an interesting yet poorly understood sensorimotor loop in the vertebrate spinal cord. However, the connectivity of CSF-cNs remains completely uncharacterized. To understand how CSF-cNs modulate locomotion in vertebrates, we combined genetics, imaging, optogenetics, electrophysiology, and behavior analysis to map the functional connectivity of these sensory neurons and test their function in the zebrafish larva. Our results demonstrate that CSF-cNs target several elements thought to be part of the locomotor central pattern generator in zebrafish, including glutamatergic spinal neurons involved in slow and fast swimming. We show that CSF-cNs can modulate the duration and occurrence of spontaneous locomotor events in a state dependent manner and tune the frequency of evoked fast escape responses. Altogether our work dissecting sensorimotor integration in the spinal cord bridged single cell function in vivo to behavior in zebrafish and should contribute to a better understanding of the role of sensory feedback during locomotion in vertebrates.

Des perturbations de l’horloge circadienne imposées par nos modes de vie désynchronisés «24/7» peuvent être néfastes à long terme. Ces horloges contrôlent des rythmes biologiques avec une périodicité d’environ 24h et se synchronisent aux cycles journaliers de lumière-obscurité. Les perturbations de l’horloge peuvent influencer le vieillissement normal et celui de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). Ces patients présentent souvent des symptômes non moteurs incluant des troubles du sommeil et/ou des rythmes circadiens, qui se manifestent avant les déficits moteurs ou cognitifs. L’objectif de ce travail de thèse a été d’explorer l’impact des perturbations de l’horloge circadienne sur le déclin fonctionnel lié à l’âge au cours du vieillissement normal et dans des modèles de MP chez la drosophile. Les résultats obtenus confirment l’impact négatif de l’arythmie circadienne sur la longévité, et révèlent que l’inactivation du gène d’horloge Clock (Clk) augmente le niveau de stress oxydatif dans le cerveau et accélère le déclin des capacités locomotrices au cours du vieillissement. Ce dernier effet a pu être relié à une fonction de Clk dans les neurones d’horloge qui contrôlent les rythmes d’activité-repos en obscurité constante, et leurs connections à un groupe spécifique de neurones dopaminergiques. Nous avons aussi observé que des décalages horaires chroniques mènent également à une accélération du déclin locomoteur lié à l’âge, qui peut être sauvée en adaptant les rythmes lumière-obscurité à la période endogène des drosophiles. Enfin, notre travail souligne l’impact négatif de l’arythmie circadienne sur le déclin locomoteur lié à l’âge dans un modèle de MP. / Long-term disruption of circadian clocks, as occurs often in our "24/7 societies", can be detrimental. These clocks control self-sustained biological rhythms with ~24h periodicity and synchronize to the daily light-dark cycle. Clock disruption may impact normal brain aging as well as Parkinson disease (PD) pathogenesis: PD patients frequently exhibit non-motor symptoms including sleep and/or circadian rhythm disruptions that occur before motor or cognitive deficits, and decrease quality of life. The objective of this PhD work was thus to explore the impacts of circadian disruptions on age-related functional decline, both during normal aging and in a fly model of PD-like conditions using well established Drosophila models. Our results confirmed the negative impact of circadian arrhythmia on longevity and revealed that inactivation of a specific circadian gene, Clock (Clk), increases brain oxidative stress levels and accelerates locomotor decline during aging. The latter effect could be associated with Clk function in the clock neurons that drive circadian rest-activity rhythms in constant darkness, and their connections with a specific cluster of dopaminergic neurons. We also observed that chronic jet lag led to an accelerated age-related locomotor decline that could be rescued by adapting the light-dark to the flies’ endogenous period. Finally, our work demonstrated the negative impact of environmentally imposed circadian arrhythmia on age-related locomotor decline in a fly model of PD.

L'évaluation clinique des patients hémiparétiques, avant et après un traitement, est une étape indispensable dans la prise en charge de leurs troubles de la marche. L’analyse tridimensionnelle quantifiée de la marche (AQM) permet de mesurer à chaque instant du cycle de marche différent paramètres. Néanmoins l’AQM est effectuée dans un environnement clinique forcément différent d’un environnement réel. Ce qui constitue donc une limite dans l’interprétation des résultats obtenus avec cet outil bien qu’elle soit considéré au jour d’aujourd’hui comme le gold standard pour l’évaluation de la marche. De fait le manque d’un autre dispositif permettant une évaluation précise de la marche en situation écologique a été largement pointé du doigt par les praticiens et ceci nous a conduit à réaliser ce travail de thèse. L’objectif de cette thèse était de développer un système de capteurs qui peut mesurer les paramètres de la marche des personnes hémiparétiques en situation écologique. Pour ce faire, les travaux de thèse sont consacrés à la mise en oeuvre d’algorithmes d’estimations d’orientation, à la conception de l’électronique du capteur de mouvement et du logiciel qui permettra la fusion des données. Pour que le système soit optimisé pour la marche des patients hémiparétiques, un nouvel algorithme de découpage automatique des données en fonction du cycle de marche a été développé en ayant recours à des télémètres en radio fréquence. Le nouveau système que nous proposons est basé sur une architecture distribuée de capteurs sans fil. Sa facilité de mise en place, sa compacité et son poids (léger) limitent les perturbations qu’il pourrait introduire lors de lamarche du patient. Différentes expérimentations ont été conduites pour évaluer la précision de la quantification des angles articulaires, la précision de la synchronisation des capteurs, la précision de la détection des évènements de la marche et la robustesse dans le cas d’une marche pathologique. Les valeurs des paramètres estimés par le système proposé ont étécomparées avec celles issues du système AQM. Le système montre une bonne robustesse lors de son utilisation dans le cas de la marche pathologique.De plus ils montrent que les différences entre les résultats acquis avec l’AQM et ceux acquis avec le système multi-capteur sans fil proposé sont très faibles. / Clinical evaluation of stroke patients before and also after treatments is an essential step in gait rehabilitation. A 3D gait analysis system allows quantification of several parameters at each instant of walking. Nowadays, the 3D gait analysis system is used in clinical conditions which are different from daily life conditions. Indeed, the 3D gait analysis system, considered as a reference, can only be used at hospital. The absence of device usable in daily life situation constitutes a lack pointed out by clinical practitioners and was at the origin of this research. The objective of this thesis was to develop a wearable system that can measure the gait parameters of stroke patient in daily life situations. To do this, this thesis was devoted to the implementation of algorithms for joints angles estimation, to the design the electronics of the wearable movement sensors and the sensors’ firmware. In order to make the system optimized for stroke patients,a new algorithm for automatic partitioning data into gait cycles has been developed. Radio frequency rangefinders have been specially developed for this new algorithm. The wireless sensor system that we proposed is based on a distributed architecture. Its easy installation, compactness and light weight reduce their possible influence on patients’ gait. Different experiments had been carried out to evaluate with accuracy the joint angles, the precision of the sensor synchronization, the precision of the gait events detection and the robustness in the case of pathological walk. The gait parameters quantified by this new system are similar to those obtained with the 3D motion analysis system. The system shows good robustness when used in the case of pathological walking and the differences of results obtained with respectively the 3D motion analysis system and the proposed multi-sensor wireless system are limited. Once industrialized, it will be quite possible to use it to assess patients’ gait in daily life conditions.

Les fonctions locomotrices et posturales sont contrôlées par un ensemble de réseaux neuronaux qui doivent interagir afin de produire un comportement locomoteur optimal, adaptable aux contraintes internes et externes de l’organisme. Le maintien d’un équilibre dynamique au cours de la locomotion repose sur des processus internes de coordination entre les réseaux nerveux spinaux et supraspinaux qui commandent les différents segments du corps (membres, tête et tronc). C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés aux interactions entre la fonction locomotrice et la fonction posturale, sur des préparations réduites de tronc cérébral-moelle épinière de rats nouveau-nés, au sein desquelles les CPGs locomoteurs spinaux et les noyaux vestibulaires sont intacts. Des approches combinées électrophysiologiques, pharmacologiques, neuroanatomique et lésionnelles nous ont permis de mettre en évidence une partie des mécanismes à l’origine du couplage entre les différents réseaux neuronaux étudiés. Dans cette étude nous avons montré que les réseaux locomoteurs lombaires contrôlent l’activité des réseaux thoraciques axiaux, de manière à produire une activation coordonnée des réseaux moteurs des membres et du tronc. Cette coordination est sous influence des entrées supraspinales. Les amines induisent une organisation temporelle spécifique de l’activité des réseaux thoraco-lombo-sacrés, et les informations en provenance des noyaux vestibulaires influencent le rythme locomoteur. Ces données apportent des éléments nouveaux concernant les processus neuronaux à l’origine de la coordination des réseaux moteurs et posturaux. / Locomotor and postural functions are controlled by a set of neural networks that must interact to produce optimal locomotor behavior, adaptable to internal and external constraints of the body. Maintaining a dynamic balance during locomotion is based on internal coordination processes between spinal and supraspinal neuronal networks controlling different parts of the body (limbs, head and trunk). In this context, we have interested in the interactions between locomotor and postural functions, in spinal and supraspinal networks. The experiments were conducted on isolated brainstem-spinal cord preparations from neonatal rats, in which the spinal locomotor CPGs and the vestibular nuclei are intact. Electrophysiological, pharmacological, and neuroanatomical approaches allowed us to highlight some of the mechanisms involved in the coupling of the different neural networks. In this study we showed that the lumbar locomotor networks control the activity of axial thoracic networks, in order to produce a coordinated activation of motors networks of limbs and trunk. This coordination is modulated by amines and information from the vestibular nuclei. These data provide new evidence for spinal mechanisms involved in the coordination of motor and postural networks.

Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d'en étudier les causes, qui résident dans le contrôle et l'organisation du mouvement, et les conséquences qui en résultent, que sont le mouvement et les interactions physiques avec l'environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d'une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques, puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classiques peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d'altérer le contenu des signaux d'intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment cinétique d'un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynamique temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu'un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l'estimation d'état et la perception multisensorielle. / The substantive subject of this thesis is the motion of anthropomorphic systems, and more particularly the bipedal locomotion of humans and humanoid robots. To characterize and understand bipedal locomotion, it is instructive to study its motor causes and its resulting physical consequences, namely, the interactions with the environment. Concerning the causes, for instance, what are the principles that govern the organization of motor orders in humans for elaborating a specific displacement strategy? And then, which physical quantities can we compute for best describing the motion resulting from these motor orders ? These questions are in part addressed by the proposal of a mathematical extension of the Uncontrolled Manifold approach for the motor control of dynamic tasks and through the presentation of a new descriptor of anthropomorphic locomotion. In connection with this analytical work, comes the problem of state estimation in anthropomorphic systems. The difficulty of such a problem comes from the fact that the measurements carry noise which is not always separable from the informative data, and that the state of the system is not necessarily observable. To get rid of the noise, classical filtering techniques can be employed but they are likely to distort the signals. To cope with this issue, we present a recursive method, based on complementary filtering, to estimate the position of the center of mass and the angular momentum variation of the human body, two central quantities of human locomotion. Another idea to get rid of the measurements noise is to acknowledge the fact that it results in an unrealistic estimation of the motion dynamics. By exploiting the equations of motion, which dictate the temporal dynamics of the system, and by estimating a trajectory versus a single point, we then present maximum likelihood estimation using the dynamic differential programming algorithm to perform optimal centroidal state estimation for systems in contact. Finally, a multidisciplinary reflection on the functional and computational role played by the head in animals is presented. The relevance of using this solution in mobile robotics is discussed, particularly for state estimation and multisensory perception.

Les patients présentant une pathologie rachidienne dégénérative témoignent généralement de douleurs ayant un retentissement sur leurs capacités locomotrices. L’évaluation préopératoire des individus repose actuellement sur la réalisation d’auto-questionnaire déclaratifs validés qui permettent d’approximer l’état fonctionnel. Aucun consensus sur l’analyse des résultats d’une chirurgie rachidienne n’est actuellement établi. Les capacités fonctionnelles réelles sont intéressantes pour étudier l’impact des pathologies rachidiennes. L’évaluation des capacités locomotrices et fonctionnelles de manière quantitative pourrait être utilisé afin d’améliorer la prise en charge des patients. L’objectif de cette thèse est d’utiliser l’évaluation des capacités locomotrices des patients comme marqueur des capacités fonctionnelles pour décrire une sémiologie quantifiée des patients candidats à une chirurgie du rachis.Matériels et méthodes :Mise en place du projet SPEED (Évaluation quantitative de la motricité avant et après une chirurgie du rachis chez les patients atteints de pathologie rachidienne dégénérative). Ce protocole prospectif a été mis en place en 2016 avec une période d’inclusion de 2 ans. Au total 40 patients ont été inclus dans cette étude. Les données présentées dans ce manuscrit correspondent aux études ancillaires de nos résultats. Cette thèse se compose de 4 articles principaux : évaluation quantitative clinique puis radiologique des patients, modélisation de l’équilibre sagittal permettant une quantification de l’équilibre sagittal dynamique, et méta-analyse sur la capacité discriminante de l’analyse quantifiée du mouvement au sujet du mouvement du tronc et du pelvis.Résultats :Premièrement, pour la partie clinique, nous trouvons un décalage important entre les limitations perçues et celles réelles des capacités de marche chez les patients atteints de canal lombaire étroit. L'évaluation directe de la vitesse de marche libre est plus pertinente que le périmètre de marche car elle est corrélée à l'état fonctionnel et est plus facile à mettre en œuvre dans la pratique.Deuxièmement, concernant l’analyse radiologique, nous trouvons une amélioration de l'équilibre sagittal et de la lordose lombaire après une chirurgie de décompression lombaire postérieure sans fusion. Cette amélioration est surtout retrouvée chez des patients qui présentent des troubles posturaux antalgiques liée à la sténose lombaire. Cette compensation antalgique est difficile à différencier des troubles statiques avec nos outils de mesure actuels.Troisièmement, concernant l’analyse du mouvement, nous avons réalisé la première étude montrant que les paramètres de mouvement 3D peuvent estimer correctement la « sagittal vertical axis » calculée sur l'imagerie. De plus, cette estimation pourrait être utilisé lors de l'analyse de la marche et nous pensons qu'un tel type d'analyse permettrait de mieux caractériser les déficiences des patients.Quatrièmement, concernant l’analyse quantifiée tronc/pelvis, nous confirmons que les patients lombalgiques présentent une coordination tronc/pelvis différente dans le plan transverse au cours de la marche. De plus, notre méta-analyse confirme et révèle cette différence significative en montrant une coordination plus en phase pour les patients lombalgiques par rapport aux sujets en bonne santé pendant la marche. La coordination entre ces mouvements est plus rigide en présence de lombalgie et refléterait les adaptations neuromusculaires nécessaires pour adopter un comportement de protection sans douleur pendant la marche. / IntroductionPatients with degenerative spinal pathology generally report pain that affects their locomotor abilities. The preoperative assessment is currently based on the completion of validated self-questionnaire declarations that allow to approximate the functional state. No consensus on analyzing the results of spinal surgery is currently established. The actual functional capacities are interesting to study the impact of spinal pathologies. The evaluation of locomotor and functional capacities in a quantitative way could be used to improve the management of patients. The aim of this thesis is to use the evaluation of patients' locomotor capacities as a marker of functional abilities to describe a quantified semiology of patients who are candidates for spine surgery.Materials and methods:Implementation of the SPEED project (Quantitative motor capacities evaluation before and after spinal surgery in patients with degenerative spinal pathology). This prospective protocol was implemented in 2016 with an inclusion period of 2 years. 40 patients were included in this study. The data presented in this manuscript correspond to the preliminary studies of our results. This thesis is composed with 4 main researches: clinical and radiological quantitative evaluation of the patients, sagittal equilibrium modeling allowing a quantification of the dynamic sagittal equilibrium, and meta-analysis on the discriminant capacity of the quantified analysis of the movement about the movement of the trunk and pelvis.Results:First, for the clinical part, we find a significant gap between perceived and actual limitations of walking ability in patients with lumbar spinal stenosis. The direct evaluation of the comfortable walking speed is more relevant than the walking perimeter because it correlates to the functional state and is easier to implement in practice.Second, concerning radiological analysis, we find an improvement in sagittal balance and lumbar lordosis after posterior lumbar decompression without fusion. This improvement is mostly found in patients with postural analgesic disorders related to lumbar stenosis. This analgesic compensation is difficult to distinguish from static disorders with our current measurement tools.Third, regarding motion analysis, we performed the first study showing that 3D motion parameters can correctly estimate the sagittal vertical axis computed on imaging. In addition, this estimate could be used during the gait analysis and we believe that such a type of analysis would better characterize patients' impairments during walking.Fourth, concerning the quantified trunk / pelvis analysis, we confirm that low back pain patients have different trunk / pelvis coordination in the transverse plane during walking. In addition, our meta-analysis confirms and reveals this significant difference by showing more in-phase coordination for low back pain patients compared to healthy subjects during walking. The coordination between these movements is more rigid in the presence of low back pain and reflects the neuromuscular adaptations necessary to adopt a painless protection behavior during walking.Conclusion:Quantitative analysis of function and locomotion through the use of different functional and dynamic measures provides a better assessment of patients. This analysis can be done through complementary walk tests that are easy to implement in our daily practice, but also by new technologies using motion analysis.