Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé. / This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator.

L’artériopathie oblitérante des membres inférieurs (AOMI) est une affection vasculaire obstructive athéroscléreuse. Elle touche 20% des plus de 70 ans. L’ischémie critique des membres inférieurs (ICMI) est le stade ultime et nécessite une revascularisation. La thérapie cellulaire (TC) tente de promouvoir l’angiogenèse chez les patients en impasse thérapeutique. Les cellules souches mésenchymateuses (MSCs) sont un bon candidat, car elles associent des propriétés angiogéniques et immunomodulatrices. L’objectif de cette thèse a été 1), d’évaluer dans un modèle murin d’ischémie de la patte, l’efficacité de deux types de MSCs: les MSCs indifférenciées et les MSCs « endothelial like » (MELs) en les comparant aux cellules dérivées de la moelle osseuse; 2) d’analyser le membre ischémié par spectroscopie Raman.Les MELs et les MSCs ont induit une restauration complète du flux et une amélioration fonctionnelle du membre. Aucune nécrose n’a été signalée après administration des MELs. Histologiquement, les MELs ont induit les taux les plus élevés de néoangiogenèse et de régénération musculaire. Les acquisitions spectrales ont révélé que la spectroscopie Raman peut différencier un membre ischémié d'un membre sain et indique une augmentation du ratio lipide/protide au cours de l’ischémie.Notre étude indique que les MELs de patients ICMI rétablissent le flux sanguin et permettent la réparation musculaire. La spectroscopie Raman peut être utilisée pour évaluer l'ischémie chez les patients atteints d’ICMI. / Peripheral artery disease (PAD) is an atherosclerotic obstructive disease affecting lower limbs arteries. It affects nearly 20% of over 70s. Critical limb ischemia (CLI) is the ultimate stage and requires revascularization. Cell therapy (CT) has been proposed for patients with CLI. Clinical trials were encouraging but failed to establish efficacy. Mesenchymal stem cells (MSCs) may be a better option as they combine angiogenic and immunomodulatory properties. MSCs can be obtained from BMCs of CLI-patients. The aim of this study was first to evaluate, in a murine hindlimb ischemia model, the efficacy of two types of MSCs: undifferentiated mesenchymal stem cells (MSCs) and “endothelial like” MSCs (MELs) in comparison with currently used BMCs. Secondly, the objective was to perform a non-invasive analysis of ischemic limb using Raman Spectroscopy. MELs and MSCs induced complete perfusion restoration whereas BMCs did not. The complete flow recovery was significantly earlier with MELs in comparison with MSCs. Both MSCs and MELs improved functionality more efficiently than BMCs. Interestingly, complete limb salvage was observed in the MELs treated group exclusively. In muscles, MELs induced the highest rate of neoangiogenesis and the best muscle repair as shown by the presence of regenerated myofibers. Spectral acquisitions revealed that Raman spectroscopy can discriminate ischemic limb from healthy limb and can grade ischemia over time.Our study brings evidence that MELs obtained from CLI-patients can restore blood flow and provide muscle repair. Moreover Raman spectroscopy could be used clinically to assess ischemia in CLI-patients.

L'infirmité motrice cérébrale (IMC) est une pathologie résultante d'une lésion cérébrale qui atteint environ 4/1000 des nouveau-nés. Cette pathologie consiste en un trouble moteur dû à la contraction continue des muscles (spasticité) qui induit des raideurs musculaires évolutives avec l'âge engendrant des déformations osseuses. L'analyse quantifiée de la marche (AQM) permet d'objectiver et de mieux cibler les traitements orthopédiques. Cette thèse vise à enrichir l'AQM par une modélisation tridimensionnelle personnalisée du squelette et des muscles. L'AQM a été effectuée dans un laboratoire installé au Liban. Une base de données de sujets sains a été établie pour servir de référence à la compréhension des patterns de marche des patients. Une estimation des incertitudes liées aux paramètres de l'AQM a été effectuée, par étude de répétabilité et méthode de Monte Carlo, afin d'objectiver les comparaisons entre patients et sujets sains et entre données pré et post traitement. Une reconstruction 3D personnalisée du squelette en position debout a été effectuée par stéréoradiographie sous le système EOS® chez des enfants sains et IMC pour valider la faisabilité d'une telle technique. Des paramètres quantifiant les vices architecturaux ont été calculés et les incertitudes ont été estimées. Le recalage des structures osseuses durant la marche a été étudié grâce à la mise en place d'une cabine de stéréoradiographie au laboratoire d'analyse de la marche à Beyrouth. Des acquisitions IRM chez des sujets sains et un sujet IMC à Beyrouth ont permis d'explorer la faisabilité de la reconstruction 3D personnalisée des muscles des membres inférieurs en position couchée. La géométrie musculaire a été quantifiée en terme de longueurs, volumes et aires physiologiques. Une première approche de la reconstruction 3D des muscles en position debout a été réalisée en combinant les données de l'IRM et les structures osseuses obtenues par stéréoradiographie, permettant ainsi de calculer les rapports de longueurs entre corps musculaire et partie tendineuse. Ce travail permet d'analyser les anomalies de la marche à la lumière des déformations osseuses et musculaires pour une meilleure prise en charge thérapeutique des enfants IMC.

Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

La position des membres le long du corps est reproductible chez une même espèce mais est très variable entre différentes espèces. Comment les membres acquièrent leur position et quel mécanisme est à l'origine de ces variations est à ce jour non élucidé. De part leur rôle dans la mise en place des axes embryonnaires, les gènes Hox sont depuis longtemps suspectés de jouer un rôle dans ce processus. Cependant les différentes preuves disponibles à ce jour restent indirectes et corrélatives. Chez l'embryon de poulet, je montre que la position des membres est établit précocement au cours du développement, lors de la gastrulation. Je démontre que la formation de la lame latérale (i.e. le tissue d'origine des membres) est un processus graduel et que l'activation séquentielle des gènes Hox spécifie ce tissue en domaines du membre et du flanc. Dans un second temps, une combinaison d'actions activatrice et répressive des gènes Hox sur le programme d'initiation du membre, actions liées à leur organisation colinéaire, est critique pour l'organisation de la lame latérale en domaines du membre et du flanc. Enfin, en étudiant des embryons de différentes espèces d'oiseaux présentant des variations dans la longueur de leur cou et donc dans la position de leur ailes (le poulet, l'autruche et le diamant mandarin), je montre que des changements relatifs dans la séquence d'activation colinéaire des gènes Hox au cours de la gastrulation sous-tendent les variations naturelles de la position de l'aile. L'ensemble de ces résultats montre que les gènes Hox jouent un rôle direct et précoce dans le positionnement des membres et propose un model général de mise en place d'un organisme par ces gènes. / Limb position along the main body axis is highly consistent within one species but very variable among tetrapods. Despite major advances in our understanding of limb patterning in three dimensions, how limbs reproducibly form along the anteroposterior axis remains largely unknown. Hox genes have long been suspected to play a role in this process, however supporting evidences are mostly correlative and a direct role has yet to be demonstrated. Here, using bird embryos, I show that limb position is established very early during development, during the process of gastrulation. I find that the formation of the Lateral Plate Mesoderm (i.e. the embryonic compartment from which limbs will form) is a progressive process and that co-linear activation of Hox genes sequentially patterns it along the antero-posterior axis. Subsequent combinatorial activation and repression activities of Hox genes on limb initiation are particularly critical to pattern the LPM into limb- and non-limb-forming domains. Finally, by analyzing chicken, zebra finch and ostrich embryos which exhibit variation in their forelimb position, I show that relative changes in the timing of co-linear Hox gene activation during gastrulation underlie variation in limb position. Altogether these result shed light on the cellular and molecular mechanism that regulate limb position by showing a direct and early role for Hox genes in this process during gastrulation and provide a mechanism for variation in body plan organization observed in tetrapods.

Les muscles se forment au cours du développement embryonnaire, principalement grâce aux capacités de prolifération et différenciation des cellules souches musculaires, néanmoins ces capacités sont insuffisantes pour le développement correct des muscles. La formation des muscles est aussi régulée par des signaux provenant de tissus adjacents, parmi lesquels le tissu conjonctif (TC). Plusieurs facteurs de transcription spécifiquement exprimés dans le TC ont été identifiés comme étant impliqués dans la myogenèse caractérisant ainsi le TC comme une source importante de signaux dans le mécanisme de morphogénèse musculaire. Ces observations soulignent l’importance du rôle du TC dans la formation des muscles, cependant la nature moléculaire des mécanismes médiés par le TC reste à ce jour inconnue. L’objectif de ce travail de thèse a été d’établir le rôle des chimiokines CXCL12 et CXCL14 dans l’intéraction entre le TC et le développement musculaire, en utilisant l’embryon de poulet comme modèle. Dans un premier temps, nous avons défini le patron d’expression de CXCL12 et CXCL14 au cours du développement embryonnaire, et avons mis en évidence une corrélation entre la localisation de ces chimiokines et l’expression de gènes spécifiques à différentes sous populations du TC. Afin d’évaluer le rôle potentiel de ces chimiokines dans la différentiation du TC nous avons utilisé des approches de gain de fonction in vitro et in vivo et avons montré que CXCL12 et CXCL14 activent les facteurs de transcription spécifiques à différentes sous population du TC, démontrant ainsi que CXCL12 et CXCL14 régulent la différentiation du TC au cours du développement du membre. De plus, nous avons établit que la voie de signalisation BMP et les forces mécaniques régulent négativement l’expression des chimiokines CXCL12 et CXCL14. Ces résultats caractérisent pour la première fois l’implication de CXCL12 et CXCL14 dans la différentiation du TC.La deuxième partie de ce travail de thèse a visé à caractériser le rôle paracrine de CXCL12 et CXCL14 sur le développement musculaire. Nous avons pu observé que l’un des récepteur de CXCL12, CXCR7, est exprimé dans les cellules musculaires souches et différenciées, dans les ailes d’embryons de poulets. En utilisant des approches de gains et pertes de fonctions, d’une part in vitro dans des cultures primaires de myoblastes de poulets, nous avons montrés que CXCR7 favorise la myogénèse, notamment en régulant la myogénèse, tandis que CXCL12 n’a pas d’impact sur la différentiation musculaire in vitro. De plus nous avons pu constater que CXCL14 inhibe la myogénèse in vitro. Finalement, in vivo, nous avons observé que la surexpression des chimiokines entraîne un développement anormal des muscles tandis que l’expression du récepteur CXCR7 tronqué favorise le développement musculaire, soulignant l’importance de la signalisation CXCL12/14 dans le processus de morphogénèse musculaire medié par le TC. Ces résultats constituent la première démonstration d’une fonction paracrine du TC dans la morphogénèse musculaire via les chimiokines CXCL12 et CXCL14. / Skeletal muscle development mostly relies on intrinsic capacities of muscle progenitors to proliferate and differentiate. However, extrinsic signals arising from non-myogenic cells also contribute to the establishment of functional skeletal muscles. The aim of this PhD project was to investigate the role of connective-tissue (CT) on the development of skeletal muscle, using the chick embryonic limb as a model. We particularly investigated the influence of the two chemokines CXCL12 and CXCL14, which have been previously shown as expressed in limb mesenchyme giving rise to the different types of CTs during development. The involvement of CXCL12 and CXCL14 in limb CT differentiation was studied, as well as the role of these chemokines in skeletal muscle development mediated by CT. We first showed that CXCL12 and CXCL14 display distinct restricted expression patterns in limb CT of chick embryos and demonstrated that CXCL12 promotes the expression of OSR1, OSR2 and COL3A1 genes, three markers of irregular CT, while CXCL14 enhances the expression of a regular CT gene, SCX. In addition, the expression of CXCL12, CXCL14 and their putative CT target genes were all negatively regulated by the anti-fibrotic BMP signalling, but also in the absence of musculoskeletal mechanical forces. These results show for the first time the involvement of CXCL12 and CXCL14 chemokines in the differentiation of CTs. The putative role of both chemokines on CT-mediated myogenesis was then analysed. We observed that CXCR7, one CXCL12 receptor, was expressed both in muscle progenitors and differentiated muscle cells in embryonic chick limbs. Using gain- and loss-of-function approaches in primary cultures of chick limb myoblasts, we revealed that CXCR7 promoted myogenesis by regulating muscle cell fusion, while CXCL12 did not influence muscle differentiation. CXCL14 dramatically inhibits in vitro myogenesis. Functional assays performed in chick embryonic forelimbs in vivo demonstrate that overexpression of CXCL12, CXCR7 or a dominant-negative form of CXCR7 all resulted in abnormal and mispatterned muscles in chick limbs. Similarly, CXCL14 overexpression in chick limb in vivo led to profound anomalies in muscle differentiation. All together, our results demonstrate an essential contribution of CXCL12 and CXCL14 chemokines in CT differentiation and in CTmediated muscle development in embryonic limb. / Die Entwicklung der Skelettmuskulatur beruht auf den Fähigkeiten von myogenen Progenitorzellen. Im Laufe der Entwicklung proliferieren diese, differenzieren zu Myoblasten, die schließlich zu Muskelfasern fusionieren. Zur Bildung der embryonalen Muskulatur werden jedoch darüber hinaus extrinsische Signale von nicht-myogenen Zellen, vor allem Zellen des Bindegewebes, benötigt. Das Ziel dieser Arbeit war, die Rolle des Bindegewebes in der embryonalen Muskelentwicklung der Extremitäten des Hühnerembryos als Modell genauer zu untersuchen. Speziell wurde hier der Einfluss zweier Chemokine untersucht, CXCL12 und CXCL14, von denen bereits vorher gezeigt wurde, dass sie im Mesenchym der sich entwickelnden Extremität exprimiert sind. In dieser Arbeit wurde die Rolle dieser Chemokine sowohl für die Differenzierung des Bindegewebes selbst, wie auch deren Einfluss auf die Muskeldifferenzierung analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl CXCL12 als auch CXCL14 distinkte regionale Expressionsmuster im Bindegewebe der Extremität aufweisen. Funktionell erhöht CXCL12 die Expression von OSR1, OSR2 und COL3A1, dreier Marker für irreguläres Bindegewebe, während CXCL14 die Expression eines Schlüsselmarkers für reguläres Bindegewebe (Sehne), SCX, erhöht. Die Expression von CXCL12 und CXCL14 selbst, wie auch die Expression ihrer putativen Zielgene, wurden demgegenüber durch Stimulation des antifibrotisch wirkenden BMP Signalweges negativ reguliert. Zudem bewirkte eine experimentell induzierte Muskelparalyse im Hühnerembryo eine Herunterregulation von CXCL12 und CXCL14, was bedeutet, dass die Expression beider Gene abhängig von mechanischen Signalen ist. Diese Ergebnisse involvieren zu ersten Mal die Chemokine CXCL12 und CXCL14 in die Differenzierung des Bindegewebes. Im Folgenden wurde die mögliche Rolle beider Chemokine in der Muskelentwicklung analysiert. Es wurde zunächst gezeigt, dass CXCR7, ein Rezeptor für CXCL12, in Muskelvorläufern wie auch differenzierten Muskelzellen in der Extremität des Hühnerembryos exprimiert wird. Durch Funktionsgewinn und –verlust Versuche in primären Myoblasten aus Hühnerembryos konnte gezeigt werden, dass CXCR7 die Muskelbildung durch die Beeinflussung der Zellfusion fördert, während CXCL12 keinen Einfluss hatte. Demgegenüber zeigte CXCL14 eine starke Inhibition des Myogenese in vitro. Die Misexpression von CXCL12, CXCR7 sowie dominant-negative Versionen von CXCR7 in vivo bewirkten eine abnormale Musterbildung der Extremitäten-Muskulatur. Genauso bewirkte die Misexpression von CXCL14 deutliche Veränderungen der Muskeldifferenzierung. Zusammenfassend konnte eine Funktion der Chemokine CXCL12 und CXCL14 in der Differenzierung des Bindegewebes sowie im nicht-Zell autonomen Einfluss des Bindegewebes auf die Muskelentwicklung gezeigt werden.

L’analyse 3D du mouvement humain repose généralement sur un ensemble d’hypothèses permettant de modéliser et d’approcher la complexité du corps humain. Le but de ce travail de thèse est de s’affranchir des hypothèses les plus classiques (liaisons simples et parfaites de type rotule ou pivot) dans les calculs de cinématique et de dynamique inverse allant jusqu'à l'estimation des forces musculo-tendineuses. La première partie de la thèse traite de la cinématique articulaire du genou à l’aide de modèles cinématiques « géométriques » représentant les structures anatomiques par des éléments simples (sphère, plan, barre). Ces modèles apparaissent sous la forme de contraintes lors des calculs de cinématique (effectués notamment par optimisation multi-segmentaire). Le travail réalisé a consisté à introduire des ligaments déformables par l’utilisation de méthodes de pénalités pour la gestion de cescontraintes. Il a été montré que ces méthodes, utilisées avec un modèle géométrique générique, permettaient une amélioration de l’estimation de la cinématique du genou in-vivo basée sur des marqueurs cutanés (par rapport aux autres méthodes classiques) en introduisant des couplages articulaires physiologiques. La flexibilité des méthodes permet également d’envisager lapersonnalisation des modèles. La seconde partie se penche sur la dynamique du membre inférieur en étudiant l’influence des actionspassives des structures péri-articulaires durant la marche. Le travail a consisté en une étude locale et une étude globale de ces actions. L’étude locale a montré que l’influence des moments passifs ligamentaires reste limitée sur les forces musculo-tendineuses et les forces de contact articulaire. L’étude globale a montré que les moments passifs de l’ensemble des structures péri-articulaires ontune contribution substantielle aux moments moteurs durant la marche et que les modèles de moments passifs ligamentaires disponibles dans la littérature ne sont pas fiables. L’ensemble de ces développements cherche, à terme, à permettre une approche multi-échelle de la modélisation du membre inférieur. Dans cette optique, la modélisation articulaire proposée (avec desliaisons qui ne sont plus ni simples ni parfaites) permet un couplage plus adapté entre les différentes modélisations (de type multi-corps rigides articulés et éléments finis). / The main objective of this work is to overcome the most classical hypotheses used in kinematics (lower pair mechanical joints) and inverse dynamics computation (joints without resistance) including the estimation of muscular forces. Kinematics is addressed in the first part of the thesis by using “geometric” kinematic models consisting in simple elements (sphere, plane, shaft) modeling the anatomical structures. These models correspond to constraints in the kinematic computation (especially in multi-body optimization). The work consisted in introducing deformable ligaments by using a penalty-based method. It has beenshowed that this method used with a generic geometric model improved the estimation of the knee kinematics from the skin markers, when compared to more classical methods, and introduce physiological couplings between the degrees of freedom. Model personalization is also considered thanks to the flexibility of the method. The influence of the passive structure actions during gait is studied in the second part of the thesis. The work consisted in a local and a global study of those actions. The local study showed that the influence on the joint contact and musculo-tendon forces of the ligament passive moments is limited. The global study showed that the passive moments of the whole peri-articular structures contribute to the motor moments during gait and that the passive ligament moments available in the literature are not appropriate. The long term objective of those studies is to develop a multi-scale approach of the lower limb modeling. The proposed articular modeling (with more complex joints) allows a better interaction between the different scales of modeling (rigid multi-body vs. finite elements).

La coordination des membres est un élément essentiel pour la marche terrestre chez les mammifères. Les mécanismes neuronaux et biomécaniques s'ajustent pour assurer le maintien d'un équilibre dynamique dans un environnement changeant. Lorsque le système est confronté à une perturbation persistante, la coordination des membres s'adapte. L'adaptation est définie comme un recalibrage du mouvement en réponse à une perturbation persistante ainsi que la présence d'après-effets une fois la perturbation disparue, ce qui indique que le nouveau patron a été entreposé dans le système nerveux central. Chez l'homme, le patron locomoteur s'adapte à une marche prolongée sur un tapis roulant partitionné, où l’une des jambes marche à une vitesse supérieure à l'autre, en rétablissant progressivement la symétrie des variables inter-jambes: périodes de double support et des longueurs des pas, ainsi qu’en réduisant l'amplitude de l'activité musculaire (EMG, électromyographie). L’objectif de notre étude était de déterminer si des chats intacts et des chats ayant subis une lésion complète de la moelle épinière (chat spinalisé) s’adaptent à la marche partitionnée prolongée. Pour caractériser l’adaptation locomotrice chez le chat intact et spinalisé, une prise de données cinématiques et électromyographiques des membres postérieurs a été effectuée chats intacts et les chats spinalisés, les longueurs de pas et les périodes de doubles supports étaient, en moyenne, symétriques, pendant la locomotion sur tapis roulant non-partitionné, et sont devenus asymétriques lors de la locomotion sur tapis roulant partitionné. Ces mesures inter-jambes sont demeurées asymétriques tout au long de la période de marche sur tapis roulant partitionné. Au retour à la marche sur tapis roulant non-partitionné, la symétrie a été immédiatement restaurée sans la présence d’après-effets. Chez les chats intacts, l'amplitude EMG moyenne des extenseurs a augmenté pendant la locomotion sur tapis roulant partitionné et elle est restée augmentée tout au long de cette période, alors que chez les chats spinalisés, l'amplitude EMG des membres postérieurs n'a pas changé. Ces résultats indiquent qu’il n’y a pas d’adaptation locomotrice chez le chat intact et spinalisé, ce qui suggère une importante différence physiologique dans le contrôle de la locomotion entre les chats et les humains lors d’une marche asymétrique prolongée. Par conséquent, nous proposons que la symétrie gauchedroite ne s’avère pas importante pour maintenir un équilibre dynamique pendant la locomotion asymétrique prolongée chez le chat, un quadrupède, comparé à l’humain adulte, un bipède. / Abstract : Coordination of the limbs is an essential component of terrestrial locomotion in mammals. When the system is confronted with persistent perturbations from the environment, the interlimb pattern learns to adapt. Adaptation is defined as a recalibration of the movement in response to a persistent perturbation as well as the presence of after-effects upon removal of the perturbation, indicating storage of the new pattern within the central nervous system. In humans, the pattern adapts to prolonged locomotion on a split-belt treadmill, where one leg steps faster than the other, by gradually restoring the symmetry of interlimb variables (double support periods, step lengths) and by reducing the amplitude of muscle activity (EMG, electromyography). The adaptation is also characterized by a reversal of the asymmetry of interlimb kinematic variables initially observed during the early split-belt period when returning to tied-belt locomotion (i.e. an after-effect). To assess the presence of locomotor adaptation, we measured intralimb (stance durations) and interlimb (double support periods, step lengths) variables bilaterally as well as EMG in the hindlimbs of intact and spinal-transected cats before, during and after 10 mins of split-belt locomotion. In both intact and spinal cats, step lengths and double support periods were, on average, symmetric, during tied-belt locomotion, and became asymmetric during split-belt locomotion. These interlimb variables remained asymmetrical throughout the split-belt period and upon returning to the tied-belt condition, left-right symmetry was immediately restored. In intact cats, the mean EMG amplitude of extensors increased during split-belt locomotion and remained increased throughout the split-belt period, while in spinal cats, hindlimb EMG amplitude did not change. The results indicate a lack of adaptation during prolonged split-belt locomotion in intact and spinal cats, suggesting an important physiological difference in the control of locomotion between cats and humans during prolonged asymmetric stepping. We propose that restoring left-right symmetry is not important to maintain dynamic balance during prolonged asymmetrical locomotion in the cat, a quadruped, as opposed to the adult human, a biped.

Ce mémoire doctoral vise à approfondir les connaissances dans le domaine de la réadaptation, de la neurostimulation et de la pratique mentale basée sur l’imagerie motrice (IM). Très peu d’études ont mesuré les effets de ces deux techniques en combinaison et il existe à notre connaissance seulement une étude ayant mesuré les effets de ces deux techniques au niveau du membre inférieur. Concrètement, l’objectif principal du mémoire doctoral est de mesurer les effets de l’IM combinée à la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) sur les performances motrices d’une séquence complexe de mouvements de la jambe chez des sujets sains. Une étude expérimentale d’une seule séance, avec un protocole en double aveugle, placebo contrôle, a été réalisée auprès de 36 adultes sains. Les sujets ont été divisés aléatoirement en trois groupes égaux, soit un groupe recevant une stimulation anodale active du cortex moteur de la jambe combinée à l’IM, un groupe recevant une stimulation placebo combinée à l’IM et un groupe recevant une stimulation placebo combinée à une tâche de lecture. Les sujets devaient apprendre puis réaliser une séquence complexe de huit mouvements avec la jambe dominante, afin de mesurer la précision et la vitesse des séquences complétées. Les résultats ont démontré un effet d’acquisition de la séquence, soit immédiatement et 30 minutes après l’intervention, de même que des capacités d’IM équivalentes et ce pour tous les groupes. Cependant, contrairement à nos hypothèses, les résultats n’ont démontré aucun effet additionnel de l’IM ou de la combinaison de l’IM et de la neurostimulation sur le nombre de séquences correctement exécutées ou sur le temps d’exécution. Ce mémoire doctoral contribue toutefois à l’avancement des connaissances en démontrant la pertinence de réaliser des études auprès de populations saines afin de valider les paramètres d’intervention avant l’utilisation des interventions auprès de populations cliniques. / This doctoral thesis aimed at further developing knowledge on novel techniques to improve rehabilitation notably neurostimulation and mental practice based on motor imagery (MI). Very few studies have combined these two techniques and only one study combined these two techniques to investigate its effects on the lower limb. More precisely, the objective of this doctoral thesis is to study the effects of mental practice based on motor imagery (MI) combined with transcranial direct current stimulation (tDCS) on leg motor performances in healthy subjects, using a complex foot-movements sequence. A single session experimental study was conducted, using a double blind, placebo controlled protocol with 36 healthy adults. Subjects were randomly assigned to one of three equal groups: one receiving active anodal stimulation over the leg region of the motor cortex combined with motor imagery training, one receiving sham stimulation combined with motor imagery training and one receiving sham stimulation combined with a reading task. Subjects had to learn then execute a complex 8-movement sequence with their dominant leg; the goal being to measure accuracy and speed of completed sequences. Results showed new skill acquisition, immediately after and 30 minutes after the intervention in all groups. Results also showed that all three groups had similar MI abilities. However, contrary to our hypothesis, our results showed no additional effect of MI training or of the combination of MI training and stimulation, measured by an increase number of correctly performed sequences or by an decreased in execution time, suggesting that motor performances were similar for all three groups. This doctoral thesis contributes to scientific knowledge by showing the relevance of conducting research with healthy populations in order to validate the interventions before implementing the interventions with a clinical population.

Les déficiences sensorimotrices ou troubles du mouvement sont ce qui sous-tend ou cause les incapacités aux membres supérieurs. Par exemple, la spasticité musculaire, faiblesse musculaire, pauvre contrôle moteur sélectif, spasmes musculaires ou mouvements involontaires ou tremblements sont tous des exemples de désordres sensorimoteurs/troubles du mouvement. Lorsque des personnes vivent avec de tels désordres sensorimoteurs, cela peut entrainer des incapacités aux membres supérieurs et de la difficulté à réaliser diverses tâches quotidiennes. Dans plusieurs cas, les personnes atteintes n'ont pas accès aux services d'un aide-soignant. La famille doit donc s'occuper de la personne dans le besoin ou encore la personne atteinte doit se débrouiller avec les assistances techniques disponibles sur le marché. La situation risque de se détériorer dans un futur proche considérant le vieillissement de la population où il faudra prendre soin de plus en plus de personnes en perte d'autonomie avec moins de main d'œuvre active. À la suite d'une revue de littérature, et de consultations avec des ergothérapeutes, il a été établi que les assistances techniques commercialisées ne sont pas suffisamment adéquates pour plusieurs usagers. Ce mémoire porte sur le développement d'assistances techniques mécaniques afin de venir en aide aux personnes ayant des difficultés de mouvement aux membres supérieurs. L'hypothèse est que l'utilisation des assistances développées aidera les personnes vivant avec des troubles de mouvement à s'alimenter de manière plus autonome. Et ce, tout en réduisant la charge de travail du personnel médical. Deux types d'aide à l'alimentation ont été développés : un système d'aide à l'alimentation passif pour la spasticité et un ustensile anti-tremblements. Le premier est un système utilisant des mécanismes à quatre barres et des amortisseurs afin de stabiliser l'ustensile et d'amortir les mouvements involontaires. Le deuxième est un ustensile de plus petite taille qui stabilise les tremblements en utilisant des contrepoids. / Many people live with disabilities that may affect the control of their upper limbs and therefore affect their daily autonomy. These disabilities can include muscle spasticity, non selective motor control, muscle weakness and others. This can cause spasms or tremors which will inevitably affect the person when he/she tries to eat by him/herself. In many cases, people living with that kind of disabilities do not have access to the service of a caregiver. The affected person can use technical aids available commercially or the family can takecare of the person in need. The situation is likely to deteriorate in the coming years considering the aging population. It will be necessary to take care of more and more people losing their autonomy while dealing with less active medical labor. Following a literature review, and several discussions with occupational therapists, it was established that the technical aids available commercially are not sufficiently adequate formany users. This thesis focuses on the development of mechanical feeding assistances tohelp people living with upper limbs movement disorders. The hypothesis is that using the developed aids will help people living with movement disorders to eat more independently. The use of the developed mechanical aids will increase user involvement while reducing the workload of the medical staff. Two different types of feeding aid have been developed: a passive feeding system forspasticity and an anti-tremor utensil. The first is a complex system using four-bar mechanisms and dampers to stabilize the utensil and reduce the effects of involuntary movements. The prototype is fixed on a table and is controlled with a handle. The second solution developed is a smaller sized utensil that stabilizes tremors using counterweights