Les dystrpohies musculaires sont des maladies génétiques rares qui se caractérisent par une dégénérescence musculaire progressive. la Dystrophie Musculaire de Duchenne (DMD) qui est la plus sévère d'entre elles est due à des mutations dans le gène de la dystrophine. Les mécanismes cellulaires impliqués dans le processus de dégénérescence des muscles restent peu compris et aucun traitement efficace n'existe à ce jour. Notre équipe a développé un modèle de la DMD chez le nématode C. elegans qui présente une dégénérescence musculaire progressive. Pendant ma thèse, j'ai caractérisé le processus de dégénérescence musculaire chez ce modèle par microscopie électronique. J'ai également contribué à une étude du rôle des mitochondries dans la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante chez le nématode. Par ailleurs, j'ai étudié l'effet de suppresseurs pharmacologique et génétiques de la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante. Enfin, j'ai pu mettre en évidence que la force exercée par le muscle influence le taux de dégénérescence musculaire. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse, suggèrent que la perte de fonctions de la dystrophine affecte chez le nématode l'intégrité du sarcolemme et des structures d'ancrage des sarcomères et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires conduisant in fin à la mort de la cellule musculaire. Ainsi mes travaux dethèse mettent en évidence de nouveau mécanismes cellulaires impliqués dans la dégénérescence musculaire et ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de thérapie visant à cibler les défauts primaires ou secondaires induits par la perte de fonction de la dystrophine / Muscle dystrophies are genetic diseases caraterized by progressive muscle degeneration. Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is the most severe and is due to a mutation in the gene coding the dystrophin protein. The cellular mechanisms implicated in the degenerating process arte not understood yet and there is still no efficient treatment to cure the disease. Our group decvelopped a DMD model in C. elegans that presents progressive muscle degeneration. During my PhD thesis, I characterized the process of muscle degeneration in this model by electron microscopy. I also contribued to an investigation of the role of mitochondira in dystophin-dependant muscle degeneration. I also studied the effect of pharmacological and genetic suppressors of muscle degeneration. Finally, I showed that the force developped by the worm to move influences the level of muscle degeneration. Altogether, the results I obtained during my PhD thesis, suggest that the loss of funciotnof the dystrophin protein affects the integrity of the muscle plasma membrane and the sarcomeres anchoring structures triggering a cascade of intracellular events leading to the muscle cell death in C. elegans. Therefore, my results highlight new cellular mechanisms implicated in the phenomenon of muscle degeneration and open new perspectives for the development of therapies targeting primary and secondary defects induced by the dystrophin loss of function.

L’objectif général de ce travail était d’évaluer l’effet du diabète de Type 1 et de l’hyperglycémie chronique (reflétée par un niveau élevé d’HbA1c), chez des patients indemnes de complications micro et macrovasculaires, sur la disponibilité en oxygène (O2) au niveau musculaire et cortical et ses répercussions sur l’aptitude physique aérobie. Dans un premier temps, nous nous sommes attardés à étudier l’effet du diabète et des niveaux élevés d’HbA1c sur les différentes étapes de la cascade d’oxygène (à savoir la diffusion alvéolo-capillaire, le transport artériel et la libération de l’O2 au niveau musculaire) ainsi que sur l’oxygénation musculaire estimée par la Spectroscopie dans le proche Infra-Rouge (NIRS) durant un exercice incrémental et voir les répercussions possibles sur la consommation maximale d’oxygène (〖V ̇O〗_2max). Nous avons montré que les patients DT1 présentent une capacité de diffusion alvéolo-capillaire ainsi qu’une capacité de transport artériel d’O2 comparable aux sujets sains. En revanche, les patients ayant un niveau élevé d’HbA1c présentent une altération de 〖V ̇O〗_2max ainsi qu’une réduction du volume sanguin musculaire (reflétée par une baisse de l’hémoglobine totale) et une nette baisse de la déoxyhémoglobine (HHb) au niveau du muscle actif aux intensités proches de l’exercice maximal. Ce dernier résultat pourrait s’expliquer par l’affinité plus importante de HbA1c pour l’O2 et/ou une altération de la redistribution de débit sanguin entre les vaisseaux nutritifs et non nutritifs. L’altération du volume sanguin au niveau musculaire chez les patients présentant un mauvais contrôle glycémique peut prévenir les cliniciens du dysfonctionnement de la microcirculation survenant avant même qu’une microangiopathie se manifeste à l’état clinique (Étude 1). Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la fonction cérébrale. Notre objectif étant d’évaluer l’hémodynamique cérébrale durant un exercice incrémental maximal. Nous avons trouvé une altération de l’hémodynamique cérébrale (baisse de l’hémoglobine totale) aux intensités proches de l’exercice maximal chez les patients DT1 qui présentent un mauvais contrôle glycémique (Étude 2). Ces deux travaux nous montrent bien que les sujets diabétiques de type 1 indemnes des complications micro et/ou marcovasculaires présentent une faible aptitude physique aérobie qui peut s’expliquer à la fois par une altération de l’oxygénation musculaire et cérébrale. Ces études mettent également en évidence l’intérêt d’associer la NIRS avec un exercice maximal. Ce dernier place les tissus en situation de besoin maximal en O2 ce qui permet de mettre en exergue des altérations fonctionnelles de la microcirculation avant même l’apparition de complications microvasculaires détectables par les tests cliniques habituels. / This study sought to investigate whether type 1 diabetes and high levels of glycated hemoglobin (HbA1c) influence oxygen supply including alveolar capillary diffusion, oxygen delivery and release, to active muscle and prefrontal cortex during maximal exercise. We first studied the effect of high level of HbA1c on oxyhemoglobin dissociation at the active muscle measured by Near Infra-Red Spectroscopy (NIRS) during maximal exercise. We found that alveolar capillary diffusion and arterial oxygen content was comparable between patients with type 1 diabetes and healthy subjects. However, patients with inadequate glycemic control but without any clinically detectable vascular complications displayed an impaired aerobic capacity as well as a reduction in blood volume and a dramatic impairment in deoxyhemoglobin (HHb) increase in active skeletal muscle during intense exercise. The latter supports the hypotheses of an increase in O2 affinity induced by hemoglobin glycation and/or of a disturbed balance between nutritive and nonnutritive muscle blood flow. Furthermore, reduced exercise muscle blood volume in poorly controlled patients may warn clinicians of microvascular dysfunction occurring even before overt microangiopathy (Study 1). Secondly, we aimed at investigating prefrontal cortex hemodynamic during an incremental maximal exercise in patients with uncomplicated type 1 diabetes, taking into account chronic glycemic control. We observed that levels and changes in regional cerebral blood volume – as reflected by change in total hemoglobin – were lower at high intensities of exercise in patients with inadequate glycemic control (Study 2).In summary, the physiological stimulus of maximal exercise coupled with NIRS measurement highlighted subclinical disorders of both cerebral hemodynamic and muscle oxygenation in poorly-controlled patients with type 1 diabetes albeit free from any clinical microangiopathy.

La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) a le potentiel de fournir une amélioration active aux blessés médullaires en termes de mobilité, de stabilité et de prévention des effets secondaires.Dans le domaine des système SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire adéquat doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu et maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle tels que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médullaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponible à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients.Afin de prédire le couple articulaire induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisé pour corréler l'activité musculaire électrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articulaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été évaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médulaires.Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basé sur les performances de précision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande basée sur le retour EMG, «EMG-Feedback Predictive Control» (EFPC), est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires. / Functional electrical stimulation (FES) has the potential to provide active improvement to spinal cord injured (SCI) patients in terms of mobility, stability and side-effect prevention. In the domain of lower limb FES system, elicited muscle force must be provided appropriately to perform intended movement and the torque generation by FES should be accurate not to lose the posture balance. However, muscle state changes such as muscle fatigue is a major cause which degrades its performance. In addition, most of the complete SCI patients don't have sensory feedback to detect the fatigue and in-vivo joint torque sensor is not available yet. Conventional FES control systems are either in open-loop or not robust to muscle state changes. This thesis aims at a development of joint torque prediction and feedback control in order to enhance the FES performance in terms of accuracy, robustness, and safety to the patients.In order to predict FES-induced joint torque, evoked-Electromyography (eEMG) has been applied to correlate muscle electrical activity and mechanical activity. Although muscle fatigue represents time-variant, subject-specific and protocol-specific characteristics, the proposed Kalman filter-based adaptive identification was able to predict the time-variant torque systematically. The robustness of the torque prediction has been investigated in a fatigue tracking task in experiment with SCI subjects. The results demonstrated good tracking performance for muscle variations and against some disturbances.Based on accurate predictive performance of the proposed method, a new control strategy, EMG-Feedback Predictive Control (EFPC), was proposed to adaptively control stimulation pattern compensating to time-varying muscle state changes. In addition, this control strategy was able to explicitly avoid overstimulation to the patients, and conveniently generate appropriate stimulation pattern for desired torque trajectory.

Nous avons déterminé la capacité de régénération du tissu vasculaire in vivo des CSM traitées avec BMP2 à la dose de [100 ng.mL-1] dans un modèle rat. Nous avons ainsi rapporté qu’une prothèse revêtue de CSM traitée par BMP2 pendant 1 semaine et implantée 14 jours chez le rat permettait la reconstitution des trois tuniques de la paroi mimant la structure de l’aorte. La capacité proangiogénique des CSM était augmentée par BMP2 grâce à la mise en jeu de voies intracellulaires impliquant le facteur induit par l’hypoxie (HIF-1α) via JAK/STATs. Nous avons montré que les CSM migraient sous l’influence de BMP2 par stimulation de l’activité du complexe enzymatique NADPH oxydase via l’augmentation de l’expression des protéines PAK1, Vav2 et RAC1 GTPase/PI3K. Ce travail a confirmé l’intérêt de l’utilisation de CSM conjointement à rh-BMP2, une protéine impliquée dans l’embryogénèse vasculaire, pour la bioingénierie de la régénération vasculaire. / We determined the capacity to regenerate vascular tissue in vivo, of MSC treated with BMP2 at a dose of [100 ng.mL-1] in a rat model. We have reported that a prosthesis coated with CSM treated 1 week with BMP2 and implanted in rats 14 days allowed the reconstruction of the three tunics of the wall that mimic the structure of the aorta. The proangiogenic capacity of MSCs was increased by BMP2 through the intracellular pathways involving hypoxia inducible factor (HIF-1α) via JAK / STAT. We have shown that MSCs migrated under the influence of BMP2 by stimulating the activity of the enzyme complex NADPH oxidase via the increased expression of PAK1 protein, Vav2 and RAC1 GTPase/PI3K. This work confirmed the interest of the use of MSC in conjunction with rh-BMP2, a protein involved in vascular embryogenesis for bioengineering for vascular regeneration.

Ces dernières années, des travaux importants ont été observés dans le développement du contrôle prothétique afin d'aider les personnes amputées du membre supérieur à améliorer leur qualité de vie au quotidien. Certaines prothèses myoélectriques modernes des membres supérieurs disponibles dans le commerce ont de nombreux degrés de liberté et nécessitent de nombreux signaux de contrôle pour réaliser plusieurs tâches fréquemment utilisées dans la vie quotidienne. Pour obtenir plusieurs signaux de contrôle, de nombreux muscles sont requis mais pour les personnes ayant subi une amputation du membre supérieur, le nombre de muscles disponibles est plus ou moins réduit selon le niveau de l’amputation. Pour accroître le nombre de signaux de contrôle, nous nous sommes intéressés au biceps brachial, vu qu’anatomiquement il est formé de 2 chefs et que de la présence de compartiments a été observée sur sa face interne. Physiologiquement, il a été trouvé que les unités motrices du biceps sont activées à différents endroits du muscle lors de la production de diverses tâches fonctionnelles. De plus, il semblerait que le système nerveux central puisse se servir de la synergie musculaire pour arriver à facilement produire plusieurs mouvements. Dans un premier temps on a donc identifié que la synergie musculaire était présente chez le biceps de sujets normaux et on a montré que les caractéristiques de cette synergie permettaient d’identifier la posture statique de la main lorsque les signaux du biceps avaient été enregistrés. Dans un deuxième temps, on a réussi à démontrer qu’il était possible, dans un cube présenté sur écran, à contrôler la position d’une sphère en vue d’atteindre diverses cibles en utilisant la synergie musculaire du biceps. Les techniques de classification utilisées pourraient servir à faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques. / In recent years, important work has been done in the development of prosthetic control to help upper limb amputees improve their quality of life on a daily basis. Some modern commercially available upper limb myoelectric prostheses have many degrees of freedom and require many control signals to perform several tasks commonly used in everyday life. To obtain several control signals, many muscles are required, but for people with upper limb amputation, the number of muscles available is more or less reduced, depending on the level of amputation. To increase the number of control signals, we were interested in the biceps brachii, since it is anatomically composed of 2 heads and the presence of compartments was observed on its internal face. Physiologically, it has been found that the motor units of the biceps are activated at different places of the muscle during production of various functional tasks. In addition, it appears that the central nervous system can use muscle synergy to easily produce multiple movements. In this research, muscle synergy was first identified to be present in the biceps of normal subjects, and it was shown that the characteristics of this synergy allowed the identification of static posture of the hand when the biceps signals had been recorded. In a second investigation, we demonstrated that it was possible in a virtual cube presented on a screen to control online the position of a sphere to reach various targets by using muscle synergy of the biceps. Classification techniques have been used to improve the classification of muscular synergy features, and these classification techniques can be integrated with control algorithm that produces dynamic movement of myoelectric prostheses to facilitate the training of prosthetic control.

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Contexte : Après 65 ans, une femme sur deux souffre d’incontinence urinaire (IU) et de celles-ci, 25% souffrent de symptômes sévères (>10 épisodes/semaine). Une association positive a été établie entre l’IU liée à l’urgence (IUU) ou l’IU mixte (IUM) et les chutes. Cependant, les caractéristiques de force musculaire des membres inférieurs, d’équilibre, de mobilité et de fonction des femmes âgées avec IUU/IUM ont été peu étudiées jusqu’à maintenant. L’objectif principal de cette étude était donc de comparer la force des membres inférieurs, l’équilibre, la mobilité et la fonction chez les femmes âgées présentant ou non de l’IUU/IUM. L’objectif secondaire était de déterminer la relation de ces caractéristiques et la sévérité de l’IU. Méthode : Dans cette étude pilote transversale, 20 femmes avec IUU/IUM ont été appariées à 20 femmes continentes pour l’âge et l’IMC. Les participantes étaient âgées de 65 ans ou plus, vivaient à domicile et étaient capables de se déplacer de façon sécuritaire, sans aide technique. Des questionnaires validés et des tests standardisés ont permis de recueillir de l’information sur les symptômes d’IU (questionnaire ICIQ-UI SF), puis d’évaluer la force musculaire des membres inférieurs (dynamométrie des fléchisseurs et extenseurs des genoux, test du 30-Second Sit-to-Stand), l’équilibre (test d’équilibre unipodal, Four Square Step Test, questionnaire Activities-Specific-Balance-Confidence), la mobilité (10-Meter Walk Test, 6-Minute Walk Test) et la fonction (questionnaire Human Activity Profile, questionnaire SF-12). Résultats : Comparativement aux femmes continentes, les femmes avec IUU/IUM ont présenté des différences significatives au niveau de l’équilibre: temps réduit au test unipodal du côté dominant (p˂0,001) et non-dominant (p˂0,005); score inférieur sur la version adaptée du Activities-Specific Balance Confidence Scale (p=0,01). Les femmes avec IUU/IUM ont également présenté des différences significatives au niveau de la mobilité: vitesse de marche réduite (p=0,01); évaluation de la santé physique moins élevée mesurée à l’aide du SF-12 (p=0,01). Aucune différence n’a été observée entre les groupes quant à la force musculaire des membres inférieurs et la fonction. Aucune association significative n’a été observée entre la sévérité des symptômes d’IU rapportés par les femmes avec IUU/IUM et les mesures de force musculaire des membres inférieurs, d’équilibre, de mobilité et de fonction. Conclusion : Les résultats de cette étude suggèrent des atteintes à l’équilibre et la mobilité chez les femmes âgées avec IUU/IUM. D’autres études sont cependant nécessaires pour confirmer ces résultats. Les études futures sur cette clientèle devraient inclure l’évaluation de groupes musculaires additionnels (i.e. hanches, chevilles). En rapportant les calculs de puissance de tailles d’échantillon, cette étude pilote ouvre la voie à d’autres projets de plus large envergure. / Context : After the age of 65, the prevalence of urinary incontinence (UI) is one in two women. A positive correlation between falls and urgency UI (UUI) or mixed UI (MUI) has been identified. However, lower-extremity impairments in older women with UUI/MUI have not been thoroughly investigated. The primary goal of this study was to compare lower limb strength, balance, mobility and function in older women with and without UUI/MUI. The secondary goal was to evaluate the association between these measurements and UI severity. Methods : Forty older women with and without UUI/MUI completed standardized tests to gather data on UI symptoms (ICIQ-UI SF questionnaire) lower limb strength (knee flexor/extensor dynamometry, 30-Second Sit-to-Stand Test), balance (Single Leg Stance Test, Four Square Step Test, Activities-Specific-Balance-Confidence questionnaire), mobility (10-Meter Walk Test, 6-Minute Walk Test) and function (Human Activity Profile questionnaire, SF-12 questionnaire). Results : Significant differences in balance and mobility were observed between groups. Women with UI had shorter single leg stance times both on the dominant (p˂0.001) and non-dominant (p˂0.005) sides, lower balance confidence scores (p=0.01) and slower gait speeds (p=0.01). Women with UI also reported a significantly lower self-perceived health (p=0.01). No significant differences were observed in knee flexor/extensor strength and in function. No significant correlations were found between the severity of the UI symptoms reported by women with UI in the ICIQ-UI-SF and the measurements of lower limb muscle strength, balance, mobility or function Conclusion : The results from this pilot study suggest balance and mobility impairments in high-functioning older women with UUI/MUI. More studies are needed to confirm these results. By reporting power calculation for sample size, this pilot study provides a useful basis to design and conduct larger studies.

Les travaux présentés dans cette mémoire visent à développer de nouvelles méthodes qui exploitent les propriétés de cyclostationnarité pour traiter des signaux de force de réaction du sol enregistrées au cours de la marche et la course à pied. Nous nous intéressons à l’analyse de la locomotion humaine dans trois domaines d´études: une étude liée à la pathologie, une deuxième liée directement à l’âge et une troisième relative à la fatigue. En effet, la détection du risque de chute chez les personnes âgées pour fin de prévention contre la chute constitue un enjeu majeur, car cette chute entraine d’une part un nombre de décès important et d’autres part se traduit par un cout élevée de la santé publique. Par ailleurs, l’étude de la fatigue musculaire en particulier pour l’amélioration des performances des sportifs de haut niveau a fait l’objet de nombreux travaux de recherche & développement. La recherche et le développement de nouvelles méthodes et d’indicateurs dans le domaine de traitement de signal dans le but de caractériser la locomotive humaine, permettrait des avancées intéressantes dans les enjeux évoqués ci-dessus. La complexité des signaux GRF est définie par le système neuromusculaire qui génère ce signal. Une meilleure connaissance de ce système nécessite le développement des méthodes de séparation de sources et des outils avancés de traitement du signal pour mieux décrire le système considéré. En effet, nous montrons dans cette thèse que les signaux GRF peuvent être modélisés dans un cadre cyclostationnaire élargi. Les composantes de signal GRF (contribution active et passive) sont séparées par de nouvelles techniques de séparation de sources. Cette modélisation ouvre de nouvelles perspectives pour la décomposition et identification des sources individuelles. D'autre part, on exploite les caractères cyclostationnaire des signaux dans le cadre de la méthode d'analyse en composantes morphologique (MCA). Cet algorithme nous permet de séparer avec succès les composantes d’ordre 1 et d’ordre 2 des signaux considérés. Finalement, nous nous proposons un nouveau modèle utile pour l'étude et la caractérisation de cyclostationnarité. Il présente l'effet de la variation aléatoire de la pente sur le spectre du signal cyclique. Nous appelons ce modèle (modèle cyclostationnaire à pente aléatoire). Nous appliquons ce modèle pour l'étude des signaux biomécaniques où nous considérons la pente comme une mesure spécifique extraite des forces de réaction du sol. Les résultats montrent que la pente et les polynômes à coefficients aléatoires du pic passive peuvent jouer un rôle important et fournir des informations intéressantes concernant la fatigue et concernant la performance de marche et course à pied / The research work presented in this dissertation, involves the development of novel methodologies and methods, for the exploitation of cyclostationarity properties and for the treatment of ground reaction force signals, recorded during walking and running. We are especially interested in the analysis of human locomotion in three fields of interest: a study relating to pathology, a study directly related to age, and a study of muscle fatigue. Indeed, the detection of risk of falling among the elderly for the prevention of falls is of major concern. This is because falling on the one hand leads to a large number of deaths and secondly, resulting in higher costs of public health.Study the muscle fatigue in particular has occupied taken a big share out of this research due to the importance of such events like strenuous level of sports. Research and development of new methods and indicators in the field of signal processing for better characterizing the human locomotion, would allow interesting advances in the aforementioned issues. The complexity of GRF signals is defined by the neuromuscular system which generates this signal. Improved knowledge of this system requires developing source separation methods and advanced signal processing tools to better describe the system under consideration. Indeed, we will endeavor to show in this dissertation that GRF signals can be modeled within an enlarged cyclostationary framework. The GRF signal components (active and passive contribution) are separated by means of new source separation techniques. This modeling opens new perspectives for the decomposition and identification of individual sources. On the other hand, we exploit the cyclostationary characters of signals in the context of Morphological component analysis (MCA) method. Such algorithm enables us to successfully separate the first and second order components of the signals under consideration. Finally, we provide a new model useful for studying and characterizing cyclostationarity. It presents the impact of random slope variation on the cyclic spectrum of the signal. We call this model the random slope modulation (RSM). We apply this model for studying biomechanical signals where we consider the slope as a specic measure extracted from the vertical ground reaction forces. The results show that the slope and polynomial random coefficients of passive peaks can play important role and provide interesting information concerning fatigue and concerning running / walking performance

Pour mieux comprendre et traiter les troubles musculosquelettiques présents à l’épaule, une meilleure connaissance de la contribution et de la fonction de chaque muscle de l’articulation glénohumérale est nécessaire. L’analyse des forces musculaires et articulaires est une étape importante pour comprendre les mécanismes de blessures et les pathologies. Ces forces musculaires peuvent être estimées de façon non invasive grâce à des modèles musculosquelettiques. Le défi est de prédire de façon physiologique les trajectoires musculaires et les bras de levier afin de s’assurer d’avoir une cohérence des forces musculaires dans les modèles musculosquelettiques. L’objectif de cette thèse était d’améliorer la géométrie musculaire des modèles musculosquelettiques de l’épaule en passant par plusieurs méthodes différentes d’implémentation des trajectoires musculaires. À cet égard, nos objectifs spécifiques étaient de : (1) améliorer la géométrie musculaire des modèles multicorps rigides grâce à l’implémentation de contraintes transverses; (2) évaluer la fiabilité d’un modèle éléments finis pour l’estimation des bras de levier et (3) tester la sensibilité de la prédiction des bras de levier aux incertitudes sur les zones d’insertions musculaires; (4) établir une base de données de bras de levier 3D pour des mouvements de grande amplitude; (5) quantifier de façon expérimentale les changements architecturaux des muscles entre l’état au repos et différents niveaux de contraction isométrique. (1) Deux modèles multicorps rigides de la coiffe des rotateurs ont été développés : un modèle classique intégrant une représentation des lignes d’action en 1D et un modèle possédant des contraintes transverses entre les lignes d’action permettant une représentation 2D. La représentation 2D avec des contraintes transverses permet une représentation plus physiologique des trajectoires musculaires et des bras de levier que les modèles classiques 1D. Toutefois, lors de mouvement allant au-delà de 90° d’élévation du bras, lorsque les points d’origine et d’insertion se rapprochent, les bras de levier et les longueurs musculaires sont mal estimés, car le modèle ne prend pas en compte les déformations du volume musculaire. (2) Un modèle éléments finis a été développé à partir de données d’imagerie médicale. Ce modèle permet une estimation des bras de levier fidèle aux données d’IRM. Contrairement aux modèles multicorps rigides, notre modèle élément finis rend compte du fait qu’un même muscle peut avoir plusieurs actions selon la position de sa ligne d’action par rapport au centre de rotation de l’articulation. (3) Le modèle a également servi à faire une étude de sensibilité des bras de levier : les zones d’insertion des différents muscles de la coiffe des rotateurs et du deltoïde ont été déplacées et les bras de levier associés calculés. Les résultats montrent qu’une variation de 10 mm des points d’insertion sur la tête humérale peut amener un muscle à changer de fonction (par exemple adduction plutôt que d’abduction). (4) Une collecte de données expérimentales effectuées sur quatre épaules a permis de collecter les bras de levier du deltoïde et des muscles de la coiffe des rotateurs pour des mouvements de grande amplitude. Ces résultats permettent de mieux comprendre le rôle des muscles de l’articulation glénohumérale lors de la réalisation de différents mouvements. Le deltoïde antérieur a une grande action en flexion et en adduction; le deltoïde moyen est un fort abducteur; le deltoïde postérieur agit en extension. Contrairement au deltoïde, l’infra-épineux et le petit rond ont principalement une fonction de rotateur externe. (5) Une collecte de données impliquant 14 sujets a été réalisée dans le but de quantifier les changements de géométrie musculaire et d’angle de pennation associés à la contraction pour les muscles du biceps, triceps et deltoïde. Les angles de pennation ont été obtenus grâce à un système d’échographie et les changements de géométrie externe des muscles ont été mesurés grâce à un capteur de structure. Les résultats montrent que les changements architecturaux pour les muscles étudiés se produisent principalement entre 0 et 25% de contraction maximale volontaire (aucune différence significative observée entre 25 et 50%). Le muscle le plus affecté par les changements architecturaux est le biceps. Cette thèse a évalué différentes approches de modélisation de la géométrie musculaire : l’approche la plus bio-fidèle étant finalement la modélisation par éléments finis, car elle permet de prendre en compte les interactions entre les structures et les déformations musculaires. De plus, nous avons montré l’importance d’estimer avec rigueur les paramètres d’entrée (zones d’insertions musculaires) des modèles et de bien évaluer la bio-fidèlité des modèles développés avant de les utiliser dans des contextes cliniques. Dans ce but, de nouvelles données ont été acquises en termes de déformations musculaires et d’angle de pennation pour permettre l’évaluation de modèle intégrant de l’activation musculaire. / Understanding and treating musculoskeletal disorders of the shoulder requires additional knowledge of the contribution and function of each muscle of the glenohumeral joint. The analysis of muscle and joint forces is an important step in understanding injury mechanisms and pathologies. These muscle forces can be estimated non-invasively using musculoskeletal models. The challenge is to physiologically predict muscle trajectories and moment arms to ensure consistency of muscle forces in musculoskeletal models. The aim of this thesis was to improve muscle geometry in musculoskeletal models of the shoulder by testing several different techniques for implementing muscle trajectories. Our specific objectives were to: (1) improve muscle geometry of rigid multibody models by using transverse constraints; (2) assess the reliability of a finite element model for estimating moment arms and (3) evaluate the sensitivity of moment arm predictions to uncertainties in muscle insertion areas; (4) create a database of 3D moment arms for movements with high ranges of motion; (5) experimentally quantify muscles’ architectural changes between resting state and different levels of isometric contractions. (1) Two rigid multibody models of the rotator cuff were developed: a classic model representing muscles with lines of action in 1D and a 2D model with transverse constraints between lines of action of a single muscle. The 2D model (with transverse constraints) gives a more physiological representation of muscle trajectories and moment arms than the classical 1D model. However, for arm movements beyond 90° of elevation, when the origin and insertion points get closer, moment arms and muscle lengths are misestimated due to the mode’s inability to account for muscle volume deformations. (2) A finite element model of the glenohumeral joint was developed based on medical imaging. Moment arms were computed and compared to the literature and MRI data. Our finite element model produces moment arms consistent with the literature and MRI data. Unlike rigid multibody models, our finite element model accounts for the fact that one muscle can have several actions depending on the position of its line of action relative to the centre of rotation of the joint. (3) The model was used to study moment arm sensitivity: insertion areas of rotator cuff muscles and the deltoid were moved, and associated moment arms have been computed. Results showed that a 10 mm variation in insertion points on the humeral head could cause a muscle to change function (for example performing adduction rather than abduction). (4) The 3D moment arms were assessed on four post-mortem human surrogates during movements with high ranges of motion. Results of the study gave us a better understanding of muscle functions during different movements. The main findings of the study were that the anterior deltoid was the largest flexor and had an adduction component, the median deltoid was a strong abductor, and the posterior deltoid acted in extension. Unlike the deltoid, the infraspinatus and teres minor were the largest external rotators of the shoulder. (5) Experimental measurements were performed on 14 subjects in order to quantify changes in muscle geometry and pennation angles associated with different levels of contraction for the biceps, triceps and deltoid. Pennation angles were measured on subjects using a portable ultrasound system. External muscle deformations were measured with an iPad equipped with a structure sensor. Changes in muscle architecture for the biceps, triceps and deltoid during isometric contractions occurred mostly between 0 and 25% of maximal voluntary contraction (no significant difference was observed between 25 and 50%). Changes were higher for the biceps than other muscles. This thesis evaluated different approaches to model muscle geometry: the approach leading to the most physiological result was the finite element model due to modeling of the interactions between structure and muscle deformations. Additionally, we demonstrated the importance of rigorously estimating input parameters (muscle insertion areas) and of properly evaluating the bio-fidelity of the models developed before using them in clinical contexts. New data was acquired regarding muscle deformations and pennation angles to evaluate models integrating muscle activation.

Une naissance prématurée vient interrompe le développement normal de plusieurs organes, notamment du cœur et des poumons, occasionnant des altérations structurelles et fonctionnelles des systèmes jusqu’à l’âge adulte. Bien que les bienfaits de la pratique d’activité physique (AP) sur la santé générale et la capacité d’exercice chez la population en santé et la population à risque sont bien connus. Toutefois, aucune étude n’a encore évalué si la population de jeunes adultes nés très prématurément pourrait également bénéficier de ces bienfaits. Le présent mémoire a donc pour objectif d’évaluer la faisabilité et d’estimer l’effet d’une intervention supervisée en exercice de 14 semaines sur la santé cardiorespiratoire et musculaire des jeunes adultes nés très prématurément comparativement à des jeunes adultes nés à terme (contrôles). Les données de cet essai clinique pilote non randomisé ont été recueillies avant, pendant et après l’exercice. La première étude a rapporté que l’intervention en exercice était sécuritaire, appréciée et bien respectée par les jeunes adultes nés très prématurément, mais que le recrutement était difficile, dû au haut niveau d’engagement nécessaire. Cette même étude a également révélé que l’intervention a permis aux jeunes adultes nés très prématurément d’augmenter leur niveau d’AP d’intensité moyenne à élevée. La seconde étude a pu estimer la réponse des femmes ayant complété un nombre suffisant de séances d’entrainement et a révélé qu’elles ont amélioré leur endurance musculaire (pompes et redressements assis) ainsi que leur capacité aérobie. Toutefois, suivant l’intervention, la force et la puissance de leurs membres inférieurs de même que leur ventilation minute durant l’effort sont demeurées moindres que celles des femmes nées à terme. L’intervention par l’exercice est donc faisable et sécuritaire pour des individus nés très prématurément et suggère l’amélioration de certains paramètres cardiorespiratoires et musculaires des femmes nées très prématurément. Ces résultats indiquent le potentiel de l’exercice comme intervention non pharmacologique pour contrer les dommages physiologiques causés par une naissance prématurée. / Premature birth interrupts the normal development of several organs, particularly the heart and lungs, causing structural and functional alterations of the systems in adulthood. Although the benefits of physical activity on general health and exercise capacity in healthy and at-risk populations are well known, no studies have yet evaluated whether the population of young adults born very preterm could also benefit from these effects. The objective of this master’s thesis is therefore to evaluate the feasibility and estimate the effect of a supervised 14-week exercise intervention on the cardiorespiratory and muscular health of young adults born very preterm compared to young adults born at term (controls). Data from this non- randomized pilot trial were collected before, during, and after the exercise intervention. The first study showed that the exercise intervention was safe, valuable, and appreciated by young adults born very preterm, but that recruitment in the program was difficult due to the high level of commitment. The same study also showed that young adults born very preterm increased their moderate-to-high intensity PA levels following the intervention. The second study estimated the response of women who completed a sufficient number of training sessions and revealed that women born very preterm improved their muscular endurance (push-ups and sit-ups) as well as their aerobic capacity. However, following the intervention, their lower limb strength and endurance as well as their minute ventilation during exercise remained lower than women born at term. Exercise intervention is therefore feasible and safe for individuals born very preterm and could lead to improvement of certain cardiorespiratory and muscular parameters in women born very preterm, demonstrating the potential of exercise as a non-pharmacological intervention to mitigates the effects of premature birth on health.