UPThèses

Le déclin cognitif qui s'observe au cours du vieillissement se réduirait grâce à une bonne condition physique cardiorespiratoire. Dans le cadre de cette thèse, les corrélats neurophysiologiques sous-jacents de cet effet prophylactique de la condition physique cardiorespiratoire ont été explorés par le biais de la spectroscopie proche de l'infrarouge qui permet de mesurer de manière non invasive l'activité hémodynamique cérébrale. Les objectifs sont d'une part, d'investiguer les effets de la complexité de la tâche, de l'âge et de la condition physique cardiorespiratoire sur l'évolution des indicateurs de la performance cognitive, de la perception subjective de la difficulté et de l'activité hémodynamique cérébrale. D'autre part, d'examiner les relations fonctionnelles qui pourraient exister entre ces différents indicateurs. A travers trois études utilisant différentes tâches exécutives dont nous avons manipulé le niveau de complexité, nous avons mesuré ces différents indicateurs chez des jeunes adultes et des seniors à haut et faible niveaux de VO2max. Les résultats obtenus ont montré dans un premier temps que l'activité hémodynamique, la performance cognitive ainsi que la perception subjective de la difficulté augmentent significativement en fonction de la complexité de la tâche exécutive. Ceci démontre la sensibilité des différents indicateurs à la manipulation de la complexité cognitive. De plus, l'avancée en âge induit une réduction des performances cognitives et de l'activité hémodynamique mais pas de la perception subjective de la difficulté. Dans un deuxième temps, nos résultats ont indiqué que la condition physique cardiorespiratoire est liée à une augmentation des performances exécutives ainsi que de l'activité hémodynamique, seulement chez les seniors et pour certaines tâches; les bénéfices étant limités à la fonction de mise à jour de la mémoire de travail. Enfin, dans un troisième temps, les résultats de l'ensemble de nos travaux ont montré un lien possible entre l'activité hémodynamique et la performance cognitive seulement chez les jeunes adultes et les seniors à haut niveau de VO2max lorsque la tâche expérimentale est particulièrement complexe, donc lorsque la charge cognitive est élevée. En somme, ce travail de thèse a permis d'apporter des supports de compréhension des mécanismes neurophysiologiques sous-jacents aux effets prophylactiques de la condition physique cardiorespiratoire, sur le déclin de la mise à jour de la mémoire de travail, au cours du vieillissement normal.

L'objectif de ce travail est de définir les paramètres mécanique qui caractérisent le départ de course vitesse sur 100 m. La première partie, suite à une analyse de la littérature technique, du règlement instauré par l'IAAF et des études scientifique, cerne les problèmes liés à la mesure et au choix des critères de qualification de la performance du départ de course vitesse sur 100m. La seconde partie met en évidence la nécessité de déterminer avec plus de précision l'instant de mise en action du coureur notamment lors des compétitions internationales. Une analyse en composante principale est réalisée afin de tester la possibilité de créer de nouveaux critères permettant une interprétation objective et fiable de la performance du départ de course vitesse. Au cours de la troisième partie, l'efficacité d'un départ est approchée en intégrant des paramètres directement accessibles par dynamométrie pour enfin les " traduire " en unités de temps. Une station dynamométrique est validée afin d'offrir à l'entraîneur des indications fines, en temps quasi réel, lors des séances d'entraînement. La quatrième partie, propose une nouvelle méthode de solidification permettant une application rigoureuse des principes de la mécanique lors de modélisation tridimensionnelle de l'athlète. Le calcul des torseurs d'action inter segmentaire est réalisé par programmation de l'algorithme de Newton-Euler, en utilisant un formalisme d'opérateurs homogènes.

Les problématiques scientifiques étudiant la biomécanique du mouvement de pédalage en cyclisme ont fait et font toujours l'objet de nombreux travaux. Ces travaux touchent de divers domaines, technologique par exemple pour l'amélioration du matériel qui a considérablement évolué, physiologique pour l'amélioration des capacités physiques et des rendements énergétiques en fonction des styles de pédalage, et biomécanique pour l'expertise, en particulier, de l'efficacité de mouvement de pédalage. Le travail présenté s'inscrit dans ce dernier champ scientifique : la biomécanique du mouvement.
Le travail réalisé a bénéficié d'un appel à projet de l'Agence Française de la Lutte contre le Dopage avec pour objectif : « [SIC] se réarmer vis-à-vis du dopage en adoptant des démarches qui se veulent originales et concrètes, notamment en se plaçant du point de vue de l'entourage scientifique de sportifs dopés » en se focalisant sur les thèmes « [SIC] Travail, puissance et rendement énergétique».
Dans ce contexte, l'objectif général des travaux est l'évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste par mesures en laboratoire. Pour cela, une plateforme expérimentale a été validée et nous a permis d'aborder deux questions centrales i) qu'est ce qui crée la force produite à la pédale ? ii) que peut-on attendre d'une évaluation énergétique mécanique du mouvement de pédalage? Ces deux points sont abordés à partir d'un protocole de tests de type incrémentiel tel que l'exige la Fédération Française de Cyclisme. Les résultats ont été obtenus sur une cohorte de coureurs Elite.

L’objectif de cette thèse était de préciser les relations entre la mobilité, la condition physique et les fonctions cognitives dans une perspective de vieillissement sain. D’abord, une étude méthodologique a été présentée pour spécifier les modalités d’évaluation du CE. Les résultats ont démontré que le CE est plus élevé lorsque la mesure est effectuée sur tapis roulant en comparaison avec une mesure directement au sol. Il a aussi été suggéré que le niveau d’assocation entre les deux modalités était insatisfaisant. Ensuite, une approche transversale a été utilisée afin de préciser les déterminants de la condition physique associés à une meilleure mobilité et à un profil cognitif favorable. En plus de la VO2max, une force élevée et un faible CE ont caractérisé les individus qui présentaient les meilleures performances dans une tâche de flexibilité cognitive. Il a aussi été démontré que des tests cliniques comme le Timed up and go et la vitesse maximale de marche sur 10 mètres pouvaient être utilisés pour discriminer les individus qui présentent les profils physiques et cognitifs les moins favorables. Enfin, une étude d’intervention a été proposée afin de vérifier si un entraînement de l’aptitude aérobie et de la force visant une augmentation de la VO2max et la réduction du CE allait permettre de meilleures performances cognitives lors d’une double tâche (motrice et cognitive). Les résultats démontrent, malgré que ce type d’intervention semble favoriser de meilleures performances en inhibition, qu’un programme visant le développement des habiletés motrices globales est aussi efficace pour induire des améliorations en inhibition.

Ce travail de thèse repose sur l'analyse des processus impliqués dans l'apprentissage de nouveaux comportements moteurs, et sur l'étude de nos capacités à adapter notre comportement à de nouvelles situations. Nous avons réalisé une série de trois expériences où ont été utilisés des dispositifs expérimentaux permettant une analyse de mouvements discrets et continus. L'objectif principal qui a motivé ce travail était d'évaluer : 1) les variables d'apprentissage susceptibles d'influencer l'acquisition d'un geste discret et/ou continu (Expériences 1 et 2), et 2) la nature des représentations sensori-motrices dans l'apprentissage de séquences motrices (Expérience 3). Les données obtenues dans la première étude (Expériences 1 et 2) révèlent que la condition de pratique et/ou le niveau de similarité entre les tâches à apprendre sont susceptibles de moduler les processus intra- et/ou inter-tâches mis en jeu par l'apprenant au cours de la phase de pratique, et donc d'influencer l'apprentissage. De plus, nos résultats indiquent également que les facteurs condition de pratique et similarité des tâches interagissent avec le facteur quantité de pratique ; l'apprentissage de nouveaux comportements moteurs nécessite donc de prendre en considération l'ensemble de ces facteurs. Les résultats de l'Expérience 3 révèlent une prédominance du code visuo-spatial dans la représentation des séquences motrices, associée à une dépendance du système effecteur, quelle que soit la quantité de pratique. Nos résultats ne confirment pas l'hypothèse du passage progressif d'un codage de type visuo-spatial (effecteur indépendant) au début de la pratique (après 1 jour), à un codage de type moteur (effecteur

Chez les patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives, le rétrécissement du calibre des bronches peut induire des perturbations fonctionnelles ventilatoires comme la limitation de débit expiratoire (LDE) et/ou l’hyperinflation pulmonaire (HP). Dans un tel contexte, l’équilibre métabolique pourrait être perturbé au sein du tissu musculaire intercostal, notamment à l’exercice, ce qui pourrait favoriser la survenue ou l’aggravation de la dyspnée. Pour simuler les perturbations ventilatoires que peuvent rencontrer les patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives (e.g. résistance anormalement élevée des voies aériennes à l’expiration, LDE et HP), une pression expiratoire positive (PEP) de 20 cmH2O a été imposée au repos et à l’exercice chez des sujets sains. L’oxygénation des muscles intercostaux a été mesurée par spectroscopie dans le proche infrarouge au niveau du 7ème espace intercostal. Au repos, une diminution de la concentration en oxyhémoglobine ([O2Hb]) probablement liée à une baisse de la concentration en hémoglobine totale ([tHb], i.e. volume sanguin local) a été observée en réponse à la PEP (Étude 1). Toutefois, aucune diminution de l’indice de saturation tissulaire en oxygène (TSI) n’a été constatée (Études 1 à 3), y compris lorsque la PEP était à l’origine d’une HP (Étude 2). A l’exercice, une moindre augmentation de [O2Hb] et de [tHb] a été rapportée lorsque la PEP était imposée (vs. contrôle). Une diminution du TSI et de la capacité inspiratoire a aussi été observée entre le repos et l’exercice dans cette condition (Étude 3). D’après les résultats de nos études, lorsqu’une PEP de 20 cmH2O est imposée au repos chez de jeunes sujets sains, aucun déséquilibre métabolique ne semble se produire au niveau des muscles intercostaux. En revanche, lorsque cette PEP est imposée à l’exercice, une perturbation de l’équilibre métabolique semble avoir lieu. Cette dernière pourrait être en partie expliquée par des altérations hémodynamiques locales induites par l’HP. Toutefois, des études complémentaires sont nécessaires pour éclaircir cet aspect. Enfin, aucune relation entre la dyspnée et la condition métabolique des muscles intercostaux n’a été observée lors de nos études. En revanche, des corrélations entre l’inconfort respiratoire et les débits ventilatoires instantanés ont été mises en évidence au repos et à l’exercice lorsque la PEP était imposée (Études 1 et 3). Une relation entre la dyspnée et l’HP a aussi été observée au repos (Étude 2). Les travaux de recherche futurs auront pour objectif de vérifier, au repos et à l’exercice, si l’oxygénation des muscles intercostaux est influencée par l’HP chez des patients atteints de pathologies pulmonaires obstructives.

Ce travail de thèse repose sur la combinaison de deux paradigmes de recherche en psychologie cognitive : la rotation mentale et les transferts intermodaux/inter-tâches. Dans notre première étude (Expériences 1a, 1b, 1c, 2a, et 2b), l'objectif était d'évaluer la dépendance/indépendance des traitements visuel et tactile, lors de tâches de rotation mentale : le Test des Rotations Mentales (Vandenberg & Kuse, 1978) et une tâche élémentaire de rotation mentale (Shepard & Metzler, 1971). En utilisant un plan expérimental intra-sujet, nous avons comparé quatre conditions expérimentales incluant des apprentissages intramodaux : 1. Visuel-Visuel ; 2. Tactile-Tactile, et des transferts intermodaux : 3. Visuel-Tactile ; 4. Tactile-Visuel. Les participants ont ainsi réalisé deux tâches successives dans des conditions sensorielles similaires ou différentes (session 1 et session 2). Nos résultats révèlent que la rotation mentale peut dépendre de processus de traitement des représentations spécifiques à la modalité sensorielle utilisée. Les informations découlant d'une expérience visuelle sont réutilisables dans la condition tactile, alors qu'à l'inverse, nous n'avons observé que très peu de transferts tactiles en condition visuelle. Les traitements visuels et tactiles, sur des objets tridimensionnels complexes, permettent ainsi le développement de stratégies d'imagerie mentale spécifiques (Visuel-Visuel-IM vs. Tactile-Spatial-IM), découlant de différents modes de traitements perceptifs (visuel-global vs. tactile-spatial)...

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres inertiels segmentaires humains, c’est-à-dire la masse, la position du centre de masse et la matrice d’inertie de ces segments. Ces paramètres, au nombre de dix par segment, constituent une donnée d'entrée indispensable aux calculs de dynamique inverse utilisés dans les études de biomécanique. Bien qu'il existe des méthodes pour avoir accès à ces paramètres par le biais de tables anthropométriques ou le calcul des volumes segmentaires, l'identification apparaît nécessaire dès lors que les sujets étudiés sont atypiques (handicapés physiques, femmes enceintes, sportifs présentant des hypertrophies musculaires). L'originalité de ce travail est de proposer une approche mixte dans l'écriture du problème d'identification combinant une formulation vectorielle et matricielle des équations du mouvement d’un système poly-articulé supposé rigide, qui ont déjà été établies au sein de l'équipe dans les travaux de thèse de Tony Monnet. La première permet d’identifier les masses et les centres de masse segmentaires. La deuxième permet d’identifier, elle, les matrices d’inertie segmentaires. Les paramètres d’entrée de cette méthode d’identification sont les matrices rotations segmentaires, leurs dérivées secondes, les accélérations segmentaires, ainsi que le torseur externe. Si ce dernier est directement mesuré par une plateforme de force, les autres grandeurs sont obtenues après des opérations sur la mesure de la cinématique segmentaire du sujet obtenue par un système opto-électronique. Ce système mesurant la cinématique du sujet grâce à des marqueurs cutanés, cette cinématique diffère de la cinématique théorique obtenue si les segments sont rigides, du fait des mouvements des masses molles. Ce travail a donc porté sur le calcul d’une matrice rotation optimale, basée sur une transformation matérielle décrivant le mouvement segmentaire. De plus les mouvements des masses molles ainsi que les instruments de mesure induisent un bruit dans les signaux cinématiques. Du fait de la double dérivation de ces signaux pour le calcul des accélérations segmentaires et des dérivées secondes des matrices rotations, ce bruit devient prépondérant sur le signal porteur. Ce travail a donc également porté sur le filtrage à effectuer pour atténuer ces bruits. Cinq filtres utilisés dans la littérature (filtre de Butterworth, lissage de Savitsky-Golay, moyenne glissante, lissage par spline et analyse spectrale) ont été implémentés et leurs effets sur les paramètres inertiels identifiés ont été comparés. Les résultats montrent que les paramètres identifiés avec la méthode vectorielle ne nécessitent pas de traitement. L’identification des matrices d’inertie nécessite, elle, un traitement et le lissage optimal est obtenu avec le moyenne glissante. Enfin, une modélisation du membre supérieur par une chaîne cinématique a également été implémentée afin de rigidifier la cinématique acquise. Les premiers résultats ne sont pas satisfaisants mais le modèle retenu peut être affiné avant de conclure sur l’intérêt de cette modélisation pour l’identification des paramètres inertiels. Finalement, l’approche mixte développée permet l'identification des dix paramètres inertiels des segments du corps humain. La méthode a été validée en identifiant les paramètres inertiels des segments constituant le membre supérieur de dix huit sujets. Les paramètres obtenus ont ensuite été comparés à ceux issus d’une table anthropométrique. Les résultats montrent que les paramètres identifiés sont très proches de ceux estimés. Cela montre donc que l’identification des paramètres inertiels est fiable et permet d’avoir accès aux paramètres inertiels de sujets atypiques, pour qui les tables anthropométriques ne sont pas disponibles.

L'analyse quantifiée de la marche vise à parfaire le diagnostic et à évaluer les traitements des patients présentant des troubles de la locomotion. L'objet de cette thèse est d'évaluer et de développer des modèles biomécaniques susceptibles de mesurer au mieux la réalité de la marche des sujets infirmes moteurs cérébraux. La modélisation est dans un premier temps entreprise à l'échelle segmentaire. Une méthode de détection automatique des contacts au sol est validée. Les questions de la détermination des centres articulaires et de la cinématique du tronc sont abordées, et une méthode de solidification itérative est proposée. La présentation des modalités de calculs par dynamique inverse complète cette modélisation à l'échelle segmentaire. Ces travaux sont implémentés dans le logiciel 3DGait dont l'application est illustrée par un exemple de cas clinique. La modélisation musculosquelettique prolonge ces travaux. Le modèle géométrique et ses solutions de personnalisation sont présentés avec notamment un algorithme original de détermination des chemins musculaires. Deux applications, chirurgicale et clinique, illustrent ce modèle. Enfin les forces musculaires sont calculées permettant ainsi l'évaluation de la sensibilité du modèle dynamique développé aux modifications du modèle géométrique. Ces derniers travaux appellent certaines améliorations des modèles utilisés pour parfaire leur application clinique. Mais surtout, ils ouvrent de larges perspectives pour l'optimisation des corrections chirurgicales, dont ils ont montré la faisabilité.

Lorsque l'on s'intéresse aux positions d'accouchement, les avis sont très partagés. D'après la littérature, les positions dites verticales parmi lesquelles figure la position accroupie semblent aboutir à des issues materno-fœtales plus favorables que les positions horizontales qui comprennent la position gynécologique. Seulement, l'origine de ces bénéfices notamment du point de vue de la mécanique obstétricale reste incertaine. Il apparait que ce manque de clarté provient avant tout d'un manque de définition des postures segmentaires retrouvées lors de ces positions d'accouchement. L'objectif premier de ce travail était donc de définir les postures segmentaires au cours de différentes positions d'accouchement et de préciser en particulier le rôle de la posture des cuisses sur des éléments jugés importants en mécanique obstétricale à savoir l'orientation du plan du détroit supérieur et la courbure lombaire. En premier lieu, une enquête épidémiologique régionale a été effectuée afin d'attester les positions d'accouchement les plus fréquemment adoptées et d'identifier les facteurs associés à leur adoption. Par une méthode dérivée entre autres des méthodes d'analyse du mouvement par système optoélectronique, l'influence de la posture des cuisses (flexion et abduction) sur la posture du plan du détroit supérieur et du rachis lombaire a été analysée tout d'abord en position gynécologique puis en position accroupie. Enfin, l'importance de la posture initiale des cuisses sur les mouvements segmentaires a été évaluée au cours d'une manœuvre obstétricale (Mac Roberts), manœuvre couramment utilisée en cas de dystocie des épaules. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la caractérisation des postures segmentaires pour la compréhension des bénéfices d'une position d'accouchement sur une autre.