Responsable scientifique : Pr. François HUG

  • Les travaux développés dans ce thème de recherche visent à : i) comprendre comment le système nerveux coordonne les muscles et les segments pour produire le mouvement humain, et ii) déterminer la relation entre les stratégies de coordinations motrices et le développement ou la persistance de troubles musculo-squelettiques et/ou cognitifs.
  • L'originalité de ce thème repose principalement sur son approche interdisciplinaire, i.e. neurophysiologie, biomécanique et psychologie.

Objectifs scientifiques

L'apparente facilité avec laquelle les êtres humains réalisent un vaste répertoire de mouvements cache en réalité une grande complexité des processus impliqués. La production d'un mouvement nécessite que le système nerveux central coordonne l'activation de plusieurs muscles tout en considérant les informations sensorielles, l'état cognitif et les contraintes de la tâche.
On dispose en théorie d'une infinité de solutions (muscles, articulations) pour réaliser la plupart des mouvements. Comprendre pourquoi une solution est sélectionnée parmi d'autres est une étape incontournable si l'on veut optimiser le mouvement (performance sportive, réhabilitation), le modéliser ou le reproduire (robotique). Pour une tâche sous-maximale, la théorie du contrôle optimal (Todorov et al., 2004) propose que les coordinations motrices s'organisent de telle sorte qu'elles minimisent un coût (e.g., énergétique, mécanique). Cependant, des travaux récents (De Rugy et al., 2012), dont certains issus du laboratoire (Hug et al., 2015*), remettent en cause cette théorie en montrant que les coordinations musculaires (et/ou synergies musculaires) ne s'adaptent pas de manière prédictible aux modifications de l'efficacité mécanique/énergétique des muscles ou à la douleur. A ce jour, aucune théorie ne permet d'expliquer de manière satisfaisante comment se coordonnent les muscles/articulations pour produire le mouvement. Notre approche originale considère le  mouvement humain dans sa dimension neuro-mécanique (Tytell et la. 2011) et combine ainsi l'utilisation de mesures neurophysiologiques (activité myoélectrique) et biomécaniques (estimation de la force musculaire [développée dans le thème 1]). Nos travaux viseront à identifier les règles de contrôle des coordinations motrices, notamment lorsque l'efficacité mécanique d'un ou plusieurs muscles est modifiée ; ou lorsque les informations sensorielles et/ou l'état cognitif de l'individu sont altérés. Plus précisément, nous ambitionnons de répondre aux questions suivantes :
  • Quelle est la nature du couplage entre les capacités de production de force d'un muscle et la commande nerveuse qu'il reçoit ? Quel est l'impact de ce couplage sur les stratégies de coordinations musculaires ?
  • De quelle manière la commande nerveuse s'adapte-t-elle aux modifications de l'efficacité mécanique d'un muscle (e.g., fatigue, hypertrophie, sarcopénie) ?
  • Quels sont les mécanismes à l'origine des adaptations du mouvement observées en présence d'une douleur ? Sont-elles dépendantes de l'état cognitif/émotionnel de l'individu (e.g., anxiété, catastrophisation) ?
Les coordinations motrices dépendent à la fois des contraintes de la tâche et des affordances biomécaniques propres à chaque individu. Une tâche donnée peut donc être réalisée par des coordinations différentes d'un individu à l'autre (Ting et al., 2015 ; Hug et al., 2011*). Ainsi, certaines caractéristiques (ou signatures) individuelles des coordinations motrices, associées par exemple à l'équilibre postural ou à la marche, peuvent constituer un marqueur précoce de dysfonctionnements cognitifs et émotionnels (Mignardot et al., 2014a*) et/ou d'un risque accru de chute chez la personne âgée (Mignardot et al., 2014b*). Considérant la relation étroite entre l'environnement, les systèmes cognitif, émotionnel et moteur, nos travaux viseront à comprendre en quoi certaines caractéristiques individuelles du mouvement peuvent être révélatrices et/ou annonciatrices d'handicaps physiques (liés au vieillissement ou à des pathologies musculo-squelettiques) ou cognitifs. Nous nous intéresserons également à la relation potentielle entre ces signatures individuelles et le potentiel de performance sportive. A l'instar de nos travaux récents, nous envisagerons à la fois des protocoles transversaux et longitudinaux pour répondre aux questions suivantes :
  • Quel est l'impact des stratégies de coordination motrice dans : i) le développement et la persistance de troubles musculo-squelettiques ou cognitifs ou ii) la performance sportive ?
  • Quelles sont les caractéristiques individuelles du mouvement qui permettent d'individualiser, et donc d'optimiser, les protocoles de réhabilitation ou de préparation à la performance sportive ?

Enjeux sociétaux

Au-delà de répondre à des questions fondamentales sur les coordinations motrices, ce thème de recherche répond à des enjeux sociétaux liés à la santé, au bien-être (Programme Horizon 2020) et à la performance sportive. Nos travaux participeront notamment à améliorer l'identification du risque/le diagnostic de patients atteints d'handicaps physiques tout en stimulant le développement de méthodes innovantes de prévention/réhabilitation.
Ils viseront également l'optimisation de la performance sportive. Nous développerons des technologies innovantes permettant d'évaluer le mouvement in situ, utilisables de manière simple en conditions écologiques par les sportifs. Parmi ces dispositifs, ils est notamment envisagé l'utilisation de différents systèmes embarqués, visant à capturer des paramètres mécaniques du mouvement (e.g., centrales inertielles, accéléromètres) ou à produire des biofeedback en temps réel (e.g., pédale instrumentée [Dorel et al., 2008]). Ces développements serviront à la fois au programme de recherche mais aussi à des actions d'expertise auprès des fédérations (e.g., participation à la préparation olympique / fédérations de cyclisme et d'aviron).

Références

(1) Todorov et al. 2004. Nat Neurosci. 7(9):907-15 ; (2) De Rugy et al. 2012. J Neurosc. 23;32(21):7384-91. (3*) Hug et al. 2015. Sensorimotor conference (Brisbane) ; (4) Ting et al. 2015. Neuron. In press ; (5*) Hug et al. 2011. J Neurophysiol ; (6) Mignardot et al. 2014. J Alzheimers Dis. 41(2) : 431-9 ; (7) Mignardot et al. 2014. Front Aging Neurosci. 25 : 6 :22 ; Dorel et al. 2008. Comput Methods Biomech Biomed Engin. Supp 1 : 89-90.