Analyse biomécanique des effets de l'avancée en âge et de l'entrainement, sur les coordinations entre la posture et le mouvement, lors de l'initiation de la marche en terrain plat et avec obstacle

par Thomas Vialleron

Projet de thèse en Sciences du sport et du mouvement humain

Sous la direction de Éric Yiou et de Paul Fourcade.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences du sport, de la motricité et du mouvement humain (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Complexité, Innovation, Activités Motrices et Sportives (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    Ce projet de thèse aura lieu au CIAMS, sous la tutelle de l'université Paris Sud. Il s'intègre dans la continuité des recherches menées au sein de l'équipe Mouvement Humain, Adaptation et performance sportive (MHAPS). Ces travaux s' intéressent à l'analyse de la posture, de l'équilibre et du mouvement grâce à des techniques d'investigation biomécanique telles que: plateforme de force, caméras VICON et électromyographie de surface (EMG). Les résultats obtenus jusqu'à aujourd'hui ont permis de mettre en évidence une certaine capacité du système nerveux central à s'adapter rapidement et efficacement pour répondre à différentes contraintes mettant en jeu la stabilité et la posture de sujets jeunes et en bonne santé. Il a même été démontré que ces ajustements du corps, son orientation, le tonus musculaire, le niveau d'intensité des muscles effecteurs, ont été prévus en amont du mouvement lui même. C'est pour cela qu'ils ont été appelés «ajustements posturaux anticipés» (APA). Aujourd'hui encore ils continuent à être explorés et il devient intéressant de questionner les effets de l'avancée en âge sur ces capacités de prédiction et de réaction ainsi que l'utilité que pourrait avoir un entrainement sur ces dernières. Il a été démontré depuis longtemps que le vieillissement proprioceptif est à l'origine de modifications des stratégies d'équilibration. Comme toute grande fonction, la proprioception est soumise au vieillissement physiologique. Celui-ci peut se traduire différemment en fonction des individus, de leur passé, de leurs habitudes de vie, sédentaire ou active. Toutes les structures, centrales ou périphériques, qui participent au recueil de l'information proprioceptive sont touchées par l'avancée en âge. Le vieillissement des récepteurs est à l'origine d'une altération de la sensibilité cutanée plantaire. Les modifications structurelles des fibres nerveuses dues à l'avancé en âge contribuent à un allongement des temps de conductions périphériques, une diminution de la perception et de la sensibilité proprioceptive des membres inférieurs ainsi qu' une diminution de la sensibilité cutanée plantaire. Elles se traduisent sur la fonction d'équilibration et s'observent facilement par l'incapacité des personnes âgées à tenir en équilibre sur un pied. La littérature est abondante sur ce test qui a pris une valeur prédictive du risque de chute. Lors de l'appui unipodal, on peut admettre que le sujet passe d'une stratégie de centre de masse (oscillant au dessus de la base de sustentation) à une stratégie de centre de pression (se déplaçant sous le centre de masse à la manière d'un doigt qui tient en équilibre un bâton au dessus de lui). Alors que l'appui plantaire oscille discrètement du talon aux oreilles en station bipodal, il se déplace lors de l'appui monopodal beaucoup plus rapidement d'avant en arrière et de dedans en dehors, en faisant appel à une grande mobilité intrinsèque du pied au service des informations reçues. Mobilité et sensibilité sont donc très étroitement liées tant par leurs performances que dans leur déclin respectif, aboutissant à l'incapacité pour de nombreuses personnes âgées à tenir en unipodal pendant au moins 5 secondes. A terme, on peut observer une diminution de la phase portante monopodale lors de la marche avec un déficit de hauteur et de longueur du pas. Le vieillissement proprioceptif est également à l'origine de modification des stratégies d'équilibration. Il a été démontré que la stratégie de cheville est moins sollicitée dans le grand âge, à l'image des personnes qui souffrent de neuropathies périphériques. Si les vitesses de conduction élevées permettent au sujet jeune de s'organiser autour d'une stratégie de cheville dans le plan sagittal, le sujet âgé est quant à lui contraint d'adopter une stratégie de hanche pour compenser l'augmentation de latence. Il s'organise donc autour d'un pivot proximal, réduisant ainsi la distance entre l'origine des informations et les centres chargés de les traiter. Ce sont ces différentes stratégies que nous proposons d'explorer plus en profondeur à travers les techniques d'investigation biomécanique citées précédemment. Pour aller plus en avant, il s'agira aussi d'étudier si un entrainement peut avoir des effets significatifs sur les ajustements posturaux privilégiés par des sujets âgés. L'anticipation fait partie intégrante des processus moteurs pour gérer nos mouvements, prévus et imprévus, en termes de stabilité. L'impossibilité d'anticiper une perturbation impose des contraintes bien plus importantes, et donc une augmentation du risque de chute, que si on s'y est préparé. Mais il existe des moments où cela n'est pas possible. Soit parce que nous ne l'avions pas prévue, soit parce que nous avons dépassé nos capacités d'anticipation en délai ou en quantité d'informations à gérer pour construire notre solution ad hoc. Soit encore parce que la situation nous est totalement inconnue et que nous faisons avec les moyens du bord. Dans ce cas, nous devons élaborer de nouvelles stratégies d'action pour réussir à produire une action rapide, efficace et adaptée à la situation. C'est tout cela que propose un entraînement permettant de développer l'équilibre. Les capacités d'adaptation du cerveaux sont nombreuses, si bien que l'on parle souvent de plasticité cérébrale. On peut définir la plasticité cérébrale comme étant une capacité innée d'adaptation qui est mise en jeu en fonction des circonstances et des stimuli. Le vieillissement peut être perçu comme un ralentissement des capités adaptatives apportées par la plasticité cérébrale. Mais ne peut-on pas envisager de modifier l'ampleur de cette rigidité liée à l'âge grâce entre autres, à des stimulations et à une éducation motrice ? En jouant sur la plasticité cérébrale, l'entrainement à une activité sensorimotrice pourrait avoir une action bénéfique tant sur l'entretien des stratégies motrices acquises que sur la réversibilité des modifications cérébrales liées au manque de stimulations par des activités physiques. Tous ces processus sont mis en jeu lors de l'initiation du pas et encore davantage lors du franchissement d'un obstacle. En effet, la marche pourrait se définir par une alternance de passages en appui monopodal (sur la jambe droite puis sur la jambe gauche) et enjamber un obstacle se traduit par une augmentation du temps d'appui monopodal sur le membre porteur. Il a d'ailleurs été démontré que l'augmentation de la hauteur de l'obstacle influence significativement le temps de balancement de la jambe opposée ainsi que les déplacements du centre de gravité dans le plan médio-latérale. Plus la hauteur est élevée, plus le temps de balancement et d'appui monopodal sont longs, plus le centre des masses se déplace dans l'espace et à une vitesse plus élevée. Des analyses biomécaniques de ces tâches motrices fonctionnelles ont déjà été étudiées et continuent à être explorées en ce moment même au CIAMS sur des sujets jeunes et en bonne santé. Elles semblent mettre en avant que les sujets jeunes sont en mesure de prévoir les contraintes imposées par la tâche et de proposer une réponse rapide, efficace et adaptée à la situation pour maintenir une bonne performance motrice et une stabilité optimale au moment de reposer le pied. Ce projet de thèse propose de prolonger les expérimentations en étudiant les différentes stratégies mises en place cette fois ci par des sujets âgés pour maintenir un bon équilibre lors de telles activités. Il s'agira par la suite de proposer un entrainement adapté à la personne âgée qui permettrait d'améliorer significativement leurs capacités d'adaptation. Le choix de stratégies motrices adaptées, permettant une performance et une sécurité optimale, lors d'activités de la vie quotidienne permettraient de réduire le risque de chute dans cette population.

  • Titre traduit

    Biomechanical analysis of the effects of advancing age on the coordination between posture and movement, during the initiation of gait on a flat ground and with an obstacle


  • Résumé

    It has been demonstrated since a long time that balance is altered with older people. Aging influences our ability to collect proprioceptive information by all central and peripheral structures. Changing in nervous system linked with elderly leads to longer time of conduction, less control in strength and mobility of lower limbs and a decrease in plantar sensitivity. All of this leads to balance problems and can be observed by the incapacity of older people to stance on one leg during at least 5 seconds. This test has been studied many times and is used in rehabilitation to predict fall risk. During gait we can observe a decrease in the duration of swing phase with the opposite leg and a deficit in height of the step. Proprioceptive aging is also at the origin of modifications in strategies of equilibration. It has been shown that ankle strategy is less solicited by elderly, as people with peripheral nervous injuries. On the contrary, with high speeds conduction, young healthy subjects are allowed to organise around ankle strategy, so the elderly subjects are forced to choose a hip strategy to compensate for the increase of latency. They organise their strategy around a proximal joint, thus reducing the distance between the information and the central motor control. These strategies are the ones we want to explore with biomechanical investigations first; then we will study whether training can have a significant effect on elderly people's postural adjustments in order to maintain a good balance. When it comes to stability, anticipation is fully integrated to the motor process in order to control our movements, expected and unexpected. Not being able to anticipate a disturbance engenders further problems and hence a rise in the risk to fall, except if we are prepared. However, we can't always be prepared. Maybe because we weren't able to anticipate, or because we are not able to anticipate anymore in terms of period or number of information to deal with at once. Maybe as well because we are facing a new situation and we have to improvise. In this case, we have to build new strategies in the aim to produce a quick response, effective and suited to the circumstances. The brain's capacities to adapt are numerous and that's why we speak of brain plasticity. We can define such concept as our innate capacity to adapt, which is challenged by different circumstances and stimulus. In this idea, we can understand aging as a decrease in our capacity to adapt and thus in our brain plasticity. Could we therefore foresee the scale of this rigidity brought by age with, among others, some stimulations and a development of motor skills? If we take the brain plasticity into account, practicing a sensorimotor activity would have as many benefits on maintaining the existing motor skills as well as on reducing the change in the brain functions, linked to less stimulus via physical exercise. This process is challenged everyday as we start walking but even more when we pass an obstacle. Indeed to walk is to alternate moments in single leg stance (on the right leg and then on the left leg); whereas to step over an obstacle corresponds to a longer time in single leg stance on the bearing member. It has been proven that the higher the obstacle is, the longer the balancing and the single leg stance are, and the fastest the center of mass moves into space. Some biomechanics analysis of these motor tasks have already been studied and are still being studied on young and healthy subjects at the CIAMS. They seem to highlight the fact that younger people are able to anticipate disturbances and to respond fast, effectively and according to the context in order to maintain a good motor performance and an optimal stability when it's time to put the foot down. This research aims to extend the above experimentations by studying the different strategies adopted by elderly people in order to maintain a good balance. To do so, the researcher will create a safe training that will help elderly people to upgrade their capacities to adapt to uncommon situations and to pass the obstacles that surge every day, therefore reducing incidents linked to fall.