Estimation des modèles d’activation descendante à partir des signaux EMG dans les mouvements rapides et lents à l’aide d’un modèle de réflexe d’étirement

Contexte

Dans le domaine du contrôle moteur, l’activation descendante (descending activation) du cerveau est la principale source d’activation musculaire, mais les boucles réflexes spinales (spinal reflex loops) jouent également un rôle important dans la génération du mouvement. Le réflexe d’étirement spinal (spinal stretch reflex) est un mécanisme réflexe à courte latence qui peut répondre rapidement aux changements de longueur musculaire, régulant ainsi la force musculaire. Cependant, bien que le rôle des réflexes spinaux dans la génération du mouvement ait été largement étudié, leur place dans les théories modernes du contrôle moteur reste mal définie. Pour mieux comprendre comment les réflexes spinaux interagissent avec l’activation descendante du cerveau, Lei Zhang et Gregor Schöner ont mené une étude visant à estimer directement les modèles d’activation descendante à partir des signaux électromyographiques (EMG) et des données cinématiques.

Cette étude cherche à répondre à la question centrale suivante : Comment les modèles d’activation descendante du cerveau interagissent-ils avec les réflexes spinaux pour générer différents modèles de mouvement dans des mouvements rapides et lents ? En construisant un modèle simple de réflexe d’étirement spinal, les chercheurs espèrent révéler la structure temporelle de l’activation descendante et explorer ses variations en fonction de la vitesse du mouvement.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée par Lei Zhang et Gregor Schöner, tous deux issus de l’Institut de calcul neuronal (Institute for Neural Computation) de l’Université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne. L’article a été publié pour la première fois le 6 décembre 2024 dans le Journal of Neurophysiology, sous le titre Estimating Descending Activation Patterns from EMG in Fast and Slow Movements Using a Model of the Stretch Reflex.

Déroulement de l’étude et résultats

1. Conception de l’étude et protocole expérimental

L’étude est divisée en deux parties principales : la tâche de décharge (unloading task) et la tâche de mouvement volontaire (voluntary movement task). La tâche de décharge est utilisée pour calibrer le modèle de réflexe d’étirement spinal, tandis que la tâche de mouvement volontaire sert à estimer les modèles d’activation descendante.

Tâche de décharge

Dans la tâche de décharge, les participants doivent maintenir une position spécifique du poignet tout en résistant à un couple externe appliqué. Lorsque le couple externe est soudainement supprimé, le poignet se déplace naturellement vers une nouvelle position. Les chercheurs mesurent l’angle du poignet et les signaux EMG des muscles pour estimer les paramètres clés du modèle. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Configuration expérimentale : Les participants sont assis sur une chaise dentaire, l’avant-bras droit fixé sur un support, et le poignet est relié à un levier léger qui peut pivoter. Le levier est connecté à un moteur de couple capable d’appliquer différents niveaux de couple de flexion ou d’extension. - Enregistrement des données : L’angle du poignet et les signaux EMG de surface des muscles fléchisseurs du carpe radial (flexor carpi radialis, FCR) et extenseurs du carpe radial (extensor carpi radialis, ECR) sont enregistrés. - Processus de décharge : Après que le participant a stabilisé la position du poignet, le couple externe est soudainement supprimé, et les changements de position du poignet et des signaux EMG sont enregistrés.

Tâche de mouvement volontaire

Dans la tâche de mouvement volontaire, les participants sont invités à effectuer des mouvements de flexion et d’extension du poignet à deux vitesses différentes : rapide et lente. Les chercheurs mesurent les données cinématiques et les signaux EMG, puis utilisent le modèle calibré pour estimer les modèles d’activation descendante. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Tâche de mouvement : Les participants effectuent des mouvements de flexion ou d’extension de 40 degrés à des vitesses rapides (0,1-0,3 seconde) et lentes (0,6-0,9 seconde). - Enregistrement des données : L’angle du poignet, la vitesse angulaire et les signaux EMG des muscles FCR et ECR sont enregistrés. - Inversion du modèle : En inversant le modèle de réflexe d’étirement spinal, les modèles d’activation descendante sont estimés.

2. Résultats principaux

Résultats de la tâche de décharge

Les résultats de la tâche de décharge montrent qu’avec l’augmentation du couple externe, le déplacement du poignet après la décharge et les changements des signaux EMG augmentent également. Grâce à une analyse de régression linéaire, les chercheurs ont estimé les paramètres clés du modèle, y compris l’influence des changements de longueur musculaire et tendineuse sur les signaux EMG. Les résultats indiquent que la contribution des changements de longueur tendineuse diffère entre les muscles fléchisseurs et extenseurs du poignet, avec des changements plus importants pour les extenseurs.

Résultats de la tâche de mouvement volontaire

Dans la tâche de mouvement volontaire, les chercheurs ont observé des différences significatives dans les modèles d’activation descendante entre les mouvements rapides et lents : - Mouvements lents : Le modèle d’activation descendante présente une forme monotone en rampe (ramp-like), passant progressivement du niveau initial au niveau final. - Mouvements rapides : Le modèle d’activation descendante présente une variation non monotone en forme de “N” au début du mouvement, avant de passer progressivement au niveau final.

De plus, les chercheurs ont constaté que l’activation descendante et l’activation musculaire sont synchronisées pendant environ les 15 % initiaux du mouvement, mais divergent ensuite, montrant des structures temporelles différentes. Cela suggère que les réflexes spinaux jouent un rôle important dans la modulation de la génération du mouvement.

3. Conclusion et signification

Cette étude a réussi à estimer les modèles d’activation descendante à partir des signaux EMG et des données cinématiques en inversant un modèle de réflexe d’étirement spinal. Les résultats montrent que les modèles d’activation descendante présentent des structures temporelles différentes dans les mouvements rapides et lents, reflétant les stratégies complexes du cerveau pour contrôler des mouvements à différentes vitesses. En outre, l’étude met en lumière le rôle crucial des réflexes spinaux dans la génération du mouvement, offrant une nouvelle perspective sur les mécanismes neuronaux du contrôle moteur.

La valeur scientifique de cette étude réside dans : - L’innovation méthodologique : Proposition d’une nouvelle méthode pour estimer directement les modèles d’activation descendante à partir des signaux EMG, sans recourir à des modèles complexes de muscles ou de dynamique du bras. - La contribution théorique : Mise en évidence du rôle clé des réflexes spinaux dans la génération du mouvement, fournissant de nouvelles preuves expérimentales pour les théories du contrôle moteur. - Le potentiel d’application : Cette méthode peut être utilisée pour étudier les troubles du contrôle moteur chez les patients atteints de maladies neurologiques, offrant un soutien théorique pour la rééducation.

Points forts de l’étude

1. Méthode novatrice : Estimation directe des modèles d’activation descendante à partir des signaux EMG en inversant un modèle de réflexe d’étirement spinal, évitant ainsi les modèles complexes de muscles et de dynamique.
2. Découverte importante : Révélation des différences de structure temporelle des modèles d’activation descendante dans les mouvements rapides et lents, montrant que le cerveau adopte des stratégies différentes pour contrôler des mouvements à différentes vitesses.
3. Signification théorique : Mise en avant du rôle crucial des réflexes spinaux dans la génération du mouvement, fournissant de nouvelles preuves expérimentales pour les théories du contrôle moteur.

Autres informations utiles

Les chercheurs ont détaillé dans l’annexe les formules mathématiques pour l’inversion du modèle et ont fourni une déclaration sur la disponibilité des données. De plus, l’étude a été financée par le programme Horizon 2020 de l’Union européenne (accord de subvention Marie Skłodowska-Curie no. 956003).

Cette étude, grâce à des méthodes innovantes et à une analyse expérimentale approfondie, offre de nouvelles perspectives importantes pour comprendre les mécanismes neuronaux du contrôle moteur.