Effets du gain de feedback haptique sur l’équilibre et leurs mécanismes neuronaux

Contexte

Dans la vie quotidienne, le contrôle de l’équilibre du corps humain dépend de multiples entrées sensorielles, incluant la vision, le système vestibulaire et la proprioception. Le feedback haptique joue également un rôle crucial dans le contrôle de l’équilibre, en particulier lors du contact avec un objet fixe, où il peut réduire significativement les oscillations posturales (postural sway). Cependant, la manière dont le gain du feedback haptique influence le contrôle de l’équilibre, ainsi que la façon dont le système nerveux central (CNS) traite ces signaux de feedback, reste une question incomplètement résolue. Pour explorer cette question, les chercheurs ont conçu une expérience visant à modifier artificiellement le gain du feedback haptique et à étudier son impact sur le contrôle de l’équilibre, tout en tentant de révéler les mécanismes neuronaux sous-jacents.

Cette étude a été menée par Raymond F. Reynolds, Craig P. Smith et Lorenz Assländer, respectivement affiliés à l’École des sciences du sport, de l’exercice et de la réadaptation de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni et au Centre de recherche sur la performance humaine de l’Université de Constance en Allemagne. Les résultats ont été publiés en 2025 dans la revue European Journal of Neuroscience.

Méthodologie

Conception de l’étude et participants

L’étude a recruté 14 volontaires en bonne santé (âge moyen de 23 ans, dont 7 femmes). Tous les participants ont signé un formulaire de consentement éclairé, et l’expérience a été approuvée par le comité d’éthique de l’Université de Birmingham. Les participants ont été invités à se tenir debout pieds nus, les yeux fermés, en tenant légèrement une manette robotisée (manipulandum). Le mouvement de la manette était synchronisé avec les oscillations du corps des participants, et les chercheurs ont systématiquement modifié l’intensité du feedback haptique en ajustant le gain du mouvement de la manette. Le gain variait de -2 à +2, où 0 indiquait que la manette était immobile, un gain positif signifiait que la manette se déplaçait dans la même direction que les oscillations du corps, et un gain négatif indiquait une direction opposée.

Appareillage et collecte de données

Les participants se tenaient debout sur une plateforme de force, la manette robotisée étant positionnée à 400 mm devant les chevilles, 200 mm latéralement par rapport à la ligne médiane du corps, et à une hauteur de 1100 mm. La manette était équipée d’un capteur de force triaxial pour mesurer les forces d’interaction entre la main et la manette. Les oscillations du corps étaient enregistrées en temps réel à l’aide d’un dispositif de suivi de mouvement (Fastrak, Polhemus, USA), avec des données acquises à une fréquence de 120 Hz et utilisées pour contrôler le mouvement de la manette. Chaque condition de gain a été répétée 5 fois, chaque essai durant 50 secondes, les 10 premières secondes étant exclues de l’analyse pour éviter l’influence de la phase d’adaptation initiale.

Analyse des données et construction du modèle

Les chercheurs ont analysé l’amplitude et la vitesse des oscillations du corps à l’aide de la densité spectrale de puissance (PSD) et ont calculé la corrélation croisée (cross-correlation) entre la force de la main et la position du corps. Pour expliquer les résultats expérimentaux, un modèle de contrôle par feedback a été construit pour simuler le comportement des oscillations du corps sous différents gains de feedback haptique. Ce modèle incluait deux boucles de feedback principales : une basée sur une référence spatiale et l’autre sur une référence haptique. Le modèle introduisait également un “estimateur de conflit” (conflict estimator) pour distinguer le feedback haptique causé par le mouvement du corps de celui causé par le mouvement externe de l’objet.

Résultats principaux

Impact du gain de feedback haptique sur les oscillations du corps

Les résultats ont montré que le gain de feedback haptique avait un impact significatif sur les oscillations du corps. Lorsque le gain était de 0 (manette immobile), les oscillations du corps étaient significativement réduites, diminuant de 55 % à 62 % par rapport à la condition sans contact. Pour des gains négatifs, les oscillations du corps restaient faibles, en particulier pour des gains de -0,25 et -0,5, où les oscillations étaient minimales. Cependant, pour des gains positifs, l’efficacité du feedback haptique diminuait, en particulier pour un gain de +2, où les oscillations du corps augmentaient significativement, dépassant même celles observées dans la condition sans contact.

Relation entre la force de la main et la position du corps

Les chercheurs ont observé que la corrélation croisée entre la force de la main et la position du corps était plus élevée pour des gains négatifs, indiquant une meilleure qualité du feedback haptique. À mesure que le gain augmentait, la corrélation diminuait progressivement, en particulier pour des gains de +1 et +2, où la corrélation chutait de manière significative. Cela suggère que la qualité du feedback haptique est étroitement liée au contrôle des oscillations du corps.

Validation du modèle

Le modèle de contrôle par feedback a permis de reproduire avec succès le comportement des oscillations du corps observé expérimentalement. Les résultats du modèle ont montré que pour des gains de feedback haptique négatifs, les oscillations du corps étaient minimales, tandis que des gains positifs entraînaient une augmentation des oscillations. Ces résultats concordent avec les données expérimentales, validant ainsi la précision du modèle.

Conclusion et implications

Cette étude démontre que le système nerveux central peut utiliser un gain de feedback haptique modifié artificiellement pour améliorer le contrôle de l’équilibre, mais uniquement lorsque les variations de gain sont faibles. Lorsque les variations de gain sont importantes, le feedback haptique peut avoir un impact négatif sur l’équilibre. L’étude met également en lumière l’importance du feedback haptique dans le contrôle de l’équilibre, en particulier lorsque la qualité du feedback est élevée, permettant une réduction efficace des oscillations du corps.

La valeur scientifique de cette étude réside dans la mise en évidence de l’impact non linéaire du gain de feedback haptique sur le contrôle de l’équilibre, fournissant une base théorique pour le développement de dispositifs d’assistance à l’équilibre basés sur le feedback haptique. À l’avenir, cette recherche pourrait jouer un rôle important dans la rééducation de l’équilibre chez les personnes âgées ou atteintes de troubles neurologiques.

Points forts de l’étude

1. Conception expérimentale innovante : En ajustant le gain de mouvement de la manette robotisée, l’étude a systématiquement exploré l’impact du gain de feedback haptique sur le contrôle de l’équilibre.
2. Modèle de contrôle par feedback : L’introduction d’un “estimateur de conflit” dans le modèle de contrôle par feedback a permis d’expliquer les données expérimentales, révélant comment le système nerveux central traite les signaux de feedback haptique.
3. Potentiel d’application : Les résultats de l’étude fournissent un support théorique pour le développement de dispositifs d’assistance à l’équilibre basés sur le feedback haptique, en particulier dans le contexte de la rééducation des personnes âgées ou atteintes de troubles neurologiques.

Autres informations pertinentes

Les chercheurs ont également discuté de l’impact potentiel du délai de feedback haptique sur les résultats expérimentaux. Bien qu’un délai de 60 millisecondes ait été présent dans l’expérience, son influence sur les résultats était minime. Les recherches futures pourraient explorer l’impact de différents délais sur l’efficacité du feedback haptique.

Cette étude approfondit notre compréhension du rôle du feedback haptique dans le contrôle de l’équilibre et offre des bases théoriques importantes pour les applications cliniques et le développement technologique futur.