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NSE
Neuromécanique et Signaux Electrophysiologiques
- Responsables scientifiques : Catherine Marque et Francis Canon .
- Acteurs - Collaborations - Rayonnement - Partenaires publics - Partenaires privés - Publications (détail : 2006 - 2007 - 2008 - 2009 - 2010 - 2011 - 2012)
Dès la création de l'unité, l'analyse des propriétés mécaniques contractiles et élastiques du muscle strié squelettique, animal ou humain, a représenté une thématique forte et reconnue. Les travaux se sont poursuivis en abordant, tant chez l'Homme que chez l'animal les capacités d'adaptation des muscles mis de façon prolongée en situation inusuelle et, afin d'aboutir aux propriétés « neuromécaniques », les aspects contrôles réflexes et volontaires ont été également abordés par le biais de l'analyse de signaux électromyographiques (EMG). L'association dans ces travaux entre physiologistes et spécialistes du traitement puis de la modélisation du signal a permis de développer des modèles et outils originaux pour analyser les signaux électrophysiologiques dans des situations complexes. Enfin, un certain nombre des thèmes abordés a conduit au développement de technologies et d'instrumentation originales, notamment le développement de dispositifs ergométriques.
Ainsi, les activités de recherche de notre groupe peuvent être présentées en trois parties complémentaires :
1) Propriétés Neuromécaniques
2) Traitement et Modélisation des signaux électrophysiologiques
3) Instrumentation et Technologie
Propriétés Neuromécaniques. (Chantal Pérot, Francis Canon)
Chez le rat, dans le cadre d'un contrat AFM, nous avons entrepris de dresser le bilan des propriétés neuromécaniques du muscle soléaire du rat tout au long de la vie de l'animal, du sevrage à la sénescence. Les propriétés étudiées étaient l'excitabilité réflexe (recueil de réflexe tendineux et de réponses de Hoffmann chez le rat éveillé), l'efficacité des fuseaux neuromusculaires, récepteurs intramusculaires à l'étirement, les propriétés contractiles et élastiques (en conditions actives et passives) et la fatigabilité musculaire. Ces travaux ont permis de suivre l'évolution de chacun de ces paramètres tout au long de la vie, de délimiter les phases de maturation et de sénescence et de montrer que les cinétiques d'évolution différaient d'un paramètre à l'autre.
Chez l'homme, nos recherches ont concerné les muscles du dos, le triceps sural, les muscles rotateurs de la cheville, les trapèzes supérieurs et deltoïdes, les muscles de la région scapulaire et extenseurs de la tête. Nous avons observé des femmes enceintes, des enfants sains prépubères, des sujets spastiques, des adultes sportifs.
Traitement et modélisation de Signaux électrophysiologiques (Catherine Marque, Sofiane Boudaoud, Agnès Drochon, Odette Fokapu, Frédéric Marin.)
a/ Analyse et modélisation de l'EMG de surface du muscle strié squelettique (SEMG) :
- Analyse, modélisation et identification du recrutement des Unités Motrices (UM)
Le but de cette thématique est dexplorer la relation entre le recrutement des UM durant une contraction volontaire isométrique et anisotonique (force variant dans le temps) et certains descripteurs du signal SEMG. La grande difficulté est la présence de différentes variabilités (morphologiques, physiologiques, neuronales) qui masquent ses liens avec le signal SEMG. Une évaluation crédible de lactivité de recrutement des UM passe donc nécessairement par une compréhension de la genèse du signal SEMG en utilisant des modèles de génération les plus réalistes, ainsi que par la conception doutils statistiques et de traitement du signal adaptés.
- Modélisation de la relation EMG-Force
Cette thématique est complémentaire de la première et consiste à étudier linférence entre lEMG de surface et la force produite par un muscle pour une contraction donnée. Une première étude de faisabilité a été réalisée avec le développement dun modèle EMG/Force. La sensibilité du modèle a été étudiée et une évaluation expérimentale a été conduite chez lHomme. Cette thématique correspond à un projet transversal dans lunité, collaboration avec léquipe 3 par le biais de F. Marin.
b/ Modélisation et analyse de l'EMG utérin (électrohystérogramme, EHG)
- Modélisation biophysique de l'activité électrique du muscle utérin.
Afin de comprendre les liens qui existent entre les phénomènes physiologiques qui pilotent lefficacité des contractions utérines (excitabilité cellulaire, propagation de lactivité à lutérus) et lEHG, nous avons abordé la modélisation multi échelles de lactivité électrique utérine. En sappuyant sur les travaux de Hodgkin-Huxley, nous avons développé un modèle de la cellule utérine, incluant les ions impliqués dans le contrôle de son excitabilité. Nous avons ensuite modélisé la propagation à un ensemble de cellules, permettant de simuler lactivité au niveau tissulaire. Ces travaux, menés en collaboration avec lINRA, ont été financés par le Pôle GBM Périnatalité Enfance de la Région Picardeet se poursuivent grâce à un projet Européen (Appel dOffre ERASysBio+).
- Etude de la propagation de l'activité électrique utérine de surface
Nous avons entamé létude de la propagation de lactivité électrique utérine à partir du traitement de lEHG de surface. Nous avons étudié différents outils permettant de quantifier la corrélation (linéaire ou non-linéaire, temporelle et/ou spectrale, temps-fréquence), afin de déterminer lesquels sont les plus aptes à mettre en évidence lévolution de la propagation au cours de la grossesse et de laccouchement. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec lUniversité de Reykjavik.
- Classification des contractions utérines à partir de l'EMG de surface
Nous avons poursuivi les travaux menés dans loptique de diagnostiquer les MAP à partir de lanalyse de lexcitabilité utérine extraite de lEHG. Ces travaux nous ont permis de tester différents outils de classification (supervisée, non-supervisée) ainsi que dautres méthodes de caractérisation de lexcitabilité (paquets dondelettes). Ces travaux ont été menés en collaboration avec lUniversité Libanaise de Tripoli, Liban. Ils vont se poursuivre en incluant les paramètres extraits de lanalyse de la propagation de lactivité.
c/ Méthodologie pour signaux électrophysiologiques en environnement RMN
Dans le but daméliorer la qualité des images et délargir les champs dapplication, les techniques dIRM évoluent constamment. Ces évolutions technologiques génèrent des sources dartéfacts qui affectent la qualité des signaux électrophysiologiques (ECG, EMG) recueillis simultanément aux images IRM. Ceci implique nécessairement lélaboration de nouveaux outils danalyse en adéquation avec lavancée des technologies en IRM. Des solutions nouvelles ont été développées en termes dalgorithmes de traitement, de méthode de modélisation, de processus de caractérisation des artéfacts: double synchronisation des séquences dimagerie sur les rythmes cardiaque et respiratoire (collaboration partenaire industriel Schiller Médical); lidentification de lartéfact MHD (MagnétoHydroDynamique) (collaboration avec le LMAC et lINRIA Rocquencourt); réalisation d'un banc expérimental pour la caractérisation des artéfacts associés aux amplificateurs de bande de fréquence élargie (type EMG)
Instrumentation / Technologies
Depuis de nombreuses années, pour mener à bien nos études biomécaniques et électromyographiques, nous développons des instrumentations originales.
- Rugbor V2: dans le cadre de létude des contraintes mécaniques subies par le joueur de première ligne en rugby lors de l'engagement en impact, un ergomètre instrumentalisé (Rugbor V2), développé en collaboration avec des chercheurs du laboratoire Roberval, a permis de standardiser le geste dengagement en impact afin de pouvoir caractériser le décours des forces en présence lors de ces engagements et lors des phases de poussées. Cet ergomètre est maintenant utilisé comme outil complémentaire lors de lévaluation de rugbymen à la FFR.
- Ergomètre transportable: nous avons conçu, en collaboration avec la Société Bio2M, un ergomètre non motorisé, transportable et facile à installer dans un centre hospitalier ou de rééducation, voire dans des sites agréés dentraînement musculaire. Cet ergomètre permet de mesurer les propriétés contractiles et élastiques des extenseurs de la cheville, tandis que sont recueillis parallèlement des EMG en conditions volontaires ou réflexes.
- Ultrasons et élasticité musculo-tendineuse: Une collaboration avec lUMR INSERM U930 de Tours a été entreprise pour développer une technique dévaluation des caractéristiques mécaniques du tendon dAchille in situ par mesure de la vitesse de propagation de londe ultrasonore. Les premiers résultats obtenus lors de contractions statiques ont permis de relier de façon sensible le niveau de couple produit à la vitesse de londe ultrasonore. Des tests en contraction dynamique ont montré la fiabilité de cette technique y compris lorsque larticulation subie un mouvement très rapide.
- Vibrations tendineuses et renforcement musculaire:Depuis plusieurs années, des vibrateurs corps entier sont utilisés à des fins de renforcement musculaire via la forte sollicitation des récepteurs proprioceptifs en conditions vibratoires. Nous avons envisagé dutiliser des vibrations appliquées à laide dun vibrateur miniature placé en vis à vis du tendon dAchille comme technique prophylactique de latrophie subie par des muscles mis au repos pour de longue période (alitement prolongé par exemple).Nous avons ainsi montré quun programme quotidien de vibrations tendineuses, suivi pendant deux semaines, améliorait lensemble des propriétés neuromécaniques du triceps sural de sujets sains.
Ainsi, les activités de recherche de notre groupe peuvent être présentées en trois parties complémentaires :
1) Propriétés Neuromécaniques
2) Traitement et Modélisation des signaux électrophysiologiques
3) Instrumentation et Technologie
Propriétés Neuromécaniques. (Chantal Pérot, Francis Canon)
Chez le rat, dans le cadre d'un contrat AFM, nous avons entrepris de dresser le bilan des propriétés neuromécaniques du muscle soléaire du rat tout au long de la vie de l'animal, du sevrage à la sénescence. Les propriétés étudiées étaient l'excitabilité réflexe (recueil de réflexe tendineux et de réponses de Hoffmann chez le rat éveillé), l'efficacité des fuseaux neuromusculaires, récepteurs intramusculaires à l'étirement, les propriétés contractiles et élastiques (en conditions actives et passives) et la fatigabilité musculaire. Ces travaux ont permis de suivre l'évolution de chacun de ces paramètres tout au long de la vie, de délimiter les phases de maturation et de sénescence et de montrer que les cinétiques d'évolution différaient d'un paramètre à l'autre.
Chez l'homme, nos recherches ont concerné les muscles du dos, le triceps sural, les muscles rotateurs de la cheville, les trapèzes supérieurs et deltoïdes, les muscles de la région scapulaire et extenseurs de la tête. Nous avons observé des femmes enceintes, des enfants sains prépubères, des sujets spastiques, des adultes sportifs.
Traitement et modélisation de Signaux électrophysiologiques (Catherine Marque, Sofiane Boudaoud, Agnès Drochon, Odette Fokapu, Frédéric Marin.)
a/ Analyse et modélisation de l'EMG de surface du muscle strié squelettique (SEMG) :
- Analyse, modélisation et identification du recrutement des Unités Motrices (UM)
Le but de cette thématique est dexplorer la relation entre le recrutement des UM durant une contraction volontaire isométrique et anisotonique (force variant dans le temps) et certains descripteurs du signal SEMG. La grande difficulté est la présence de différentes variabilités (morphologiques, physiologiques, neuronales) qui masquent ses liens avec le signal SEMG. Une évaluation crédible de lactivité de recrutement des UM passe donc nécessairement par une compréhension de la genèse du signal SEMG en utilisant des modèles de génération les plus réalistes, ainsi que par la conception doutils statistiques et de traitement du signal adaptés.
- Modélisation de la relation EMG-Force
Cette thématique est complémentaire de la première et consiste à étudier linférence entre lEMG de surface et la force produite par un muscle pour une contraction donnée. Une première étude de faisabilité a été réalisée avec le développement dun modèle EMG/Force. La sensibilité du modèle a été étudiée et une évaluation expérimentale a été conduite chez lHomme. Cette thématique correspond à un projet transversal dans lunité, collaboration avec léquipe 3 par le biais de F. Marin.
b/ Modélisation et analyse de l'EMG utérin (électrohystérogramme, EHG)
- Modélisation biophysique de l'activité électrique du muscle utérin.
Afin de comprendre les liens qui existent entre les phénomènes physiologiques qui pilotent lefficacité des contractions utérines (excitabilité cellulaire, propagation de lactivité à lutérus) et lEHG, nous avons abordé la modélisation multi échelles de lactivité électrique utérine. En sappuyant sur les travaux de Hodgkin-Huxley, nous avons développé un modèle de la cellule utérine, incluant les ions impliqués dans le contrôle de son excitabilité. Nous avons ensuite modélisé la propagation à un ensemble de cellules, permettant de simuler lactivité au niveau tissulaire. Ces travaux, menés en collaboration avec lINRA, ont été financés par le Pôle GBM Périnatalité Enfance de la Région Picardeet se poursuivent grâce à un projet Européen (Appel dOffre ERASysBio+).
- Etude de la propagation de l'activité électrique utérine de surface
Nous avons entamé létude de la propagation de lactivité électrique utérine à partir du traitement de lEHG de surface. Nous avons étudié différents outils permettant de quantifier la corrélation (linéaire ou non-linéaire, temporelle et/ou spectrale, temps-fréquence), afin de déterminer lesquels sont les plus aptes à mettre en évidence lévolution de la propagation au cours de la grossesse et de laccouchement. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec lUniversité de Reykjavik.
- Classification des contractions utérines à partir de l'EMG de surface
Nous avons poursuivi les travaux menés dans loptique de diagnostiquer les MAP à partir de lanalyse de lexcitabilité utérine extraite de lEHG. Ces travaux nous ont permis de tester différents outils de classification (supervisée, non-supervisée) ainsi que dautres méthodes de caractérisation de lexcitabilité (paquets dondelettes). Ces travaux ont été menés en collaboration avec lUniversité Libanaise de Tripoli, Liban. Ils vont se poursuivre en incluant les paramètres extraits de lanalyse de la propagation de lactivité.
c/ Méthodologie pour signaux électrophysiologiques en environnement RMN
Dans le but daméliorer la qualité des images et délargir les champs dapplication, les techniques dIRM évoluent constamment. Ces évolutions technologiques génèrent des sources dartéfacts qui affectent la qualité des signaux électrophysiologiques (ECG, EMG) recueillis simultanément aux images IRM. Ceci implique nécessairement lélaboration de nouveaux outils danalyse en adéquation avec lavancée des technologies en IRM. Des solutions nouvelles ont été développées en termes dalgorithmes de traitement, de méthode de modélisation, de processus de caractérisation des artéfacts: double synchronisation des séquences dimagerie sur les rythmes cardiaque et respiratoire (collaboration partenaire industriel Schiller Médical); lidentification de lartéfact MHD (MagnétoHydroDynamique) (collaboration avec le LMAC et lINRIA Rocquencourt); réalisation d'un banc expérimental pour la caractérisation des artéfacts associés aux amplificateurs de bande de fréquence élargie (type EMG)
Instrumentation / Technologies
Depuis de nombreuses années, pour mener à bien nos études biomécaniques et électromyographiques, nous développons des instrumentations originales.
- Rugbor V2: dans le cadre de létude des contraintes mécaniques subies par le joueur de première ligne en rugby lors de l'engagement en impact, un ergomètre instrumentalisé (Rugbor V2), développé en collaboration avec des chercheurs du laboratoire Roberval, a permis de standardiser le geste dengagement en impact afin de pouvoir caractériser le décours des forces en présence lors de ces engagements et lors des phases de poussées. Cet ergomètre est maintenant utilisé comme outil complémentaire lors de lévaluation de rugbymen à la FFR.
- Ergomètre transportable: nous avons conçu, en collaboration avec la Société Bio2M, un ergomètre non motorisé, transportable et facile à installer dans un centre hospitalier ou de rééducation, voire dans des sites agréés dentraînement musculaire. Cet ergomètre permet de mesurer les propriétés contractiles et élastiques des extenseurs de la cheville, tandis que sont recueillis parallèlement des EMG en conditions volontaires ou réflexes.
- Ultrasons et élasticité musculo-tendineuse: Une collaboration avec lUMR INSERM U930 de Tours a été entreprise pour développer une technique dévaluation des caractéristiques mécaniques du tendon dAchille in situ par mesure de la vitesse de propagation de londe ultrasonore. Les premiers résultats obtenus lors de contractions statiques ont permis de relier de façon sensible le niveau de couple produit à la vitesse de londe ultrasonore. Des tests en contraction dynamique ont montré la fiabilité de cette technique y compris lorsque larticulation subie un mouvement très rapide.
- Vibrations tendineuses et renforcement musculaire:Depuis plusieurs années, des vibrateurs corps entier sont utilisés à des fins de renforcement musculaire via la forte sollicitation des récepteurs proprioceptifs en conditions vibratoires. Nous avons envisagé dutiliser des vibrations appliquées à laide dun vibrateur miniature placé en vis à vis du tendon dAchille comme technique prophylactique de latrophie subie par des muscles mis au repos pour de longue période (alitement prolongé par exemple).Nous avons ainsi montré quun programme quotidien de vibrations tendineuses, suivi pendant deux semaines, améliorait lensemble des propriétés neuromécaniques du triceps sural de sujets sains.
