## 3.3 - Effet de la vitesse sur le moment cinétique du corps lors de l'initiation du pas chez des personnes âgées

Begue J, Peyrot N, Dalleau G, Caderby T,

Effect of increasing speed on whole-body angular momentum during stepping in the elderly

Journal of Biomechanics 2021, 110436

Dans notre précédente étude, nous avons examiné les effets du vieillissement sur le moment cinétique du corps lors de l'initiation du pas réalisée uniquement dans une condition de vitesse, à savoir la vitesse préférée des participants. Par conséquent, nous ne pouvons pas déterminer si les modifications liées à l'âge au niveau du moment cinétique peuvent être associées à la vitesse de progression plus lente naturellement adoptée par les personnes âgées. Cette étude visait donc à examiner l'influence de l'augmentation de la vitesse de progression sur le moment cinétique du corps lors de l'initiation du pas chez des adultes âgés en bonne santé.

Vingt-sept personnes âgées en bonne santé ont reçu pour instruction d'effectuer des essais d'initiation du pas dans deux conditions de vitesse : à leur vitesse préférée et aussi vite que possible. Les tests « t » de Student ont révélé que l'augmentation de la vitesse du pas affectait le moment cinétique du corps différemment dans les deux phases d'initiation du pas et dans les différents plans (Fig. 12). Pendant la phase de double appui, nous avons observé une augmentation des amplitudes du moment cinétique dans les trois plans avec l'augmentation de la vitesse. Pendant la phase d'exécution du pas, nous avons à l'inverse observé que les amplitudes du moment cinétique dans les plans frontal et transversal diminuaient avec l'augmentation de la vitesse de progression. En revanche, dans le plan sagittal, l'amplitude du moment cinétique durant la phase d'exécution augmentait avec la vitesse. Ces résultats suggèrent que les modifications liées à l'âge au niveau du moment cinétique du corps, que nous avions observées dans notre précédente étude, ne peuvent pas s'expliquer exclusivement par une différence de vitesse de progression entre les personnes jeunes et âgées – en particulier à la vitesse plus lente chez les individus âgés –, et donc peuvent être associées à la mise en œuvre d'une stratégie motrice différente entre les deux groupes d'âge et/ou à un moins bon contrôle du moment cinétique avec le vieillissement.
<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>**Figure 12.** Moyennes et écart-types des amplitudes du moment cinétique du corps (H) dans les plans frontal, sagittal et transversal pour les conditions de vitesse préférée (gris clair) et rapide (noir) dans les deux phases d'initiation du pas (phase de double appui et phase d'exécution du pas). H a été normalisé par la masse corporelle, la hauteur du corps et $\sqrt{g \times l}$ (g = 9,81 m.s⁻² et l = taille du participant).
\* : Différence significative entre les conditions de vitesse après utilisation de la procédure de Benjamini-Hochberg.</figcaption></figure>

Les résultats de cette étude montrent que l'augmentation de la vitesse de progression entraîne globalement une augmentation du moment cinétique du corps durant l'initiation du pas chez des personnes âgées. Par ailleurs, les résultats obtenus apportent la confirmation que les différences liées à l'âge au niveau du moment cinétique du corps durant l'initiation du pas ne résultent pas uniquement d'une différence de vitesse de progression entre individus jeunes et âgés, mais sont bien attribuables au phénomène de vieillissement. Les recherches que nous avons menées par la suite visaient à mieux comprendre les mécanismes responsables de ces modifications liées à l'âge au niveau du moment du moment cinétique du corps.
## 3.4 - Effets du vieillissement sur les moments cinétiques segmentaires et leur contribution au moment cinétique du corps durant l'exécution du pas

Begue J, Peyrot N, Lesport A, Turpin NA, Watier B, Dalleau G, Caderby T
Segmental contribution to whole-body angular momentum during stepping in healthy young and old adults

Scientific Reports 2021, 11(1) : 1-13

Dans nos précédentes études, les moments cinétiques des segments corporels durant la tâche d'exécution du pas n'ont pas été examinés. Pourtant, cela pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents aux modifications du moment cinétique du corps survenant avec le vieillissement au cours de cette tâche. Ainsi, l'objectif de cette étude était d'étudier les changements liés à l'âge au niveau des moments cinétiques segmentaires et de leur contribution au moment cinétique du corps entier lors de la tâche d'exécution du pas volontaire.

Quinze jeunes adultes et 18 personnes âgées en bonne santé ont reçu pour instruction d'effectuer plusieurs essais d'une tâche d'exécution du pas dans deux conditions de vitesse : à leur vitesse préférée et aussi vite que possible. En plus de confirmer les modifications liées à l'âge au niveau du moment cinétique du corps au cours de l'initiation du pas, les ANOVA à mesures répétées à deux facteurs (groupe et vitesse) ont également révélé que les amplitudes du moment cinétique du corps dans le plan sagittal étaient plus importantes chez la personne âgée au cours de la phase d'arrêt du pas (P<0,05) et aussi sur l'intégralité de la tâche d'exécution du pas (incluant les phases d'initiation et d'arrêt du pas ; P<0,01) en comparaison aux individus jeunes. Ces modifications du moment cinétique du corps dans le plan sagittal avec le vieillissement étaient associées à des moments cinétiques du tronc (incluant tête, torse et pelvis) et des membres inférieurs (incluant les membres droit et gauche) plus importants chez les sujets âgés en comparaison aux individus jeunes (Fig. 13). Nos résultats ont également révélé que, contrairement aux jeunes adultes, les personnes âgées présentaient une contribution plus importante du tronc au moment cinétique total absolu et, à l'inverse, une plus faible contribution des membres inférieurs (Fig. 14). Ensemble, ces résultats révèlent une redistribution des contributions segmentaires des membres inférieurs vers le tronc dans le plan sagittal. Précédemment, des études ont montré qu'il y avait une redistribution proximo-distale du travail et de la puissance articulaire des membres inférieurs lors de la marche avec le vieillissement (DeVita et Hortobagyi, 2000; Lim et al., 2022). Comparées aux jeunes adultes, les personnes âgées généraient plus de travail et de puissance au niveau de l'articulation de la hanche et moins
de travail et de puissance au niveau de l'articulation du genou et de la cheville. Ces changements dans la dynamique articulaire des membres inférieurs lors de la marche ont été attribués à une stratégie mise en œuvre par les personnes âgées pour compenser la perte de force musculaire des fléchisseurs plantaires de la cheville avec l'âge. L'adoption d'une telle stratégie pourrait également expliquer les changements liés à l'âge au niveau des moments cinétiques segmentaires et de leur contribution durant la tâche d'exécution du pas volontaire. Néanmoins, il n'est pas exclu que cela puisse aussi être le résultat d'un moins bon contrôle du moment cinétique avec le vieillissement. Davantage d'investigations sont nécessaires pour vérifier ces hypothèses.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 13.** Valeurs moyennes ± écart-types des moments cinétiques absolus du tronc, des jambes et des bras dans les plans sagittal, frontal et vertical. Pour chaque segment, la moyenne du moment cinétique absolu a été calculée sur la durée totale de la tâche d'exécution du pas et normalisée en fonction de la masse corporelle, de la taille corporelle et de $\sqrt{g \times l}$ (g = 9,81 m.s⁻² et l = taille corporelle). « G » indique une différence significative entre les individus âgés et les individus jeunes. « S » indique une différence significative entre les conditions de vitesse préférée et de vitesse rapide. « G×S » indique une interaction significative entre le groupe et la vitesse.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

**Figure 14.** Valeurs moyennes ± écart-types des contributions relatives du tronc, des jambes et des bras au moment cinétique total absolu (%) dans les plans sagittal, frontal et transversal. Les contributions relatives des segments ont été moyennées sur la durée totale du mouvement d'exécution du pas. « G » indique une différence significative entre les individus jeunes et âgés. « S » indique une différence significative entre les conditions de vitesse préférée et de vitesse rapide.

Les résultats de cette étude montrent que les modifications liées à l’âge au niveau du moment cinétique du corps durant la tâche d’exécution du pas sont associées à des changements au niveau des moments cinétiques du tronc et des membres inférieurs dans le plan sagittal. Plus précisément, les moments cinétiques de ces segments sont plus importants chez les personnes âgées, ce qui contribue à la plus grande amplitude du moment cinétique du corps dans le plan sagittal chez ces individus en comparaison aux jeunes adultes. De plus, nos résultats suggèrent qu’avec le vieillissement, la contribution relative du tronc au moment cinétique du corps augmente tandis que celle des membres inférieurs diminue. Cette redistribution proximo-distale des contributions relatives des segments corporels au moment cinétique du corps peut probablement être le reflet d’une stratégie visant à compenser la diminution des capacités de production de force musculaire au niveau des membres inférieurs avec le vieillissement. Des travaux sont actuellement menés pour vérifier cette hypothèse (cf. « Projets de recherche et perspectives »).
## 3.5 - Effets du vieillissement sur le contrôle de l'équilibre : une analyse UCM

### Contexte

Les études décrites ci-après s'inscrivent dans le cadre de la thèse d'Angélique Lesport, que je co-encadre actuellement avec Pr. Nicolas Peyrot (Directeur, Le Mans Université) et Dr. Nicolas Turpin (co-directeur, Univ Reunion). Cette thèse, qui est mené à l'Université de La Réunion, porte sur l'étude des effets du vieillissement sur le contrôle du mouvement et de l'équilibre.

La théorie de l'Uncontrolled Manifold (UCM) est une approche qui a été formalisée par Scholz et Schoner (1999) afin d'étudier le problème de redondance motrice dans le domaine du contrôle moteur. Cette approche est aujourd'hui communément utilisée pour identifier les variables contrôlées, aussi appelées *variables de performance*, et le degré de stabilisation de ces variables pendant une tâche motrice (Latash et al., 2007). Cette approche consiste à séparer la variance des *variables élémentaires* (par exemple, les angles articulaires ou les moments cinétiques segmentaires), qui sont liées à la *variable de performance* (par exemple, le CM ou le moment cinétique du corps), en deux composantes : une qui n'a aucun effet sur la variable de performance (variance à l'intérieur de l'espace UCM) et une qui affecte la variable de performance (variance orthogonale à l'espace UCM). On considère généralement qu'une variable de performance est stabilisée lorsque la variance UCM dépasse la variance orthogonale.

Nous nous sommes appuyés sur cette approche UCM pour étudier les effets du vieillissement sur le contrôle du moment cinétique du corps au cours de la tâche d'exécution du pas.

### 3.5.1. - Contribution méthodologique sur l'analyse UCM

Turpin N, Lesport A, Caderby T, Watier B, Peyrot N

**About the use of PCA and a symmetrical index of synergy in the UCM analysis**

*Human Movement Science* (en révision majeure)

Avant d'aborder spécifiquement les effets du vieillissement sur le contrôle de l'équilibre et du mouvement à partir de l'approche UCM, nous présenterons dans un premier temps les résultats d'une étude visant à améliorer la méthodologie de cette analyse. Comme nous l'avons évoqué plus haut, dans l'approche UCM, la variance des variables élémentaires (par exemple, les angles
articulaires) est séparée en deux composantes, celle qui n'affecte pas la variable de performance (désignée comme la variance dans l'espace UCM, $V_{UCM}$) et celle qui l'affecte (variance orthogonale à l'espace UCM, $V_{ORT}$). Ces variances fournissent la base nécessaire pour comprendre les phénomènes sous-jacents, comme le contrôle du CM pour maintenir une posture par exemple. Cependant, plusieurs mesures, appelés des indices de synergie, ont été introduites pour évaluer la quantité relative de ces deux types de variances. A l'heure actuelle, nous ne savons pas comment ces différents indices de synergie sont affectés par le nombre de variables élémentaires considérées dans l'analyse (par exemple, le nombre d'angles articulaires) et la dimension de la tâche (2D ou 3D, par exemple). De plus, certains auteurs recommandent d'utiliser une analyse en composantes principales (ACP) avant l'analyse UCM afin de réduire le nombre de dimensions du système, rendre les variables élémentaires orthogonales entre elles, et filtrer les données en éliminant les petites composantes (Robert et al., 2009). Néanmoins, les effets de l'ACP sur les valeurs d'indice synergique ne sont pas connus. **Par conséquent, les objectifs de cette étude était i) de clarifier l'utilisation des différents indices de synergie et ii) de clarifier l'effet de l'utilisation de l'ACP avant l'analyse UCM.**

Nous avons demandé à 13 jeunes adultes de réaliser 40 essais de pointage d'une cible situé devant eux à une distance correspondant à 70% de leur taille et à hauteur d'épaule. La cinématique du corps entier a été récoltée en utilisant un système de capture du mouvement. Le corps a été modélisé comme une chaîne cinématique constituée de 11 segments rigides, à savoir le doigt droit, les deux mains, les bras et les avant-bras, la tête, le tronc, la cuisse et la jambe. Les 11 angles segmentaires dans le plan sagittal correspondaient aux 11 variables élémentaires (ou degrés de liberté) et la position du doigt droit dans le plan sagittal correspondait à la variable de performance dans l'analyse UCM. Ces 11 angles ont aussi été soumis à une ACP avant l'analyse UCM. Les variations de ces angles articulaires ont été projetées sur les 4 à 11 premiers vecteurs propres obtenus par l'ACP pour étudier l'effet de la réduction du nombre de degrés de liberté sur les indices de synergie. A chaque instant normalisé du mouvement de pointage (0 à 100%), nous avons calculé la matrice jacobienne (J) permettant d'établir la relation linéaire entre les variations des variables élémentaires ($\Delta q$) et les variations de la variable de performance ($\Delta x$), pouvant s'écrire $\Delta x = J \Delta q$. $\Delta x$ et $\Delta q$ ont été calculés par rapport à la position moyenne du doigt droit ($\bar{x}$) et à la configuration moyenne des angles segmentaires ($\bar{q}$), respectivement, les moyennes étant calculées sur tous les essais pour un point de temps donné. En raison de l'utilisation de l'ACP, J a été calculée par régression au lieu d'être dérivée
analytiquement. Ensuite, une décomposition en valeurs singulières a été effectuée sur la matrice
jacobienne pour identifier les vecteurs associés à l'espace nul (sous-espace UCM, ε_N) et à
l'espace orthogonal à celui-ci (sous-espace orthogonal, ε_0). Les variances associées aux sous-
espaces UCM et orthogonal, c'est-à-dire VUCM et VORT, respectivement, ont été calculées à
chaque instant normalisé par les équations ci-dessous :

$$
V_{UCM} = \frac{\sum_{i=1}^{N} \| \epsilon_{N}^{T} \cdot \Delta q_{i} \|^{2}}{(n-d) \cdot N} \quad (11)
$$

$$
V_{ORT} = \frac{\sum_{i=1}^{N} \| \epsilon_{0}^{T} \cdot \Delta q_{i} \|^{2}}{d \cdot N} \quad (12)
$$

Avec *n* est le nombre de degrés de liberté (*n*=4 à 11) et *d* est le nombre de dimensions de la
matrice jacobienne (*d*=2). *ε*<sub>*N*</sub><sup>*T*</sup> et *ε*<sub>0</sub><sup>*T*</sup> sont les matrices transposées de *ε*<sub>*N*</sub> et *ε*<sub>0</sub>, respectivement.
*ε*<sub>*N*</sub> est la matrice de l'espace nul et *ε*<sub>0</sub> est la matrice de l'espace qui lui est orthogonal. *N* est le
nombre d'essais.

Nous avons ensuite calculé 3 indices de synergie différents utilisés dans la littérature pour
déterminer la quantité relative de ces deux types de variance :

$$
- \text{Le ratio des deux variances : } Ratio = \frac{V_{UCM}}{V_{ORT}} \qquad (13)
$$

- L'indice synergique : $\Delta V = \frac{V_{UCM} - V_{ORT}}{V_{TOT}}$ \qquad (14)

$$
\text{Avec } V_{\text{TOT}} \text{ étant la variance totale calculée comme suit : } V_{\text{TOT}} = \frac{dV_{\text{ORT}} + (n-d)V_{\text{UCM}}}{n}
$$

- L'indice synergique symétrique : $\Delta V_{sym} = \frac{V_{UCM} - V_{ORT}}{V_{UCM} + V_{ORT}}$ \quad (15)

En plus des analyses réalisées sur les données expérimentales, nous avons conduit des
simulations pour déterminer les effets du nombre de degrés de liberté et de dimension du
modèle sur les indices de synergie. Pour les simulations, nous avons utilisé 2 ou 3 dimensions
pour la tâche (i.e., *d*=2 ou 3, 2D ou 3D) et *n*= 5, 10, 15 ou 20 pour le nombre de degrés de
liberté. Les 2 ou 3 vecteurs du jacobien, **J**<sub>1</sub>, **J**<sub>2</sub> et **J**<sub>3</sub> (chacun de dimension 1×*n*), ont été construits
en utilisant des coefficients pseudo-aléatoires entre 0 et 1. La jacobienne, une matrice *d*×*n*, a
été soumise à une décomposition en valeurs singulières pour identifier son espace nul et l'espace
orthogonal à celui-ci. Nous avons généré indépendamment trois séries de données ($q_{1-1}$, $q_{1-3}$ et $q_{3-1}$) dans lesquelles nous avons imposé aux points de varier 3 fois plus dans l'espace UCM ($q_{3-1}$) ou dans l'espace orthogonal ($q_{1-3}$), tandis que les points variaient de manière égale dans les deux sous-espaces dans $q_{1-1}$. Les variances dans les espaces UCM et orthogonal ont été calculées comme décrit plus haut, permettant ensuite de calculer les 3 indices (Ratio, $\Delta V$ et $\Delta V_{sym}$). Ces trois indices ont été ensuite transformés en utilisant une transformation Z de Fischer pour l'analyse statistique.

Les ANOVA à mesures répétées conduites sur les données expérimentales ont révélé que les valeurs des trois indices diminuaient avec la réduction du nombre de degré de (P<0,001 pour tous les indices), même avec un pourcentage élevé de variance expliquée (>99%). Ces résultats étaient associés à une diminution des variances UCM (P<0,001) et orthogonale (P<0,001) avec la diminution du nombre de degrés de liberté. Il est à noter que la diminution de la variance UCM était plus marquée que celle de la variance orthogonale (diminution de 45% pour la variance UCM vs. 15% pour la variance orthogonale entre le passage de 11 à 4 degrés de liberté). Ces résultats suggèrent que les petites variations non partagées des variables élémentaires (angles articulaires), et donc non incluses dans les composantes principales, se situent davantage dans l'espace UCM. Cela reste néanmoins à confirmer par davantage d'investigations. Les résultats des simulations sont présentés à la **Figure 15**.

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

**Figure 15.** Effet du modèle sur les indices (simulations). Les effets du modèle (2D et 3D, en traits pleins et traits pointillés, respectivement) et du nombre de degrés de liberté (dof) sont présentés. Les données sont présentées sous forme de moyenne ± 1 écart-type. Les lignes bleues, vertes et rouges (en haut, au milieu et en bas, respectivement) indiquent les résultats des ensembles de données $q_{1-1}$, $q_{3-1}$ et $q_{1-3}$, respectivement, dans lesquels les proportions des variances UCM et ORTH ont été modifiées, c'est-à-dire $q_{1-1}$ = variances UCM et ORT égales, $q_{3-1}$ : variance UCM 3 fois plus importante et $q_{1-3}$ : variance ORT 3 fois plus importante.
Ces résultats montrent que le Ratio et l'indice de synergie symétrique ($\Delta V_{sym}$) sont indépendants du nombre de dimensions du modèle (2D ou 3D) et du nombre de degrés de liberté contrairement à l'indice synergique ($\Delta V$). Néanmoins, on constate que les valeurs du Ratio présentent une plus grande variabilité que celle de l'indice synergique symétrique. Ce dernier indice devrait donc être privilégié lorsque des comparaisons doivent être faites entre des modèles différents en termes de dimensions et de degrés de liberté.

Les résultats de cette étude montrent que l'indice synergique symétrique calculé dans le cadre de l'analyse UCM possède de meilleures propriétés que les autres indices utilisés dans la littérature en termes de comparaison de modèles et en termes d'interprétation. Par ailleurs, nos résultats ont montré que l'analyse en composantes principales doit être utilisée avec précaution dans l'analyse UCM car elle a des effets non négligeables sur la variance UCM et donc sur les valeurs de l'indice synergique.

### 3.5.2. - Effets du vieillissement sur le contrôle du moment cinétique du corps durant la tâche d'exécution du pas

Caderby T, Lesport A, Turpin N, Dalleau G, Watier B, Robert T, Peyrot N, Begue J

Influence of aging on the stabilization of the whole-body angular momentum during stepping: an UCM-based analysis

Article en préparation

Nos précédentes études ont mis en évidence que le vieillissement induit des modifications dans le moment cinétique du corps au cours de la tâche d'exécution du pas. A l'heure actuelle, la question de savoir si ces modifications reflètent un moins bon contrôle du moment cinétique avec l'avancée en âge reste ouverte. **L'objectif de cette étude était donc d'examiner l'effet du vieillissement sur le contrôle du moment cinétique du corps durant la tâche d'exécution du pas en utilisant l'analyse UCM.**

Nous avons demandé à douze jeunes adultes et 14 personnes âgées de réaliser 20 essais d'exécution du pas à leur vitesse préférée. A partir des données cinématiques collectées par un système de capture du mouvement, nous avons calculé le moment cinétique du corps et les moments cinétiques de cinq segments : membre supérieur gauche (incluant bras, avant-bras et main), membre supérieur droit, membre inférieur droit (incluant cuisse, jambe et pied), membre inférieur gauche et tronc (incluant tête, torse et pelvis). Ces paramètres ont été calculés sur tout le mouvement à des instants normalisés (0 à 100%). L'analyse UCM a été conduite en
considérant le moment cinétique du corps comme la variable de performance et les moments cinétiques des cinq segments comme les variables élémentaires. Celle-ci a été conduite dans les trois plans (sagittal, frontal et transversal) séparément. La relation entre le moment cinétique du corps et les moments cinétiques segmentaires peut s'écrire de la façon suivante :

$$ \vec{H} = \overrightarrow{SAM_{MSdroit}} + \overrightarrow{SAM_{MSgauche}} + \overrightarrow{SAM_{MIdroit}} + \overrightarrow{SAM_{MIgauche}} + \overrightarrow{SAM_{Tronc}} $$

Avec $\vec{H}$ est le vecteur moment cinétique du corps, $\overrightarrow{SAM_{MSdroit}}$, $\overrightarrow{SAM_{MSgauche}}$, $\overrightarrow{SAM_{MIdroit}}$, $\overrightarrow{SAM_{MIgauche}}$ et $\overrightarrow{SAM_{Tronc}}$ sont les vecteurs moments cinétiques du membre supérieur droit, du membre supérieur gauche, du membre inférieur droit, du membre inférieur gauche, et du tronc (incluant tête, torse et pelvis), respectivement.

Compte tenu de cette relation, nous avons exprimé les variations du moment cinétique du corps en fonction des variations des moments cinétiques segmentaires à chaque instant normalisé :

$$ \Delta H = J \cdot \Delta SAM $$

Où $\Delta H$ (un scalaire) et $\Delta SAM$ (un vecteur 5×1) sont les variations du moment cinétique du corps et les variations des moments cinétiques des cinq segments, respectivement. $\Delta H$ et $\Delta SAM$ ont été calculés sur l'ensemble des essais à un point temporel donné et par rapport à la moyenne du moment cinétique du corps et les moyennes des moments cinétiques segmentaires, respectivement. $J$ est le jacobien (vecteur 1x5) contenant les dérivées partielles de la variable de performance par rapport aux variables élémentaires. Il est à noter que, dans le cas présent, le jacobien est un vecteur composé uniquement de 1. Ensuite, une décomposition en valeurs singulières a été effectuée sur la matrice jacobienne pour identifier les vecteurs associés à l'espace nul (sous-espace UCM) et à l'espace orthogonal à celui-ci (sous-espace orthogonal). Les variances UCM et orthogonal (cf. équations 11 et 12), normalisées par leur dimension, et l'indice synergique symétrique (cf. équation 15) ont été calculés à chaque instant normalisé. L'indice synergique a été transformé en utilisant une transformation Z de Fischer pour l'analyse statistique. Les moyennes des variances (UCM et orthogonale) et de l'indice synergique sur le mouvement d'exécution du pas entier ont aussi été calculées.

Des tests $t$ pour échantillons indépendants ont montré que les personnes âgées présentaient des valeurs de variances UCM et orthogonale plus élevées que les individus jeunes dans tous les plans (Tableau 5). Malgré ces variances orthogonales et UCM plus importantes, l'indice synergique ne différait pas entre les deux groupes d'âge dans les plans frontal et transversal
(P>0,05), ce qui indique que le moment cinétique du corps était contrôlé de la même manière chez les adultes âgés et les jeunes adultes dans ces deux plans. En revanche, dans le plan sagittal, nous avons observé que les individus âgés présentaient une valeur négative de l'indice synergique significativement plus importante que les individus jeunes dans le plan sagittal (Tableau 5).

<table><caption>**Tableau 5.** Moyennes et écart-types des variances et des indices synergiques moyens dans les trois plans pour les participants jeunes et âgés. Tous les paramètres sont sans unité.</caption><thead><tr><th>Paramètres</th><th>Jeunes</th><th>Agés</th><th>Valeur P</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>Variance UCM (V<sub>UCM</sub>)</strong></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>V<sub>UCM</sub> Sagittal (×10<sup>-5</sup>)</td><td>0,075 ± 0,025</td><td>0,114 ± 0,038</td><td>P=0,005</td></tr><tr><td>V<sub>UCM</sub> Frontal (×10<sup>-7</sup>)</td><td>0,515 ± 0,140</td><td>0,727 ± 0,197</td><td>P=0,005</td></tr><tr><td>V<sub>UCM</sub> Transversal (×10<sup>-7</sup>)</td><td>0,318 ± 0,144</td><td>0,461 ± 0,161</td><td>P=0,026</td></tr><tr><td><strong>Variance orthogonale (V<sub>ORT</sub>)</strong></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>V<sub>ORT</sub> Sagittal (×10<sup>-5</sup>)</td><td>0,060 ± 0,018</td><td>0,102 ± 0,050</td><td>P=0,010</td></tr><tr><td>V<sub>ORT</sub> Frontal (×10<sup>-7</sup>)</td><td>1,363 ± 0,789</td><td>2,149 ± 0,891</td><td>P=0,027</td></tr><tr><td>V<sub>ORT</sub> Transversal (×10<sup>-7</sup>)</td><td>0,270 ± 0,120</td><td>0,417 ± 0,181</td><td>P=0,025</td></tr><tr><td><strong>Indice synergique (ΔV<sub>sym</sub>)</strong></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ΔV<sub>sym</sub> Sagittal</td><td>-0,07 ± 0,09</td><td>-0,15 ± 0,07</td><td>P=0,017</td></tr><tr><td>ΔV<sub>sym</sub> Frontal</td><td>-0,46 ± 0,15</td><td>-0,56 ± 0,10</td><td>NS</td></tr><tr><td>ΔV<sub>sym</sub> Transversal</td><td>-0,04 ± 0,11</td><td>-0,08 ± 0,13</td><td>NS</td></tr></tbody></table>

La cartographie statistique non paramétrique (Statistical non Parametric Mapping en anglais ou SnPM) a été utilisée pour évaluer l'effet du vieillissement sur les variances et l'indice synergique aux différents instants normalisés du mouvement. L'analyse SnPM a montré que les personnes âgés avaient de plus grandes valeurs négatives de l'indice synergique dans le plan sagittal pendant la phase de restabilisation (86 à 100% du mouvement), alors qu'il n'y avait pas de différence entre les deux groupes durant les autres phases du mouvement (Fig. 16). Ces plus grandes valeurs négatives de l'indice synergique chez les personnes âgées durant la phase de restabilisation semblent être attribuées à une plus grande variance orthogonale en comparaison aux jeune adultes (P<0,05), alors que la variance UCM n'était pas différente entre les deux groupes durant cette phase (P>0,05). Des valeurs négatives de l'indice synergique peuvent être interprétées comme des "anti-synergies" (Robert et al., 2009), c'est-à-dire qu'elles peuvent traduire un besoin pour le système nerveux central d'ajuster le moment cinétique pendant cette phase spécifique, entraînant des quantités variables de moment cinétique à travers les essais. Nous pouvons ainsi émettre l'hypothèse que les plus grandes valeurs négatives de l'indice synergique durant la phase de restabilisation chez les adultes âgés reflètent une stratégie pour assurer un arrêt du pas plus sûr. Néanmoins, les résultats obtenus au cours de cette phase doivent
être considérés avec prudence car le moment cinétique et les variabilités associées sont très faibles, ce qui conduit à une estimation moins précise des synergies. Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour confirmer ces résultats.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Figure 16.** Comparaison de l'indice synergique entre les participants jeunes et âgés en utilisant la cartographie statistique non paramétrique (SnPM). SnPM(t) est la valeur t à chaque instant. La zone grisée représente la zone où l'indice synergique est significativement différent entre les deux groupes.</figcaption></figure>

Par ailleurs, conformément à nos précédentes études, les présents résultats ont montré que l'amplitude du moment cinétique du corps dans le plan sagittal au cours de la tâche d'exécution du pas était plus importante chez les personnes âgées que chez les jeunes (+30% chez les personnes âgées ; P=0,01), alors qu'il n'y avait aucune différence dans les deux autres plans (P>0,05). Bien que les adultes âgés présentaient une amplitude du moment cinétique plus importante et un indice synergique plus faible dans le plan sagittal par rapport à leurs homologues jeunes, il n'y avait aucune corrélation entre l'amplitude du moment cinétique du corps et de l'indice synergique moyen dans ce plan (P>0,05). Ces résultats suggèrent que les changements liés à l'âge au niveau du moment cinétique du corps durant la tâche d'exécution du pas ne sont pas liés à un moins bon contrôle de cette variable avec le vieillissement. Ces différences liées à l'âge pourraient plutôt résulter d'une stratégie adaptative visant à compenser la diminution des capacités de production de force musculaire au niveau des membres inférieurs, en particulier des muscles fléchisseurs plantaires (Iosa et al., 2014; Franz, 2016).
Les résultats de cette étude soulignent que le vieillissement n'affecte pas le contrôle du moment cinétique du corps dans les plans frontal et transversal durant la tâche d'exécution du pas. En revanche, les adultes âgés présentent un indice synergique plus faible dans le plan sagittal pendant la phase de restabilisation par rapport aux jeunes adultes. Cependant, cette diminution de l'indice synergique n'est pas liée à l'amplitude du moment cinétique plus élevée dans le plan sagittal chez les adultes âgés. Ces résultats suggèrent que les changements liés à l'âge dans le moment cinétique du corps dans le plan sagittal ne sont pas attribués à un moins bon contrôle de cette variable mécanique durant la tâche d'exécution du pas chez les adultes vieillissants.

## CONCLUSION

Les études présentées dans cette partie avaient pour objectif d'étudier les effets du vieillissement sur le moment cinétique du corps et son contrôle au cours de la tâche d'exécution du pas, qui est une activité motrice quotidienne. Nos résultats ont montré que le vieillissement induit des modifications dans le moment cinétique du corps au cours de cette tâche, en particulier dans le plan sagittal. Globalement, les personnes âgées présentent une amplitude du moment cinétique plus importante que des individus jeunes au cours de cette tâche. Ces changements au niveau du moment cinétique du corps avec le vieillissement sont associés à des modifications des moments cinétiques segmentaires. Les personnes âgées présentent des moments cinétiques plus importants au niveau du tronc et des membres inférieurs, ce qui participe à la plus grande amplitude du moment cinétique du corps en comparaison à des individus jeunes. Par ailleurs, nous avons constaté que la contribution relative des segments au moment cinétique total différait entre individus jeunes et âgés, avec une augmentation de la contribution du tronc et une diminution de la contribution des membres inférieurs au moment cinétique total avec le vieillissement. Malgré ces changements, le vieillissement ne semble pas affecter le contrôle du moment cinétique du corps. Cela suggère que les modifications du moment cinétique du corps avec le vieillissement résultent plutôt d'une stratégie adaptative mise en œuvre par les personnes âgées, probablement pour compenser la perte de force musculaire au niveau des membres inférieurs avec le vieillissement. L'étude du moment cinétique du corps constitue donc une approche particulièrement pertinente pour identifier les dégradations de la mobilité avec le vieillissement et les mécanismes sous-jacents. Cette approche peut en particulier avoir un grand intérêt en matière de préservation de
l'autonomie et de prévention des chutes chez la personne âgée. C'est dans ce contexte que s'inscrivent nos perspectives de recherche présentées ci-après.

# PERSPECTIVES ET PROJETS DE RECHERCHE

Dans la continuité de ces travaux, nous envisageons différentes perspectives de recherche ayant pour finalité d'améliorer la compréhension des mécanismes d'apparition des chutes chez la personne âgée, mais aussi de développer des solutions pour améliorer le maintien de l'équilibre et la mobilité chez ces individus. Les différents projets en cours sur ces problématiques sont présentés ci-après.

* Modifications du moment cinétique liées au vieillissement : Contribution des paramètres musculaires des membres inférieurs et effet du reconditionnement musculaire

Comme nous l'avons décrit plus haut, les résultats de nos études laissent penser que les modifications au niveau du moment cinétique du corps avec le vieillissement lors de la tâche d'exécution du pas pourraient être associées à une stratégie mise en œuvre par les personnes âgées pour compenser les dégradations des capacités musculaires au niveau des membres inférieurs avec l'avancée en âge. Afin de vérifier cette hypothèse, nous menons actuellement une étude visant à étudier la relation entre les capacités musculaires des membres inférieurs et le moment cinétique du corps durant la tâche d'exécution du pas. Nos résultats obtenus chez 14 jeunes adultes et 16 personnes âgées montrent que l'amplitude du moment cinétique du corps dans le plan sagittal est négativement corrélée à la hauteur maximale de saut obtenue lors d'un saut avec contre-mouvement (r=-0,401). Ces premières données soutiennent l'hypothèse que les modifications du moment cinétique avec l'âge peuvent résulter des altérations des capacités musculaires des membres inférieurs induites par le vieillissement. Actuellement, des expérimentations sont en cours afin de confirmer ces résultats en recrutant un plus grand nombre de sujets. De plus, des analyses complémentaires vont être réalisées afin d'identifier les qualités musculaires des membres inférieurs (en termes de force, vitesse et puissance) à l'origine des changements liés à l'âge au niveau du moment cinétique. Pour cela, nous examinerons les relations entre l'amplitude du moment cinétique du corps et les paramètres du profil force-vitesse obtenus en saut vertical, à savoir la force maximale théorique, la vitesse maximale théorique et la puissance maximale. Ces résultats nous permettront par la suite
d'envisager une étude portant sur les effets d'une intervention visant à améliorer les capacités musculaires des membres inférieurs sur l'amplitude du moment cinétique du corps au cours de tâches motrices quotidiennes.

* Effets du vieillissement sur le contrôle de l'équilibre et du mouvement

Dans la continuité de nos travaux sur le contrôle du moment cinétique du corps, nous menons actuellement d'autres recherches portant sur les effets du vieillissement sur le contrôle de l'équilibre et du mouvement. Dans ces recherches, qui entrent dans le cadre de la thèse d'Angélique Lesport, nous utilisons l'approche UCM afin d'étudier le contrôle de variables de performance en lien avec l'équilibre postural (composante posturale) et aussi le mouvement focal (composante focale) lors de tâches motrices volontaires (Bouisset et Do, 2008). Par cette approche, nous pouvons ainsi examiner les effets du vieillissement sur le contrôle de chacune de ces composantes (posturale et focale) associées à la tâche motrice, aussi bien qu'à leurs interactions. Il est supposé qu'avec le vieillissement, le contrôle simultané de ces deux composantes peut devenir plus difficile, du fait principalement des altérations cognitives liées à l'âge (Woollacott et Shumway-Cook, 2002), ce qui peut par conséquent affecter la performance motrice et/ou le maintien de l'équilibre lors des activités motrices volontaires. Actuellement, nous menons des expérimentations sur la tâche de pointage. La tâche de pointage est un paradigme expérimental particulièrement intéressant pour examiner le contrôle de ces deux composantes, dans la mesure où nous pouvons distinguer assez aisément des variables de performance liées à la composante posturale, comme la position du CM corporel ou le moment cinétique du corps, et celles liées à la composante focale, comme la position du doigt ou de la main qui pointe la cible. Nous envisageons ainsi d'étudier les relations entre le contrôle de ces composantes et des indicateurs de la stabilité posturale et de la performance motrice (précision) chez des individus jeunes et âgés. Par ailleurs, nous envisageons également de moduler les contraintes en termes de précision (en faisant varier la taille de la cible) et en termes de contrôle de l'équilibre (en faisant varier la dimension de la base de support) pour examiner les priorités données à chacune des composantes et aussi voir les capacités de contrôle des deux groupes de participants.
• Identification de marqueurs pour la détection précoce de la chute

Contexte

Ce projet s'inscrit dans le cadre de la thèse de Jade Christen, qui est encadré par le Pr. Georges Dalleau (directeur), Dr. Nicolas Turpin (co-encadrant) et moi-même (co-directeur). Cette thèse qui a débuté en 2019 a pour objectif d'identifier des paramètres biomécaniques et neurophysiologiques permettant de détecter une chute avant même sa survenue.

Dans la littérature, deux principales approches ont été utilisées pour investiguer les mécanismes d'apparition des chutes chez l'Homme, mais celles-ci n'ont pas été réellement combinées. La première approche consiste à étudier les stratégies de récupération de l'équilibre après une perturbation posturale inattendue, telle qu'une translation de la surface de support ou encore une traction/poussée appliquée à un ou plusieurs segments corporels. Les études sur ce sujet ont montré qu'il est possible de distinguer deux grandes catégories de stratégies (ou réponses posturales) utilisées pour récupérer l'équilibre après une déstabilisation : les stratégies posturales dites de support fixe et les stratégies de support changeant (Horak et Macpherson, 1996; Allum et al., 2003). Les réponses posturales de support fixe se traduisent par des actions (mouvements des segments corporels) générées par l'individu pour conserver le CM corporel à l'intérieur de la base de support tout en ayant les pieds ancrés au sol. Les stratégies de support changeant impliquent des déplacements du membre inférieur de manière à replacer le CM corporel au sein de la base de support (par exemple, en exécutant un pas vers l'avant). Ces deux catégories de réponses posturales, qui sont dépendantes de la nature de la perturbation (direction, durée et intensité) et de l'état de l'individu (moteur, sensoriel et cognitif), sont générées par l'activation de synergies musculaires répondant à des variations de position, de vitesse et d'accélération du CM corporel. Ces réponses sont stéréotypées en ce sens que les synergies musculaires sont en nombre limité et la réponse posturale consiste en l'activation d'une combinaison linéaire de ces synergies (Lockhart et Ting, 2007). Il est à noter que ces synergies musculaires incluent des activités réflexes (dans les 100 premières millisecondes), suivies par des réponses plus volontaires. Des mesures électro-encéphalographiques (EEG) ont montré que le cortex moteur primaire serait impliqué dans le développement des activations musculaires volontaires (Jacobs et Horak, 2007).

La seconde approche qui a été utilisée pour investiguer les mécanismes d'apparition des
chutes est celle qui consiste à étudier les pertes d'équilibre non rattrapables et la phase d'impact
de la chute. Ces chutes peuvent être induites à partir de perturbations inattendues ou encore en
demandant à des participants de chuter volontairement sur un tapis. Ces études ont montré que
la chute comporte une phase passive et une phase active. La phase passive, qui dure environ
200 à 300 ms, correspond à un laps de temps durant lequel le corps se comporte comme un
système composé de masses viscoélastiques interconnectées tombant librement sous l'effet de
la gravité (Le Goic et al., 2018). Au début de la chute, les propriétés mécaniques des
articulations et muscles, en termes de raideur et d'amortissement intrinsèques, jouent un rôle
majeur. En revanche, la phase active, qui démarre au bout de 300 ms après la perte d'équilibre,
correspond au moment où les ajustements volontaires sont réalisés. Hsiao et Robinovitch (1997)
ont montré que lors de cette phase les mouvements des segments corporels, au lieu d'être
aléatoires et imprévisibles, suivent des patterns reproductibles et ordonnés dans le but de réduire
l'impact au sol. Ainsi, ces résultats suggèrent que les chutes pourraient être associés à des
réponses posturales inefficaces développées pendant la phase active, qui dure environ 400-700
ms.

A l'heure actuelle, il n'y a pas eu réellement d'études sur la phase précédent la perte
d'équilibre, i.e., la phase précédant une perturbation soudaine de l'équilibre ou précédant la
mise en œuvre d'actions de rattrapage de l'équilibre. En particulier, nous ne savons si l'état de
l'individu (attentionnel, sensoriel, moteur) peut influencer l'efficacité des réponses posturales
suite à un déséquilibre et par conséquent expliquer la survenue de la chute. Pour répondre à
cette question, nous nous proposons dans le cadre de ce projet de thèse d'étudier les activités
électro-encéphalographiques (EEG), électromyographiques (EMG) et mécaniques avant,
pendant et après une perte d'équilibre. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle l'état
neurophysiologique et mécanique de l'individu précédant le déséquilibre influencerait
l'efficacité des réponses posturales et donc expliquerait pourquoi les individus peuvent
récupérer leur équilibre dans certaines situations et pas dans d'autres. Par ailleurs, nous
émettons également l'hypothèse que les activités neurophysiologiques et mécaniques dans les
instants précédents la chute pourraient montrer des spécificités et par conséquent constitueraient
des marqueurs pertinents pour la détection précoce de la chute. Actuellement, nous menons une
première série expérimentale afin d'évaluer la possibilité d'identifier une perte d'équilibre
avant sa survenue dans des tâches motrices volontaires, telles que la marche sur poutre et le
pointage d'une cible, en utilisant des données mécaniques (cinématique et dynamique) et
neurophysiologiques (EEG et EMG). Ces données devraient nous permettre d'identifier des
corrélats biomécaniques et neurophysiologiques de la perte d'équilibre.
* Amélioration du maintien de l'équilibre durant la marche en utilisant la stimulation électrique musculaire

Contexte

Le projet présenté ci-après est actuellement mené au sein du laboratoire IRISSE. Sur ce projet, je dirige actuellement 2 étudiants de Master. Un de ces étudiants devrait s'inscrire en thèse sur cette thématique en septembre 2022 sous ma direction. Par ailleurs, un projet de recherche collaboratif (Projet e-WALKING), dont je suis le coordinateur a été soumis dans le cadre de l'appel à projet générique 2022 de l'ANR sur cette problématique et a franchi l'étape 1 de pré-sélection des projets. Ce projet prévoit l'implication de 4 partenaires, à savoir le laboratoire IRISSE (Coordinateur : T. Caderby), l'Université du Mans (Référent : Pr. Nicolas Peyrot), l'Université de Montréal (Référent : Pr. Mickael Begon), le CHU de La Réunion (Référent : Dr. Jean-Marc Eychène).

Comme nous l'avons vu plus haut, les chutes chez les personnes âgées se produisent majoritairement au cours des activités motrices quotidiennes, et plus particulièrement pendant la marche (Robinovitch et al., 2013). En ce qui concerne l'activité de marche, il est bien connu que les adultes âgés adoptent des vitesses de marche préférentielles plus lentes que les jeunes adultes (Franz, 2016). Bien que cette réduction de la vitesse de marche avec le vieillissement puisse être considérée comme une stratégie prudente pour atténuer le risque de chute, il s'avère que les adaptations du pattern de marche liées à l'âge peuvent en réalité contribuer à rendre plus difficile le maintien de l'équilibre lors de la marche et donc augmenter le risque de chute. En effet, il a été démontré que la réduction de la vitesse de marche est associée à une réduction des forces propulsives générées pendant la phase de poussée (push-off phase en anglais) au cours de la marche. Cette réduction des forces propulsives serait principalement attribuée à une faiblesse des muscles des membres inférieurs et en particulier des muscles fléchisseurs plantaires de la cheville (Franz, 2016). Pour compenser la faiblesse des muscles fléchisseurs plantaires, les personnes âgées utilisent davantage les muscles qui traversent les articulations proximales (hanche et genou) pendant la marche (DeVita et Hortobagyi, 2000). Cette redistribution proximo-distale du travail musculaire du membre inférieur entraîne une accélération plus importante du segment du tronc lors de la marche, ce qui peut à son tour entraîner une plus grande instabilité (Browne et Franz, 2017) et une augmentation de la dépense énergétique (Pieper et al., 2021). Le développement d'une solution pour améliorer la fonction de propulsion des muscles fléchisseurs plantaires pourrait potentiellement améliorer l'équilibre
et la performance motrice pendant la marche chez les personnes âgées, ce qui pourrait être particulièrement intéressant pour réduire les chutes et aussi encourager la mobilité et l'activité physique chez ces personnes.

La stimulation électrique fonctionnelle (FES) est une technique non invasive et peu coûteuse consistant à appliquer un petit courant électrique au tissu neuromusculaire à partir d'électrodes placées sur la peau afin de déclencher des contractions musculaires involontaires pour (re)produire des mouvements fonctionnels. Cette technique a été largement utilisée dans le domaine de la rééducation pour permettre aux patients, tels que les hémiplégiques (Melo et al., 2015) ou les paraplégiques (Kobetic et al., 1997), de se tenir debout et de marcher en stimulant les muscles paralysés. En plus d'être appliquée à des populations souffrant de troubles neuromusculaires, la FES a récemment été utilisée sans gêne chez des individus sains afin de modifier la cinématique de la marche (Meng et al., 2017) ou de réduire les forces de cisaillement du genou (Rane et Bull, 2016). Ainsi, la FES qui est une technique non invasive et peu coûteuse est efficace pour restaurer, assister ou réhabiliter la fonction motrice. Chez les personnes âgées, la stimulation électrique a été utilisée comme moyen d'entraînement pour améliorer la fonction musculaire (Langeard et al., 2017) et modifier la cinématique de la marche (Langeard et al., 2021). Cependant, à notre connaissance, elle n'a jamais été utilisée comme solution pour améliorer le maintien de l'équilibre pendant la marche chez cette population.

Dans ce contexte, nous proposons de développer une nouvelle technologie pour améliorer le maintien de l'équilibre pendant la marche. L'originalité de ce projet réside principalement dans l'approche proposée pour améliorer l'équilibre pendant la marche, qui consiste à renforcer la fonction de propulsion des muscles fléchisseurs plantaires via la stimulation électrique musculaire. Pour cela, nous allons développer une technologie qui i) identifie les demandes mécaniques de la marche à partir de capteurs portables et ii) déclenche des patterns d'activation musculaire spécifiques au contexte visant à améliorer la fonction de propulsion des muscles fléchisseurs plantaires pour augmenter l'équilibre. La technologie d'assistance à la marche associera deux systèmes existants, à savoir une centrale inertielle et un stimulateur musculaire électrique. Ces deux systèmes présentent l'avantage d'être des dispositifs portables, petits et peu coûteux. Bien que le couplage de ces deux dispositifs, c'est-à-dire la stimulation électrique musculaire et les centrales inertielles, ait déjà été utilisé pour modifier la cinématique de la marche chez de jeunes individus en bonne santé (Meng et al., 2017; Thorp et Adamczyk, 2020), cette approche n'a jamais été utilisée pour améliorer le maintien de l'équilibre pendant la marche
chez ces individus. Notre approche diffère en ce sens de ce qui a été fait jusqu'à présent dans
ce domaine.

L'approche proposée dans ce projet repose sur des données préliminaires recueillies par 2 étudiants de Master que je dirige. Dans ces études, des données cinématiques, d'efforts de réaction du sol et électromyographiques ont été enregistrées chez des jeunes adultes sains (n=15) pendant une marche sur le sol avec et sans stimulation musculaire électrique appliquée aux muscles soléaire et gastrocnémien de la jambe dominante. La stimulation musculaire électrique a été délivrée par un stimulateur électrique portable (Phenix USB Neo, Vivaltis) pendant la phase de poussée de la marche, détectée par une centrale inertielle (SHIMMER2, Irlande) placé sur la jambe controlatérale. Nos résultats montrent que la stimulation musculaire électrique appliquée uniquement aux muscles fléchisseurs plantaires de la jambe dominante a conduit à une augmentation de la vitesse préférentielle par rapport à l'absence de stimulation. Cette vitesse de marche plus rapide était associée à un pic de force propulsive (composante antéropostérieure de la force de réaction du sol) et à un pic de puissance de la cheville significativement plus élevés pendant la phase de poussée. Ces résultats préliminaires apportent la preuve que la stimulation musculaire électrique peut être utilisée pour améliorer la fonction de propulsion des muscles fléchisseurs plantaires pendant la marche chez des individus sains et cela sans inconfort. Cette approche pourrait potentiellement compenser le déficit de la fonction de propulsion des muscles fléchisseurs plantaires chez les personnes âgées, qui est connu pour contribuer à une instabilité accrue (Browne et Franz, 2017) et à un coût énergétique (Pieper et al., 2021) pendant la marche. Actuellement, des études menées chez des individus jeunes sont en cours dans le but de mieux comprendre effets de la stimulation électrique musculaire sur la biomécanique et l'énergétique de la marche et aussi pour optimiser les paramètres de la stimulation (intensité, durée et fréquence) afin d'améliorer la stabilité posturale durant cette activité.
# Autres travaux non développés

## Contexte

Je mène et encadre également des travaux de recherche sur la cervicalgie chronique et l'instabilité de l'épaule. Pour des raisons de cohérence thématique, ces travaux ne seront pas développés dans le manuscrit d'HDR. Cependant, un résumé succinct de ces travaux est présenté ci-dessous.

## Cervicalgie chronique

Les douleurs du rachis cervical représentent une pathologie fréquemment rencontrée par les professionnels de santé et sont une source de situation de handicap étroitement liée à une problématique socio-économique prégnante dans le monde moderne. Dans le cadre de la thèse en cours de Francis Grondin (kinésithérapeute), que je co-dirige avec le Pr. Nicolas Peyrot (Directeur, Le Mans Université), nous nous intéressons à cette problématique des cervicalgies chroniques. L'objectif général de ce projet de thèse est d'évaluer la contribution des paramètres musculaires cervicaux à la douleur, l'incapacité et la qualité de vie et de déterminer des outils et techniques de traitement pour les patients souffrant de cervicalgies chroniques non spécifiques. Plus précisément, il s'agira :

(i) d'identifier les corrélations entre les paramètres musculaires cervicaux de force et de trophicité et le niveau d'incapacité et de qualité de vie des patients cervicalgiques non spécifiques.

ii) d'évaluer si l'amélioration des capacités musculaires de force et de trophicité des muscles cervicaux grâce à un reconditionnement musculaire spécifique induit une amélioration des paramètres cliniques des patients cervicalgiques chroniques non spécifiques.

Grondin F, Colman D, Peyrot N, Maillard O, Freppel S, Caderby T, Perdrix Y
**Reliability and difference in neck extensor muscles strength by a potable dynamometer in individuals with and without chronic neck pain**
*Journal of Manual & Manipulative Therapy* 2022, 25:1-7

- Grondin F, Freppel S, Jull G, Gerard T, Caderby T, Peyrot N.
**Fat infiltration of multifidus muscle is correlated with neck disability in patients with idiopathic chronic neck pain**
Soumis à *Journal of Clinical Medicine*
• Évaluation de l'instabilité de l'épaule

Dans le cadre de la thèse de Richard Ballas (chirurgien orthopédique), dirigé par Georges Dalleau (Directeur, Université de La Réunion) et Nicolas Peyrot (Co-directeur, Le Mans Université), nous avons travaillé sur le développement d'une nouvelle approche pour quantifier l'instabilité du complexe articulaire de l'épaule. En collaboration avec le Professeur Paul Allard (Université de Montréal) et le Professeur Pascal Edouard (Université de Saint-Etienne), nous avons proposé une méthode basée sur l'analyse des efforts de réaction du sol, mesurés par une plateforme de force, dans une tâche de chargement du membre supérieur effectuée en position assise pour évaluer la stabilité du complexe de l'épaule. Nos résultats ont montré que le moment libre vertical constituait un indicateur pertinent de la stabilité de ce complexe. La méthode proposée permettait de quantifier de manière reproductible la stabilité de l'épaule chez des sujets asymptomatiques. Il est envisagé d'évaluer la validité de cette méthode chez des personnes souffrant d'instabilité de l'épaule.

Ballas R, Peyrot N, Allard P, Caderby T, Edouard P, Dalleau G

**Shoulder loading reliability in seated able-bodied subjects**

*Medical Engineering & Physics* 2018, 62 : 17-21
Après l'obtention de mon doctorat en 2013 à l'Université de La Réunion, j'ai été recruté en tant qu'ATER de 2013 à 2014, puis en tant que Maître de conférences en 2014 au sein de cette même université. Depuis cette nomination, j'assure des enseignements dans le cadre de la formation classique STAPS pour des étudiants allant de la première année de Licence jusqu'au Master 2. Par ailleurs, j'ai aussi dispensé des enseignements dans le cadre de l'accompagnement et la réussite des étudiants au travers du Cycle Préparatoire aux Études Supérieures STAPS (2014-2016), qui était un Diplôme Universitaire visant à accompagner les étudiants ayant échoué en première année STAPS afin qu'ils puissent réussir en licence. En plus de la formation STAPS, je suis également intervenu pendant plusieurs années au sein de l'Institut de Formation en Masso-Kinésithérapie de La Réunion afin d'assurer des enseignements de biomécanique aux étudiants de première année (K1). Mon investissement sur le plan pédagogique se traduit aussi par les responsabilités que j'ai assumées au sein de mon département de formation, avec notamment la responsabilité pédagogique de la Licence 3 STAPS de 2016 à 2018 et celle du Master 2 STAPS mention Activité Physique Adaptée entre 2019 et 2021.

Je participe également à la vie administrative de mon institution à différents niveaux. Au niveau de mon laboratoire de recherche, j'assure la fonction de directeur-adjoint depuis 2017. Ce mandat a été entrecoupé en 2018 par une période durant laquelle j'ai assuré successivement les fonctions de directeur par intérim et d'administrateur provisoire du laboratoire suite au départ du précédent directeur de l'unité. A cette époque, le laboratoire IRISSE comprenait 28 membres (18 enseignants-chercheurs, 2 BIATSS et 8 doctorants). En plus d'assurer pleinement les missions classiques d'un directeur d'unité de recherche, j'ai dû assumer durant cette période la responsabilité de l'auto-évaluation de l'unité dans le cadre de la campagne d'évaluation de la recherche par l'HCERES (Vague E) et porter le projet de restructuration de l'unité jusqu'à l'élection du nouveau directeur de notre unité. Ces missions et responsabilités au sein de mon unité de recherche m'ont donné l'envie et aussi la possibilité de m'investir davantage dans la vie de mon institution. Au niveau de mon UFR, j'assure la responsabilité de Vice Doyen en charge de la Recherche depuis 2020. Au niveau de mon université, je suis membre élu de la Commission Recherche et du Conseil Académique (plénier et restreint) depuis 2021. En plus de contribuer au bon fonctionnement de l'établissement, ces différentes activités administratives constituent un véritable enrichissement sur le plan personnel.

Outre ces engagements sur les volets pédagogiques et administratifs, je suis aussi très investi sur le plan de la recherche. Depuis mon doctorat, j'ai contribué pleinement à plusieurs projets de recherche menés au sein de mon laboratoire. J'ai pu participer notamment à la réalisation du
Projet Hospitalier de Recherche Clinique « Obélix » (200k€), au projet « DiabeTIC » (Financement PIA, 149k€) et je participe actuellement au projet FEDER « DALON » (800K€) porté par les Professeurs Georges Dalleau et Nicolas Peyrot. En plus de contribuer aux différents projets de l'équipe, j'ai participé activement à la recherche de financements, la dernière demande de financement en date étant un projet dont je suis le coordinateur et qui a été soumis dans le cadre de l'appel à projet générique 2022 de l'ANR (projet « e-WALKING », 700k€, pré-sélectionné en phase 1, en attente des résultats de la phase 2). Les différents financements obtenus ont contribué à l'augmentation des capacités de recherche de mon unité grâce à l'acquisition d'un ensemble d'équipements de pointe (6 caméras Vicon, grande plateforme de force AMTI, système de mesure des échanges gazeux portable, stimulateur électrique sans fil, système EMG sans fil, etc.).

Mes travaux de recherche m'ont permis de construire de fortes collaborations scientifiques au niveau international (Université de Montréal, Université du Québec à Trois Rivières, Université de Milan) sur l'analyse biomécanique de la locomotion et de l'équilibre postural. Je collabore aussi avec plusieurs collègues au niveau national sur ces thématiques de recherche. En plus de ces collaborations, mes travaux de recherche m'ont permis de participer à l'encadrement plusieurs étudiants de doctorat et de Master 2. En ce qui concerne l'encadrement doctoral, j'ai co-encadré une thèse soutenue en 2017 et co-dirigé une autre soutenue en 2020. Actuellement, j'encadre 4 thèses, dont 3 en tant que co-directeur et 1 en tant que co-encadrant. Sur les encadrements Master, j'ai dirigé 15 stages de recherche sur mes thématiques de recherche, ainsi que 15 stages professionnels.

Mes travaux de recherche s'inscrivent au sens large dans le domaine de la biomécanique du mouvement humain. Mes recherches contribuent au niveau fondamental à mieux comprendre la capacité de réorganisation motrice de l'être humain, en particulier lorsque celui-ci est confronté à des facteurs susceptibles d'affecter l'équilibre postural et la performance motrice. Ces travaux ont pour finalité de pouvoir proposer des solutions visant à évaluer et améliorer la performance motrice et l'équilibre chez des individus présentant des dégradations de la mobilité (personnes âgées, individus en situation d'obésité, patients diabétiques, etc.) et aussi de comprendre les mécanismes sous-jacents.

Les recherches menées au cours de ma thèse ont porté sur l'adaptabilité du processus d'initiation de la marche chez des individus sains. Nous nous sommes plus précisément intéressés aux adaptations de ce processus d'initiation de la marche sous l'effet deux types de perturbations, i.e., le port de charge (facteur exogène) et la vitesse de progression (facteur
endogène). Ces travaux ont permis de montrer que l'individu sain est capable de moduler les paramètres spatio-temporels des ajustements posturaux anticipateurs et du premier pas pour maintenir la stabilité posturale et la performance motrice au cours de l'initiation de la marche réalisée en situation de contrainte posturale. Ces résultats ont été confirmés par la suite grâce à des travaux menés après ma thèse et dans lesquels nous avons examiné l'influence d'autres types de facteurs endogènes et exogènes, tels que la pression temporelle, le franchissement d'obstacle, ou encore la modification du pattern de pose de pied. Dans la continuité de ces travaux chez l'individu sain, nous nous sommes aussi intéressés aux effets de l'obésité, considérée comme une contrainte posturale endogène, sur l'organisation biomécanique de l'initiation de la marche. Nos résultats ont montré que l'obésité avait pour effet de diminuer l'efficacité des ajustements posturaux anticipateurs, ce qui contribuait par conséquent à une altération de la stabilité posturale et de la performance motrice au cours de l'initiation de la marche. Dans le cadre d'un Projet Hospitalier de Recherche Clinique (PHRC « Obélix »), mené en collaboration avec le laboratoire DÉTROI (anciennement laboratoire GEICO) de l'Université de La Réunion et le CHU de La Réunion, nous avons mis en évidence qu'un programme de perte de poids basé sur l'activité physique et une alimentation riche en fruits et légumes était capable de contrer les effets délétères de l'obésité sur l'efficacité des ajustements posturaux anticipateurs associés à l'initiation de la marche et pouvait ainsi faciliter le maintien l'équilibre lors de l'initiation de la marche.

Nos recherches en contexte pathologique se sont poursuivies à travers l'étude de l'effet du diabète de type 2, considéré également comme un facteur endogène, sur la biomécanique et l'énergétique de la marche. Ces recherches ont été menées dans le cadre de la thèse de Nathan Caron, que j'ai co-encadré avec mes collègues Pr. Georges Dalleau (directeur) et Pr. Nicolas Peyrot (co-directeur). Ces travaux ont montré qu'à vitesse identique, les personnes diabétiques de type 2 ont une puissance métabolique et un coût énergétique plus importants lors de la marche par rapport à des individus non diabétiques. Néanmoins, nous avons constaté que les personnes diabétiques adoptent naturellement une vitesse de marche plus lente que celle des individus non diabétiques. Cette réduction de la vitesse de marche préférée, que l'on peut interpréter comme une diminution de la performance motrice chez les personnes diabétiques, leur permet en revanche de minimiser le coût énergétique de la marche. Ainsi, à vitesse de marche préférée, les individus diabétiques et non diabétiques ont un coût énergétique de la marche comparable. Compte tenu de ces résultats, nous nous sommes intéressés à évaluer la validité des méthodes d'estimation de la dépense énergétique pendant l'activité physique à
partir de données issues d'un accéléromètre chez des individus diabétiques. Nous avons pu ainsi
proposer de nouvelles équations pour estimer la dépense énergétique à partir de données issues
d'un accéléromètre spécifiquement pour des personnes diabétiques et non diabétiques.
Actuellement, nous menons des recherches visant à mieux comprendre les mécanismes sous-
jacents les altérations de la marche induits par le diabète de type 2 et nous travaillons également
sur le développement solutions non-médicamenteuses pour améliorer la mobilité et la santé de
ces personnes. Ces recherches font notamment l'objet de la thèse de Nowlan Deville que je co-
dirige actuellement avec mes collègues Pr. Georges Dalleau (directeur), Pr. Pierre Portero (co-
directeur) et Dr. Nathan Caron (co-encadrant).

Plus récemment, nous nous sommes intéressés aux effets du vieillissement sur le maintien
de l'équilibre au cours de la tâche d'exécution du pas, à travers l'étude du moment cinétique du
corps. Ces recherches ont été menées en partie dans le cadre de la thèse de Jérémie Begue, que
j'ai co-dirigé avec mes collègues Pr. Nicolas Peyrot (directeur) et Pr. Georges Dalleau (do-
directeur). Globalement, les résultats ont montré que le vieillissement induit une augmentation
de l'amplitude du moment cinétique du corps au cours de cette tâche motrice. Ces changements
au niveau du moment cinétique du corps avec le vieillissement sont associés à des modifications
des moments cinétiques des segments corporels, plus précisément ceux du tronc et des membres
inférieurs. Nos différents travaux menés sur le sujet montrent que ces modifications ne sont pas
dues à un moins bon contrôle du moment cinétique du corps avec l'avancée en âgée, mais elles
seraient plutôt associées à une stratégie motrice mise en œuvre par les personnes âgées pour
compenser les dégradations des capacités musculaires des membres inférieurs induites par le
vieillissement. Dans ce contexte, nous étudions actuellement le lien entre les capacités
musculaires des inférieurs et le moment cinétique du corps au cours de tâches motrices
quotidiennes, dans l'objectif d'évaluer par la suite l'effet d'une intervention visant à améliorer
ses capacités musculaires sur le moment cinétique du corps au cours de la locomotion. Par
ailleurs, dans le cadre d'une thèse que je co-dirige avec mes collègues Pr. Georges Dalleau
(directeur) et Dr. Nicolas Turpin (co-encadrant), nous menons actuellement des études dans le
but d'identifier des marqueurs pour la détection précoce des chutes chez la personne âgée. Pour
finir, nous travaillons actuellement sur le développement d'une solution basée sur la stimulation
électrique musculaire pour améliorer le maintien de l'équilibre et la mobilité chez la personne
âgée. Les résultats prometteurs obtenus devraient nous permettre très prochainement d'encadrer
de nouveaux doctorants.
Abrahamová, D., and Hlavačka, F. (2008). Age-related changes of human balance during quiet stance. *Physiological Research*, 957-964. doi: 10.33549/physiolres.931238.

Ajir, S., Baktavatsalou, R., and Seguin, S. (2017). Une population vieillissante : Evolutions démographiques depuis 60 ans. *INSEE Réunion* 25.

Allum, J.H.j., Carpenter, M.G., and Honegger, F. (2003). Directional aspects of balance corrections in man. *IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine* 22(2), 37-47. doi: 10.1109/memb.2003.1195694.

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# Résumé

Ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches présente une synthèse des travaux menés depuis mon doctorat. Ces recherches portent principalement sur l'étude biomécanique des adaptations motrices mises en œuvre par l'être humain lorsque celui-ci est soumis à des facteurs endogènes (pathologie, vieillissement, etc.) et exogènes (port de charge, obstacle à franchir, etc.) susceptibles d'altérer l'équilibre postural et la performance motrice.

La première partie de ce mémoire traite des études portant sur les adaptations biomécaniques du processus d'initiation de la marche (i.e., la phase d'amorce de la marche) induites par différents facteurs endogènes et exogènes. Globalement, les résultats suggèrent qu'en situation de contrainte posturale, l'individu jeune et en bonne santé est capable de mettre en œuvre des stratégies motrices adaptatives spécifiques permettant de maintenir la performance motrice et la stabilité posturale au cours de l'initiation de la marche. Dans la continuité de ces recherches sur le sujet sain, nos études ont montré que l'obésité, considérée comme une contrainte posturale endogène, entraîne une dégradation de l'efficacité des mécanismes posturaux anticipateurs, ce qui a pour conséquence d'affecter négativement la performance motrice et la stabilité posturale au cours de l'initiation de la marche. Ces détériorations liées à l'obésité peuvent néanmoins être contrecarrées par un programme de réduction de poids.

La seconde partie de ce mémoire concerne les études sur les adaptations biomécaniques et énergétiques de la marche induites par le diabète de type 2. Ces travaux ont révélé qu'à vitesse identique, les personnes diabétiques présentent un coût métabolique de la marche plus important que des personnes non-diabétiques. Néanmoins, les personnes diabétiques ont naturellement tendance à adopter une vitesse de marche plus lente que des individus en bonne santé, ce qui leur permet d'avoir un coût énergétique de la marche proche de celui des personnes non-diabétiques. Ces résultats nous ont conduits à valider des méthodes d'estimation de la dépense énergétique pendant la marche à partir de capteurs embarqués spécifiquement pour la population diabétique. Actuellement, des recherches sont menés dans le but de mieux comprendre les dégradations de la mobilité induits par le diabète de type 2 et de proposer des solutions non-médicamenteuses pour améliorer la mobilité et la santé des personnes atteintes de cette maladie.

La troisième partie de ce mémoire traite de nos recherches sur les adaptations biomécaniques induites par le vieillissement au cours de la tâche d'exécution du pas. Nos résultats ont montré que les personnes âgées présentent une plus grande amplitude du moment cinétique du corps au cours de la tâche d'exécution du pas, ce qui peut imposer une plus grande difficulté pour le contrôle de l'équilibre durant cette tâche. Ces modifications avec le vieillissement sont liées à des changements au niveau des moments cinétiques des segments corporels, qui semblent être le résultat d'une stratégie adaptive mise en œuvre par les personnes âgées pour compenser la dégradation des capacités musculaires des membres inférieurs avec le vieillissement. A l'heure actuelle, nos recherches ont pour finalité d'améliorer la compréhension des mécanismes d'apparition des chutes chez la personne âgée, mais aussi de développer des solutions pour améliorer le maintien de l'équilibre et la mobilité chez ces individus.