Effets de la stimulation transcrânienne à courant continu
(STCC) combinée à la pratique de l’imagerie motrice (IM)
sur l’apprentissage d’une séquence de mouvements avec
le membre inférieur chez des sujets sains
Mémoire doctoral
Cynthia Berthiaume
Doctorat en psychologie
Docteure en psychologie (D. Psy.)
Québec, Canada
Effets de la stimulation transcrânienne à courant continu
(STCC) combinée à la pratique de l’imagerie motrice (IM)
sur l’apprentissage d’une séquence de mouvements avec
le membre inférieur chez des sujets sains
Mémoire doctoral
Cynthia Berthiaume
Sous la direction de:
Philip Jackson, directeur de recherche
iii
Résumé
Ce mémoire doctoral vise à approfondir les connaissances dans le domaine de la réadaptation, de la neurostimulation et de la pratique mentale basée sur l’imagerie motrice (IM). Très peu d’études ont mesuré les effets de ces deux techniques en combinaison et il existe à notre connaissance seulement une étude ayant mesuré les effets de ces deux techniques au niveau du membre inférieur. Concrètement, l’objectif principal du mémoire doctoral est de mesurer les effets de l’IM combinée à la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) sur les performances motrices d’une séquence complexe de mouvements de la jambe chez des sujets sains. Une étude expérimentale d’une seule séance, avec un protocole en double aveugle, placebo contrôle, a été réalisée auprès de 36 adultes sains. Les sujets ont été divisés aléatoirement en trois groupes égaux, soit un groupe recevant une stimulation anodale active du cortex moteur de la jambe combinée à l’IM, un groupe recevant une stimulation placebo combinée à l’IM et un groupe recevant une stimulation placebo combinée à une tâche de lecture. Les sujets devaient apprendre puis réaliser une séquence complexe de huit mouvements avec la jambe dominante, afin de mesurer la précision et la vitesse des séquences complétées. Les résultats ont démontré un effet d’acquisition de la séquence, soit immédiatement et 30 minutes après l’intervention, de même que des capacités d’IM équivalentes et ce pour tous les groupes. Cependant, contrairement à nos hypothèses, les résultats n’ont démontré aucun effet additionnel de l’IM ou de la combinaison de l’IM et de la neurostimulation sur le nombre de séquences correctement exécutées ou sur le temps d’exécution. Ce mémoire doctoral contribue toutefois à l’avancement des connaissances en démontrant la pertinence de réaliser des études auprès de populations saines afin de valider les paramètres d’intervention avant l’utilisation des interventions auprès de populations cliniques.
iv
Abstract
This doctoral thesis aimed at further developing knowledge on novel techniques to improve rehabilitation notably neurostimulation and mental practice based on motor imagery (MI). Very few studies have combined these two techniques and only one study combined these two techniques to investigate its effects on the lower limb. More precisely, the objective of this doctoral thesis is to study the effects of mental practice based on motor imagery (MI) combined with transcranial direct current stimulation (tDCS) on leg motor performances in healthy subjects, using a complex foot-movements sequence. A single session experimental study was conducted, using a double blind, placebo controlled protocol with 36 healthy adults. Subjects were randomly assigned to one of three equal groups: one receiving active anodal stimulation over the leg region of the motor cortex combined with motor imagery training, one receiving sham stimulation combined with motor imagery training and one receiving sham stimulation combined with a reading task. Subjects had to learn then execute a complex 8-movement sequence with their dominant leg; the goal being to measure accuracy and speed of completed sequences. Results showed new skill acquisition, immediately after and 30 minutes after the intervention in all groups. Results also showed that all three groups had similar MI abilities. However, contrary to our hypothesis, our results showed no additional effect of MI training or of the combination of MI training and stimulation, measured by an increase number of correctly performed sequences or by an decreased in execution time, suggesting that motor performances were similar for all three groups. This doctoral thesis contributes to scientific knowledge by showing the relevance of conducting research with healthy populations in order to validate the interventions before implementing the interventions with a clinical population.
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Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations ... ix
Remerciements ... x
Avant-propos ... xi
Chapitre 1 Introduction ... 1
1.1 Pratique mentale basée sur l’imagerie motrice ... 2
1.1.1 Définition de concepts généraux ... 2
1.1.2 Similarités entre imagerie motrice et exécution de mouvements ... 3
1.1.3 Utilité de l’imagerie motrice pour les populations saines ... 4
1.1.4 Utilité de l’imagerie motrice pour les populations cliniques ... 5
1.2 Techniques de neurostimulation ... 8
1.2.1 Mécanismes d’action de la stimulation transcrânienne à courant continu ... 9
1.2.2 Paramètres de la stimulation transcrânienne à courant continu ... 10
1.2.3 Stimulation transcrânienne à courant continu pour les performances motrices ... 10
1.2.3.1 Population saine ... 10
1.2.3.2 Population neurologique ... 11
1.2.4 Stimulation transcrânienne à courant continue et imagerie motrice ... 12
1.3 Objectifs ... 13 1.4 Hypothèses ... 14 Chapitre 2 Article ... 16 2.1 Résumé ... 16 2.2 Abstract ... 17 2.3 Introduction ... 18
2.4 Materials and methods ... 20
2.4.1 Participants ... 20
2.4.2 Experimental design ... 21
2.4.3 Experimental task ... 22
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2.4.4.1 Screening ... 22
2.4.4.2 Spatial Span and motor imagery ... 23
2.4.4.3 Explicit learning of the complex sequence ... 23
2.4.4.4 Pre-Test ... 23
2.4.4.5 Familiarization with motor imagery ... 24
2.4.4.6 Motor imagery training ... 24
2.4.4.7 Post-Test 1 and Post-Test 2 ... 24
2.4.4.8 Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) ... 25
2.5 Data analysis ... 26
2.5.1 Blinding ... 26
2.5.2 Individual characteristics ... 26
2.5.3 Complex sequence performance ... 27
2.5.4 Early Boost ... 27
2.6 Results ... 28
2.6.1 Blinding ... 28
2.6.2 Individual characteristics ... 28
2.6.3 Complex sequence performance ... 28
2.6.4 Early Boost ... 31
2.7 Discussion ... 31
2.8 References ... 39
Chapitre 3 Conclusion générale ... 42
Bibliographie ... 48
Annexe 1: Montage de la tâche ... 52
Annexe 2: Edinburgh handedness inventory (revised) ... 53
Annexe 3: Indice de dominance pédestre ... 54
Annexe 4: Bloc de Corsi ... 55
Annexe 5: Questionnaire d’imagerie visuelle et kinesthésique (QIVK) ... 56
Annexe 6: Échelle de vivacité ... 61
Annexe 7: Emplacement des électrodes ... 62
Annexe 8: Formulaire d’effets secondaires ... 63
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Liste des tableaux
Chapitre 2
Table 1 Characteristics of the participants in each group……….…….………….21 Table 2 Summary of the protocol and experimental measures………..26 Table 3 Blinding of the subjects………...………...28
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Liste des figures
Chapitre 2
Figure 1 Average Time to complete correct sequences and Early Boost……….29 Figure 2 Total number of correct sequences……….30 Figure 3 Gains in performance……….31
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Liste des abréviations
Abréviation Signification
AVC Accident vasculaire cérébral
IRMf Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle IM/MI Imagerie motrice/ Motor Imagery
TEP Tomographie par émission de positrons
STCC/tDCS Stimulation transcrânienne à courant continu/ Transcranial direct current stimulation SMT/TMS Stimulation magnétique transcrânienne/ Transcranial magnetic stimulation
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Remerciements
J’aimerais principalement remercier mon directeur de recherche, le Dr Philip Jackson, pour son soutien, son encadrement, sa disponibilité et ses précieux commentaires tout au long du processus de rédaction du mémoire doctoral et de l’article scientifique. J’aimerais également le remercier de m’avoir poussé à me dépasser et de m’avoir transmis une soif de connaissances et d’exactitude en recherche, qui se transpose également dans ma clinique. J’aimerais aussi remercier Dre Catherine Mercier, membre de mon comité d’encadrement pour ses précieux commentaires et suggestions pour l’avancement du projet et la rédaction du mémoire doctoral.
J’aimerais remercier la grande famille du laboratoire de Dr Philip Jackson : les professionnels de recherche passionnés et dévoués, les étudiants et tous les membres du laboratoire pour leurs précieux conseils tout au long de mon parcours.
Je tiens à remercier mes plus proches amies : Amélie, Annie, Elsa, Maude, Anne-Josée, Elena et Marie-Pier. Merci à mes amies pour leur patience, leur écoute et leur compréhension pendant ces trois années. Merci de votre amitié, mais surtout merci d’avoir été là dans les bons comme dans les moins bons moments. Je vous suis éternellement reconnaissante.
J’aimerais finalement remercier mes parents et ma sœur pour leur soutien et leur amour inconditionnel tout au long de mon doctorat. Je remercie ma mère pour son écoute, ses encouragements et son soutien émotionnel. Je remercie mon père pour son écoute et son soutien financier, sans qui ce doctorat n’aurait pas été possible. Un merci du fond de mon coeur à ma famille de croire en moi.
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Avant-propos
Ce mémoire doctoral a été réalisé en réponse aux exigences du programme de doctorat en psychologie (D. Psy) de l’École de psychologie de l’Université Laval. Monsieur Philip Jackson (Ph. D.), professeur titulaire à l’Université Laval, a agi en tant que directeur du mémoire doctoral.
Ce mémoire doctoral est organisé en trois chapitres. Le premier et le dernier représentent respectivement l’introduction et la conclusion générale du mémoire, tandis que le deuxième chapitre est présenté sous forme d’article scientifique, rédigé en anglais. Je tiens à remercier particulièrement Dr Arnaud Saimpont, qui m’a supervisée et qui a collaboré à l’élaboration de la tâche et du protocole de l’étude. En tant qu’auteure principale de l’article, j’ai réalisé la collecte et la saisie de données, effectué les analyses statistiques et rédigé l’ensemble de l’article. Dr Philip Jackson m’a supervisée dans l’ensemble des étapes de la réalisation de ce mémoire doctoral et lors de la rédaction de l’article. Les analyses statistiques ont été réalisées avec l’aide du statisticien, Dr Jean Leblond. Quant aux coauteurs, ils ont fourni une contribution intellectuelle dont l’ampleur justifie l’ordre octroyé à chacun.
L’article n’a pas encore fait l’objet d’une publication, mais pourrait être soumis à une revue scientifique avec les coauteurs suivants :
Saimpont, A., Deschênes, S-M., & Jackson, P. L.
Je tiens à remercier les organismes subventionnaires suivants qui ont contribué financièrement à la réalisation de ce mémoire doctoral: Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC) et Fonds de recherche du Québec – Santé (FRQ-S). Cette étude s’inscrit également dans un projet de recherche plus large, financée par le Ministère du développement économique, innovation et exportation (MDEIE).
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Chapitre 1 Introduction
Les habiletés motrices sont nécessaires au quotidien. Prenons, par exemple, la marche : habileté motrice en apparence bien simple, que nous exécutons chaque jour, de façon automatique. Pourtant, la marche est une habileté motrice complexe qui peut s’avérer difficiles pour certaines populations. Pour les individus en réadaptation, les habiletés motrices peuvent être diminuées ou perdues suite à une condition physique ou neurologique telle que le port d’un plâtre, à un accident vasculaire cérébral (AVC), une lésion cérébrale ou l’amputation d’un membre. Ces individus doivent alors réapprendre certaines habiletés motrices, au moyen de programmes de réadaptation physique intensive. Pour ces populations, la pratique physique lors de la réadaptation peut s’avérer difficile, voire douloureuse. À cet effet, des techniques peuvent être utilisées dans le but d’optimiser la réadaptation physique en améliorant les performances motrices et en diminuant les efforts physiques nécessaires. La pratique mentale basée sur l’imagerie motrice (IM) et la neurostimulation sont des techniques potentielles pour améliorer les performances motrices. Ces techniques qui activent les régions motrices sont susceptibles d’optimiser la pratique physique lors de la réadaptation.
C’est dans ce contexte que s’inscrit ce mémoire doctoral. Il vise à étudier l’effet combiné de ces deux techniques, soit la pratique mentale basée sur l’IM et la neurostimulation en combinaison sur les performances motrices. Il s’agit de la première étude qui vient combiner ces deux techniques pour mesurer les effets au niveau d’une tâche motrice du membre inférieur. Tout d’abord, les notions d’acquisition, de performance, de consolidation, d’apprentissage, de pratique mentale, d’imagerie motrice et de « early boost » seront définies. Ensuite, une recension des écrits traitera des connaissances actuelles ainsi que les écrits empiriques relatifs à la pratique mentale basée sur l’IM et sur la neurostimulation auprès de populations saines et de populations neurologiques sera présentée au chapitre 1. Le chapitre 2 comprend l’article incluant une brève revue de la littérature, la méthode, les résultats, ainsi que la discussion qui aborde les résultats de façon détaillée et qui propose des pistes pour des recherches futures. Finalement, une conclusion générale est présentée au chapitre 3.
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1.1 Pratique mentale basée sur l’imagerie motrice
1.1.1 Définition de concepts généraux
Tout d’abord, il est important de faire une distinction entre certains concepts centraux, soit l’acquisition motrice, la performance motrice, la consolidation et l’apprentissage moteur. On parle d’acquisition motrice lorsqu’il y a une réduction du temps d’exécution et une diminution du nombre d’erreurs lors de l’exécution d’un mouvement (Doyon, 1997). De plus, dans la littérature, on distingue des phases différentes qui entrainent l’apprentissage moteur : une première phase, soit l’acquisition motrice, rapide et brève où il est possible d’observer une amélioration significative de la performance motrice, mesurée après une seule séance d’entrainement. On définit la performance motrice comme la capacité motrice observée pendant une séance de pratique. La deuxième phase, nommée consolidation, où l’on observe des gains de performance survient suivant une période de plus de six heures après la première séance d’entrainement sans pratique additionnelle de la tâche. On parle ensuite d’apprentissage lorsqu’il y a gains additionnels suivant plusieurs séances et plusieurs semaines de pratique. Une fois apprise, une séquence de mouvements peut être récupérée en mémoire, malgré une longue période sans pratique (Doyon & Ungerleider, 2002). Le « early boost » se définit par l’amélioration des performances motrices mesurée entre 5-30 minutes après l’intervention. (Debarnot, Clerget, & Olivier, 2011). Le « early boost » consiste en un processus supporté par un réseau cérébral qui s’active suite à la pratique physique et qui s’active également au repos afin de modifier et de solidifier les connections synaptiques nécessaires aux performances motrices. Il s’agit d’une phase rapide et transitoire de consolidation qui augmente les performances motrices (Debarnot et al., 2011). Dans ce mémoire, il sera question principalement de la performance motrice immédiatement après la tâche et 30 minutes après la tâche, afin de mesurer l’effet du « early boost ».
La pratique mentale basée sur l’IM est une technique qui permet l’apprentissage et le maintien des performances motrices (Malouin, Richards, Doyon, Desrosiers, & Belleville, 2004). Il est donc important de faire la distinction entre deux concepts centraux, soit l’IM et la pratique mentale. D’une part, l’IM se définit par l’imagination d’actions, sans toutefois exécuter physiquement ces actions. D’autre part, la pratique mentale consiste à répéter ou reproduire mentalement une action dans le but d’en améliorer son exécution (Jackson, Lafleur, Malouin, Richards, & Doyon, 2001). Dans ce
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mémoire, il sera question de pratique mentale basée sur l’IM. À des fins de simplification, lorsque le terme IM est utilisé, le terme réfère à la pratique mentale basée sur l’IM.
1.1.2 Similarités entre imagerie motrice et exécution de mouvements
Lorsqu’on pratique un mouvement physiquement, on améliore généralement son exécution. Comme l’imagerie motrice et l’exécution de mouvements ont plusieurs mécanismes en commun (Malouin & Richards, 2010), l’IM pourrait potentiellement améliorer l’exécution de mouvements. Premièrement, l’amplitude de changement en lien avec l’activation du système nerveux autonome est semblable dans les deux cas. Par exemple, l’activité cardiaque et l’activité du système respiratoire augmentent en fonction de la vitesse lors de mouvements exécutés et lors de mouvements imaginés (Decety, Jeannerod, Germain, & Pastene, 1991; Fusi, Cutuli, Valente, Bergonzi, Porro, & Di Prampero, 2005). Ainsi, la respiration et le rythme cardiaque augmentent lorsque les gens marchent sur un tapis roulant, mais augmentent également de 40 % et 10 % respectivement lorsque les gens s’imaginent marcher sur un tapis roulant (Decety et al., 1991; Fusi et al., 2005).
Deuxièmement, il a été démontré qu’il y avait une modulation similaire des temps d’exécution de mouvements physiques et de mouvements imaginés. En effet, lorsqu’une personne marche vers des cibles à différentes distances et imagine la même action, dans les deux cas les temps d’exécution augmentent lorsque la distance de la cible augmente (Bakker, Verstappen, Bloem, & Toni, 2007). Les participants devaient compléter des trajectoires de différentes distances et imaginer la même action en indiquant le début et la fin de la trajectoire en appuyant sur un bouton. Les résultats ont démontré des temps similaires pour l’exécution et l’imagination de la marche (Bakker et al., 2007).
Troisièmement, des études en imagerie ont également montré un parallèle cérébral entre les mouvements exécutés et les mouvements imaginés. Ainsi, une étude a démontré que l’IM et l’exécution physique de mouvements partageaient les mêmes corrélats neuronaux (Decety, 1996). Les résultats de l’étude ont établi une activation similaire de certaines régions du cerveau, au moment de l’imagination d’une série de mouvements (par exemple, s’imaginer écrire les chiffres 1, 2, 3), mais également lors de l’exécution de ces mêmes mouvements (par exemple, écrire les chiffres 1, 2, 3), c’est-à-dire une activation bilatérale du cortex préfrontal, de l’aire motrice associative et du cervelet (Decety, 1996). Des études en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et
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tomographie par émission de positrons (TEP) ont démontré une activation corticale similaire entre la marche et l’imagination de la marche. Les mêmes régions corticales étaient activées, soit le cortex sensorimoteur primaire et l’aire motrice associative (Malouin & Richards, 2010). De plus, le cortex moteur primaire serait activé dans les deux cas, soit lors de l’exécution et l’imagination de mouvements (Pelgrims, Michaux, Olivier, & Andres, 2011).
En plus des mécanismes communs, l’exécution de mouvements et l’IM engendrent une plasticité cérébrale similaire. La plasticité cérébrale est la capacité du cerveau à acquérir et apprendre de nouvelles informations grâce à des changements fonctionnels et morphologiques et grâce à des modifications synaptiques et structurelles de réseaux cérébraux activés lors de l’apprentissage (Bruel-Jungerman, Davis & Laroche, 2007). Une étude de tomographie par émission de positrons a montré que les mêmes régions cérébrales étaient activées lors de la l’IM et lors de l’exécution d’une séquence de mouvements de pieds (Lafleur, Jackson, Malouin, Richards, Evans, & Doyon, 2002). Par exemple, au moment de l’apprentissage physique de la séquence, les mêmes régions cérébrales étaient activées, que ce soit pour l’exécution ou pour l’imagination de mouvements : de façon bilatérale pour le cervelet et le cortex prémoteur dorsal ainsi que pour le lobe pariétal inférieur gauche. Une heure après la pratique de la tâche, différentes régions cérébrales étaient activées telles que le striatum et le cortex orbitofrontal médian, et ce bilatéralement, ainsi que le cortex antérieur cingulaire gauche. Ces régions étaient activées au moment de l’IM et aussi au moment de la pratique physique des mouvements de pieds (Lafleur et al., 2002). Cette étude démontre que, lors de l’apprentissage de même qu’après la pratique de la tâche, les mêmes régions cérébrales s’activent. Par contre, ce ne sont pas les mêmes régions qui s’activent au moment de l’apprentissage et une heure après la tâche. Cela démontre un effet de plasticité similaire entre l’exécution et l’imagination de mouvements. La plasticité cérébrale explique en partie les résultats positifs obtenus suite à l’IM sur les performances motrices (Jeannerod, 2001).
En somme, l’état actuel des connaissances démontre que l’IM partage plusieurs mécanismes avec la pratique physique. Il est donc possible d’utiliser la pratique mentale basée sur l’IM pour améliorer les performances motrices.
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Des effets bénéfiques de l’IM ont été démontrés auprès de populations saines entre autres auprès de populations expertes dans leur domaine et de populations de volontaires. En ce qui a trait aux populations expertes, une méta-analyse a prouvé son efficacité auprès de divers sportifs en ce qui a trait aux apprentissages moteurs et à la performance motrice (Feltz & Landers, 1983; Rogers, 2006). Une étude réalisée auprès d’athlètes de saut en hauteur a démontré une amélioration de la technique des sauts, de même qu’une augmentation du nombre de sauts réussis, ainsi qu’une amélioration de la qualité des représentations mentales des sauts (Guillot, Moschberger, & Collet, 2013). Une étude auprès de pianistes a aussi démontré que l’IM pouvait améliorer plusieurs aspects de la musique, mais en particulier l’apprentissage de séquences motrices complexes (Bernardi, De Buglio, Trimarchi, Chielli, & Bricolo, 2013). De plus, une étude réalisée auprès de chirurgiens novices a attesté que la qualité de la chirurgie nommée cholécystectomie laparoscopique, soit l’ablation de la vésicule biliaire, de même que la qualité des performances motrices était supérieure chez les chirurgiens ayant utilisé l’IM (Arora et al., 2011).
En plus de l’efficacité de l’IM démontrée auprès de ces experts, cette technique a aussi démontré des résultats positifs auprès de sujets volontaires. Par exemple, une étude a montré que l’IM améliorait la préparation et l’anticipation d’une séquence de mouvements du pied (Jackson, Lafleur, Malouin, Richards, & Doyon, 2003). Après seulement cinq courtes séances d’IM, les temps de réponse d’une séquence de mouvements de pieds sont significativement diminués, comparativement au temps initial (Jackson et al., 2003). De plus, une récente revue de la littérature a démontré que l’IM était efficace pour les apprentissages moteurs auprès de populations saines (Malouin, Jackson & Richards, 2013).
En somme, il est donc possible d’utiliser la pratique mentale basée sur l’IM avec l’intention d’améliorer les fonctions motrices auprès de populations saines. La section suivante abordera l’utilité de l’IM auprès de populations cliniques.
1.1.4 Utilité de l’imagerie motrice pour les populations cliniques
Puisque l’habileté à l’IM est nécessaire à la pratique mentale, il est intéressant de constater que les habiletés à l’IM soient préservées même auprès de diverses populations cliniques : 1) blessure de la moelle épinière, 2) amputation et, 3) AVC (Malouin & Richards, 2010).
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Par exemple, pour les patients ayant subi une blessure de la moelle épinière, les représentations de mouvements de pieds seraient intactes chez cette population après leur accident (Hotz-Boendermaker et al., 2008). De plus, les scores de vivacité corrèleraient avec l’activation cérébrale lors de l’imagination des mouvements de pieds et seraient comparables à ceux d’un groupe contrôle (Hotz-Boendermaker et al., 2008). La préservation des représentations de mouvements imaginés chez cette population confirme que l’IM est accessible même lorsque l’exécution physique de mouvements n’est plus possible (Malouin & Richards, 2010).
Chez les amputés des membres supérieurs ou inférieurs, il a été démontré que l’imagination de mouvements était plus difficile suite à l’amputation, mais pas impossible. Par exemple, après une amputation du membre supérieur, même si les représentations d’une tâche (jugement gauche-droit) sont moins précises; ces représentations sont du moins intactes (Nico, Daprati, Rigal, Parsons, & Sirigu, 2003). Après une amputation du membre inférieur, la vivacité des représentations de mouvements de pieds diminue également, mais ces représentations demeurent préservées (Malouin et al., 2009). Les amputés peuvent donc, avec plus de difficulté, imaginer des mouvements (Malouin & Richards, 2010). Cependant, selon une étude récente, les mouvements imaginés surviendraient plus rapidement que les mouvements volontaires auprès de patients amputés (Anderson & Lenz, 2011).
En ce qui a trait aux patients ayant subi un AVC retiennent la capacité à imaginer des mouvements même après leur accident et leur performance en imagerie est comparable à celle d’un groupe contrôle (Malouin, Richards, Durand, & Doyon, 2008). Les scores d’imagerie visuelle sont davantage élevés lors de l’imagination de mouvements du côté non-atteint par l’AVC comparativement au côté atteint. Pour ce qui est du membre inférieur, les scores d’imagerie kinesthésique sont davantage élevés lors de l’imagination de mouvements du côté non- atteint comparativement au côté atteint (Malouin et al., 2008). Également, l’IM a montré des résultats positifs au niveau de l’entraînement à la marche chez une population ayant subi un AVC (Dunsky, Dickstein, Marcovitz, Levy, & Deutsch, 2008). Les patients ont complété six semaines d’entraînement, soit 15-20 minutes d’IM trois fois par semaine sans aucune pratique physique. Après l’entraînement, les patients marchaient plus rapidement, faisaient de plus grands pas et avaient une meilleure stabilité (Dunsky et al., 2008). De plus, une étude a démontré que l’IM pouvait réduire les symptômes de bradykinésie, c’est-à-dire une
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lenteur dans les mouvements volontaires chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson. Après 12 semaines d’entraînement combinant l’IM et pratique physique, les patients performaient mieux au test « Timed Up and Go » en comparaison au groupe avec entrainement physique seulement (Tamir, Dickstein, & Huberman, 2007). Le « Timed Up and Go » est un test qui consiste à évaluer la mobilité où la personne doit se lever d’une chaise, marcher trois mètres avant de retourner sur la chaise. Cependant, selon une revue systématique de Carrasco et Cantalapiedra, 2016, ce ne sont pas toutes les études qui démontrent des résultats positifs. Une étude a démontré que l’IM n’améliorait pas les performances motrices du membre supérieur chez des personnes ayant subi AVC. La mesure utilisée était le « Action research arm test », un test qui consiste à mesurer les fonctions motrices du membre supérieur à l’aide de tâches de préhension, de pincement et de mouvements simples. Les patients ont complété quatre semaines d’IM, trois fois par semaine pour une durée de 45 minutes chaque séance. La performance motrice était similaire pour les trois groupes, soit le groupe ayant reçu le traitement usuel, le groupe ayant complété une pratique mentale non-motrice et le groupe ayant réalisé l’IM (Letswaart, Johnston, Dijkerman, Joice, Scott, & MacWalter, 2011).
L’efficacité de la pratique physique seule reste toutefois supérieure aux effets de la l’IM seule (Feltz & Landers, 1983). Les meilleurs effets sont observés lorsque l’IM est combinée à la pratique physique, même si la portion physique ajoutée n’est que minime (Hall, Buckolz, & Fishburne, 1992; Janssen & Sheikh, 1994). Malheureusement, dans certains cas, il n’est pas possible de pratiquer des mouvements physiques. Ainsi, pour des populations en réadaptation, avec atteintes neurologiques ou problèmes physiques, cela peut s’avérer plus difficile, voire impossible. Par exemple, une personne ayant eu un bras ou une jambe dans le plâtre pour plusieurs mois devra compléter plusieurs heures de réadaptation physique afin de retrouver le même niveau d’habiletés motrices du bras ou de la jambe. L’IM peut alors améliorer les habiletés motrices suite à une immobilisation (Meugnot, Agbangla, Almecija, & Toussaint, 2015). Il en est de même pour les individus qui ont subi un AVC, ayant perdu momentanément l’usage d’un membre (Malouin, Jackson, & Richards, 2013), ou d’une personne amputée qui a perdu l’usage d’un membre et qui doit apprendre à utiliser une prothèse. Pour ces populations en particulier, il est important de trouver des stratégies ou des interventions afin d’améliorer les apprentissages moteurs avec le minimum d’efforts physiques possibles. L’IM est donc une bonne alternative pour aider ces populations. De plus, cette technique
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est peu dispendieuse, accessible immédiatement et très sécuritaire. Un autre avantage considérable est que l’IM permet l’apprentissage de mouvements dans un environnement qui est fait selon le rythme imposé par le patient (Malouin & Richard, 2010).
Cependant, comme la combinaison de la pratique physique et de l’IM est davantage efficace que l’IM seule et que la pratique physique est limitée avec ces populations, il devient donc primordial de trouver des moyens de bonifier les effets de l’IM. De ce fait, l’ajout d’une technique de neurostimulation telle que la STCC semble être une avenue intéressant à explorer dans un premier temps auprès d’une population saine pour éventuellement appliquer ces techniques auprès de populations cliniques comme les amputées.
1.2 Techniques de neurostimulation
L’IM active un réseau important de régions cérébrales, incluant le cortex moteur (Jeannerod, 2006; Malouin & Richards, 2010). Ainsi, l’ajout d’une technique de neurostimulation qui vient également augmenter l’excitabilité des régions motrices comme le cortex moteur pourrait s’avérer efficace pour les performances motrices. Deux techniques fréquemment utilisées en recherche sont la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) (Bolognini, Pascual-Leone, & Fregni, 2009). La STCC délivre un courant électrique de faible intensité via deux électrodes en caoutchouc positionnées sur le cuir chevelu (Bolognini et al., 2009). Bien que la TMS ait une meilleure résolution temporelle et spatiale, la STCC est plus facile à utiliser avec les protocoles en double aveugle et les protocoles placebo contrôles (Gandiga, Hummel, & Cohen, 2006), car avec la STCC lors d’une stimulation active comme lors d’une stimulation placebo, un courant électrique est délivré. Le courant est de brève durée pour la stimulation placebo, mais permet au sujet de croire qu’il a reçu une stimulation active. De plus, la STCC est plus facile à utiliser avec l’administration simultanée de tâches comportementales, comparativement à la TMS (Wagner, Valero-Cabre, & Pascual-Leone, 2007). Comparativement à la bobine de TMS que l’expérimentateur doit tenir en place sur le cuir chevelu, les électrodes de la STCC sont généralement fixées sur le cuir chevelu à l’aide de bandelettes en caoutchouc. Donc, pour ce qui est de la STCC, les deux électrodes sont positionnées de différentes façons selon la région visée par la stimulation. Dans la plupart des études visant à augmenter l’excitabilité du cortex moteur primaire, une électrode (anode) est positionnée sur la
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région d’intérêt et une électrode (cathode) est positionnée sur la région supraorbitale contralatérale à l’électrode anode (Bolognini et al., 2009).
1.2.1 Mécanismes d’action de la stimulation transcrânienne à courant continu
La STCC est une technique de neurostimulation non invasive, non douloureuse et facile à mettre en œuvre. Le courant vient augmenter ou diminuer l’excitabilité corticale de façon prolongée et réversible (Nitsche & Paulus, 2000). Le courant induit un changement au niveau du potentiel membranaire cellulaire du cortex sous-jacent à la stimulation, sans toutefois induire un potentiel d’action, contrairement à la TMS. Avec la STCC, une stimulation anodale vient généralement augmenter l’excitabilité corticale (augmenter le seuil de dépolarisation) et une stimulation cathodale vient ainsi diminuer l’excitabilité corticale (Nitsche et al., 2007). Parmi les mécanismes d’action et d’efficacité de la neurostimulation sur les performances motrices et les apprentissages moteurs, on retrouve entre autres l’activité des neurotransmetteurs de même que la solidification des connexions synaptiques (Reis & Fritsch, 2011). Plus particulièrement, après une stimulation anodale, on retrouve une diminution de l’activité du système inhibiteur, mesurée par une diminution de l’activité du système GABAergique, contrairement aux neurotransmetteurs excitateurs comme le glutamate, le glutamine et le N-acetylaspartate qui, eux, demeurent inchangés (Stagg, Bachtiar & Johansen-Berg, 2011). Ainsi, la stimulation vient modifier l’activité des neurotransmetteurs de façon similaire à la pratique physique, ce qui explique en partie l’efficacité de la stimulation sur les performances motrices (Reis & Fritsch, 2011). Au niveau cellulaire, la stimulation seule n’entraine pas de changement synaptique, mesuré par des potentiels post-synaptique. Cependant, combiné à une activation synaptique telle que l’entrainement moteur, la stimulation engendre des changements de longue durée sur l’efficacité synaptique (potentialisation à long terme). La potentialisation à long-terme dépend de l’activation du récepteur N-methyl-D-aspartate et de la secretion du “brain derived neurotrophic factor” (BDNF), important pour les apprentissages moteurs (Reis & Fritsch, 2011). Ainsi, afin d’induire des changements durables en lien avec la plasticité cérébrale, il a été démontré auprès de patients ayant subi un AVC qu’il était davantage efficace d’utiliser la neurostimulation en combinaison avec une activité qui active les régions cérébrales motrices comme la pratique physique, qui vient alors solidifier les connexions synaptiques et promouvoir les changements à long terme associés aux apprentissages moteurs (Reis & Fritsch, 2011).
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1.2.2 Paramètres de la stimulation transcrânienne à courant continu
Les paramètres de neurostimulation varient grandement selon les études. Parmi ces paramètres, on retrouve entre autre l’intensité du courant électrique reliée à l’ampérage, l’emplacement des électrodes, la grosseur des électrodes, la durée et le nombre de séances de neurostimulation. Malgré ces variations, des études ont démontré que certains paramètres étaient plus sécuritaires et davantage utilisés dans la littérature. Généralement, l’intensité du courant utilisé est de 1mA ou 2mA (Bolognini et al., 2009), pour les études comportementales, cognitives et les études cliniques (Nitsche & Paulus, 2011; Batsikadze, Moliadze, Paulus, Kuo & Nitsche, 2013). La grosseur et l’emplacement des électrodes varient selon le protocole et le but de l’étude, mais habituellement on utilise des électrodes de 25 ou 35 cm2 (Brunoni et al., 2012). Pour ce qui est d’une neurostimulation au niveau de l’aire motrice, l’anode est généralement placée sur le cortex moteur alors que la cathode est généralement placée sur la région supraorbitale contralatérale au cortex moteur stimulé (Paulus, 2003). Pour ce qui est de la durée de neurostimulation, après seulement 13 minutes de stimulation, l’effet sur l’excitabilité corticale dure plus de 90 minutes après la période de neurostimulation (Nitsche et Paulus, 2001). Dans la littérature, on retrouve le plus souvent des neurostimulations d’une durée d’entre 10 et 20 minutes allant jusqu’à de 20 à 40 minutes (Brunoni et al., 2012). De même, la STCC peut être utilisée avec les protocoles en double aveugle et les protocoles placebo contrôles (Gandiga, Hummel, & Cohen, 2006), car avec la STCC lors d’une stimulation active comme lors d’une stimulation placebo, un courant électrique est délivré. Le courant est de courte durée pour la stimulation placebo, mais permet au sujet de croire qu’il a reçu une stimulation active. De plus, la STCC est facile à utiliser avec l’administration simultanée de tâches comportementales (Wagner, Valero-Cabre, & Pascual-Leone, 2007) puisque les électrodes de la STCC sont fixées sur le cuir chevelu à l’aide de bandelettes en caoutchouc.
1.2.3 Stimulation transcrânienne à courant continu pour les performances motrices 1.2.3.1 Population saine
Une STCC anodale appliquée au niveau du cortex moteur a démontré des effets positifs sur le plan des performances motrices auprès de populations saines (Reis & Fritsch, 2011). Une étude a démontré qu’une STCC délivrée pour une durée de 20 minutes à 1mA vis-à-vis le cortex moteur de
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la main améliorait significativement les performances motrices de la main non dominante chez des sujets sains, comparativement à une stimulation placebo (Boggio et al., 2006). La mesure était le Jebsen-Taylor Hand Function, un test fréquemment utilisé par les physiothérapeutes et les ergothérapeutes pour vérifier les fonctions motrices de la main comme la motricité fine et la préhension. Les tâches utilisées reflètent des activités de la vie quotidienne (par exemple, retourner des cartes, prendre des petits objets, prendre des objets avec une cuillère, bouger des objets lourds ou légers). Les résultats ont été observés au niveau de la vitesse d’exécution de la réalisation du test (Boggio et al., 2006). Une autre étude a également démontré qu’une STCC anodale de 2mA pour une durée de 10 minutes appliquée au niveau du cortex moteur de la jambe pouvait améliorer la force de pince de la jambe auprès d’une population saine, comparativement à une stimulation cathodale ou à une stimulation placebo (Tanaka, Hanakawa, Honda, & Watanabe, 2009). Un appareil mesurait la force de pince appliquée par le premier et le deuxième orteil. L’effet a été observé immédiatement après la neurostimulation et jusqu’à 30 minutes après la neurostimulation (Tanaka et al., 2009). Cette étude a aussi démontré que la neurostimulation n’avait aucun impact sur la force de pince des mains appliquée entre le pouce et l’index, ce qui signifie que la STCC est spécifique à la région stimulée (Tanaka et al., 2009). De même, l’étude de Devanathan and Madhavan (2016) a démontré qu’une stimulation anodale de 15 minutes à 1mA vis-à-vis la représentation motrice de la jambe améliorait significativement les temps de réaction d’une tâche de flexion de la cheville, où les participants sains devaient répondre au signal par une flexion dorsale ou une flexion plantaire, comparativement à la mesure de base (Devanathan & Madhavan, 2016).
1.2.3.2 Population neurologique
Pour ce qui est des patients avec atteintes neurologiques, une STCC appliquée au niveau du cortex moteur peut transitoirement améliorer les performances motrices des membres supérieurs et inférieurs chez des patients en phase chronique avec lésion cérébrale par exemple chez les patients ayant subi un AVC ou un traumatisme cranio-cérébral (Reis & Fritsch, 2011). Chez des patients ayant des accidents vasculaires cérébraux chroniques, une STCC de 20 minutes à 1mA appliquée au niveau du cortex moteur lésé de la main a montré une amélioration fonctionnelle des mouvements de la main, comparativement à une stimulation placebo (Hummel et al., 2005). Les résultats ont démontré une réduction dans le temps d’exécution du Jebsen–Taylor Hand Function, décrit plus haut (Hummel et al., 2005). De plus, une étude a démontré qu’une STCC de 15 minutes à 0.5 mA avec
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des électrodes de 8cm2 au niveau du cortex moteur lésé de la jambe pouvait améliorer le contrôle de la cheville chez des patients ayant subi un AVC, comparativement à une stimulation placebo (Madhavan, Weber, & Stinear, 2011). Les patients devaient suivre une cible le plus justement possible à l’aide de flexions dorsales et de flexions plantaires et la stimulation a significativement amélioré l’exactitude de la tâche (Madhavan et al., 2011). Toutefois, malgré l’abondance d’études avec des résultats significatifs positifs, certaines études n’arrivent pas au même consensus. Selon une méta-analyse, la STCC n’aurait pas d’effets positifs sur les performances motrices de patients ayant subi un AVC, et ce indépendamment du montage des électrodes, mesuré par des tâches de temps de réaction et des tâches telles que le Jebsen–Taylor Hand Function, Motor Assessment Scale, Fugl–Meyer Assessment et le Wolf Motor Function Test, qui visent à évaluer les habiletés motrices utilisées au quotidien. Cependant, il y aurait des différences en fonction du type d’accident vasculaire, soit une amélioration des performances motrices pour les patients avec accident vasculaire chronique et pour les patients avec limitations motrices légères à modérées (Marquez et al., 2015).
En somme, la STCC peut potentiellement améliorer les performances motrices, principalement auprès de populations saines et auprès de certaines populations cliniques, dépendamment du type de lésion cérébrale. Ainsi, dans plusieurs cas, que ce soit pour des populations neurologiques telles que les AVC, les traumatismes cranio-cérébraux, les amputés ou les populations saines avec blessures physiques au bras ou à la jambe, la pratique physique est difficile, voire impossible. Il devient alors intéressant de combiner la neurostimulation avec l’IM qui partage plusieurs mécanismes cérébraux avec la pratique physique.
1.2.4 Stimulation transcrânienne à courant continue et imagerie motrice
Quelques études ont été réalisées en combinant l’entraînement à l’IM et la STCC afin de mesurer les effets de ces deux techniques sur les apprentissages moteurs (Foerster et al., 2013). Les participants sains devaient s’imaginer en train d’écrire un ensemble de six mots à l’aide de leur main non dominante, tout en recevant soit une stimulation active, soit une stimulation placebo de 2mA pour une durée de 13 minutes. Les résultats ont démontré qu’une stimulation anodale au niveau du cortex moteur de l’hémisphère droit de la main, comparativement à une stimulation au niveau de l’aire prémotrice droite, de l’aire motrice supplémentaire droite, de l’hémisphère cérébelleux droit ou du
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cortex préfrontal dorsolatéral gauche, entrainait une amélioration des performances motrices au niveau des membres supérieurs chez des sujets sains. L’amélioration s’est traduite par une réduction du temps d’écriture avec la main non dominante et les résultats ont été observés chez les participants ayant reçu une combinaison des deux techniques, comparativement à l’IM seule ou à la stimulation placebo (Foerster et al., 2013).
Une étude a également été réalisée par les membres de notre équipe auprès d’une population saine, combinant la STCC et l’IM. Les sujets devaient apprendre une séquence complexe de huit mouvements des doigts, puis pratiquer mentalement la séquence tout en recevant soit une stimulation active, soit une stimulation placebo au niveau du cortex moteur de la main. La stimulation était de 2mA pour une durée de 14 minutes (Saimpont et al., 2016). Tout comme pour l’étude de Foerster et al. (2013), les résultats ont démontré une meilleure performance des mouvements des doigts suite à l’IM en combinaison avec la stimulation active, comparée à l’IM seule ou à la stimulation seule (Saimpont et al., 2016). Il semble donc que les meilleures performances motrices soient observées en combinant ces deux techniques. En effet, les résultats de ces études sont très prometteurs, mais très peu d’études sur la combinaison de ces deux techniques ont été réalisées jusqu’à ce jour et les études semblent porter davantage sur les apprentissages moteurs des membres supérieurs.
Ainsi, à notre connaissance, une seule étude a été réalisée en combinant ces deux techniques pour valider leur efficacité pour les membres inférieurs. Cette étude récente a démontré qu’une stimulation cathodale de 2mA pour une durée de 20 minutes augmentait l’amplitude du signal d’électroencéphalographie (évènements Beta synchronisés) du cortex moteur du pied suite à l’IM de flexions dorsales bilatérales du pied chez des patients amputés du membre inférieur (Takeuchi, Mori, Nishijima, Kondo, & Izumi, 2015). Cependant cette étude ne visait pas à mesurer les performances motrices. La présente étude est ainsi une première étape vers l’utilisation de ces deux techniques combinées pour l’amélioration des performances motrices des membres inférieurs.
1.3 Objectifs
La pratique mentale basée sur l’IM a démontré qu’elle pouvait améliorer les performances motrices et il en est de même pour la STCC. De plus, ces deux techniques combinées peuvent
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également améliorer les performances motrices au niveau des membres supérieurs. Ainsi, l’objectif général du projet est d’étudier l’effet de l’IM combinée à la neurostimulation sur les performances motrices du membre inférieur. Plus précisément, l’objectif spécifique de l’étude est de déterminer l’efficacité de la STCC combinée à l’IM sur la performance d’une séquence motrice complexe de la jambe auprès de jeunes adultes sains sur les variables suivantes : le nombre de séquences correctement réalisées ainsi que la vitesse d’exécution.
Il s’agit de la première étude qui vient combiner ces deux techniques pour mesurer les effets au niveau d’une tâche motrice du membre inférieur. Afin de réaliser cet objectif, l’efficacité de ces techniques sera comparée à une stimulation placebo ou à une tâche contrôle. Ainsi, un groupe recevra une STCC combinée à l’IM, un groupe recevra une STCC placebo combinée à l’IM et finalement, un groupe recevra une stimulation placebo combinée à une tâche contrôle de lecture.
Cette étude est également importante puisqu’elle vise à valider une tâche et un protocole auprès de sujets sains pour éventuellement étudier les effets de la neurostimulation en combinaison avec l’IM auprès de populations amputées. Les retombées de l’étude seront particulièrement intéressantes au plan clinique puisqu’un des buts futurs de l’étude est d’appliquer ces techniques auprès de populations amputées afin d’espérer améliorer le temps et la qualité de la réadaptation auprès de cette population.
1.4 Hypothèses
Des effets favorables sont attendus sur le plan de l’acquisition et des performances motrices. Il est attendu que la STCC combinée à l’IM produise de plus importantes améliorations des performances motrices que l’IM seule et d’autant plus importante que l’absence d’intervention. L’amélioration sera mesurée immédiatement après la tâche, mais également 30 minutes après l’intervention, suite à ce que l’on appelle l’effet « Early boost » (Debarnot, Clerget, & Olivier, 2011), qui consiste en un processus impliquant un réseau cérébral qui s’active suite à la pratique physique et qui s’active également au repos afin de solidifier les connections synaptiques nécessaires aux performances motrices. Ainsi, plus précisément, l’acquisition de même que l’amélioration subséquente des performances motrices se traduiront par une augmentation de la
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vitesse d’exécution de même que par l’augmentation et la précision du nombre de séquences correctement exécutées.
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Chapitre 2 Article
The effects of motor imagery training combined with transcranial direct current stimulation (tDCS) on lower limb motor performance using a complex novel leg-movements sequence
Berthiaume, C., Saimpont, A., Deschênes, S-M., & Jackson, P. L.
2.1 Résumé
Objectif : L’objectif de cette étude était de mesurer les effets de la pratique mentale basée sur
l’imagerie motrice (IM) combinée à la stimulation transcrânienne à courant continu (STCC) sur les performances motrices d’une séquence complexe de mouvements de la jambe auprès de sujets sains. Méthode : Une étude expérimentale d’une seule séance, avec un protocole en double aveugle, placebo contrôle, a été réalisée auprès de 36 adultes sains, âgés de 20 à 29 ans. Les sujets ont été divisés aléatoirement en trois groupes égaux, soit 1) un groupe recevant une stimulation anodale à 2mA de 14 minutes combinée à 14 minutes de pratique mentale basée sur l’IM, 2) groupe recevant une stimulation placebo combinée à l’IM et 3 ) un groupe recevant une stimulation placebo combinée à une tâche de lecture. Résultats : Les trois groupes étaient équivalents au Pré-test au niveau des caractéristiques individuelles telles que le genre, l’âge, l’éducation, la mémoire de travail spatiale et l’habileté à l’IM. Les résultats ont démontré que les trois groupes ont acquis la nouvelle séquence motrice, mesurée par une augmentation statistiquement significative du nombre de séquences correctement réalisées et par une diminution du temps d’exécution, immédiatement après test 1) et 30 minutes après l’intervention (Post-test 2), et ce pour tous les groupes. Les résultats ont démontré une amélioration significative de la performance motrice, mesurée 30 minutes après l’intervention, sans pratique physique additionnelle, suggérant un « Early boost effect ». Cependant, les résultats n’ont pas démontré de différence statistiquement significative entre les groupes sur le nombre de séquences correctement réalisées ou sur le temps d’exécution. Conclusion : Les résultats n’ont pas démontré d’effet additionnel de l’IM ou de la combinaison de l’IM et de la neurostimulation sur les performances motrices. La faible présence de résultats non significatifs dans la littérature supporte la tenue d’études subséquentes et l’importance de valider les paramètres d’utilisation efficaces.
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2.2 Abstract
Objective: The aim of the study was to measure the effects of mental practice based on motor
imagery (MI) combined with transcranial direct current stimulation (tDCS) on motor skill acquisition and motor performance of the lower limb in healthy subjects, using a complex foot-movements sequence. Method: An experimental study was conducted, using a double blind, placebo controlled protocol, with 36 healthy subjects, aged from 20 to 29 years old. Subjects were randomly assigned to one of three groups: 1) one receiving active anodal stimulation at 2mA for 14 minutes combined with concurrent 14 minutes of motor imagery training, 2 ) one receiving sham stimulation combined with motor imagery training and 3) one receiving sham stimulation combined with a reading task. Results: All three groups were equivalent at Pre-test on individual characteristics such as gender, age, education, spatial working memory and MI ability. Results showed new lower-limb motor skill acquisition, measured by an increase in the number of correct sequences and reduced execution time, immediately after (Post-test 1) and 30 minutes after the intervention (Post-test 2) for all groups. Motor performance also significantly increased 30 minutes after the intervention without further practice, as measured by a reduced execution time, supporting an early boost effect. However, the results showed no significant difference between groups on either the number of correctly performed sequences or execution time. Conclusion: Findings showed no additional effect of either MI or the combination of MI and tDCS on motor learning. The results are further interpreted in the context of the scarcity of negative results published with tDCS, which supports the need for further studies and the importance of finding appropriate and effective parameters.
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2.3 Introduction
Motor performance such as walking, which is a complex motor skill, occurs on a daily basis outside our conscious awareness, without us noticing the many processes involved. However, for some people, such as those in rehabilitation programs, motor functions might have been lost or reduced due to a physical or neurological condition (e.g. stroke, amputation). In that sense, mental practice based on motor imagery can be used to support motor performance (Malouin, Richards, Doyon, Desrosiers, & Belleville, 2004). MI can be defined as mentally performing an action, without the actual performance of the action itself, whereas mental practice can be defined as the repeated mental rehearsal of an action, which can use MI and other techniques, in an effort to improve motor performance of the action itself (Jackson, Lafleur, Malouin, Richards, & Doyon, 2001). Thus, using mental practice based on MI has the potential to make gait retraining more manageable and less demanding physically for people in rehabilitation programs. Mental practice based on MI is inexpensive, safe, accessible, and can be tailored to individual needs (Malouin & Richard, 2010). Research using MI has shown positive results regarding performance improvement with athletes (Feltz & Landers, 1983), musicians (Bernardi, De Buglio, Trimarchi, Chielli, & Bricolo, 2013), surgeons (Arora et al., 2011) healthy volunteers (Jackson, Lafleur, Malouin, Richards, & Doyon, 2003; Saimpont, Lafleur, Malouin, Richards, Doyon, & Jackson, 2013) but also with neurological populations such as stroke patients (Dunsky, Dickstein, Marcovitz, Levy, & Deutsch, 2008) and Parkinson’s patients (Tamir, Dickstein, & Huberman, 2007).
MI has been studied extensively and its efficacy is believed to rely on its shared cerebral networks with the physical execution of movements, including the primary motor cortex (Pelgrims, Michaux, Olivier, & Andres, 2011). Moreover, both physical execution of movements and mental practice based on MI result in similar brain plasticity (Jackson, Lafleur, Malouin, Richards, & Doyon, 2003). Brain plasticity occurring after MI could explain positive findings on motor performance (Jeannerod, 2001). Regarding motor performances, the best results seem to be obtained by combining both physical practice and IM based on mental practice (Hall, Buckolz, & Fishburne, 1992; Janssen & Sheikh, 1994). However, when physical constraints or reduced mobility limits patients in their rehabilitation program, other techniques susceptible to enhance motor cortex excitability such as MI training provide additional tools to improve motor
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performance.
Non-invasive brain stimulation, such as transcranial direct current stimulation (tDCS) can modulate cortical excitability and be used to improve motor performance. Using tDCS, a weak electric current typically in the range of 0.5 to 2mA, depending on the protocol, is delivered through the scalp via two sponge electrodes of various size soaked in saline water (Bolognini, Pascual-Leone, & Fregni, 2009). Electrodes positioning depends mainly on the region of interest but most often when studying motor learning and performance, electrode positioning include these main montages: anodal neurostimulation with the electrode (anode) positioned over the motor cortex and the electrode (cathode) positioned over the contralateral supraorbital region, cathodal neurostimulation with the cathode positioned over the non lesioned motor cortex and the anode positioned over the ipsilateral supraorbital region and bihemispheric neurostimulation with the anode positioned over the lesioned motor cortex and the cathode positioned over the contralesional motor cortex (Marquez et al., 2015). The electric current depolarizes the neuron membrane potential, and thus induces a reversible change in brain activity (Nitsche et al., 2007). TDCS is rather non-expensive, accessible, reversible, non-invasive and painless (Nitsche & Paulus, 2000). TDCS is also easier to use in placebo-controlled and double blind protocol (Gandiga, Hummel, & Cohen, 2006) as well as easier to use in combination with behavioral tasks (Wagner, Valero-Cabre, & Pascual-Leone, 2007). A stimulation of only 13 minutes can modulate cortical excitability up to 90 minutes following stimulation (Nitsche et Paulus, 2001). Using tDCS, a number of studies have shown positive results for motor learning and motor performances. Boggio et al. (2006) showed improvement of hand motor function following 20 minutes of 1mA anodal stimulation over the hand primary motor cortex of healthy subjects, compared to sham stimulation. One study also revealed shorter reaction time on an ankle task using tDCS for 15 minutes at 1mA over the lower limb primary motor cortex compared to sham stimulation in healthy adults (Devanathan & Madhavan, 2016). Neurostimulation was also shown to be effective in neurological populations. Stimulation applied over the hand motor cortex for 20 minutes at 1mA improved hand motor function of stroke patients, compared to placebo stimulation (Hummel, Celnik, Giraux, Floel, Wu et al., 2005). Also, non-invasive brain stimulation applied for 15 minutes at 1mA over the leg primary motor cortex could also enhance fine motor control of the ankle of stroke patients, compared to sham stimulation (Madhavan, Weber, & Stinear, 2011). Even though
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studies showed positive findings for either MI or tDCS applied separately, only a few studies have combined them in a single experiment. One study showed better results on a copying task following MI combined with anodal tDCS of the primary motor cortex (Foerster et al., 2013). Another study by our group showed significant improvement on a finger-sequence task when combining MI with 14 minutes of 2mA anodal tDCS over the hand primary motor cortex (Saimpont et al., 2016). Performance of the finger-sequence task was significantly enhanced in the group of healthy volunteers that used both techniques compared to those who received anodal stimulation or MI alone (Saimpont et al., 2016). To our knowledge, no study has ever combined tDCS and MI to improve motor performance of the lower limb.
Therefore, the aim of the present study was to examine the effects of motor IM combined with anodal tDCS over the primary motor cortex on the performance in a sequence motor learning task of the lower limb in healthy volunteers. This study will determine the parameters to be used with a clinical population such as amputees. We hypothesized that the combination of MI with tDCS would lead to better outcomes than MI alone.
2.4 Materials and methods
2.4.1 Participants
Subjects were 36 healthy volunteers, recruited via email lists from Laval University that were randomly assigned to one of three groups of 12 participants. The number of subjects was based on a previous study (Saimpont et al., 2016). All subjects were right handed and age ranged from 20 to 29 years old, with an equal male to female ratio in each group (see Table 1 for individual characteristics of the subjects). Exclusion criteria, measured by means of a self-reported questionnaire, were the following: history of neurological, psychiatric, musculoskeletal or sleeping disorders, epileptic condition, history of head trauma followed by loss of consciousness, uncorrected visual impairment, metallic implants on the skull, scars on the surface of the head and sports or activities practiced for more than five hours a week that require specific leg ability (these included activities such as soccer or dancing) in order to avoid recruiting experts that could show celling effects on the motor learning task. Pregnant women were also excluded from the study due to the unknown effect of the tDCS on pregnancy (Brunoni et al., 2012). Subjects who consumed more than 15 cigarettes a day, six cups of
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coffee a day, drugs or medication known to affect cortical excitability, were also excluded from the study (Liuzzi et al., 2010). Subjects who had previously participated in other studies using tDCS were also excluded from the present study. The research protocol was approved by the Ethics Committee at Centre Interdisciplinaire de recherche en réadaptation et integration sociale (#2012- 287). All subjects gave their informed written consent and received 15 CAN$ for their participation.
Table 1 Characteristics of the participants in each group
Characteristics Stim + MI Sham Stim + MI Sham Stim + Reading
Age (years) Mean (STD) Gender (male/female) 23.58 ± 2.64 6 M, 6 F 23.33 ± 2.84 6 M, 6 F 23.25 ± 3.05 6 M, 6 F Education Mean (STD) 16.50 ± 1.51 16.50 ± 2.32 16.25 ± 1.66 Spatial Span A Mean (STD) 5.75 ± 1.29 5.58 ± 1.44 6.33 ± 1.23
Motor imagery (visual) B
Mean (STD) Motor imagery (kinesthesic) C
15.58 ± 6.16 17.58 ± 2.81 18.67 ± 2.46
Mean (STD) 14.75 ± 2.34 17.33 ± 2.71 15.75 ± 4.88
The Stim + MI group received anodal stimulation and motor imagery training, the Sham Stim + MI group received placebo stimulation and motor imagery training and group Sham Stim + Reading received placebo stimulation and a control task (reading). Displayed are the means and standard deviations for each group, for Age, Education (number of school years completed), A Spatial Span (scores ranging from 1 to 9), and B-C Visual and Kinesthesic imagery scores
(from the KVIQ; Malouin et al., 2007). There were no significant differences between the three groups on any of these characteristics.
2.4.2 Experimental design
We used a double blind, sham-controlled design. Subjects participated in a single two-hour session, administered by the first author. All subjects were randomly assigned to one of three conditions by the research assistant: one with anodal tDCS combined with MI (Stim group + MI), one with sham tDCS combined with MI (Sham Stim + MI) and one with sham tDCS combined with a control cognitive task (reading) (Sham Stim + Read). Subjects performed a complex foot tapping sequence (Pre-Test) before, immediately after (Post-Test 1) and 30 minutes after the intervention (Post-Test 2).
22 2.4.3 Experimental task
The experiment took place in a quiet room. Subjects were standing in an upright position, holding on to a walker for support. The complex sequence was composed of eight lateral left-right foot movement. The sequence was executed with three targets aligned horizontally on the floor. Subjects had to use their non-dominant foot to press on the appropriate target. A fourth target, used as a start position, was positioned in front of the central target (see Annex 1). All targets were 4.5 cm by 4.5 cm plastic squares, and were placed on a wood plank, 12 cm apart from one another. The distance between the targets was determined through a series of pilot trials in order to minimize lateral movement and also to allow subjects of different heights to press only on one target at a time. Under the targets, were sensitive pressure sensors (Robot Shop; RB-int-03) connected to a laptop computer (Dell, Windows XP). Each time a target was activated, a brief sound signal was heard indicating to the subject that the target had been activated. The target presses determined whether or not each sequence performed was correct.
The computer was positioned on a table beside the subject and displayed the instructions for the task via Eprime software, version 2.0 (Psychology Software tool Inc., USA), indicating when to start and stop the task. Sound signals were also heard during the task and were particularly helpful when the subjects had to perform the motor sequence or the MI training. Subjects used an adjustable walker for support and had access with their right hand to a button positioned under the right arm of the walker. The button presses determined the number of sequences performed. Each target presses and button presses were transmitted and recorded via Eprime software.
2.4.4 Procedure and experimental measures
2.4.4.1 Screening
Participants who manifested their interest in the study were contacted by phone for a screening interview to determine their eligibility based on the exclusion criteria. Hand (Edinburgh Handedness Inventory Questionnaire; Oldfield, 1971) (see Annex 2) and foot (L’indice de dominance pédestre; Chapman, Chapman & Allen, 1987) (see Annex 3) dominance were also determined prior to experimentation. The non-dominant foot was used during the foot sequence task.
