Caractérisation des mécanismes neurophysiologiques
qui sous-tendent la préparation de mouvements avec et
sans douleur associée. Études en stimulation
magnétique transcrânienne et mesures
comportementales
Thèse
Cécilia Neige
Doctorat en médecine expérimentale
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Caractérisation des mécanismes neurophysiologiques
qui sous-tendent la préparation de mouvements avec et
sans douleur associée
Études en stimulation magnétique transcrânienne et mesures
comportementales
Thèse
Cécilia Neige
Sous la direction de :
Catherine Mercier, directrice de recherche
Laurent Bouyer, codirecteur de recherche
Résumé
Introduction : La préparation motrice est un processus complexe, à l’interface entre les aspects
cognitifs et moteurs, au cours duquel différentes étapes vont se déployer, permettant de définir les paramètres du mouvement qui sera exécuté par la suite. Lorsqu’un mouvement génère systématiquement de la douleur, notre organisme est capable d’anticiper cette douleur liée au mouvement afin d’établir des stratégies de protection. Il a été montré dans de précédentes études qu’en présence de douleur, des changements spécifiques d’activité musculaire en fonction du rôle agoniste/antagoniste du muscle permettent de protéger le membre douloureux pendant l’exécution du mouvement. Toutefois, les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent l’anticipation de la douleur pendant la préparation motrice demeurent largement inconnus. L’objectif général de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent la préparation de mouvements avec et sans douleur associée.
Méthode : Une revue systématique (étude 1) a été réalisée afin de synthétiser les études qui ont
investigué la préparation motrice en mesurant les changements de temps de réaction induits par une stimulation cérébrale non-invasive chez des participants en santé, offrant l’opportunité d’évaluer la contribution causale d’une région corticale lors de la préparation motrice.
Puis, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) a été utilisée dans deux études pour mesurer l’excitabilité corticospinale de muscles proximaux du bras lors d’une tâche de pointage de cibles avec indiçage.
Dans l’étude 2, les potentiels évoqués moteurs (MEPs) et les mouvements évoqués par la TMS ont été mesurés sur le biceps et le triceps à plusieurs intervalles de temps avant l’exécution de flexions et d’extensions du coude réalisées sans douleur, afin de caractériser les changements d’excitabilité corticospinale associés à la préparation motrice.
Dans l’étude 3, des stimulations nociceptives ont été appliquées pendant l’exécution de flexions ou d’extensions auprès de deux groupes de participants et les MEPs ont été mesurés sur le biceps pendant la préparation motrice. Des mesures comportementales (temps de réaction et pics de vitesse) ont également été réalisées afin d’évaluer les phases d’initiation et de réalisation du mouvement.
Résultats : Les résultats obtenus dans l’étude 1 supportent l’implication fonctionnelle de cinq
supplémentaire, le cortex pré-moteur dorsal et le cortex moteur primaire), intégrées dans un réseau fronto-pariétal, dans plusieurs composantes de la préparation motrice allant des aspects attentionnels jusqu’aux aspects moteurs. Les résultats de l’étude 2 ont révélé une asymétrie dans la réponse corticospinale entre les muscles fléchisseur et extenseur du coude de même que des différences entre la préparation de mouvements de flexion et d’extension du coude. Les résultats de l’étude 3 ont mis en évidence que pour la direction associée à la douleur, l’excitabilité corticospinale du biceps est supérieure avant une extension (contexte antagoniste) qu’avant une flexion (contexte agoniste). De plus, les participants mettent plus de temps à initier le mouvement associé à la douleur, mais le réalisent ensuite plus vite.
Conclusion : Les résultats de la thèse ont permis de révéler le rôle primordial du but de l’acte
moteur sur les processus qui opèrent pendant la préparation motrice. En effet, les corrélats corticaux qui sous-tendent la préparation motrice diffèrent selon le mouvement préparé. De plus, la réponse corticospinale des muscles fléchisseur et extenseur du coude varie selon la direction du mouvement préparé et l’intervalle de stimulation au cours de la préparation. Enfin, l’anticipation d’une douleur associée à un mouvement affecte l’excitabilité corticospinale mesurée lors de la préparation motrice. Ces derniers résultats ont par ailleurs confirmé les prédictions de la théorie d’adaptation du contrôle moteur en présence de douleur qui suggère la mise en place de stratégies de protection se reflétant à travers une augmentation de l’excitabilité corticospinale du muscle antagoniste et à l’inverse une diminution du muscle agoniste au mouvement douloureux.
Abstract
Introduction: Motor preparation is a complex process at the interplay between cognitive and
motor aspects, during which multiple steps occur and allow to define the parameters of the upcoming movement. When a movement generates pain repeatedly, the central nervous system should eventually be able to anticipate movement-related pain and establish self-protective strategies during motor preparation in order to avoid pain or to minimize its harmful consequences. It has been previously shown that when pain occurs during movement execution, specific changes occur in the muscular activity depending on the role of the agonist/antagonist muscle that protect the painful limb. However, the mechanisms in the origins the effects of pain anticipation during motor preparation remain poorly understood.
The main objective of this thesis is to better understand neurophysiological mechanisms that underlie motor preparation with and without associated pain.
Methods: A systematic review (study 1) was performed in order to synthetize studies that have
investigated motor preparation by measuring changes in reaction time, induced by non-invasive brain stimulation in healthy participants. This offered an opportunity to evaluate the causal contribution of a given cortical region during motor preparation.
Then, transcranial magnetic stimulation (TMS) was used in two studies in order to evaluate corticospinal excitability changes in proximal arm muscles during a pre-cued reaching task. In study 2, motor evoked potentials (MEPs) and TMS-evoked movements have been measured in the biceps and the triceps at various time intervals prior to elbow flexion and extension, when executed without pain. This aimed at characterizing corticospinal excitability changes associated with motor preparation.
In study 3, nociceptive stimulations were applied during the execution of flexion or extension for two experimental groups and MEPs were measured in the biceps during motor preparation. Behavioral measures (reaction time and peaks of velocity) were also measured to assess the phases of initiation and execution of the movement.
Results: Results obtained in study 1 support a functional implication of five cortical regions
(dorsolateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex, supplementary motor area, dorsal premotor cortex and primary motor cortex), integrated in a fronto-parietal network, in various components of motor preparation ranging from attentional to motor aspects. The results of
study 2 reveal an asymmetry in the corticospinal output between flexor and extensor muscles of the elbow as well as differences in the preparation of flexion and elbow extension movements. The results of study 3 show that corticospinal excitability of the biceps is greater before extension (antagonistic context) than before flexion (agonist context) for the direction associated with pain. In addition, participants take longer to initiate the movement associated with pain, but then realize it faster.
Conclusion: The results obtained in this thesis have revealed the prominent role of the motor
goal on the processes which operate during motor preparation. Indeed, the cortical correlates underlying motor preparation differ according to the type of movement prepared. In addition, corticospinal output for elbow flexor and extensor muscles varies according to the direction of the prepared movement and the stimulation interval during the preparation phase. Finally, pain anticipation affects corticospinal excitability measured during motor preparation. These latest results have also confirmed and extended what the motor control adaptation theory forecast, suggesting the implementation of protective strategies reflected through an increase in the corticospinal excitability of the antagonist muscle and conversely through a decrease of the agonist muscle to the painful movement.
Table des matières
Résumé ...III Abstract ... V Table des matières...VII Liste des tableaux ... X Liste des figures ... XI Liste des abréviations ... XIII Remerciements ... XV Avant-propos ... XVII CHAPITRE 1. INTRODUCTION ... 1 1.1. Introduction générale ... 1 1.2. Préparation motrice ... 2 1.3. Douleur ...18
1.4. Interactions entre systèmes nociceptif et moteur ...28
1.5. Objectifs et hypothèses ...39
CHAPITRE 2. METHODOLOGIE GENERALE ... 42
2.1. Tâche de pointage de cible avec paradigme de temps de réaction et indiçage ...42
2.2. Stimulation magnétique transcrânienne...43
2.3. Modèle de douleur expérimentale : laser ...50
CHAPITRE 3. STIMULATING THE HEALTHY BRAIN TO INVESTIGATE NEURAL CORRELATES OF MOTOR PREPARATION: A SYSTEMATIC REVIEW………...56
3.1. Résumé ...56
3.2. Abstract ...57
3.3. Introduction ...57
3.5. Results...63
3.6. Discussion ...74
3.7. Conclusion and future perspectives ...80
3.8. Conflict of interests ...80
3.9. Acknowledgments ...80
CHAPITRE 4. MODULATION OF CORTICOSPINAL OUTPUT IN AGONIST AND ANTAGONIST PROXIMAL ARM MUSCLES DURING MOTOR PREPARATION ...81
4.1. Résumé ...81
4.2. Abstract ...82
4.3. Introduction ...83
4.4. Materials and methods ...84
4.5. Data analysis ...88
4.6. Statistical analysis...90
4.7. Results...91
4.8. Discussion ...95
4.9. Conclusion ...99
CHAPITRE 5. EFFECT OF MOVEMENT-RELATED PAIN ON BEHAVIOUR AND CORTICOSPINAL EXCITABILITY CHANGES ASSOCIATED WITH ARM MOVEMENT PREPARATION ... 100
5.1. Résumé ... 100
5.2. Abstract ... 101
5.3. Introduction ... 102
5.4. Methods... 104
5.5. Experimental design and task ... 104
5.6. Data analysis ... 109
5.7. Statistical analysis... 110
5.8. Results... 111
5.9. Discussion ... 115
5.11. Additional information ... 120
CHAPITRE 6. DISCUSSION GENERALE ... 121
6.1. Corrélats corticaux qui sous-tendent la préparation motrice : articulation avec les modèles existants et mise en évidence de l’importance du paradigme de temps de réaction utilisé ... 122
6.2. Modulation de l’excitabilité corticospinale de muscles proximaux lors de la préparation de flexion et d’extension du coude avec et sans douleur associée ... 126
6.3. Effet de l’anticipation d’une douleur sur l’initiation et la réalisation du mouvement associé à la douleur ... 131
6.4. Réflexions et ouvertures sur la question de la préparation motrice faisant suite aux résultats obtenus ... 132
6.5. Réflexions et ouvertures sur la question de l’anticipation de la douleur faisant suite aux résultats obtenus ... 139
6.6. Perspectives de recherche... 144
6.7. Perspectives cliniques ... 146
6.8. Limites des travaux de la thèse ... 147
CHAPITRE 7. CONCLUSION ... 150
Bibliographie ... 151
Annexes ... 181
Annexe 1 : Définitions de concepts ... 181
Annexe 2 : Questionnaire sur les contre-indications médicales à la participation d’une étude avec stimulations TMS. ... 183
Liste des tableaux
Tableau 5-1 : Comparison of baseline characteristic, TMS and laser parameters across groups
(Pain Extension and Pain Flexion). ... 111
Tableau 5-2 : Post-hoc analyses for the significant Phase X Movement direction X Group
Liste des figures
Figure 1.1 : Illustration du modèle du Quoi et du Comment proposé par Wong et al. (2015). 11 Figure 1.2 : Illustration des deux voies impliquées dans le ‘Priming and breaking model’ de
Cohen et al. (2010). ... 13
Figure 1.3 : Représentation schématique des fibres nociceptives C non myélinisées et de petit
diamètre (panel du haut) et des fibres nociceptives Aδ myélinisées et de diamètre moyen (panel du bas). ... 20
Figure 1.4 : Représentation schématique des régions corticales et sous-corticales impliquées
dans le traitement central et l’interprétation de la douleur et leurs connexions respectives. ... 23
Figure 1.5 : Activations cérébrales lors de l’anticipation d’une douleur (EXPECT.), lors du
traitement de la douleur (PAIN) et communes entre les deux conditions (OVERLAP). . 27
Figure 2.1 : Mesure de l’excitabilité corticospinale suite à une impulsion TMS. ... 47 Figure 2.2 : Photo illustrant le montage expérimental utilisé qui combine la stimulation
magnétique transcrânienne, l’exosquelette couplé à un environnement virtuel 2D et le laser pour induire les stimulations nociceptives. ... 53
Figure 2.3 : Potentiels corticaux nociceptifs évoqués par une stimulation laser. ... 54 Figure 3.1 : Flowchart of the systematic research strategy... 63 Figure 3.2 : Characteristics of included studies that evaluated the role of dorsolateral
prefrontal cortex (DLPFC) and results obtained on reaction time (RT) expressed in standard mean difference (SMD). ... 66
Figure 3.3 : Characteristics of included studies that evaluated the role of posterior parietal
cortex (PPC) and results obtained on reaction time (RT), expressed in standard mean difference (SMD). ... 67
Figure 3.4 : Characteristics of included studies that evaluated the role of supplementary motor
area (SMA) and results obtained on reaction time (RT), expressed in standard mean difference (SMD). ... 69
Figure 3.5 : Characteristics of included studies that evaluated premotor dorsal cortex (PMd)
and results obtained on reaction time (RT), expressed in standard mean difference
(SMD). ... 71
Figure 3.6 : Characteristics of included studies that evaluated primary motor cortex (M1) and
results obtained on reaction time, expressed in standard mean difference (SMD). ... 73
Figure 3.7 : Neural correlates of motor preparation as investigated by noninvasive brain
stimulation. ... 78
Figure 4.2 : Schematic representations of the instructed-delay reaction time task. ... 87 Figure 4.3 : Mean (± standard error) z-scores for motor evoked potentials. ... 92 Figure 4.4 : Mean (± standard error) proportion for TMS-evoked movements in the flexion
direction during motor preparation period, depending on the Direction and
TMS-Intervals. ... 93
Figure 4.5 : Mean (± standard error) z-scores for TMS-evoked movements amplitude (A)
Individual raw TMS-evoked movements during motor preparation period for one representative participant for Flexion (250 ms and 1250 ms) and Extension (250 ms and 1250 ms). ... 94
Figure 5.1 : Schematic illustration of the experimental protocol. ... 105 Figure 5.2 : Schematic representation of the instructed-delay reaction time task (A) ... 107 Figure 5.3 : Mean (± standard error of the mean) change in the normalized MEPs amplitude
during the No-Pain Testing (left panel) and Pain Testing (right panel) phase for the two groups. ... 113
Figure 5.4 : Average raw MEPs data from a representative participant from each experimental
group. ... 113
Figure 5.5 : Mean (± standard error of the mean) change in reaction times (A) and peak
velocity (B) for the Pain Testing phase normalized to the No-Pain Testing phase for the two groups. ... 115
Figure 6.1 : Illustration de l’influence de la position du bras (épaule + avant-bras) sur les
potentiels évoqués moteurs (MEPs) enregistrés au niveau du biceps et du triceps. ... 128
Figure 6.2 : Résultats d’une méta-analyse de coordonnées regroupant 192 études mettant en
évidence l’activation d’une région cérébrale commune entre les affects négatifs, la douleur et le contrôle cognitif (troisième panel) : l’ACC dorsal. ... 143
Liste des abréviations
ACC : Cortex cingulaire antérieur ANOVAs : Analyses de variance BB : Biceps brachii
BP : Bereitschaftspotential
CNV : Contingent Negative Variation CS : Stimulus conditionné
cTBS : Continuous theta burst stimulation DLPFC : Dorsolateral prefrontal cortex EEG : Électroencéphalographie
EMG : Électromyographique FDI : Premier interosseux dorsal
IASP: International Association for the Study of Pain IRMf : Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle iTBS : : Intermittent theta burst stimulation
LTD : Long-term depression LTP : Long-term potentiation M1 : Cortex moteur primaire MEP : Potentiel évoqué moteur
MSO : Puissance maximale du stimulateur MT : Seuil moteur
Nd :Yap : Néodyne:Yttrium-aluminium-pérovskite OP : Opposant du pouce
PCS : Pain Catastrophizing Scale PMd : Cortex pré-moteur dorsal PMv : Cortex pré-moteur ventral PPC : Posterior parietal cortex réflexe-H : Réflexe de Hoffman rMT : Seuil moteur au repos RP : Readiness potential
SD : Deviation standard SE : Erreur standard
SI : Cortex somatosensoriel primaire SII : Cortex somatosensoriel secondaire SMA : Aire mortice supplémentaire
SMD : Différence de moyenne standardisée SP : Signal préparatoire
SPN: Stimulus Preceding Negativity SR : Signal de réponse
TB : Triceps brachii
TBS : Theta burst stimulation
tDCS : Stimulation transcrânienne à courant direct TEP : Tomographie par émission de positons TMS : Stimulation magnétique transcrânienne TR : Temps de réaction
US : Stimulus non-conditionné V1 : Cortex visuel primaire ηp2: Partial eta square
Remerciements
Parce qu’il est plaisant de réaliser qu’une thèse en science est avant tout une aventure humaine, quelques lignes de remerciements s’imposent.
Je tiens en premier lieu à exprimer ma profonde reconnaissance à ma directrice de recherche, Dre Catherine Mercier, pour sa disponibilité, sa rigueur scientifique, la justesse de ses remarques, la pertinence de ses observations face à de nébuleuses données, la richesse de ses conseils et la confiance accordée ces trois dernières années.
J’adresse également mes remerciements à mon co-directeur de recherche, Dr Laurent Bouyer, pour son regard avisé sur les travaux de cette thèse, pour nos discussions informelles sur la recherche et ses rouages et pour m’avoir offert l’opportunité de pouvoir m’essayer à l’enseignement.
Un grand merci au Dr Martin Gagné pour sa patience, ses conseils, sa connaissance pointue du monde alambiqué des câbles & branchements, sa confiance sans faille ou presque dans la technique EEG et ses belles boucles Matlab, sans lesquels l’ensemble de ce travail n’aurait pas été possible.
Je remercie également Dr Hugo Massé-Alarie avec qui j’ai beaucoup apprécié travailler le temps d’un été et dont la collaboration aura été aussi enrichissante que fructueuse.
Toute ma gratitude se porte aussi vers le comité restreint du H-0602 : Nicolas pour son amitié, Ludovic pour sa générosité, Alice pour son courage, Alexandra pour m’avoir fait beaucoup rire et Marion pour sa gentillesse.
Clémentine, quelques lignes de remerciements formels-ou-presque rendront difficilement compte de ces trois années passées ensemble et de notre belle amitié. Merci d’avoir su, au quotidien, subtilement répondre à mes gémissades, plaintes et autres mécontentements, mais surtout merci d’avoir tant travaillé, partagé, fêté, ri, pleuré, réussi et joyeusement raté nombre d’activités à mes côtés.
Merci aussi à Anne, Benoit, Céline, Isabelle, Mathieu, Mickaël et Vincent d’avoir transformé un long couloir en un lieu de travail propice à mener sérieusement nos recherches, à la franche
rigolade et à la consommation déraisonnée de café. Nos diverses activités extrascolaires sportives et festives ont également largement contribué au maintien de mon équilibre, en cela je vous suis très reconnaissante.
Charline, un merci particulier pour ton amitié, ta bonne humeur qui n’a d’égal que ton savoir-faire dans la confection de nos Bloody bien-aimés et ton sens de la fête. Merci aussi de m’avoir donné la possibilité de tenir le coil debout sur un échafaud dans le cadre de ton joli projet. Sur une note plus personnelle, je remercie du fond du cœur ma famille proche pour son soutien inconditionnel et multiforme, sans lequel toutes ces années d’études n’auraient pas pu être envisagées.
Maman, ta force, ton optimisme et tes immuables encouragements à mon égard ont été autant d’atouts indispensables pour mener à bien l’entièreté de ma scolarité.
Une affectueuse pensée à Annaëlle, Benoit, Camille, Inès et Marine, mes précieux amis de longue date. Merci pour votre soutien, vos attentions postales, vos longs mails, vos heures passées face caméra, votre présence lors de mes retours estivaux et vos venues respectives qui n’auront eu de cesse de me rappeler à quel point vous comptez.
Pour terminer, merci à William, d’avoir initié et prolongé cette aventure conjointe de la thèse au Québec. Si au quotidien cela ne vient pas sans son double lot de stress et d’incertitudes, bien souvent indépendant de notre simple volonté, il n’en demeure pas moins qu’une fois terminée l’aventure est deux fois plus belle lorsqu’amoureusement partagée.
Avant-propos
La présente thèse regroupe sous la forme de sept chapitres distincts les travaux réalisés au cours du projet doctoral débuté en Septembre 2015.
Le Chapitre 1 compose l’introduction des principaux concepts abordés dans les études à savoir la préparation motrice, la douleur et les interactions entre les systèmes nociceptif et moteur. Le Chapitre 2 est une synthèse de la méthodologie générale qui compose les études de la thèse où seront notamment abordées les différentes techniques employées telles que la stimulation magnétique transcrânienne et le laser utilisé pour induire une douleur expérimentale.
Les Chapitres 3, 4 et 5 sont présentés sous forme d’articles scientifiques rédigés en anglais dont le contenu est identique à celui des versions publiées mais dont la mise en page a été adaptée. Plus précisément, le Chapitre 3 (étude 1) est une revue systématique intitulée « Stimulating the healthy brain to investigate neural correlates of motor preparation :A systematic review » publiée le 4 Février 2018 dans la revue Neural Plasticity.
Contribution de l’étudiante : Élaboration de la question de recherche, sélection des études, cotation de la qualité des études, extraction et calculs réalisés sur les données, rédaction de l’article comme 1ère auteure.
Hugo Massé-Alarie (co-auteur) et Catherine Mercier (directrice de recherche) ont contribué à l’élaboration de la revue, la cotation de la qualité des études et la rédaction de l’article.
Le Chapitre 4 (étude 2) est constitué de l’article intitulé « Modulation of corticospinal output in agonist and antagonist proximal arm muscles during motor preparation » publié le 29 Novembre 2017 dans la revue Plos One.
Contribution de l’étudiante : Élaboration de la question de recherche et des documents relatifs à l’éthique, collecte et analyses statistiques des données, interprétation des résultats, rédaction de l’article comme 1ère auteure.
Hugo Massé-Alarie (co-auteur), Martin Gagné (coordonnateur de recherche), Laurent J. Bouyer (co-directeur de recherche) et Catherine Mercier (directrice de recherche) ont contribué à
l’élaboration de la question de recherche et des documents relatifs à l’éthique, la collecte des données, l’interprétation des résultats et la rédaction de l’article.
Le Chapitre 5 (étude 3) est constitué de l’article intitulé « Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation » publié le 31 Mai 2018 dans la revue Journal of Physiology.
Contribution de l’étudiante : Élaboration de la question de recherche et des documents relatifs à l’éthique, collecte et analyses statistiques des données, interprétation des résultats, rédaction de l’article comme 1ère auteure.
Nicolas Mavromatis (co-auteur), Martin Gagné (coordonnateur de recherche), Laurent J. Bouyer (co-directeur de recherche) et Catherine Mercier (directrice de recherche) ont contribué à l’élaboration de la question de recherche et des documents relatifs à l’éthique, la collecte des données, l’interprétation des résultats et la rédaction de l’article.
Le Chapitre 6 est une discussion générale qui reprend les principaux résultats obtenus dans les trois études permet une vue d’ensemble et une réflexion sur les différents travaux réalisés. Ce chapitre présente également des perspectives de recherche et d’application clinique de même qu’une synthèse des limites à considérer lors de la lecture des travaux et enfin une conclusion générale.
Chapitre 1. Introduction
1.1.
Introduction générale
Si la douleur est définie comme « une expérience sensorielle et émotionnelle désagréable associée à un dommage tissulaire présent ou potentiel, ou décrite en des termes évoquant de tels dommages » (Merskey, 1986), elle joue avant tout le rôle d’un signal d’alarme qui indique à notre organisme la présence d’une menace ou d’une blessure potentielle. Différents comportements moteurs de protection sont alors générés par notre système nerveux central, certains de manière non-volontaire, tels que les réflexes de retrait (Floeter et al., 1998), et d’autres de manière volontaire. En effet, des études comportementales menées auprès de participants ont montré que l’application d’une douleur expérimentale affecte la réalisation des mouvements (Bank et al., 2013). Ces changements peuvent affecter la réalisation d’une tâche motrice de manière relativement subtile, comme par exemple une réduction de la force ou de l’activité électromyographique du muscle agoniste (Graven-Nielsen et al., 1997; Ervilha et al., 2005), mais aussi entrainer l’évitement complet d’un mouvement qui provoque de la douleur dans les cas les plus extrêmes (Vlaeyen & Linton, 2012; Hodges & Smeets, 2015). L’adaptation du contrôle moteur en présence de douleur mais également lors de l’anticipation d’une douleur (Tucker et al., 2012) a été interprétée comme reflétant la mise en place de stratégies bénéfiques qui visent à protéger l’organisme, en évitant ou encore en se préparant à recevoir une douleur (Hodges & Tucker, 2011). Toutefois, plusieurs théories actuelles suggèrent que le maintien de ces stratégies à long terme deviendrait maladaptatif et participerait au phénomène de chronicisation de la douleur (Vlaeyen & Linton, 2000, 2012; Hodges & Tucker, 2011; Crombez et al., 2012).
L’ensemble de ces résultats semble conduire à l’idée que dans les situations où nous pouvons prévoir la survenue d’une douleur, notamment si celle-ci est déclenchée par un mouvement, nous mettons en place des stratégies anticipatrices. En revanche, les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent ces stratégies restent actuellement mal compris.
L’objectif général de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent la préparation de mouvements avec et sans douleur associée, tels que mesurés au niveau corticospinal (technique de stimulation magnétique transcrânienne). Les travaux de la présente thèse se sont principalement concentrés sur les aspects préparatoires de mouvements
du coude (mouvements d’atteinte) associés ou non à une douleur. L’étude des mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent ce type de mouvement apparait pertinente car les mouvements d’atteinte sont inhérents à la réalisation de nombreuses activités quotidiennes et sont connus pour être particulièrement affectés chez les patients qui souffrent de douleur suite à une atteinte musculosquelettique (Jennings et al., 2015). Dans un premier temps, une revue systématique de la littérature regroupant les études ayant utilisé la stimulation cérébrale non invasive pour étudier les corrélats corticaux de la préparation motrice a été réalisée (étude 1). Dans un second temps, les changements d’excitabilité corticospinale de muscles proximaux agonistes et antagonistes au cours de la préparation de mouvements sans douleur (étude 2) ou associés à une douleur (étude 3) ont été investigués.
Afin de mettre en contexte ces études, il convient d’exposer les principes fondamentaux et l’état des connaissances actuelles des différentes thématiques abordées dans la présente thèse. La première partie sera donc consacrée aux aspects préparatoires du mouvement, à travers leur définition jusqu’aux mécanismes neurophysiologiques et corrélats anatomiques qui les caractérisent. La deuxième partie portera sur la douleur, où l’expérience de douleur et ses multiples composantes seront définies et où les principaux aspects neurophysiologiques de la nociception jusqu’à la perception douloureuse seront décrits. Le phénomène d’anticipation de la douleur sera également détaillé sur le plan neurophysiologique et cognitif. Enfin, dans une dernière partie, l’influence de la douleur et de l’anticipation de la douleur sur le système moteur sera abordée tant sur le plan comportemental que neurophysiologique.
1.2.
Préparation motrice
L’exécution de mouvements volontaires résulte d’une étape préalable de préparation motrice au cours de laquelle différents processus vont se déployer, permettant de définir les paramètres du mouvement qui sera exécuté par la suite. Avant d’aborder en détail le concept de préparation motrice, ses paradigmes d’étude en contexte expérimental et les processus neurophysiologiques qui opèrent lors de cette étape, il convient de l’inscrire dans la thématique plus générale de la motricité volontaire.
1.2.1. Motricité volontaire
Une des caractéristiques fondamentales du comportement humain réside dans la capacité à réaliser des mouvements volontaires dirigés vers un but. La notion d’intentionnalité dans le mouvement s’oppose au caractère automatique ou réflexe du mouvement. Plus précisément, un mouvement volontaire requiert un certain niveau d’attention et peut être inhibé ou retardé alors qu’un mouvement automatique ne nécessite pas la mise en place de processus attentionnels (ou à un niveau moindre), est généré de manière immédiate et stéréotypée en réponse à un stimulus externe et ne peut être inhibé (Krieghoff et al., 2011). La dissociation entre motricité réflexe et motricité volontaire reste toutefois une considération utile surtout d’un point de vue théorique et il est généralement admis que nos mouvements reposent davantage sur un continuum entre les deux types de motricité. Les études menées dans le cadre de la thèse reposent davantage sur la composante volontaire de la motricité. Tout d’abord, il convient de préciser les différents processus qui constituent le mouvement et leurs bases neurophysiologiques.
1.2.1.1. Organisation d’un mouvement volontaire : à l’interface entre processus cognitifs et moteurs
La réalisation de chacun de nos mouvements volontaires, aussi simple soit-il, résulte d’une série d’étapes telles que l’intention de générer un mouvement, la définition d’un but moteur dépendamment des consignes de la tâche et de l’environnement dans lequel le mouvement va être effectué, la sélection de l’action appropriée pour atteindre le but fixé, la définition et l’envoi d’une commande motrice à un groupe musculaire permettant finalement d’exécuter le mouvement de manière adéquate dans l’espace et le temps et enfin l’évaluation du mouvement exécuté. Les recherches menées chez l’animal et chez l’humain ont permis de mettre en évidence l’implication de nombreuses aires corticales intégrées dans un réseau fronto-pariétal et impliquées lors de différentes étapes qui constituent le contrôle du mouvement volontaire (Adam et al., 2003; Filimon, 2010). Les bases neurophysiologiques qui sous-tendent les aspects préparatoires et exécutifs du mouvement volontaire seront discutés. À noter que le processus de préparation motrice et ses corrélats corticaux associés seront abordés très brièvement dans cette partie puisqu’ils feront l’objet d’une section à part entière dans le présent chapitre de même que dans le chapitre 3.
Aspects préparatoires du mouvement.
Il est clairement admis dans la littérature que les mouvements volontaires sont préparés et programmés avant d’être exécutés. Dans une étude princeps proposée par Libet al. (1983), les participants devaient fixer une horloge tournante et appuyer sur un bouton avec l’index de la main droite lorsque leur venait « l’envie de bouger ». Suite à la réalisation du mouvement, les participants devaient reporter en se fiant aux aiguilles de l’horloge, à quel moment ils avaient ressenti cette envie de bouger (Libet et al., 1983). L’enregistrement de l’activité cérébrale effectué avec la technique d’électroencéphalographie (EEG) a permis de démontrer pour la première fois l’existence d’un potentiel évoqué spécifique à la préparation motrice (RP, de l’anglais Readiness Potential) généré au niveau des régions préfrontales médiales (aire motrice supplémentaire (SMA, de l’anglais Supplementary Motor Area) et pré-SMA), débutant entre 1 et 1,5 s avant l’intention de bouger reportée par les participants (Libet et al., 1983; Desmurget & Sirigu, 2009). Des études ultérieures utilisant un paradigme similaire ont montré que le RP devient spécifique à la latéralité du mouvement qui sera exécuté par la suite, 800 ms avant le début du mouvement (Haggard & Eimer, 1999). Ces études ont donc permis de mettre en évidence l’émergence d’une activité corticale bien avant que le mouvement ne soit exécuté et avant même l’intention de bouger reportée par les participants. Cette notion d’intention motrice serait consécutive à une augmentation de l’activité corticale au niveau pariétal (Desmurget & Sirigu, 2009). En effet, le lobe pariétal et plus particulièrement le lobule pariétal inférieur seraient impliqués dans l’intention de produire une action. Une étude a notamment démontré que la stimulation électrique du lobule pariétal inférieur déclenchait l’intention de déplacer le membre controlatéral, les patients stimulés reportant même avoir eu l’impression de déplacer leur membre en l’absence de réponse motrice réelle lors des stimulations à forte intensité (Desmurget et al., 2009). Il convient ici de préciser un point théorique important au regard de l’ensemble des aspects préparatoires du mouvement volontaire. En effet, parmi les mouvements volontaires, il est possible de dissocier les mouvements déclenchés par un stimulus externe des mouvements spontanés. Dans le cadre de la thèse, la préparation de mouvements volontaires déclenchés par un stimulus externe tel que l’apparition d’une cible qu’il faut atteindre a été étudiée. Ces mouvements s’opposent ici aux mouvements volontaires spontanés, où le participant choisit de bouger par sa propre volonté, sans contrainte spécifique liée à une tâche. Il s’agit là d’un point
particulièrement important puisque plusieurs études ont démontré que les mécanismes préparatoires et réseaux cérébraux associés qui sous-tendent ces deux types de mouvements volontaires diffèrent (Purzner et al., 2007; Brass & Haggard, 2008; Marneweck & Flamand, 2016). Des études utilisant la technique d’EEG ont par exemple démontré l’existence de deux potentiels évoqués distincts selon si le mouvement préparé était spontané vs. déclenché par un stimulus externe (Dirnberger et al., 1998; Lu et al., 2012) . Le premier est un potentiel évoqué négatif appelé le Bereitschaftspotential (BP), qui s’observe entre 1 et 3 s avant le début d’un mouvement auto-généré par le participant (Kornhuber & Deecke, 1965) et est probablement généré par la SMA ou les cortex moteur et somatosensoriel primaires controlatéraux à la main réalisant le mouvement (Hamano et al., 1997; Shibasaki & Hallett, 2006). Le second potentiel évoqué, appelé la Variation Contingente Négative (CNV, de l’anglais Contingent Negative Variation) s’observe quant à lui lors de la préparation d’un mouvement déclenché par un stimulus externe (Rohrbaugh et al., 1976) et serait généré au niveau du cortex préfrontal, du cortex pré-moteur dorsal et également de la SMA (Cui et al., 2000). Ces résultats ont également été mis en évidence dans des études utilisant la technique d’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) où les auteurs ont reporté des différences d’activations d’aires cérébrales entre la préparation de ces deux types de mouvements volontaires (Wiese et al., 2004; Ariani et al., 2015). Les sections subséquentes porteront donc spécifiquement sur les mouvements volontaires déclenchés par un stimulus externe et en particulier les tâches de pointage de cible.
La réalisation d’un mouvement visant à pointer une cible repose en premier lieu sur la définition du but moteur. Tel que soulevé par Gallivan & Culham (2015), la définition de la notion du but moteur n’est pas consensuelle dans la littérature (Gallivan & Culham, 2015). Le but moteur peut référer à la location visuo-spatiale de la cible à atteindre, à la direction du mouvement à effectuer, aux différentes utilisations possibles de la cible que l’on doit saisir (c.-à-d. la cible étant considérée ici comme un objet) ou encore à maximiser la récompense associée à la réalisation d’une action motrice plutôt qu’une autre. Le but moteur dépend donc majoritairement des consignes qu’a reçues le participant au sujet de la tâche en cours. Ces consignes seraient encodées au niveau du cortex préfrontal (Wallis et al., 2001) et incluraient l’ensemble des décisions pouvant être prises telles que les différentes cibles potentielles de la tâche et leurs caractéristiques permettant par la suite d’effectuer l’action appropriée. Plus particulièrement, le cortex préfrontal permettrait d’effectuer des associations entre un indice spécifique et le but moteur associé à cet indice, par exemple déclencher le mouvement si la cible est verte et à l’inverse inhiber le mouvement si la
cible est rouge (Mian et al., 2014).
C’est justement lorsque le but moteur est formulé que s’amorce l’étape suivante dans le contrôle du mouvement volontaire : la préparation motrice (voir la section : Préparation motrice : définition du concept, paradigmes d’étude et processus neurophysiologiques). C’est au cours de cette étape que vont se mettre en place les processus permettant de définir comment l’idée abstraite du but moteur sera atteint en spécifiant concrètement les paramètres du mouvement à réaliser (Wong et al., 2015). Les études menées chez l’animal ont mis en évidence que les neurones du cortex moteur primaire (M1) impliqués lors de l’exécution de l’action étaient également actifs lors de l’étape de préparation motrice (Riehle & Requin, 1989). Le cortex pré-moteur est également impliqué dans la préparation motrice, et notamment dans la sélection et l’initiation de mouvements sur la base de cibles abstraites (Rushworth et al., 2003; Cisek & Kalaska, 2005; Chouinard & Paus, 2006). Le cortex pré-moteur reçoit notamment des informations en provenance du cortex préfrontal, du lobule pariétal supérieur et des aires somatosensorielles (Chouinard & Paus, 2006). D’un point de vue anatomique et fonctionnel, le cortex pré-moteur se divise en deux parties : ventrale (PMv, de l’anglais Pre-Motor ventral) et dorsale (PMd, de l’anglais Pre-Motor dorsal). Pour mettre en évidence une différenciation sur le plan fonctionnel, des auteurs ont proposé une tâche de pointage de cibles au cours de laquelle deux types de cibles étaient présentées. La première indiquait la localisation de la cible à aller pointer alors que la seconde indiquait quel bras devait être utilisé pour aller pointer la cible. L’enregistrement intra-cortical de neurones chez des singes qui réalisaient cette tâche a montré que les neurones du PMv répondaient uniquement lorsque la localisation spatiale de la cible était indiquée alors que les neurones du PMd répondaient lorsque le membre utilisé pour réaliser le mouvement était indiqué (Hoshi & Tanji, 2000). Une deuxième région corticale également impliquée dans la préparation motrice est la SMA. La SMA, et plus particulièrement la pré-SMA, jouerait un rôle spécifique dans la combinaison de l’intégration des informations concernant la cible ainsi que la partie du corps utilisée pour effectuer le mouvement de pointage, parmi les paramètres spécifiés tardivement au cours de la préparation motrice (Hoshi & Tanji, 2004). Finalement, au-delà des aires corticales, l’organisation des paramètres du mouvement dépendrait également de structures sous-corticales telles que les ganglions de la base. En effet, la sélection de l’action à effectuer implique nécessairement que l’action alternative non-sélectionnée soit inhibée, et cette inhibition proviendrait des ganglions de la base (Adam et al., 2003), largement connectés aux structures corticales spécifiées précédemment (Alexander, 1986).
Aspects liés à la réalisation du mouvement.
Lorsque les paramètres du mouvement qui vont permettre d’atteindre le but moteur sont définis, la commande motrice qui réunit l’ensemble des paramètres est envoyée à l’effecteur. Cette période correspond à l’étape d’initiation du mouvement volontaire, à l’interface entre les aspects préparatoires et exécutifs du mouvement. Des études menées chez le singe ont montré les neurones enregistrés au niveau de la SMA s’activent quelques millisecondes avant le début de l’activité musculaire, confirmant le rôle de cette région lors de l’initiation motrice. La SMA est largement connectée à M1, région corticale centrale dans le contrôle du mouvement volontaire et plus largement durant les aspects exécutifs du mouvement (Richter et al., 1997; Wong et al., 2015). Le cortex moteur primaire est une zone de convergence qui reçoit un nombre très important d’informations en provenance d’aires corticales, sous corticales, inter- et intra- hémisphériques (Reis et al., 2008). C’est à travers l’intégration de ces informations de diverses provenances que M1 va initier la commande motrice puis exécuter le mouvement. En effet, M1 fournit la plus grande contribution à la voie corticospinale, certaines cellules pyramidales de la couche V de M1 faisant directement synapse sur les motoneurones α controlatéraux directement responsables de la production de la force par le muscle (Rathelot & Strick, 2009). La voie corticospinale est la principale voie descendante du contrôle moteur volontaire, elle connecte les lobes frontal et pariétal avec la corne ventrale de la substance grise de la moelle épinière, dernier niveau de contrôle du système nerveux central où se situent les motoneurones alpha (Martin, 2005). Afin de mieux comprendre les enjeux méthodologiques ultérieurs, il est important de préciser ici que la voie corticospinale est majoritairement impliquée dans la production des mouvements des extrémités distales et plus particulièrement dans la motricité fine des doigts (Lemon, 2008; Jang, 2014).
1.2.2. Préparation motrice : définition du concept, paradigmes d’étude et
processus neurophysiologiques
Telle que rapidement définie dans les parties précédentes de ce chapitre, la préparation motrice est l’étape qui précède l’exécution d’un mouvement volontaire au cours de laquelle notre cerveau structure l’ensemble des commandes motrices nécessaires afin de maximiser l’organisation de la performance motrice à venir (Riehle, 2005). Les sections qui suivent abordent plus en détail les différentes composantes des aspects préparatoires du mouvement et les mécanismes neurophysiologiques qui prennent place au cours de la phase de préparation motrice.
1.2.2.1. Évidences comportementales : paradigme de temps de réaction avec période préparatoires
De nombreuses études ont permis de démontrer l’existence de processus préparatoires en amont de l’exécution du mouvement, à travers la mesure des temps de réaction (TR). Une stratégie permettant d’étudier la préparation motrice est de donner aux participants des informations à propos du mouvement à réaliser et d’analyser en quoi ces informations améliorent la performance motrice, généralement évaluée à travers la réduction des TR. Pour cela, il est possible de manipuler un paradigme de temps de réaction avec période préparatoire, initié par Rosenbaum en 1980 (Rosenbaum, 1980) et encore largement aujourd’hui utilisé pour étudier la préparation motrice. Ce paradigme consiste à présenter successivement deux types d’indices : le premier, appelé signal préparatoire (SP), délivre des informations concernant le mouvement à effectuer dès l’apparition du second indice, appelé signal de réponse (SR) ou « go ». Le délai qui sépare le signal préparatoire du signal de réponse correspond à la phase de préparation motrice et le délai qui sépare le signal de réponse de l’initiation du mouvement correspond au TR. Le paradigme de temps de réaction avec période préparatoire est dit « simple » lorsqu’un seul mouvement à effectuer est possible et « avec choix » lorsque plusieurs possibilités de réponses motrices sont possibles, par exemple répondre avec la main droite ou la main gauche ou plusieurs possibilités de cibles à aller pointer. Il a été clairement démontré aux débuts des années 90 que l’ajout d’une période préparatoire avec un signal délivrant des informations quant au mouvement à effectuer (amplitude, distance, latéralité, …) et/ou quand effectuer ce mouvement (décompte, indice sur la longueur du temps de préparation) conduisait une amélioration de la performance motrice, observée grâce à une réduction des temps de réaction (Rosenbaum, 1980; Riehle, 2005). Ces études ont également montré qu’un SP donnant au participant tous les paramètres du mouvement à effectuer réduit davantage les TR qu’un SP qui spécifie seulement certains paramètres (Riehle, 2005). Il a également été démontré que plus le mouvement indicé est complexe, de grande amplitude ou nécessitant une importante précision, plus les TR qui précédent l’exécution du mouvement sont longs, ce qui démontre qu’un temps supplémentaire de préparation est nécessaire (Henry & Rogers, 1960 ; Klapp 1996, 2003 ; Maslovat et al. 2011). Il convient de préciser que pour la plupart de ces études, la mesure du temps d’exécution du mouvement restait inchangée au regard de la manipulation du signal préparatoire. Ce résultat suggère que seuls les aspects préparatoires et non ceux liés à la réalisation du mouvement sont
affectés par l’apport d’informations lors de la période de préparation motrice (Riehle, 2005).
Plusieurs théories ont été proposées afin d’expliquer la diminution des TR observée lors de l’ajout d’un signal informatif pendant la réalisation d’une tâche de pointage de cible. Certains auteurs ont proposé que la présentation de ce signal facilite le traitement perceptif et sensoriel de la cible à atteindre (Wundt 1981). D’autres auteurs ont suggéré que ce serait davantage les aspects moteurs de la préparation motrice qui seraient influencés par l’ajout d’un signal préparatoire. Dans cette perspective, Wickens et al. (1994) ont proposé que tout acte moteur soit initié à la suite du dépassement d’un seuil d’activation d’un groupe de neurones reliés à l’exécution d’une action particulière (Wickens et al., 1994). Le signal préparatoire permettrait alors d’accumuler des informations quant à l’action à effectuer, pré-activant ainsi le groupe de neurones moteurs et s’approchant donc du seuil d’activation. Cela aurait comme conséquence de faciliter le déclenchement de l’action et donc d’en réduire le temps de réaction (Wickens et al., 1994). De manière relativement semblable, d’autres auteurs ont proposé l’existence d’une relation directe entre la préparation motrice et la réalisation du mouvement. Plus particulièrement, ces auteurs ont considéré l’étape de préparation motrice comme une version « en dessous du seuil » de la réalisation du mouvement (Bastian et al., 1998; Erlhagen & Schöner, 2002). Ces différentes théories illustrent la multiplicité des processus qui prennent place pendant la préparation motrice. Il convient donc de revenir sur les différentes composantes qui définissent la préparation motrice.
1.2.2.2. Différentes composantes de la préparation motrice
Les étapes qui précèdent l’exécution d’un mouvement volontaire n’étant pas toujours très clairement délimitées dans la littérature, Wong et al. (2015) ont récemment proposé de définir et de conceptualiser les limites de la préparation motrice (également appelée planification motrice) (Wong et al., 2015). La question centrale des auteurs est de déterminer si le concept de préparation motrice devait inclure les aspects purement sensoriels et attentionnels qui prennent place notamment lors de la phase initiale (intention motrice et définition du but moteur) ou s’il débutait après cette phase c’est-à-dire lors de la définition des caractéristiques inhérentes au mouvement (sélection de l’effecteur, trajectoire à suivre, paramètres du mouvement, …). Wong et al. (2015) ont identifié différents processus constitutifs de la préparation motrice et les ont répartis dans deux composantes principales : le Quoi et le Comment sur lesquelles nous allons
revenir en détail. La première composante, le Quoi regroupe les processus reliés à la définition du but moteur. Les auteurs rapportent que définir le but moteur implique majoritairement la mise en place de processus sensoriels, perceptifs et décisionnels permettant de caractériser l’environnement dans lequel sera réalisé l’acte moteur et de décider quel sera le but à atteindre dépendamment notamment des consignes de la tâche en contexte expérimental. Cette étape est également régie par des processus attentionnels qui se déploient permettant de prioriser les objets d’intérêt (par exemple, la cible à aller pointer) au sein de l’environnement visuel, permettant notamment de faciliter la sélection de l’objet d’intérêt. Tel que l’illustre cette première étape du Quoi de l’acte moteur, le but moteur est une notion centrale de ce modèle et constitue la définition de la préparation motrice proposée par les auteurs telle que « l’ensemble des processus qui décrivent comment le but moteur sera atteint », correspondant donc à la composante Comment du modèle (Wong et al., 2015). Cette seconde composante permet la transformation d’une notion abstraite préalablement définie (le but moteur) en une série concrète d’actions motrices et regroupe la définition et l’implémentation des paramètres du mouvement permettant d’atteindre le but moteur. Wong et al. (2015) définissent deux principaux processus constitutifs du Comment. Le premier correspond à la sélection de l’action, qui implique la description du mouvement effectué par l’effecteur. Le deuxième processus correspond à la spécification du mouvement, déclenché lorsque la commande motrice et les ajustements posturaux liés à la réalisation du mouvement sont pleinement définis (voir Figure 1.1).
Figure 1.1 : Illustration du modèle du Quoi et du Comment proposé par Wong et al.
(2015).
Lors de la première étape (Quoi), plusieurs processus sensoriels, perceptifs et décisionnels largement influencés par les consignes de la tâche en cours sont mis en place afin de sélectionner le ou les buts moteurs. Lors de la seconde étape (Comment) correspondant à la préparation motrice, le but moteur est traduit en une commande motrice en sélectionnant l’action appropriée et en spécifiant les paramètres du mouvement.
Finalement, ce modèle tend à démontrer la complexité et les limites de la définition de la préparation motrice d’un point de vue conceptuel. Compte tenu de l’ensemble de ces éléments, voyons désormais la nature des processus neurophysiologiques qui opèrent lors de cette étape de préparation motrice.
1.2.2.3. Interaction entre processus excitateurs et inhibiteurs pendant la préparation motrice
L’enregistrement de l’activité des interneurones spinaux chez le singe a permis de mettre en évidence qu’environ un tiers des interneurones enregistrés montraient une modulation de leur activité lors de la période de préparation de mouvements de flexion et d’extension du poignet (vs. au repos) (Prut & Fetz, 1999). Plus précisément, une partie de ces interneurones présentait une augmentation de leur fréquence de décharge pendant la période de préparation, maintenue par la suite lors de l’exécution du mouvement, tandis que l’autre partie (majoritaire) de ces
interneurones était inhibée lors la période de préparation avant d’être à nouveau actifs lors de l’exécution du mouvement (Prut & Fetz, 1999; Bizzi et al., 2000). En parallèle, l’enregistrement de l’activité corticale chez le singe a également mis en évidence que les neurones du cortex pré-moteur codant pour l’action subséquente sélectionnée augmentaient leur fréquence de décharge pendant la phase de préparation motrice alors que les neurones codants pour une action subséquente non-sélectionnée pour la tâche en cours diminuaient leur fréquence de décharge (Cisek & Kalaska, 2005).
Les travaux menés chez le primate non-humain ont conduit la proposition d’un modèle théorique qui suggère l’existence de processus excitateurs et inhibiteurs qui agissent ensemble lors de la préparation motrice afin d’amorcer et d’arrêter le mouvement (le Priming and breaking model en anglais) (Prut & Fetz, 1999). Plus précisément, ce modèle suggère que les processus excitateurs permettraient l’amorçage d’une réponse motrice sélectionnée pour la tâche (et donc consécutive à la définition du but de l’acte moteur) alors que les processus inhibiteurs auraient pour rôle d’empêcher le déclenchement prématuré (avant l’apparition du signal de réponse) de la réponse motrice sélectionnée (Prut & Fetz, 1999; Cohen et al., 2010). Au niveau neurophysiologique, ce modèle suggère l’existence de deux voies parallèles qui transmettent des informations qui modulent l’information intégrée au niveau de la moelle épinière pendant la phase préparatoire du mouvement (Cohen et al., 2010) (voir Figure 1.2). La première voie délivrerait des informations spécifiques en lien avec le mouvement à réaliser depuis le cortex pré-moteur vers M1 et transiterait via la voie corticospinale jusqu’à la moelle épinière. La seconde voie transmettant quant à elle les informations inhibitrices débuterait également depuis le cortex pré-moteur en direction de la moelle épinière, mais transiterait par le tronc cérébral, notamment via la formation réticulée.
Figure 1.2 : Illustration des deux voies impliquées dans le ‘Priming and breaking model’ de Cohen et al. (2010).
Reproduit de Cohen et al., 2010. La première voie illustrée par une flèche rose (du cortex pré-moteur au cortex pré-moteur primaire (M1) vers la moelle épinière) délivre des informations sur le mouvement à exécuter qui sera amorcé (« priming ») lors de la préparation motrice alors que la deuxième voie illustrée par une flèche verte (du cortex pré-moteur à la formation réticulée vers la moelle épinière) module de manière inhibitrice les informations traitées au niveau de la moelle épinière pour arrêter (« breaking ») une relâche prématurée de la réponse motrice.
Un des points importants soulevés par ce modèle développé majoritairement à partir d’études menées chez l’animal est le rôle prépondérant joué notamment par M1 et par la moelle épinière lors de la préparation motrice. Une façon d’explorer de manière non-invasive chez l’humain l’état de M1 et les variations d’excitabilité de la voie corticospinale lors de la préparation motrice est l’utilisation de la technique de stimulation magnétique transcrânienne (TMS, de l’anglais Transcranial Magnetic Stimulation). Lorsqu’appliquée sur M1, une stimulation induite avec la TMS génère au niveau du muscle controlatéral au cortex stimulé des potentiels évoqués moteurs (MEP, de l’anglais Motor Evoked Potentials). Les variations d’amplitude des MEPs fournissent des informations quant au changement d’état de la voie corticospinale pendant la préparation
motrice, avec une grande précision temporelle. L’utilisation complémentaire d’autres protocoles de TMS tels que les stimulations pairées permet également d’évaluer l’état de différents mécanismes tels que l’inhibition intracorticale liée à l’activation du système inhibiteur GABAergique (Kujirai et al., 1993). Dans ce protocole, une stimulation dite conditionnante appliquée à une intensité inférieure au seuil est suivie par une stimulation dite test à une intensité permettant de déclencher un MEP. Typiquement à des intervalles inter-stimulations compris entre 1 à 6 ms, la stimulation test est réduite en amplitude reflétant les mécanismes d’inhibition intracorticale (Kujirai et al., 1993).
L’utilisation de ces paradigmes TMS à travers de nombreuses études a permis de dissocier l’influence de plusieurs facteurs agissant différemment sur les processus excitateurs et inhibiteurs inhérents à la préparation du mouvement. Il convient de réaliser une revue de ces études afin de dresser un portrait général des modulations de l’excitabilité corticospinale observée avant l’exécution d’un mouvement. L’activité de la voie corticospinale lors de l’initiation motrice telle qu’étudiée en TMS sera premièrement abordée, cette dernière étant relativement bien caractérisée dans la littérature. Puis, l’activité de la voie corticospinale lors de la préparation motrice sera discutée au regard de la littérature actuelle.
Initiation du mouvement.
Un nombre important d’études utilisant la TMS avec un paradigme de stimulations simples a permis de démontrer une augmentation de l’excitabilité corticospinale mesurée au niveau du muscle sélectionné pour réaliser l’action lors de la période d’initiation motrice (c.-à-d. après l’apparition du signal de réponse, mais avant le début de la bouffée électromyographique (EMG)) (Rossini et al., 1988; Starr et al., 1988; Hoshiyama et al., 1996; Leocani et al., 2000; MacKinnon & Rothwell, 2000; Burle et al., 2002; Kennefick et al., 2014) et à l’inverse une diminution de l’excitabilité corticospinale dans le muscle controlatéral non sélectionné pour l’action (Leocani et al., 2000). Ces mêmes études rapportent généralement une augmentation graduelle de l’excitabilité corticospinale dans le muscle sélectionné, qui s’observe à partir de 100 ms jusqu’à 40 ms avant le début de la bouffée EMG et qui devient beaucoup plus importante entre 40 ms jusqu’au début de la bouffée EMG. Cette augmentation progressive de l’excitabilité corticospinale a été interprétée comme une augmentation de l’activité neuronale de la représentation motrice correspondante au sein de M1 depuis un niveau de repos jusqu’à l’atteinte du seuil de décharge des motoneurones spinaux, suivie de l’activation musculaire (Stinear et al.,
2009b). L’utilisation d’un paradigme de stimulations TMS pairées a également permis de mettre en évidence une réduction de l’inhibition intracorticale lors de l’initiation du mouvement dès 95 ms avant le début de la bouffée EMG (Reynolds & Ashby, 1999), pouvant notamment expliquer l’augmentation de l’excitabilité corticospinale observée en parallèle lors de la phase d’initiation motrice.
Préparation motrice.
Les modulations d’excitabilité corticospinale mesurées lors de la période de préparation motrice sont moins consensuelles dans la littérature et semblent dépendre de nombreux facteurs, notamment méthodologiques (le type de tâche à effectuer (TR simple ou TR à choix), le timing d’application de la TMS, la durée de la période de préparation motrice ou encore l’apparition prédictible ou non du signal de réponse), mais aussi cognitifs ou affectifs (présence d’un danger, d’une douleur, d’une émotion particulière, …) (Bestmann & Duque, 2016).
Contrairement aux résultats obtenus lors de la phase d’initiation motrice, un grand nombre d’études ont reporté une diminution de l’amplitude des MEPs du muscle sélectionné pour l’action et mesurée lors de la préparation motrice (Hasbroucq et al., 1997; Touge et al., 1998; McMillan et al., 2006; Davranche et al., 2007; Duque et al., 2014; Lebon et al., 2015; Quoilin et al., 2016). Deux hypothèses non-exclusives ont été proposées quant au rôle de l’inhibition corticospinale observée pendant la préparation motrice.
La première hypothèse suggère que ces processus inhibiteurs mis en place pendant la préparation motrice serviraient à empêcher le muscle sélectionné pour le mouvement de s’activer prématurément (Duque et al., 2010, 2012, 2017). Cette hypothèse rappelle ici la voie « breaking » dans le modèle vu précédemment, voie issue des données collectées au niveau spinal chez l’animal (Prut & Fetz, 1999). L’idée d’une inhibition mise en place pour empêcher un faux départ est corroborée par le fait que plusieurs études rapportent que la diminution de l’excitabilité corticospinale observée est plus importante juste avant l’apparition attendue du signal de réponse (Hasbroucq et al., 1999b; Davranche et al., 2007; Boulinguez et al., 2008; Bestmann & Krakauer, 2015), mais moins importante dans les paradigmes ou la période de préparation est longue ou lorsque le signal de réponse apparaît de manière imprévisible (Mars et al., 2007; van den Hurk et al., 2007; Bestmann & Duque, 2016). Il a également été montré que le réflexe de Hoffman (réflexe-H), mesure de l’excitabilité spinale (voir Box 1, Annexe 1), est également diminué pendant la préparation motrice et là encore de manière plus prononcée avant l’apparition
attendue du signal de réponse (Touge et al., 1998; Hasbroucq et al., 1999a). Contrairement à la diminution de l’excitabilité corticospinale (probablement liée à des mécanismes spinaux) pendant la préparation motrice, l’inhibition intra-corticale au sein de M1 est aussi réduite (vs. au repos) suggérant une relâche des mécanismes inhibiteurs corticaux (Davranche et al., 2007; Sinclair & Hammond, 2008, 2009; Duque & Ivry, 2009). Pour résumer, une levée d’inhibition prendrait place au niveau cortical afin de préparer spécifiquement l’effecteur sélectionné pour réaliser le mouvement à venir, alors que les processus inhibiteurs spinaux (influençant aussi les mesures d’excitabilité corticospinale) permettraient d’empêcher la libération du mouvement de manière trop prématurée (c.-à-d. avant le signal de réponse) conformément aux consignes de la tâche en cours de réalisation (Sinclair & Hammond, 2009; Duque et al., 2017).
La deuxième hypothèse émise pour expliquer la diminution de l’excitabilité corticospinale pendant la période de préparation motrice se base sur le fait que l’inhibition des MEPs est plus importante lorsque mesurée au niveau d’un effecteur non-sélectionné pour le mouvement en cours, mais pouvant faire partie d’une réponse alternative dans la tâche vs. au niveau de l’effecteur sélectionné (par exemple, mesure des MEPs au niveau de l’index droit non-sélectionné pendant la préparation d’un mouvement de l’index gauche). Il a donc été suggéré qu’un mécanisme inhibiteur appelé « résolution de la compétition » permettrait d’assurer que l’action pertinente est sélectionnée en supprimant l’option alternative (Duque et al., 2010; Tandonnet et al., 2010; van den Wildenberg et al., 2010; Quoilin & Derosiere, 2015; Bestmann & Duque, 2016; Wilhelm et al., 2016).
Les corrélats neuronaux à l’origine des modulations de l’excitabilité corticospinale pendant la préparation et l’initiation motrices restent encore relativement mal connus. Il est possible que des régions corticales autres que M1 et impliquées lors de ces deux étapes soient à l’origine de la diminution et de l’augmentation de l’amplitude des MEPs respectivement observées. L’utilisation de paradigmes en doubles TMS (deux bobines positionnées sur deux zones distinctes) apporte des pistes quant aux possibles interactions (facilitatrices et inhibitrices) entre deux aires corticales au niveau inter- ou intra- hémisphériques (Bestmann & Krakauer, 2015). Dans ces expériences, une première impulsion TMS est appliquée sur un site cortical autre que M1 et son influence sur l’amplitude des MEPs est évaluée par une seconde impulsion test sur M1 quelques millisecondes après la première (Lafleur et al., 2016). Ces études ont ainsi permis de démontrer l’influence facilitatrice des cortex PMd ipsilatéral et controlatéral sur M1 lors de la
période d’initiation motrice (Liuzzi et al., 2010; Groppa et al., 2012b) et l’influence à la fois inhibitrice et excitatrice du cortex préfrontal sur M1 dépendamment de l’effecteur et de l’intervalle des stimulations (Hasan et al., 2013). Une étude de Buch et al. (2010) a également permis de mettre en évidence que le cortex PMv exerce une influence facilitatrice sur M1 lors de la présentation du signal de réponse indiquant le mouvement à produire et lors de la période d’initiation motrice, mais qu’à l’inverse, le PMv exerçait une influence inhibitrice sur M1 lorsque le mouvement initialement préparé devait être modifié (changement du signal de réponse) (Buch et al., 2010). Le rôle de la SMA lors de la reprogrammation du mouvement a également été montré grâce à l’utilisation d’un paradigme en double TMS (Mars et al., 2009).
Différentes techniques de stimulation cérébrales non-invasives telles que la TMS répétitive (rTMS) ou la stimulation transcrânienne par courant direct (tDCS, de l’anglais transcranial direct current stimulation, (voir Box 2, Annexe1) ont également été utilisées afin de moduler l’excitabilité de diverses régions corticales, permettant d’évaluer leur rôle lors de la préparation motrice. Les résultats obtenus dans ces études seront développés en détail puisqu’ils font l’objet d’un chapitre à part entière (voir Chapitre 3).
Pour résumer, la préparation motrice est une étape à l’interface entre processus cognitifs et moteurs qui précède l’exécution d’un mouvement volontaire et est étudiée en contexte expérimental à l’aide de paradigmes de temps de réaction avec indiçage. Les études neurophysiologiques menées auprès de l’animal et de l’humain ont permis de mettre en évidence les interactions entre processus excitateurs et inhibiteurs qui opèrent pendant la préparation motrice. Les études menées en TMS afin de mesurer les changements d’excitabilité corticospinale ont permis de préciser l’implémentation de ces processus. Toutefois, les résultats rapportés dans ces études reposent sur des mesures effectuées en très grande majorité au niveau de muscles distaux agonistes (c.-à-d. muscles des doigts et du poignet) lors de la préparation de mouvements de la main (c.-à-d. appuyer sur un clavier ou effectuer un mouvement du doigt ou du poignet), ce qui limite notre capacité à mieux comprendre les processus qui influent sur l’état de la voie corticospinale pendant la préparation motrice. De plus, il a été suggéré dans la littérature que plusieurs facteurs, et notamment la présence d’une douleur, auraient le potentiel d’influencer les processus qui opèrent pendant la préparation motrice. Cependant, l’influence de ces facteurs sur les mesures réalisées en TMS pendant la préparation motrice reste encore peu étudiée et par conséquent peu connue.
