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Étude des relations entre différentes mesures de santé cardiorespiratoire et les fonctions exécutives chez les personnes âgées

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Academic year: 2021

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(1)

ÉTUDE DES RELATIONS ENTRE DIFFÉRENTES MESURES DE SANTÉ CARDIORESPIRATOIRE ET LES FONCTIONS EXÉCUTIVES

CHEZ LES PERSONNES ÂGÉES

THÈSE

PRÉSENTÉE COMME EXIGENCE PARTIELLE DU DOCTORAT EN PSYCHOLOGIE

PAR

DAVID PREDOVAN

(2)

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL Service des bibliothèques

Avertissement

La diffusion de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 – Rév.10-2015). Cette autorisation stipule que «conformément à l’article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l’auteur] concède à l’Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d’utilisation et de publication de la totalité ou d’une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l’auteur] autorise l’Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l’Internet. Cette licence et cette autorisation n’entraînent pas une renonciation de [la] part [de l’auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l’auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire.»

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J'aimerais remercier mon directeur de thèse, Dr Louis Bherer, pour la confiance qu'il m'a accordée tout au long de mon parcours. J'ai été grandement inspiré par son leadership et sa rigueur. Son écoute attentive et ses précieux conseils m'ont permis de mener à bien ce projet. Je remercie également l'ensemble des membres du LESCA pour l'aide inestimable qu'ils m'ont offerte, particulièrement Dr Nicolas Berryman, Dr Maxime Lussier, Francis Comte, Alida Esmail, Philippe Brouillard, Dre Sarah Fraser, Dre Laurence Desjardins, et Dre Mélanie Renaud. Je remercie également l'ensemble des personnes âgées qui ont pris part à nos projets et m'ont inspiré.

Un immense merci à tous ces chercheurs qui m'ont servi de modèle et donné une première chance (Dr François Richer, Dr Pierre Jolicoeur, Dr Ashok Malla), ces chercheurs qui m'ont formé en clinique (Dre Isabelle Rouleau, Dre Lisa Ko ski, Dr Marco Sinaï, Dr Peter Scherzer, Dr David Sinyor) et avec qui j'ai eu le plaisir de collaborer sur divers projets (Dre Simona Brambati, Dr Kirk Erickson, Dr Olivier Beauchet, Dre Rushen Shi, Dr Dave St-Amour, Dre Pierrette Gaudreau et Dr José Morais).

Je tiens à souligner le soutien financier des Instituts de recherche en santé du Canada, l'Université du Québec à Montréal, l'Institut de Cardiologie de Montréal, le Centre de recherche en neurosciences de l'Université du Québec à Montréal et le Réseau québécois de recherche sur le vieillissement, ainsi que les organismes

subventionnaires (le Ministère de la Santé et des Services sociaux, le Ministère responsable des Aînés et Les Grands Ballets Canadiens de Montréal) qui ont financé le projet.

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Je suis infiniment redevable à mes parents (Diane, Tihomir, Nida et Jean-Pierre) qui par leurs sacrifices et leurs attentions ont rendu possible mon cheminement. Je tiens également à remercier des personnes importantes dans ma vie, Olivia Florea et Annie-Pier Pelchat, ainsi que mes amis Alexandre, Julien et Philippe. Notre amitié s'est tissée voilà plus d'une décennie et est toujours à mes yeux une immense source de support et de plaisir! Finalement, j'aimerais exprimer un merci tout particulier à Agnès Chapsal. Depuis maintenant plus de deux ans, ton amour m'inspire et

m'amène à persévérer. Nous partageons un même idéal et celui-ci m'a guidé dans les moments d'incertitude. Ce grand périple qui est le doctorat prend fin respectivement pour nous deux. Beaucoup de chemin a été parcouru ensemble et d'autres avenues voient maintenant le jour. Je serai à tes côtés, à continuer à apprendre et à t'aimer.

(5)

REMERCIEMENTS ... ii

TABLE DES MATIÈRES ... iv

LISTE DES FIGURES ... viii

LISTE DES TABLEAUX ... ix

LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES ... x

RÉSUMÉ ... xi

ABSTRACT ... xiii

INTRODUCTION ... 1

CHAPITRE! CONTEXTE THÉORIQUE ... 5

1.1 Introduction au vieillissement cognitif ... 5

1.2 Déclin cognitif général et adaptation ... 9

1.3 Déclin des fonctions exécutives ... 11

1.4 Activité physique et cognition ... 13

1.5 Impact de l'exercice physique sur la cognition ... 14

1.6 Présentation des thématiques et questions de recherche générales ... 18

1.6.1 Durée d'un entraînement de type aérobie et impact sur la cognition ... 18

1.6.2 Interchangeabilité des estimations de la fonction cardiorespiratoire ... 19 1.6.3 Modèles des relations entre la cognition et la fonction cardiorespiratoire . 21 CHAPITRE II

(6)

ARTICLE 1. THE EFFECT OF THREE MONTHS OF AEROBIC ON STROOP

PERFORMANCE IN OLD ER ADUL TS ... 22

2.1 ABSTRACT ... 24

2.2 INTRODUCTION ... 25

2.3 METHOD ... 27

2.3 .1 Participants ... 27

2.3 .2 Procedure ... 28

2.3.3 Aerobic Fitness Program ... 29

2.3.4 Pre- and Post-test Measures: Cardiorespiratory fitness assessment.. ... 29

2.3.5 Pre- and Post-test Measures: Stroop tasks ... 30

2.4 RE SUL TS ... 31

2.4.1 Participant' s baseline characteristics ... 31

2.4.2 Cardiorespiratory fitness assessment ... 31

2.4.3 Stroop Task ... 31

2.5 DISCUSSION ... 32

2.6 ACKNOWLEDGEMENTS ... 36

2.7. REFERENCES ... 36

CHAPITRE III ARTICLE 2. CARDIORESPIRATORY FITNESS ASSESSMENT IN A COHORT OF HEAL THY OLD ER ADULTS: A COMPARISON BETWEEN NON-EXERCISE PREDICTION EQUATIONS, SUBMAXIMAL WALKING AND MAXIMAL GRADED CYCLING TESTS ... 45

3.1 ABSTRACT ... 47

3.2 INTRODUCTION ... 48

3.3 METHODS ... 50

3.3.1 Participants ... 50

3.3.2 Methods and Procedure ... 51

3.3.3 Statistical Analysis ... 53

(7)

3.4 DISCUSSION ... 56

3.5 CONCLUSION ... 57

3.6 ACKNOWLEDGEMENT ... 58

CHAPITRE IV ARTICLE 3. ASSESSMENT OF THE RELATIONSHIP BETWEEN DIFFERENT ESTIMATES OF CARDIORESPIRATORY FITNESS AND EXECUTIVE FUNCTIONS IN HEAL THY OLD ER ADUL TS ... 69

4.1 ABSTRACT ... 71

4.2 INTRODUCTION ... 72

4.2.1 Cardiorespiratory fitness and executive function in older adults ... 72

4.2.2 Objectives ... 73

4.3 METHOD ... 74

4.3.1 Participants ... 74

4.3.2 Procedure ... 74

4.3.3 Assessment of cardiorespiratory fitness ... 75

4.3.4 Assessment of cognitive functions ... 76

4.3.5 Statistical Analysis ... 77 4.4 RE SUL TS ... 78 4.5 DISCUSSION ... 79 4.6 CONCLUSION ... 81 4.7 CONFLICT OF INTEREST ... 82 4.8 ACKNOWLEDGEMENT ... 82 4.9 REFERENCES ... 82 CHAPITRE V DISCUSSION GÉNÉRALE ... 93

5 .1 Synthèse des résultats et interprétation ... 94

5 .1.1 Première étude : The effect of three months of aerobic on Stroop performance in older adults ... 94

(8)

5.1.2 Deuxième étude: Cardiorespiratory fitness assessment in a cohort ofhealthy older adults: a comparison between non-exercise prediction equations,

submaximal walking and maximal graded cycling tests ... 97

5 .1.3 Troisième étude : Assessment of the relationship between different estimates of cardiorespiratory fitness and executive function in healthy older adult ... 99

5 .2 Forces et limites de la thèse ... 100

5.3 Perspectives futures ... 104

CONCLUSION ... 108

ANNEXE A EFFECTS OF DANCING ON COGNITION IN HEAL THY OLD ER ADULTS: A SYSTEMATIC REVIEW ... 108

ANNEXE B FORMULAIRE D'INFORMATION ET DE CONSENTEMENT ... 130

(9)

Figure Page

CHAPITRE2

2.1 Mean and SE for V02max estimate (a) and walking time (b) in the Rockport one-mile test ... 43 2.2 Mean (s) and SE for the change score on the Stroop test ... .44

CHAPITRE 3

3.lA Respective Bland-Altman's diagram for the difference in between the MGXT and RFWT ... 67 3.lB Respective Bland-Altman's diagram for the difference in between the

MGXT and the NEPE-Jurca ... 68

ANNEXE A

5.1 PRISMA flow diagram summarizing the results of the search strategy 128 5.2 Risk-of-bias graph (s) ... 129

(10)

Tableau Page

CHAPITRE2

2.1 Participant' s baseline characteristics ... .41 2.2 Participant' s baseline and follow-up results for the Stroop test. ... .42

CHAPITRE 3

3 .1 Demographic data for all participants ... 64 3.2 Comparison of cardiorespiratory fitness data ... 65 3 .3 Respective cardiorespiratory fitness data and components for each sex. 66

CHAPITRE3

4.1 Participant's characteristics ... 89 4.2 Participant' s cardiorespiratory fitness and cognitive data ... 90 4.3 Summary ofregression analyses predicting executive function scores ... 91 4.4 Regression coefficients of the demographic and cardiorespiratory fitness predictors of executive function scores ... 92

ANNEXE A

(11)

En français :

ET A Exercice de type aérobie FC Fonction cardiorespiratoire FÉ Fonctions exécutives TR Temps de réaction

En anglais:

ACC AE ANOVA BDNF BMI BVMT CRF CRUNCH D-KEFS EEG EF fMRI HAROLD LoA Accuracy Aerobic exercise Analysis of Variance

Brain-Derived Neurotrophic Factor Body Mass Index

Brief Visuospatial Memory test Cardiorespiratory fitness

Compensation-related utilization of neural circuits hypothesis Delis-Kaplan Executive Function System

Electroencephalography Executive function

functional Magnetic Resonance Imaging

Hemispheric Asymmetry Reduction in Older adults Limits of agreement

(12)

MAQ MGXT MMSE MOCA NEPE PASA PRISMA QAA-P RBANS RER RFWT RSPM RT SRPA STAC TICS V02 max V02 peak WAIS WCST

WHO

Modifiable activity questionnaire Maximal graded exercise test Mini-Mental State Examination Montreal Cognitive Assessment Non-exercise prediction equation Posterior-Anterior Shift with Aging

Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses Questionnaire of aptitude to physical activity

Repeatable Battery ofNeuropsychological Status Respiratory Exchange Ratio

Rockport Fitness Walking Test Raven Standard Progressive Matrices Reaction time

Self-Reported Physical Activity

Scaffolding Theory of Aging and Cognition Telephone Interview of Cognitive Status Maximal oxygen uptake

Peak oxygen uptake

Wechsler Adult Intelligence Scale Wisconsin Card Sorting Test World Health Organization

(13)

Le vieillissement de la population risque d'entraîner des coûts substantiels pour le système de santé. Considérant cette réalité, une meilleure compréhension des facteurs pouvant ralentir l'apparition ou l'évolution de conditions pathologiques est

primordiale. Capitalisant sur la plasticité du cerveau, des programmes favorisant l'activité physique chez les personnes âgées ont permis d'observer des bénéfices touchant à la fois la condition physique et la santé cognitive. Chez cette population, on observe des bénéfices spécifiques aux fonctions exécutives (FÉ) à la suite d'un programme d'entraînement de type aérobie (ETA), connu pour augmenter la fonction cardiorespiratoire (FC). Les FÉ peuvent être conceptualisées comme des mécanismes distincts qui facilitent la mise à jour ( de nouvelles informations) en mémoire,

l'inhibition de réponses automatiques et l'alternance d'une tâche à l'autre (flexibilité). Concrètement, ces mécanismes sont importants pour répondre à des situations

imprévues, éviter les distractions et sont intimement liés au niveau d'autonomie des personnes âgées. Toutefois, certaines études n'observent pas de relation entre la FC et les FÉ chez les aînés. Plusieurs facteurs pourraient expliquer ces différences. La présente thèse vise à examiner trois facteurs: la durée du programme d'ETA dans le contexte des études interventionnelles, la méthode utilisée pour estimer initialement la FC et la nature des tâches et des mesures utilisées pour évaluer les FÉ.

Considérant la durée des interventions, la plupart des programmes d'ETA à ce jour ayant observé une amélioration des FÉ ont une durée de 6 à 12 mois. La première étude de cette thèse avait pour objectif d'examiner si les personnes âgées

obtiendraient des bénéfices similaires après un programme d'ETA d'une durée plus courte soit de 3 mois. En comparaison à un groupe contrôle (liste d'attente), le groupe ayant complété le programme d'ETA a amélioré significativement sa FC (telle que mesurée par un test d'effort sous-maximal, le test de marche de Rockport) et sa performance à une tâche de flexibilité. L'amélioration de la FC observée après l'entraînement corrélait positivement avec l'amélioration observée à la tâche de flexibilité.

Considérant la méthode utilisée pour estimer initialement la FC, les études d'intervention chez les personnes âgées utilisent fréquemment un test d'effort

(14)

maximal ( qui requiert soit un tapis roulant ou un cyclo-ergomètre ), mais il arrive que l'estimation soit produite avec un test d'effort sous-maximal ou à l'aide d'un

questionnaire. L'objectif de la deuxième étude était d'examiner l'interchangeabilité (la concordance) entre différentes estimations de la FC soit un test d'effort maximal utilisant un cyclo-ergomètre, un test d'effort sous-maximal (le test de marche de Rockport) et une estimation de la FC découlant d'une équation basée sur un questionnaire qui inclut une mesure autoportée du niveau d'activité physique quotidienne. L'analyse révéla des différences significatives entre les estimations. Ainsi, la valeur respective obtenue par l'équation et celle du test de Rockport, surévaluait et sous-estimait respectivement la valeur obtenue par le test d'effort maximal. De plus, en prenant en considération le sexe des participants, il a été observé que la valeur au test de Rockport sous-estimait le test d'effort maximal uniquement chez les femmes. À l'inverse, l'équation surestimait la valeur du test maximal à l'effort uniquement chez les hommes. Cette étude est importante, car elle suggère des différences dans la mesure de la FC selon le type de test utilisé. De plus, l'étude souligne l'importance de tenir en compte la variable du sexe dans l'analyse de la concordance entre différentes estimations de la FC chez une population âgée.

La troisième étude avait pour objectif d'examiner la relation entre les différentes estimations de la FC (utilisé dans l'étude 2) et les FÉ. Cette étude reprend les données (variable: FC et FÉ) des participants de la deuxième étude. Dans cette étude, la sélection des FÉ repose sur un modèle théorique. Celles-ci sont décrites en termes de coûts associés à la mise à jour de nouvelles informations en mémoire de travail, à l'inhibition d'information, à la flexibilité globale (c.-à-d. le fait de maintenir deux tâches en mémoire de travail) et à la flexibilité locale ( c.-à-d. le fait d'alterner entre deux tâches). Des analyses de régression hiérarchique ont révélé qu'indépendamment de l'effet de l'âge et de l'éducation, la flexibilité globale était associée à la FC estimée par le test d'effort maximal et par le test de Rockport. De plus, le coût associé à l'inhibition était associé aux trois estimations de la FC. Ces résultats mettent en évidence la diversité des FÉ, puisque ce ne sont pas toutes les FÉ qui sont liées à la FC. De plus, il appert que les différences observées dans l'étude 2 entre les

estimations provenant du test de Rockport et du test d'effort maximal ne résultent pas de différentes associations avec les FÉ. Enfin, l'absence de relation entre l'estimation obtenue par l'équation et le coût associé à flexibilité locale indique potentiellement que le choix de l'estimation de la FC pourrait influencer la relation avec les FÉ.

Mots clés : Fonctions exécutives, Fonction cardiorespiratoire, Prévention, Exercice, Vieillissement cognitif

(15)

A better understanding of the intervention that may delay the onset or the progression of age-related diseases that affect cognition such as neurodegenerative diseases and cardiovascular diseases is important. Capitalizing on the plasticity of the brain, programs that promote physical activity in older adults have shown benefits for both fitness and cognitive health. In this population, we observed that executive functions (EF) benefit from participation to an aerobic exercise training program (AET), known to increase cardiorespiratory fitness (CRF). The EF can be conceptualized as separate mechanisms that facilitate the updating (of new information), inhibition (suppressing pre-potent responses), and shifting (from one mental set to another). These

mechanisms are important in responding to unforeseen situations, avoiding

distractions and multitasking, and also predicting the older adults' ability to maintain an independent living. However, discrepancies in the relationship between CRF and EF persist in the literature. Severa} factors could explain these differences. The purpose of this thesis is to examine three factors: the duration of the AET program in the context of interventional studies, the method used to estimate CRF, and the nature of the tasks and measures used to evaluate the EF.

Considering the duration of the interventions, benefit observed on the EF, has often been observed in AET programs with a duration of more than 6 months. The first study of the present thesis aimed to examine whether older adults would obtain similar benefits with an AET program with a duration of 3 months. Compared to a control group (waiting list), the group that completed the AET program has significantly improved its CRF ( as measured by a submaximal exercise test, the Rockport One Mile Walking Test) and performance on a flexibility task.

Interestingly, the improvement in CRF observed after the AET correlated positively with the improvement observed in the flexibility task.

Considering the method used to estimate the initial CRF, intervention studies in older adults frequently use a maximal graded exercise test (which requires either a

treadmill or cycle ergometer), and to a lesser degree a sub-maximal test or a

questionnaire. The purpose of the second study was to examine the interchangeability (agreement) between different estimates of the CRF, namely a maximal graded exercise test using a cycle ergometer, a submaximal exercise test (the Rockport One

(16)

Mile Walking Test) and a CRF estimate derived from a questionnaire-based equation that includes a self-assessment of the level of daily physical activity. The analysis revealed significant differences between the estimates. Thus, the respective value obtained by the equation and the Rockport test, overvalued and underestimated respectively the value obtained by the graded-exercise test on the ergometer. The Rockport test value underestimated the graded-test value only in women. In contrast, the equation overestimated the value of the ergocycle only in men. This study is important because it highlights the possible effect of sex in agreement analysis between different CRF estimates in an older population.

The third study aimed to examine the relationship between the different estimates of CRF (used in Study 2) and the EF. This study uses CRF and EF data from the second study participants. EF were described in terms of cost related to updating (new information in working memory) costs, to inhibition of information, to global flexibility (ex. maintaining two tasks in working memory) and local flexibility (ex. alternating between two tasks). Hierarchical regression analyzes revealed that regardless of the effect of age and education, global flexibility was associated with the results from the graded-exercise test and the Rockport test. In addition, the inhibition cost was associated with the three CRF estimates. These results highlight the diversity of EF and suggest that not all EF are linked to CRF. In addition, it appears that the differences observed in Study 2 between the estimates from the Rockport test and the graded-exercise test do not result from different associations with the EF. Lastly, the lack of relationship between the estimate obtained by the equation and the cost associated with local flexibility potentially indicates that the choice of the EF estimate could influence the relationship with the EF.

Keywords: Executive functions, Cardiorespiratory function, Prevention, Exercise, Cognitive aging

(17)

Selon les plus récentes projections démographiques (Organisation mondiale de la Santé, 2016), près de deux milliards de personnes auront 60 ans et plus en 2050. À l'aube de cette réalité, plusieurs acteurs dans la société se mobilisent pour faciliter cette transition. L'accroissement de l'espérance de vie laisse entrevoir une nouvelle phase du développement de l'humain dont la durée sera significative et nous interpelle sur la nature de notre propre vieillissement et celui de nos contemporains (Vaupel, 2010).

Le vieillissement est caractérisé par une grande hétérogénéité, car ses effets sur l'ensemble du corps humain diffèrent d'un individu à l'autre en termes de rythmes et d'ampleur. Ainsi, certains individus maintiendront leur qualité de vie jusqu'à un âge avancé et d'autres auront un vieillissement caractérisé par une perte d'autonomie et un risque accru de développer des maladies et des handicaps. Cette hétérogénéité du vieillissement affecte également le cerveau. Le vieillissement du cerveau peut être représenté sur un continuum à l'allant du vieillissement normal à un vieillissement pathologique (trouble neurocognitif majeur, également désigné comme la démence), en passant pas un stade intermédiaire (trouble neurocognitif léger).

La thématique générale de la présente thèse est la prévention du déclin cognitif dans le cadre d'un vieillissement normal. Le concept de la prophylaxie est le processus actif ou passif visant à prévenir l'apparition, la propagation ou l'aggravation d'une

(18)

maladie. En ce qui concerne le déclin cognitif, la prophylaxie primaire comprend une stratégie visant à éviter le déclin cognitif associé au vieillissement normal. La

prophylaxie secondaire tente de mieux détecter et dépister les cas de trouble

neurocognitifléger, d'identifier ceux qui progresseront vers la démence (Belleville, Gauthier, Lepage, Kergoat, & Gilbert, 2014) et de prévenir ou de ralentir la

progression des symptômes. Enfin, la prophylaxie tertiaire englobe le traitement de la démence (Livingston et al., 2017).

La prophylaxie primaire aurait le plus grand impact dans l'apparition de nouveaux cas de démence (Wu et al., 2016). Pour illustrer ce propos, prenons la maladie d'Alzheimer, une maladie neurodégénérative, qui est le type de démence le plus fréquent, affectant 3% des personnes âgées de 65 à 69 ans et 30% de celles âgées entre 85 et 89 ans. En 2017, 564 000 Canadiens vivent avec la démence (Alzheimer Society of Canada, 2016). Les personnes âgées affectées par la démence sont plus susceptibles de souffrir d'un handicap, d'être hospitalisées de façon prolongée ou de faire une chute. Leur mobilité et leur qualité de vie sont également réduites. Le taux de prévalence de la démence a décliné dans la dernière décennie (Langa et al., 2017) ce qui laisse croire que certains facteurs environnementaux ou comportementaux ont une influence dans l'apparition de nouveaux cas. De plus, de nouvelles données indiquent qu'un tiers des cas de maladie d'Alzheimer serait lié à des facteurs de risques modifiables. Aux États-Unis, le premier facteur de risque modifiable est l'inactivité physique (Norton, Matthews, Bames, Yaffe, & Brayne, 2014). Cet exemple illustre parfaitement la pertinence de viser une population âgée ayant un vieillissement normal.

Dans une autre optique, la prévention du déclin cognitif peut être conçue comme une façon de favoriser le vieillissement réussi (Rowe & Kahn, 1997). Un vieillissement réussi ne se limite pas à éviter la maladie et le handicap, mais aussi à maintenir le

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niveau d'activité d'un individu pour qu'il contribue pleinement à la société. Il fait appel au développement de stratégies et d'interventions stimulant à la fois la cognition et la condition physique des personnes âgées. Bien que cette conception du

vieillissement fasse parfois l'objet de critiques (Martinson & Berridge, 2015), elle fait contrepoids à une vision souvent négative du vieillissement basé sur l'âgisme et donne à l'individu un rôle actif dans son processus de vieillissement. De plus, elle met en évidence que la majorité des personnes âgées auront un vieillissement cognitif normal.

Une stratégie pour améliorer la cognition des personnes âgées, plus particulièrement les fonctions exécutives (FÉ) est la participation à des programmes d'exercice de type aérobie, connue pour améliorer la fonction cardiorespiratoire (FC). L'objet de ma thèse est d'examiner chez les personnes âgées cognitivement saines les associations entre la FC et les FÉ. Les sections suivantes de ce chapitre introduiront les concepts nécessaires pour bien comprendre ces associations et surtout délimiter les questions de recherches qui seront le cœur de ma thèse. Le chapitre II présentera une étude interventionnelle utilisant un programme d'exercice physique de type aérobie d'une durée de trois mois et son impact sur la FC et les FÉ des personnes âgées. Le chapitre III présentera une étude qui examinera l'interchangeabilité (la concordance) entre différentes estimations de la FC. Le chapitre IV présentera une étude qui examinera les associations entre différentes estimations de la FC (présenté dans le chapitre III) et les FÉ, telles que conceptualisées par un modèle théorique (Miyake et al., 2000). Le chapitre V présentera un sommaire des résultats, une mise en contexte de ceux-ci sous la forme d'une discussion. Le chapitre V présentera également les conclusions de la thèse et offrira des avenues de recherches futures, dont l'utilisation

d'intervention basée sur la danse. En guise de complément, l'Annexe A présentera une recension des écrits sur l'impact de la danse sur la cognition chez les personnes âgées. Cette recension des écrits a été rédigée dans le cadre d'une étude évaluant

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l'impact de la danse/mouvement thérapie sur la cognition des personnes âgées à laquelle j'ai contribué.

(21)

CONTEXTE THÉORIQUE

1.1 Introduction au vieillissement cognitif

Le vieillissement biologique peut être conceptualisé par deux types de mécanismes (Busse & Pfeiffer, 1969) : le vieillissement primaire résultant de l'accumulation des dommages associés à des processus biologiques ou de l'expression de certains gènes (Lu et al., 2004) (sénescence) et le vieillissement secondaire résultant de facteurs environnementaux tels que le mode de vie (par exemple, le tabagisme, l'alimentation et l'inactivité), la présence de conditions médicales (par exemple, le diabète,

l'hypertension et l'obésité) et les traumatismes.

Les interactions entre ces deux types de mécanismes sont complexes, mettent en lumière l'hétérogénéité du vieillissement (Lindenberger et al., 2008) et donnent lieu à différents domaines de recherche et théories. Ainsi, le champ de la géroscience (Hayden, 2007) conçoit le vieillissement primaire comme étant le plus important facteur de risque dans le développement des maladies neurodégénératives (Hung, Chen, Hsieh, Chiou, & Kao, 2010) et des maladies cardiovasculaires (North & Sinclair, 2012) et vise à interrompre ou ralentir ce processus. Afin de contraindre les effets délétères du vieillissement primaire, d'autres approches étudient la mise en

(22)

place de stratégies et de systèmes compensatoires. Parmi celles-ci, la théorie de la réserve cognitive (Barulli & Stem, 2013) propose notamment que la robustesse du cerveau face au vieillissement repose sur l'efficacité et la flexibilité des réseaux de neurones préexistants pour effectuer une tâche donnée, et non pas uniquement sur le nombre de neurones et de synapses (la théorie de la réserve cérébrale). Ces ensembles de réseaux se développeraient au cours de la vie d'un individu et pourraient être affectés par le niveau d'éducation, le type de profession (Schooler, Mulatu, & Oates, 1999) et les loisirs (Verghese et al., 2003; Wilson, Barnes, & Bennett, 2003).

La cognition peut être définie comme un ensemble de « processus d'acquisition, d'organisation et d'utilisation des connaissances» (Neisser, 1976; Reed, 2017). La psychologie cognitive s'intéresse à« tous les processus par lesquels l'input sensoriel est transformé, réduit, élaboré, stocké, retrouvé et utilisé » (Neisser, 1967; Reed, 2017). Les processus cognitifs les plus affectés par le vieillissement sont la vitesse de traitement, l'attention partagée, la mémoire de travail, la mémoire épisodique et les FÉ. D'autres facultés, telles le langage, le raisonnement arithmétique, la mémoire sémantique, l'intelligence cristallisée et la mémoire implicite sont généralement préservés jusqu'à un âge avancé (C. Grady, 2012; C. N. Harada, Natelson Love, & Triebel, 2013; Park et al., 2002).

En comparant la performance d'un groupe de jeunes adultes à un groupe de personnes âgées à des tâches cognitives, on observe chez les personnes âgées une plus grande variabilité interindividuelle ( diversité), une plus grande variabilité entre les tâches pour un même individu (dispersion) (Mella, Fagot, & de Ribaupierre, 2016) et une plus grande distribution dans les temps de réponse pour une même tâche

(inconsistance) (Hultsch, MacDonald, & Dixon, 2002). Ces changements pourraient s'expliquer par le vieillissement du cerveau.

(23)

Le vieillissement normal du cerveau se caractérise par une réduction du nombre de dendrites et de synapses, suivie d'une atrophie progressive de la matière grise et blanche (Raz & Rodrigue, 2006). Certaines régions sont particulièrement touchées par le vieillissement normal, soit le cortex préfrontal (Allen, Bruss, Brown, & Damasio, 2005; Coubard, Ferrufino, et al., 2011; Lemaitre et al., 2005) et le lobe temporal médian et l'hippocampe (Driscoll et al., 2003; Hedden & Gabrieli, 2004; Persson et al., 2012). Le cortex préfrontaljoue un rôle important dans l'exécution de tâche nécessitant les FÉ (Bherer & Belleville, 2004; Godefroy, Jeannerod, Allain, & Le Gall, 2008; Miyake et al., 2000). Les FÉ sont une famille de processus permettant de répondre à des situations imprévues, d'éviter les distractions et de faciliter la coordination en situation de multitâche. Les performances à ces tâches, qui sont intimement reliées à la capacité d'organisation et de planification d'un individu, prédisent le niveau d'autonomie des personnes âgées (Vaughan & Giovanello, 2010). Le lobe temporal médian et l'hippocampe sont, quant à eux, associés à plusieurs fonctions cognitives : la mémoire épisodique et déclarative (Tulving & Markowitsch, 1998) et la mémoire et la navigation spatiale (Moser, Kropff, & Moser, 2008). L'hippocampe contribue aussi à la consolidation de l'information en mémoire et nous permet de nous souvenir des faits et des événements.

À ce jour, plusieurs hypothèses ont été émises pour expliquer les raisons pour lesquelles ces régions sont vulnérables au vieillissement (Douaud et al., 2014). Une hypothèse (last in, first out (Raz et al., 2005)) indique que ces régions sont

vulnérables en raison de leur récence d'un point de vue phylogénétique (propre à l'évolution des espèces) et ontogénétique (propre au développement de l'individu). Ainsi, le gyms denté, une structure de l'hippocampe, est récent d'un point de vue phylogénétique (Kempermann, 2012). Les lobes frontaux (Fuster, 2002) seraient quant à eux récents d'un point de vue ontogénétique, se développant même après l'adolescence (S. B. Johnson, Blum, & Giedd, 2009). Une autre hypothèse indique

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que les effets du fardeau vasculaire associé au vieillissement normal, comme une rigidification des vaisseaux sanguins, affecteraient initialement davantage l'intégrité de la matière blanche des régions antérieures du cerveau (Kennedy & Raz, 2009).

Ces deux régions sont également affectées par le vieillissement pathologique. Des études employant des modèles animales laissent croire que les atteintes cognitives présentent dans le vieillissement normal ne seraient pas nécessairement reliées à la mort des neurones tel qu'observé dans le vieillissement pathologique, mais davantage à des altérations synaptiques des réseaux de neurones intacts (Hof & Morrison, 2004) (par exemple, le système dopaminergique (Backman, Lindenberger, Li, & Nyberg, 2010; Bjorklund & Dunnett, 2007)). En employant un modèle animal, des chercheurs (Glickstein, Desteno, Hof, & Schmauss, 2005) ont montré que l'absence de

récepteurs dopaminergiques (D2/D3) chez des souris affectait l'exactitude et la latence des réponses à des tâches d'attention nécessitant le cortex pré frontal. Chez l'humain, le vieillissement normal entraîne d'abord une perte de récepteurs dopaminergiques (D2/D3) dans le striatum, puis dans d'autres régions du cerveau. Parmi ces régions, on observe un déclin plus rapide dans le cortex frontal (Kaasinen et al., 2000) qui pourrait expliquer une diminution de la performance à des tâches nécessitant les FÉ. Concernant l'hippocampe, un taux élevé de glucocorticoïdes est associé à une atrophie de cette structure. Il a été démontré chez des patients ayant le syndrome de Cushing (Starkman et al., 1999) qu'une intervention réduisant le taux de cortisol entraînait une augmentation du volume de l'hippocampe d'environ 10%. La réversibilité de l'atrophie de l'hippocampe indique que la mise en place

d'interventions pourrait potentiellement inverser d'autres types d'altérations (D. B. Miller & O'Callaghan, 2005).

(25)

1.2 Déclin cognitif général et adaptation

Plusieurs résultats suggèrent que le cerveau vieillissant s'adapte au changement (Scaffolding Theory of Aging and Cognition (STAC) (P. A. Reuter-Lorenz & Park, 2014) et demeure plastique (Greenwood, 2007). Cette plasticité peut être à la fois adaptative ou inadaptée. Le concept de dédifférenciation (Logan, Sanders, Snyder, Morris, & Buckner, 2002) prédit chez les personnes âgées une diminution de la spécialisation de certaines régions cérébrales et une sous-utilisation de celles-ci lors de l'accomplissement d'une tâche cognitive donnée. Pour observer ce type de plasticité, on compare la performance à des tâches cognitives chez des sujets âgés à celle de jeunes adultes. Plusieurs modèles théoriques ont été créés pour expliquer la relation entre le vieillissement et la performance cognitive. Le modèle CRUNCH (Compensation-related utilization of neural circuits hypothesis) (Patricia A. Reuter-Lorenz & Cappell, 2008) prédit que davantage d'aires cérébrales seront activées lors de la réalisation d'une tâche cognitive chez les personnes âgées (en comparaison à un groupe de jeunes adultes), et ce, même pour des tâches peu difficiles. Le recrutement d'aires supplémentaires, chez les personnes âgées, compenserait la diminution de l'efficacité des régions typiquement recrutées chez les jeunes. Chez les personnes âgées, il est attendu que les mécanismes de compensation deviennent rapidement inefficaces lorsque la difficulté d'une tâche augmente, étant donné le nombre limité d'aires cérébrales pouvant être activées.

Le modèle HAROLD (Hemispheric asymrnetry reduction in older adults) (Cabeza R, 2013), quant à lui, prédit une diminution de l'asymétrie (ou de la latéralisation) du fonctionnement cérébral. Ainsi, on observe respectivement chez un groupe de jeunes adultes et chez un groupe de personnes âgées, une activation du cortex préfrontal latéralisé à droite et des activations bilatérales du cortex préfrontal lors d'une tâche d'encodage en mémoire épisodique (Dolcos, Rice, & Cabeza, 2002).

(26)

Le modèle PASA (Posterior-Anterior Shift with Aging) (S. W. Davis, Dennis, Daselaar, Fleck, & Cabeza, 2008)) prédis pour sa part, une augmentation du recrutement des aires cérébrales antérieures et une diminution du recrutement des aires cérébrales postérieures lors de la réalisation d'une tâche cognitive donnée. Les chercheurs font l'hypothèse que le recrutement des aires cérébrales antérieures viendrait compenser une diminution du traitement sensoriel par les régions occipito-temporales (C. L. Grady et al., 1994).

Enfin, un autre modèle de plasticité touche l'unité même du système nerveux, les neurones. De nouveaux neurones peuvent être générés en utilisant des cellules souches neurales adultes (phénomène de neurogenèse à l'âge adulte (Kempermann, Song, & Gage, 2015)). Chez l'humain, on observe la neurogenèse dans deux structures soit l'hippocampe et le bulbe olfactif. La neurogenèse à l'âge adulte dans l'hippocampe est associée à des bénéfices lors de tests évaluant la mémoire (Oomen, Bekinschtein, Kent, Saksida, & Bussey, 2014) et de tests évaluant le« pattern separation

»

(Sahay, Wilson, & Hen, 2011).

Une autre forme de résilience face au vieillissement peut être conceptualisée dans l'emploi de stratégies, comme le support schématique basé sur des connaissances passées (Castel, 2005), les stratégies mnémotechniques (Belleville et al., 2006), l'utilisation de l'environnement (par exemple, la présence d'amorce visuelle)

(Lindenberger, 2014), les stratégies pour maintenir une représentation cognitive (par exemple, le regroupement en catégorie lors de l'apprentissage et du rappel libre d'une liste de mots) (Lindenberger & Mayr, 2014). Enfin, il est important de noter que certains individus semblent présenter peu ou pas de déclin cognitif (Nyberg, Lovden, Riklund, Lindenberger, & Backman, 2012).

(27)

1.3 Déclin des fonctions exécutives

Au

fil

des décennies (Goldstein, 2014; Luria, 1980; Pribarn, 1973), de multiples conceptions des FÉ (ou concepts similaires connus sous d'autres appellations ici désignées entre guillemets) ont coexisté. Une première caractéristique de ces fonctions est qu'elles sont employées lorsque le comportement ou le traitement de l'information à effectuer n'est pas automatisé et nécessiterait un certain contrôle (Klein, 1996). Ce contrôle pourrait être nécessaire en raison du caractère imprévisible ou nouveau de la situation (Banich, 2009). Les FÉ sont aussi nécessaires lorsque deux tâches ne peuvent être traitées en parallèle en mémoire de travail (de Fockert, Rees, Frith, & Lavie, 2001) ou de façon consécutive sans affecter la performance (principe de flexibilité). Dans ce cas, l'allocation de ressources limitées entre les tâches

nécessiterait un 'contrôle cognitif ou attentionnel' (Balota & Marsh, 2004).

L'initiation de la mémoire de travail serait chapeautée par un 'administrateur central' qui agirait à titre de superviseur des opérations (Baddeley, 1986). Se souvenir d'un numéro de téléphone pendant quelques minutes nécessiterait un contrôle comparable étant donné la mise à jour continuelle des informations dans la mémoire de travail (Shiffrin & Schneider, 1977).

Une deuxième caractéristique des FÉ est qu'elles sont initiées de façon proactive, volontaire (voir consciente) (Lezak, 1995) et ce, vers un but (E. K. Miller & Cohen, 2001) - la résolution d'un problème, la réalisation d'un plan prédéterminé

(Unterrainer et al., 2004) - ou l'optimisation de la performance à une tâche. Cette initiative peut aller à l'encontre d'un processus automatisé (Shallice, 1988) (par exemple, l'inhibition d'une réponse automatisée comme la lecture d'un mot lors d'une tâche de Stroop, où l'on doit plutôt nommer la couleur de l'encre avec lequel le mot est écrit). Cette inhibition peut également se faire à l'encontre d'un

(28)

important à long terme (Barkley, 1997).

Une troisième caractéristique est les FÉ dépendent de l'intégrité du circuit frontal sous-cortical qui comprend le cortex préfrontal (Alvarez & Emory, 2006; Cummings, 1993; Gunning-Dixon & Raz, 2003; Stuss, Shallice, Alexander, & Picton, 1995). Le cortex préfrontal maintiendrait de nombreuses relations mutuelles avec un nombre important de structures cérébrales (Collette, Hogge, Salmon, & Van der Linden, 2006). Ces connexions pourraient expliquer la diversité des domaines

neuropsychologiques sur lesquels les FÉ exercent leurs contrôles (Gioia & Isquith, 2004) : mémoire prospective (Martin et al., 2007), contrôle des émotions (Corbett, Constantine, Hendren, Rocke, & Ozonoff, 2009), et contrôle moteur (Thierry, 1994) (par exemple la tâche go/no-go (Chikazoe, 2010)).

Chez les personnes âgées, les FÉ a été mise en association avec de nombreux comportements qui affectent le quotidien dont la conduite automobile (Anstey, Wood, Lord, & Walker, 2005), la marche en raison du risque de chute (Mirelman et al., 2012), l'adhérence à la médication (Insel, Morrow, Brewer, & Figueredo, 2006) l'incontinence (M. Lussier, Renaud, Chiva-Razavi, Bherer, & Dumoulin, 2013) et l'utilisation de stratégie pour résoudre un problème (Taconnat & Lemaire, 2014). Chez les personnes âgées, les FÉ sont associées à }'Échelle d'activités instrumentales de la vie courante (Instrumental activities of daily living) (Cahn-Weiner, Boyle, & Malloy, 2002). Chez un groupe de femmes âgées, les FÉ sont associées à la qualité de vie (J. C. Davis, Marra, Najafzadeh,

&

Liu-Ambrose, 2010), telle que mesurée par le Quality-adjusted life year, qui permet une mesure de l'espérance de vie et de la qualité de vie. En raison de leur importance, la prévention du déclin des FÉ associées au vieillissement sera en partie l'objet de la présente thèse.

(29)

1.4 Activité physique et cognition

Un nombre croissant de recherches a mis en évidence les avantages à long terme d'être actif physiquement tout au long de la vie (Angevaren, Aufdemkampe, Verhaar, Aleman, & V anhees, 2008). L'activité physique est définie comme toute activité impliquant des mouvements corporels qui requièrent une contraction des muscles et nécessite un niveau d'énergie plus important que celui au repos. Une méta-analyse présentant des études prospectives (Sofi et al., 2011) soutient l'hypothèse selon laquelle l'activité physique joue un rôle protecteur dans le déclin cognitif. Plusieurs études longitudinales ont montré que l'activité physique peut diminuer le risque de déclin cognitif d'environ 30% sur une période de 6 à 8 ans (Yaffe, Bames, Nevitt, Lui, & Covinsky, 2001) (Bames & Yaffe, 2011; Larson et al., 2006; Warburton, Nicol, & Bredin, 2006). Des relations ont été établies entre le niveau d'activité physique d'un individu et un risque réduit de déclin cognitif et de démence (Laurin, Verreault, Lindsay, MacPherson, & Rockwood, 2001 ). Être physiquement actif semble en partie contrecarrer le fardeau associé au vieillissement, tel une diminution de la masse musculaire (sarcopénie) (Pillard et al., 2011) et des symptômes dépressifs (Sjosten & Ki vela, 2006), une réduction de la FC, tout en favorisant la réserve

cognitive (Stem, 2012). Certaines études ont également montré que les personnes âgées physiquement actives comparées à celles qui sont inactives physiquement avaient une meilleure performance, en particulier pour réaliser des tâches d'attention visuelle (Roth, Goode, Clay, & Ball, 2003). Enfin, un niveau d'activité physique plus élevé a également été associé à une vitesse de traitement accrue et à de meilleures performances (Gill et al., 2015) à des tests évaluant les FÉ (Desjardins-Crepeau et al., 2014) et la mémoire épisodique (Hayes et al., 2015).

L'étude de la relation entre le niveau d'activité physique et la cognition chez les aînées présente de nombreuses limites. L'activité physique n'étant pas supervisée

(30)

formellement, le niveau d'activité physique (durée, fréquence, intensité, type

d'activité) repose souvent sur des questionnaires autorapportés, l'évaluation est donc subjective et sensible à la désirabilité sociale et susceptible aux problèmes de

mémoire. Ces études ne permettent pas d'écarter d'autres facteurs explicatifs (par exemple, que les individus actifs physiquement soient plus enclins à réaliser d'autres activités stimulantes comme la lecture ou qu'ils proviennent d'un milieu

socioéconomique plus aisé). De plus, elles ne peuvent examiner les médiateurs et les modérateurs (Leckie, Weinstein, Hodzic, & Erickson, 2012) de l'impact de l'activité physique sur la cognition (Stillman, Cohen, Lehman, & Erickson, 2016), dont le sommeil (Wilckens, Erickson, & Wheeler, 2016). Enfin, l'utilisation de devis longitudinaux présente des coûts élevés en raison de la taille importante de leurs échantillons et de la fréquence des temps de mesure, ces facteurs peuvent contraindre les chercheurs à sélectionner un nombre de tests limités pour évaluer la cognition et d'autres variables comme la FC. Pour assurer une meilleure quantification de la relation dose-réponse entre l'activité physique et la cognition, et pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents liés à une meilleure cognition chez les individus actifs, l'évaluation systématique d'un programme d'exercice formel, offre un devis expérimental approprié.

1.5 Impact de l'exercice physique sur la cognition

L'exercice physique se définit comme une activité physique planifiée, structurée et répétitive pour améliorer la condition physique. L'exercice physique repose sur plusieurs principes. Il est attendu que 1) la performance des capacités physiologiques s'améliore lorsque confrontée à une situation qui exige de celles-ci un niveau au-delà de leur performance maximale, 2) que l'amélioration d'une capacité physiologique spécifique est associée à une demande spécifique, 3) qu'à l'inverse une réduction de

(31)

la demande par l'environnement entraîne une réduction de la capacité physiologique. Un exemple probant provient d'une étude (Dallas Bedrest and Training Study) ayant montré que l'inactivité physique entraînait 40% du déclin de la FC associé à l'âge chez un groupe sélectionné.

En comparaison à d'autres types d'exercices physiques (favorisant la résistance (Berryman et al., 2014; Liu-Ambrose, Nagamatsu, Voss, Khan, & Handy, 2012) ou la coordination (C. G. Voelcker-Rehage, B.; Staudinger, U. M., 2011)), les effets de l'exercice de type aérobie (ETA), connu pour améliorer la FC, sur la cognition des personnes âgées ont été davantage étudiés. Les exercices de type aérobie ( dont l'extraction de l'énergie dépend de l'oxygène) nécessitent des mouvements répétitifs ( associé à la marche ou lorsque l'on fait du vélo) sur une période de temps

relativement longue. Cet intérêt marqué pour l'ETA explique en partie pourquoi la condition physique, définie comme la capacité de fonctionner efficacement pendant les activités de travail et de loisirs et de pouvoir s'adapter et répondre à des situations d'urgence imprévues (Caspersen, Powell, & Christenson, 1985), est souvent réduite à la FC. La FC est indexée par une mesure directe ou une estimation du V02 max. Conventionnellement, le V02 max est défini comme étant la capacité du corps à transporter et à utiliser l'oxygène lorsque l'intensité d'un exercice augmente.

Le système cardiovasculaire, en partie contrôlé par le système nerveux autonome, est responsable du transport de l'oxygène et des nutriments à l'ensemble des muscles et au cerveau et à l'élimination subséquente du dioxyde de carbone ( en plus de jouer de nombreux rôles, dont celui de réguler la température et de distribuer des hormones). Le V02 max repose sur plusieurs facteurs dont la quantité de sang éjecté par le cœur (relatif à la fréquence cardiaque et au volume de sang poussé) et du niveau d'oxygène extrait par l'organisme. Il a été démontré que le V02 max diminue avec l'âge (S. Hawkins & Wiswell, 2003). De plus, des recherches en cours tentent d'évaluer l'effet

(32)

de certaines prédispositions génétiques sur le V02 max initial d'un individu (C. A.-C. Bouchard, L. M.; Ashley, E. Al Franklin, N.; Hwang, P. M.; Mattsson, C. M.;

Negrao, C.E.; Phillips, S. A.; Sarzynski, M. A.; Wang, P.; Wheeler, M. T., 2015) et sa capacité d'adaptation lors d'un exercice physique.

Sur le plan de la santé cérébrale, une FC plus élevée est associée à un volume plus élevé de l'hippocampe et des lobes frontaux (S. Colcombe & Kramer, 2003). De plus, on note qu'elle pourrait avoir un effet protecteur sur l'intégrité de la matière blanche (N.F. Johnson, Kim, Clasey, Bailey, & Gold, 2012; Marks et al., 2007). Une FC élevée est aussi associée à de meilleures performances à des tests évaluant les FÉ (Hansen, 2004; Luque-Casado, 2013).

La grande majorité des études publiées à ce jour sur l'exercice physique et le déclin cognitif se sont limitées à une population âgée de 65 ans et plus (Bherer et al., 2013 ). Cependant, une intervention plus précoce pourrait s'avérer bénéfique pour la

prévention du déclin cognitif associé au vieillissement (Jack et al., 2010). Les bénéfices des programme d'ETA sur la cognition sont observés chez les personnes âgées sédentaires (Renaud, Maquestiaux, Joncas, Kergoat, & Bherer, 2010). L'hypothèse de «l'amélioration sélective» (Kramer et al., 1999) suggère que le plus important bénéfice d'un programme d'ETA serait observé aux tests évaluant les FÉ (S. Colcombe

&

Kramer, 2003; Renaud et al., 2010). D'autres bénéfices seraient également observés pour la fonction visuospatiale et le fonctionnement cognitif général (Barha, Davis, Falck, Nagamatsu, & Liu-Ambrose, 2017).

Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la relation entre FC et santé cognitive. L'hypothèse de la circulation cérébrale (Rogers, Meyer, & Mortel, 1990) est basée sur une meilleure vascularisation des lobes frontaux, une structure qui représente près du tiers du cerveau. L'hypothèse de la stimulation neurotrophique

(33)

(Spirduso, 1980), quant à elle, est basée sur la production de facteurs de croissance comme le brain-derived neurotrophic factor (BDNF), associé à la neurogenèse (prolifération neurale) au niveau de l'hippocampe (Lledo, Alonso, & Grubb, 2006; van Praag, Shubert, Zhao, & Gage, 2005) et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1)) associé à l 'angiogenèse cérébrale ( croissance de nouveaux vaisseaux sanguins) (Black, Isaacs, Anderson, Alcantara, & Greenough, 1990). Chez l'humain, il a été observé qu'une augmentation du BDNF plasmatique, à la suite d'un programme d'ETA, s'accompagne d'une amélioration des performances cognitives (K. I.

Erickson, Miller, & Roecklein, 2012). Selon cette hypothèse, une FC plus élevée (indépendamment d'une meilleure vascularisation) serait associée à une meilleure viabilité des neurones (K. I. Erickson,; Weinstein, A.M.; Sutton, B.P.; Prakash, R.S.; Voss, M.S.; Chaddock, L.; Szabo, A.N.; Mailey, E.L.; White, S.M.; Wojcicki, T.R.; McAuley, E.; Kramer, A.F., 2012) donc à une plus grande densité de tissus cérébraux (Weinstein et al., 2012). Cette plus grande densité de tissus cérébraux résulterait en de meilleures performances lors de tâches attentionnelles (K. 1. Erickson

&

Kramer, 2009; Hillman, Erickson, & Kramer, 2008; Kramer, Erickson, & Colcombe, 2006) (Liu-Ambrose et al., 2012; C. Voelcker-Rehage, Godde, & Staudinger, 2010). D'autres hypothèses font également état d'une meilleure élasticité des vaisseaux sanguins (Gauthier, 2015) ou mettent en valeur l'impact de programme

d'entraînement sur des marqueurs reliés à l'inflammation (tels le CRP, IL-6 et le TNF-a).

Chez les personnes âgées, les bénéfices associés à la participation à un programme d'ETA sur la cognition, et plus particulièrement, sur les FÉ diffèrent parfois d'une étude à l'autre. Ces écarts de résultats peuvent potentiellement être expliqués par de nombreux facteurs: 1) la durée du programme d'intervention, la fréquence et de l'intensité de l'exercice proposé, 2) la méthode utilisée pour évaluer la FC et 3) le type de FÉ évaluées. Une compréhension des facteurs qui optimisent la relation entre

(34)

la FC et les FÉ est particulièrement importante. Afin de comprendre l'impact de ces trois facteurs, une revue de littérature a été réalisée (incluant une analyse de plusieurs revues systématiques de la littérature portant sur des études à devis transversal, longitudinal, corrélationnel et d'intervention (Barha, Davis, et al., 2017; Carvalho, Rea, Parimon, & Cusack, 2014; S. Colcombe & Kramer, 2003; van Uffelen, Chin, Hopman-Rock, & van Mechelen, 2008; Young, Angevaren, Rusted, & Tabet, 2015). Cette revue de la littérature sera la source des trois questions de recherche de la présente thèse.

1.6 Présentation des thématiques et questions de recherche générales

1.6.1 Durée d'un entraînement de type aérobie et impact sur la cognition

La revue de littérature indique que la majorité des études utilisant un programme d'ETA ont un programme d'intervention d'une durée de plus de 3 mois. On retrouve une étude (Fabre, Chamari, Mucci, Masse-Biron, & Prefaut, 2002) dont la durée est de 2 mois, cinq études dont la durée est de 3 mois, 5 études dont la durée est de 4 à 5 mois (Albinet, Abou-Dest, Andre, & Audiffren, 2016; Dustman et al., 1984; Ijuin et al., 2013; Madden, Blumenthal, Allen, & Emery, 1989; Vidoni et al., 2015) et 11 études dont la durée est de 6 mois et plus (Antunes, De Mello, et al., 2015; Antunes, Santos-Galduroz, et al., 2015; S. J. Colcombe et al., 2004; K. I. Erickson et al., 2011; Jonasson et al., 2016; Klusmann et al., 2010; Kramer et al., 1999; Leckie et al., 2014; Oken et al., 2006; Smiley-Oyen, Lowry, Francois, Kohut,

&

Ekkekakis, 2008;

(35)

Parmi les 5 études dont la durée du programme d'ETA est de 3 mois, on observe des améliorations aux tests évaluant la flexibilité verbale (Maki et al., 2012; Nocera, McGregor, Hass, & Crosson, 2015), la préparation à répondre (Renaud et al., 2010) et la flexibilité (Wisconsin card sorting test) (Albinet, Boucard, Bouquet, & Audiffren, 2010). Aucune amélioration n'a été observée aux tâches de mémoire de travail et de vitesse de traitement (respectivement à la performance à un test évaluant l'empan numérique et le codage) (Emery & Gatz, 1990). Fait à noter, aucun programme d'ETA d'une durée de trois mois n'a évalué les mécanismes d'inhibition, qui semble bénéficier de programmes d'ETA d'une plus longue durée. Notons un programme d'ETA d'une durée de 4 mois (Dustman et al., 1984) et d'une durée de 10 mois (Smiley-Oyen et al., 2008) ayant observé une amélioration à la condition

d'interférence de la tâche de Stroop et une étude d'une durée de 6 mois ayant observé une amélioration à la tâche de Flanker (S. J. Colcombe et al., 2004), une tâche

évaluant également l'inhibition. Lors de la tâche de Flanker, le participant doit indiquer la direction d'une flèche en présence de distracteur ( ex. Condition

incongruente : > > < > > Condition congruente : > > > > > ). Afin de vérifier si de tels bénéfices peuvent être observés suite à un programme d'ET A plus court, la première étude de la présente thèse examinera chez un groupe de personnes âgées

cognitivement saines et sédentaires, l'impact d'un programme d'ETA d'une durée de 3 mois sur la performance à la tâche de Stroop (utilisant une condition d'inhibition et à une condition combinant à la fois inhibition et flexibilité).

1.6.2 Interchangeabilité des estimations de la fonction cardiorespiratoire

La revue de littérature portant sur les programmes d'ETA indique que les trois tests les plus souvent utilisés pour estimer la FC sont le test de marche de Rockport (Albinet et al., 2016; Predovan, Fraser, Renaud, & Bherer, 2012; Renaud et al., 2010), le test d'effort utilisant un ergocycle (Antunes, De Mello, et al., 2015; Blumenthal et al., 1991; Fabre et al., 2002; Jonasson et al., 2016; Madden et al.,

(36)

1989; Nocera et al., 2015) et le test d'effort sur tapis roulant (Antunes, Santos-Galduroz, et al., 2015; S. J. Colcombe et al., 2004; Dustman et al., 1984; K. I. Erickson et al., 2011; Leckie et al., 2014; Smiley-Oyen et al., 2008).

Chaque estimation de la FC donne une valeur relative (c'est-à-dire qui prend en considération le poids de l'individu). Celle-ci est mesurée en ml• kg-1 • min-1• La façon dont est calculée la FC peut potentiellement être affectée par le protocole utilisé lors d'un test incrémenté ou par la modalité d'évaluation (test où l'effort donné est maximal ou sous-maximal, estimation obtenue par un questionnaire).

Il serait intéressant d'examiner si les estimations données par ces tests donnent des résultats similaires. Si un biais est apparent il est important de mesurer si le biais affecte la totalité ou uniquement une partie de l'échantillon. Par exemple, une

estimation du V02 max obtenu par le test de marche du Rockport pourrait surévaluer l'estimation obtenue par un test d'effort utilisant un ergocycle, uniquement pour les individus ayant une faible valeur de V02 max. À ce jour, deux études (Mailey et al., 2010; McAuley et al., 2011) ont examiné l'interchangeabilité entre trois estimations du V02 max (test d'effort utilisant un tapis roulant, test de marche de Rockport et équation basée sur un questionnaire qui inclut une mesure autorapportée du niveau d'activité physique quotidienne) (Jurca et al., 2005).

À notre connaissance, aucune étude n'a comparé l'interchangeabilité entre un test d'effort utilisant un ergocycle, pourtant fortement utilisé dans les études

d'intervention, et d'autres estimations du V02 max. Afin de pallier à ce manque, la deuxième étude de la présente thèse évaluera l'interchangeabilité de trois estimations obtenues par un test d'effort utilisant un ergocycle, un test de marche de Rockport et découlant d'une équation basée sur un questionnaire qui inclut une mesure

(37)

1.6.3 Modèles des relations entre la cognition et la fonction cardiorespiratoire

Les tests d'effort sont fréquemment utilisés dans les études corrélationnelles visant à comprendre la relation entre la FC et les FÉ. Ainsi, chez un échantillon composé de personnes âgées, de nombreuses associations entre la FC, telle qu'évaluée par des tests d'effort, et les FÉ ont été observées (Albinet, Mandrick, Bernard, Perrey, & Blain, 2014; Bames, Yaffe, Satariano, & Tager, 2003; A. D. Brown et al., 2010; Freudenberger et al., 2016; van Boxtel et al., 1997; Verstynen et al., 2012; Weinstein et al., 2012). Sachant que chez certains segments d'une population vieillissante, l'utilisation de tests d'effort peut être compliquée, voire impossible, il est important d'examiner si les résultats obtenus à partir de tests alternatifs seront similaires à ceux obtenus par un test d'effort. Il est possible que l'estimation du V02 max obtenue par des tests alternatifs aux tests d'effort puisse être moins précise que celle obtenue par les tests d'effort (Etnier, Nowell, Landers, & Sibley, 2006), cette imprécision pourrait engendrer des résultats divergents quant aux relations entre la FC et les FÉ.

La troisième étude vise à comparer les relations entre les FÉ et trois estimations de la FC (test d'effort sur ergocycle, test de marche de Rockport et équation basée sur un questionnaire qui inclut une mesure autoportée du niveau d'activité physique

quotidienne). Les FÉ seront catégorisées en trois types : inhibition, flexibilité et mise à jour de l'information en mémoire de travail (Miyake et al., 2000).

(38)

ARTICLE 1. THE EFFECT OF THREE MONTHS OF AEROBIC TRAINING ON STROOP PERFORMANCE IN OLD ER ADUL TS

Référence: Predovan, D., Fraser, S. A., Renaud, M., & Bherer, L. (2012). The effect of three months of aerobic training on stroop performance in older adults.

J

Aging Res, 2012, 269815. doi:10.l 155/2012/269815

(39)

The effect of three months of aerobic training on Stroop performance in older adults David Predovan 1.2 Sarah A. Fraser 1.2 Mélanie Renaud 1.2 Louis Bherer l,3

1 Institut universitaire de gériatrie de Montréal (IUGM) 2 Université du Québec à Montréal (UQAM)

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2.1 ABSTRACT

Growing evidence supports the use of physical training interventions to improve both physical and cognitive performance in healthy older adults. Few studies have

examined the impact of aerobic exercise on Stroop task performance, a measure of executive functions. In the current 3 months aerobic training study, 50 older adults (mean age= 67.96 +/- 6.25 years) were randomly assigned to either a three-month physical training group or to a control group (waiting list). Training sessions were 3 times per week for 60 minutes. Ail participants completed pre and post-test measures of cognitive performance using the modified Stroop Task and physical performance (Rockport one-mile test). Compared to controls, the training group showed significant improvements in physical capacity (p < .00 I) and enhanced Stroop performance, but only in the inhibition/switching condition (p < .03). Furthermore, the increase in aerobic capacity induced by the training regimen correlated negatively with reaction time in the inhibition/switching condition of the Stroop task at post-test (r = -0.538;p

= .007). lmportantly, the reported gains in cognitive performance were observed after

only three months of physical training. Taken together, the results suggest that even short-term physical interventions can enhance older adults' executive function.

(41)

2.2 INTRODUCTION

A variety of executive function processes sustained by the prefrontal cortex decline over time (Coubard, Ferrufino, et al., 2011) (e.g., response preparation (Bherer & Belleville, 2004) and task switching (Hampshire, Gruszka, Fallon, & Owen, 2008)). Recent accounts of executive functions suggest that they rely on distinct basic mechanisms (Miyake et al., 2000), namely updating ( of new information), inhibition (suppressing pre-potent responses), and shifting (from one mental set to another), that could be differentially altered as we age. The variability in the trajectories of

cognitive decline (Buckner, 2004) suggest that compensatory mechanisms (Cabeza, Anderson, Locantore,

&

Mclntosh, 2002) and individual factors (i.e., involvement in physical activity, cognitive reserve) (Tucker & Stern, 2011) could minimize these deficits.

Physical activity, defined as any activity that involves bodily movements, is one individual factor that can reduce the impact of aging on executive functions (Sofi et al., 2011; M. W. Voss, Nagamatsu, Liu-Ambrose, & Kramer, 2011). In goal-directed research, physical activity that was planned, structured and repetitive improve physical fitness, defined as the ability to function efficiently and effectively in work and leisure activities and to meet unforeseen emergency situations (Caspersen et al., 1985). Theoretically, the "selective improvement" hypothesis (Kramer et al., 1999) argues that aerobic exercise known to increase cardiorespiratory fitness as indexed by direct measures or estimations of V02max (i.e., capacity of the body to transport and use oxygen during incremental exercise) should present the largest bene fit in tasks requiring executive control processes (S. Colcombe & Kramer, 2003; Renaud et al., 2010) (but also see (Liu-Ambrose et al., 2012) for the effect of resistance training).

(42)

A recent review (Barenberg, Berse, & Dutke, 2011) found evidence that long-term physical activity interventions have consistent effects on tasks requiring inhibition or requiring dual-task coordination, compared to tasks requiring shifting which suggests that basic executive function mechanisms may be differentially affected by physical activity. However, the consistency of the effect on dual-task coordination remains precarious as it is based on only two results (T. Harada, Okagawa,

&

Kubota, 2004; H. L. Hawkins, Kramer, & Capaldi, 1992). In the current study, we explore the effect of aerobic exercise on a complex task requiring both inhibition and shifting ( dual executive function condition), compared to a task requiring only inhibition.

One task commonly used to explore age differences in inhibitory control processes is the Interference condition of the Stroop Color-Word T ask (MacLeod, 1991 ). In this condition, the Stroop effect occurs when naming the color of the ink in which a word is written, this happens faster and more accurately when the color denoted by the name is Congruent ( e.g., Blue written in blue ), rather than Incongruent ( e.g., Blue written in red). When compared to younger adults; older adults demonstrate longer reaction times (RT) and higher error rates in the Incongruent condition (i.e.,

Interference condition) (Bugg, DeLosh, Davalos, & Davis, 2007; Cohn, Dustman, & Bradford, 1984; Troyer, Leach, & Strauss, 2006; West, 2004).

The present study targeted sedentary older adults (i.e., no or irregular physical

activity) and examined if the benefits of aerobic exercise extend to different executive processes measured by a modified version of the Stroop task (Bohnen, Jolles, & Twijnstra, 1992). This modified version includes a Switching condition in addition to the classic Interference or Inhibition condition. The executive component of Shifting, or the ability to switch between different task sets, has demonstrated the most robust age-related deficits (Paul Verhaeghen, 2011) and has been identified as an important

(43)

predictor of the maintenance of independent living in older adults (Vaughan & Giovanello, 2010). In accordance with Barenberg et al. (Barenberg et al., 2011) the aerobic exercise training benefit on executive fonctions should be observed in the Inhibition condition. In comparison to the Inhibition condition, we expect the dual executive-function condition to demonstrate smaller training benefits, since the existing findings of long-term physical activity benefits on tasks requiring shifting are less consistent (Barenberg et al., 2011 ).

2.3 METHOD

2.3.1 Participants

Through advertisement in community centers in the Montreal area, 77 older adults were recruited. All participants completed a phone screening evaluating their physical health prior to admission in the study. The level of risk when engaging in intense physical activity and the level of physical activity over the 12 past months was assessed by the completion of the modified questionnaire of aptitude to physical activity (QAA-P) and the Modifiable Activity Questionnaire (MAQ) (Vuillemin et al., 2000). Only sedentary adults, whose frequency of physical activity was less than twice per week, were enrolled.

Exclusion criteria included a history of neurological disease or major surgery in the year preceding the study, auditory or visual impairments that had not been corrected; cardiovascular disease or vascular peripheral attacks, and/or moderate to severe hypertension. In order to exclude participants with dementia or depression, a score lower than 26/30 on the Mini-Mental State Examination (MMSE) (Folstein, Folstein, & McHugh, 1975) and higher than 10 on the Geriatric Depression Scale (GDS)

(44)

(Yesavage et al., 1982) resulted in exclusion. Ten participants did not meet inclusion criteria.

Assignment of the remaining 67 participants was based on the order of recruitment and on participants' willingness to engage in a 3-months fitness training program. Therefore, 32 participants were assigned to the experimental group and the remaining 35 were assigned to the control group who did not receive any training. After

completing the screening, seven participants in the training group and ten in the control group decided not to pursue the study for persona} reasons. In the training group, there were no differences in baseline characteristics between the individuals who decided not to pursue and those who remained in the study. In the control group, those who discontinued were older (p < 0.05) and had lower scores (p < 0.05) on the Similarities subtest of the WAIS-III.

The remaining participants in both the aerobic exercise group (F/M= 21 / 4; age (years) = 67.80 ± 6.60; education (years) = 14.36 ± 4.17) and the control group (F/M= 21 / 4; age (years) = 67.72 ± 6.01; education (years) = 12.92 ± 2.61)

completed the study. Within these 50 participants, one participant in each group was excluded from statistical analyses due to missing Stroop Test data. On a five-point health-rating scale (5

= excellent), the experimental (M= 4.21, SD =

0.74) and control groups (M

=

4.17, SD = O. 72) average ratings were equivalent. Table 2.1 presents baseline characteristics of both groups.

2.3 .2 Procedure

During the pre-test session, the consent form was signed and all screening tests and questionnaires were completed, along with the modified Stroop task (see description below). In the second session, a test of cardiorespiratory fitness (Rockport one-mile

(45)

test, (Kline et al., 1987)) was completed. Then the training group participated in a 12-week aerobic fitness program (see below). In a post-test session, both groups were re-evaluated with the same neuropsychological battery (including the Stroop task) and the Rockport one-mile fitness test. The study was completed within a 14-week period (1 week ofpre-testing, 12 weeks of training, 1 week of post-testing).

2.3.3 Aerobic Fitness Program

The 3-month (3 x 1 houri week) physical exercise program was composed of stretching and cardiorespiratory exercises (fast walking and aerobic dancing).

Adequate warm-up and cool-down periods and progressive and gradua! increments in exercise duration and energy expenditure were implemented according to

recommendations (Nelson et al., 2007). Duration of cardiorespiratory exercise was also gradually increased during the training program, beginning at 15 min per session and increasing until participants were exercising for 40 min per session. The training sessions were continuously supervised by two professional kinesiologists. Training session attendance was high, with participants attending 86.58% of sessions.

2.3.4 Pre- and Post-test Measures: Cardiorespiratory fitness assessment

The Rockport one-mile test (Kline et al., 1987) was employed to evaluate

cardiorespiratory fitness. This walking test pro vides an accurate estimation of the maximum level of oxygen consumption (V02max;(Kline et al., 1987)). A strong correlation coefficient (r

= 0.88) has been reported between the Rockport estimated

V02max and a direct measure ofV02max during an incremented test on a treadmill (Kline et al., 1987). Participants wearing Polar S 120 Heart rate Monitor (Polar Electro, Lake Success, NY, USA) were instructed to walk one mile without stopping, as fast as possible. The time required to complete the distance was manually recorded on a stopwatch. Heart rate frequency was recorded 1 min after the end of the walking

Figure

Table 2.1  Participant's baseline characteristics.  Control  Training  M(SD)  M(SD)  General characteristics  Age  68.08 (5.85)  67.83 (6.74)  Education  12.96 (2.66)  14.42 (4.25)
Table  2.2  Participant's baseline and  follow-up results (Mean (SD)) for the  Stroop test
Figure  2.1  Mean  and SE  for V02max estimate (a) and walking time (b) in the Rockport  one-mile test
Figure 2.2 Mean (s) and SE for the change score on the Stroop test.  *  p  &lt; .05.
+7

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