Coordinations Posturales et Expertise en Gymnastique
Ludovic Marin, Benoît G. Bardy, et Reinoud J. Bootsma
Correspondance:
Ludovic Marin
UMR Mouvement & Perception CNRS - Université de la Méditerranée Faculté des Sciences du Sport
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Introduction
La posture est souvent définie comme la position relative des différentes parties du corps organisée en une attitude générale (Bouisset, 1991). Cette attitude posturale est le résultat de la coordination de plusieurs articulations du corps humain. Aussi, pour adopter une posture érigée (dite debout), nous pouvons mobiliser nos hanches, nos chevilles ou nos genoux selon une multitude de combinaisons possibles. Dans le même temps, il est étonnant de constater la facilité avec laquelle nous semblons adopter la coordination posturale la plus efficace dans une tâche donnée. Si nous effectuons le "bon choix", c'est parce que la posture retenue permet d'une part de se maintenir en équilibre et d'autre part d'optimiser le mouvement supra-postural qui lui est associé (Riccio & Stoffregen, 1988). C’est dans ce contexte finalisé que s’inscrit ce travail. Il a pour but de déterminer la nature des différences posturales entre sujets sédentaires et sujets experts en gymnastique. Dans cette étude nous envisageons les coordinations posturales à l'aide d’une approche dynamique (Kelso, 1995).
Parmi l’ensemble des combinaisons articulaires possibles permettant de rétablir l'équilibre suite à une perturbation, Nashner et McCollum (1985) ont décrit deux stratégies posturales préférées qui combinent l'articulation des chevilles et celle des hanches (parfois celle des genoux): la stratégie Cheville et la stratégie Hanche. Dans la stratégie Cheville, le sujet oscille autour de l'articulation des chevilles tel un pendule inversé sans mouvement apparent au niveau des hanches (Nashner & McCollum, 1985; McCollum & Leen, 1989; Horak &
Nashner, 1986; Horak, Nashner, & Diener, 1990). Dans la stratégie Hanche, la régulation de l’équilibre est assurée par une inclinaison du buste sur les jambes (McCollum & Leen, 1989;
Horak & Nashner, 1986). D'après McCollum et Leen (1989), la stratégie Cheville est adoptée préférentiellement pour réguler la station droite, c'est à dire pour compenser des perturbations à basse fréquence (en dessous de 0.2 Hz - Nashner, Shupert, Horak, & Black, 1989) ou de faible amplitude (en dessous de 20° - McCollum & Leen, 1989). En revanche la stratégie Hanche est utilisée pour réagir à des perturbations à plus haute fréquence (jusqu'à 2.5 Hz) et
de plus grande amplitude. Finalement, l’existence de stratégies dites mixtes doit être soulignée.
Cette notion de stratégie posturale est aujourd’hui tellement répandue dans la littérature qu’il peut paraître incongru d’en indiquer les limites. Pourtant, la manière dont ces stratégies Hanche et Cheville sont définies présente quelques ambiguïtés. Tout d'abord, en dépit de l’assimilation de la stratégie Cheville à un pendule inversé (Gurfinkel & Osevets, 1972), des mouvements angulaires des hanches ont été observés dans de nombreuses études (e.g., Nashner & McCollum, 1985, p.140 et Figure 5a; Riccio & Stoffregen, 1988; Stockwell, Koozekanani, & Barin, 1981), suggérant en fait une mobilisation simultanée des hanches et des chevilles. Une telle remarque reste valide pour la définition de la stratégie Hanche et des stratégies mixtes. D’autre part, le “ choix ” par le sujet de la stratégie appropriée, c’est-à-dire sa sélection, sa planification et sa programmation, n’est pas sans poser quelques problèmes.
Même si bon nombre de chercheurs acceptent l'idée que ces stratégies sont déclenchées par un programme central et spécifiés par les caractéristiques du milieu (Horak, Diener, &
Nashner, 1985; Nashner & McCollum, 1985; Horak & Nashner, 1986), il reste en effet difficile d’imaginer - de surcroît dans les activités physiques et sportives, par essence complexes - un contrôle entièrement prescriptif. La programmation centrale d’une stratégie implique par définition une connaissance a priori de tous les paramètres qui peuvent influencer le déroulement du mouvement (e.g., les conditions initiales, les interactions entre les segments, etc.). Finalement, le paradigme de perturbation posturale (la plateforme mobile) utilisé dans la plupart des études sur la posture, peut également contribuer à augmenter l’ambiguïté de la notion de stratégie. Dans un tel paradigme en effet, les sujets doivent revenir à la station droite après une perturbation mécanique de la surface de support. Or, dans la plupart des activités humaines impliquant le système postural, le caractère discret de la position de référence à atteindre est plus l’exception que la règle. Ces observations obtenues après une perturbation du support peuvent être également présentes au cours du maintien de l'équilibre. Une compréhension fine des mécanismes de régulation posturale chez l’homme debout reste donc un enjeu important.
Ces ambiguïtés relatives à la notion de stratégie, Cheville ou Hanche, nous ont récemment conduit à envisager les coordinations posturales d'une autre façon, à l'aide d'une approche dynamique (Bardy, Marin, Stoffregen, & Bootsma, 1997; Marin, Bardy, Baumberger, Flückiger, & Stoffregen, sous presse). En particulier, nous avons pu montrer que les relations articulaires entre les segments du système postural, i.e., les modes de coordination posturale émergent de l’interaction entre trois types de contraintes (voir Newell, 1986; Riccio & Stoffregen, 1988): intrinsèques (liées aux propriétés du sujet), intentionnelles (liées au but de la tâche), et environnementales (liées à la surface de support). Au cours de deux expériences (Bardy et al., 1997) dans lesquelles les sujets avaient pour tâche de suivre intentionnellement de la tête le déplacement antéro-postérieur d’un objet, les contraintes intrinsèques (hauteur du centre de gravité et longueur du pied) et intentionnelles (suivre volontairement le déplacement de la cible) ont été manipulées. Les aspects qualitatifs de la coordination posturale adoptée ont été analysés à l'aide de la phase relative (PR) entre le mouvement angulaire de l’articulation de la cheville et celui de la hanche (voir la méthode pour les détails). La phase relative a souvent été utilisée pour caractériser la dynamique intrinsèque des coordinations dans de nombreux mouvements cycliques (Diedrich & Warren, 1995; Kelso, 1984; Kelso, Buchanan, & Wallace, 1991; Zanone & Kelso, 1992). Ses intérêts essentiels pour l’analyse du système postural sont, d'une part, de mettre en relation les deux articulations les plus sollicitées dans les mouvements posturaux (hanche et cheville), et d'autre part d'utiliser les outils d'analyse des patrons dynamiques pour étudier la posture. Une coordination posturale caractérisée par une PR égale à 180° (coordination en opposition de phase) signifie que l’articulation des hanches et celle des chevilles se déplacent dans une direction opposée. Inversement, une PR égale à 0° (coordination en phase) indique une mobilisation de ces deux articulations dans la même direction. Précisément, les résultats de Bardy et al. (1997) et de Marin et al. (sous presse) indiquent que ces deux modes de coordination (0° et 180°) émergent systématiquement des manipulations effectuées.
L'augmentation de l'amplitude du déplacement de la cible entraîne un changement d’un mode
en phase vers un mode en opposition de phase. Ce changement apparaît plus tôt lorsque la hauteur du centre de gravité est élevée et lorsque la longueur des pieds est raccourcie.
Suite à ces travaux, nous voulons ici déterminer si un entraînement sportif à long terme modifie les coordinations posturales adoptées. D'après Weineck (1992), l'expertise motrice en sport se caractérise par un changement structural et fonctionnel des qualités musculaires mises en action au cours de l'entraînement. Aussi, après de longues années de pratique il est possible que les sportifs aient développé de nouvelles coordinations posturales ou transformé fonctionnellement les coordinations déjà existantes. Une telle modification permet de considérer l'expertise comme une contrainte intrinsèque au même titre que le poids, la taille ou l’inertie du sujet. Dans ce travail, les effets de l'expertise en gymnastique artistique féminine sont envisagés. Un problème important pour les gymnastes est qu’elles doivent gérer un “ conflit postural ” lorsqu'elles évoluent sur la poutre d'équilibre. D’un côté, le code de pointage de la gymnastique proscrit tout mouvement équilibratoire des hanches à cet agrès.
De l’autre, les caractéristiques de l’engin, par ses dimensions (10 cm de largeur), favorisent largement ces mouvements de hanche à haute fréquence et par conséquent un mode de coordination en opposition de phase (Nashner & McCollum, 1985; Horak & Nashner, 1986).
La gestion d’un tel conflit peut produire deux effets complémentaires. Il peut inciter la gymnaste à développer une nouvelle organisation posturale, et donc de nouveaux modes de coordination. Il peut également produire un changement des caractéristiques musculaires de l'articulation de la cheville et renforcer une coordination en phase pour des perturbations à haute fréquence.
Dans cette étude, nous cherchons à déterminer s'il existe des différences entre les coordinations posturales des sédentaires et celles des gymnastes. Pour cela, nous avons demandé à deux groupes de sujets (sédentaires et gymnastes féminines), placés devant un écran de grandes dimensions, de suivre intentionnellement de la tête le déplacement antéro- postérieur d'une cible projetée. La fréquence d’oscillation de la cible a été manipulée et les coordinations posturales ont été enregistrées.
Méthode
Sujets
Huit expertes en gymnastique féminine (20 ans ± 1.03) et huit sujets sédentaires (21 ans ± 1.21) participent à l’expérience. Les gymnastes pratiquent l’activité en compétition depuis plus de dix ans, et au niveau au moins régional. Les sujets ont approximativement le même poids et la même taille (taille: 1.60 m ± 4.05, poids: 52 kg ± 3.52).
Dispositif et tâche
Les sujets sont debout face à un écran de grandes dimensions (3.00 m horizontal x 2.25 m vertical) sur lequel est projeté une cible. Celle ci est un rectangle vert (60 cm x 40 cm) qui oscille en continu d'avant en arrière. L’image est créée à l'aide d'une station graphique INDY 4600 XZ et projetée sur l’écran rétro-éclairé à l'aide d'un vidéo-projecteur ELECTROHOME 7500. La résolution de l'image est de 1350 x 1100 pixels. Le centre du rectangle est à hauteur des yeux des sujets.
Chaque participant a pour consigne de suivre intentionnellement de la tête, sans bouger les pieds, le déplacement antéro-postérieur de la cible. Une poursuite parfaite de cette cible correspond à un déplacement de la tête d'une amplitude de A = 3 cm. Aucune instruction n'est donnée relative aux mouvements articulaires des hanches ou des chevilles. Chaque sujet est totalement libre de s’organiser posturalement afin d’effectuer la tâche.
Variables indépendantes et procédure
Dans cette expérience, nous examinons l'interaction entre le niveau d'expertise (analysé comme une contrainte intrinsèque) et la fréquence d'oscillation de la cible (analysée comme une contrainte intentionnelle). Pour la variable Expertise, nous comparons un groupe de gymnastes féminines confirmées et un groupe de sédentaires de même poids, de même
taille et de même sexe. Pour la variable Fréquence, quatre fréquences d'oscillations de la cible sont testées: 0.15 Hz, 0.40 Hz, 0.50 Hz et 0.70 Hz. Pour chacune de ces conditions expérimentales, la cible est présentée pendant 120 secondes mais seules les 40 dernières secondes sont enregistrées et analysées. Les essais sont présentés de façon aléatoire et l’ordre de passation est contrebalancé entre les sujets. Une période de familiarisation de 2 minutes utilisant différentes fréquences d'oscillation précède la phase d'acquisition.
Acquisition des données et variables dépendantes
Deux types de variables sont enregistrées: la performance des sujets à la tâche de poursuite et les coordinations posturales adoptées.
En ce qui concerne la performance, nous enregistrons les déplacements antéro- postérieurs de la tête à l'aide d'un locomètre (Bessou, Dupuis, Montoya, & Pages, 1989) à une fréquence d'échantillonnage de 30 Hz. Ce dispositif est constitué d'un fil attaché derrière la tête du sujet qui entraîne, au cours du déplacement de ce dernier, un potentiomètre 10 tours.
Un système de poulies permet au sujet d'effectuer un déplacement antéro-postérieur d'environ 5 m (les oscillations maximales observées dans cette expérience ne dépasse pas 10 cm). Une différence de potentiel de 1 Volt correspond à une distance au sol de 0.11 m. Le défaut de linéarité maximum du potentiomètre entraîne une erreur de 0.001 m pour un déplacement continu de 2 m. Par conséquent, l'erreur de mesure lors de la répétition d'une même longueur peut être considérée comme constante et négligeable. Chaque essai enregistré est constitué d'une série de données de positions au cours du temps réparties en plusieurs cycles périodiques. Pour chaque cycle, la différence entre le pic maximal et le pic minimal de position est calculée. La différence moyenne sur l'ensemble des cycles permet de définir l'amplitude moyenne du déplacement de la tête du sujet au cours d'un essai. Les données sont recueillies en volts et converties en mm à l'aide d'un convertisseur analogique numérique BIOPAC MP 100.
Afin de déterminer l'avance ou le retard de la tête par rapport à la cible, i.e. le décalage de phase, l'acquisition est déclenchée par un signal provenant de l'INDY au début d'un cycle d'oscillation. Pour chaque essai, les corrélations croisées entre les déplacements de la tête et
ceux de la cible sont calculées. Le R résultant fournit une indication sur l'intensité du couplage tête-cible.
Le mode de coordination posturale adopté est obtenu à partir de l'enregistrement des déplacements angulaires de la hanche et de la cheville droite. Deux électro-goniomètres BIOMETRIX couplés au système BIOPAC sont pour cela utilisés. Ils sont placés du grand trochanter à l'épine iliaque (pour la hanche) et de la partie inférieure de la face antérieure du tibia aux os du tarse (pour la cheville). La précision des déplacements angulaires est de un degré dans le plan antéro-postérieur. Les déplacements angulaires de la cheville et de la hanche permettent de calculer la phase relative hanche-cheville (φh-c), en soustrayant la phase de la cheville de celle de la hanche. Ces deux dernières phases sont obtenues à l'aide d'une analyse de Fourier (FFT) à la fréquence d'oscillation de la cible. Une valeur de φh-c = 0o indique un déplacement simultané des chevilles et des hanches dans la même direction (patron en phase), tandis que φh-c = 180o indique un déplacement simultané de ces deux articulations en opposition de phase (patron en opposition de phase). Les mouvements de la hanche et de la cheville sont également enregistrés à 30 Hz et synchronisés avec ceux de la tête.
Pour la performance, les variables dépendantes sont donc (i) l'amplitude pic-à-pic (At) de la tête dans la direction antéro-postérieure, (ii) les corrélations croisées R entre la tête et la cible, (iii) et leur décalage de phase (φt-c). Pour les modes de coordination, les variables sont (iv) l'amplitude pic-à-pic de la hanche (Ahanche) et de la cheville (Acheville) dans la direction antéro-postérieure, et (v) la phase relative entre les hanches et les chevilles φh-c. Les valeurs de phase étant des variables angulaires (360°), des statistiques circulaires sont utilisées pour calculer les moyennes et les écarts types de φh-c et de φt-c (Batschelet, 1981). Le test de Raleigh, avec un intervalle de confiance de 95%, permet de déterminer si les phases sont distribuées aléatoirement au cours des essais ou significativement regroupées autour d'une valeur moyenne. Le test de Watson-Williams est ensuite utilisé pour analyser ces variables circulaires. Pour comparer les données linéaires (transformées z des corrélations croisées, amplitude de la tête, des hanches et des chevilles) nous avons effectué les tests classiques (ANOVA et test de Student).
Résultats
Un des objectifs de ce travail est de savoir si les coordinations posturales sont influencées par le niveau d'expertise. La Figure 1 montre un exemple de mouvement de la cible, de la tête, des hanches et des chevilles pour un même essai (1A) réalisés par un sujet sédentaire (à droite) et un sujet gymnaste (à gauche). La figure de gauche représente une coordination en phase et celle de droite une coordination en opposition de phase. Nous avons également représenté (1B) le spectre d'amplitude (FFT) au cours de ces deux essais. La Figure 1A et le Tableau 1 (colonne 2) indiquent que les participantes ont bien réalisé la tâche de poursuite conformément aux consignes expérimentales. Nous présentons d'abord la performance à la tâche (poursuite de la tête) avant de décrire comment cette performance est produite.
Insérer ici la Figure 1(A-B) et le Tableau 1
1. La performance à la tâche de poursuite
Le Tableau 1 indique la moyenne de l'amplitude des oscillations (colonne 1) des corrélations croisées cible-tête (colonne 2), du gain (colonne 3) et du décalage de phase tête- cible (colonne 4). Deux points importants se dégagent des résultats. Premièrement, les participantes n'ont pas de problème pour suivre la cible. Deuxièmement, les sujets gymnastes sont plus performantes que les sujets sédentaires: elles adaptent mieux l'amplitude de leurs oscillations à celle simulée et se déplacent davantage en phase avec la cible. Voyons ces deux points plus en détails.
Les corrélations croisées. La tâche des participantes est de suivre intentionnellement de la tête le déplacement de la cible, ce qui peut se formaliser par une corrélation croisée et un gain égaux à 1, et un décalage de phase nul. Le Tableau 1 (colonne 2) indique un couplage tête- cible élevé dans toutes les conditions. En effet, pour tous les essais et pour tous les sujets, les
corrélations croisées sont comprises entre 0.89 et 0.95; un t-test effectué sur les transformées z des coefficients de corrélation révèle que les R sont différents de zéro dans toutes les conditions expérimentales, ts(1, 7) > 8.98, ps < .01. Cependant une ANOVA sur les (transformées z des) corrélations croisées révèle un effet du facteur Expertise, F(1, 14) = 21.17, p < .01, expliquant 35% de la variance totale. Malgré cette différence, il existe un fort couplage entre les déplacements de la cible et les oscillations des sujets pour les deux groupes étudiés (Rs > .89) indiquant que les participantes n'ont pas de problème pour détecter et suivre les déplacements de la cible.
Amplitude des oscillations et gain. La colonne 1 du Tableau 1 indique que l'amplitude des déplacements de la tête de tous les sujets est au dessus de 3 cm. Cependant, il existe des différences entre les sujets gymnastes (Ah = 4.10 ± 1.44 cm ) et les sujets sédentaires (Ah = 6.25 ± 1.28 cm ). Ce résultat est confirmé par une ANOVA sur l'amplitude pic-à-pic des oscillations de la tête, qui révèle un effet du facteur Expertise, F(1, 14) = 31.83, p < .01, 32%
de la variance totale, et un effet du facteur Fréquence, F(3, 42) = 16.16, p < .01, 20% de la variance totale. Il existe également une interaction Fréquence x Expertise significative, F(3, 42) = 13.76, p < .01, 17% de la variance totale. Cette interaction montre que l’augmentation de la fréquence des oscillations de la cible produit une augmentation de l’amplitude des oscillations de la tête chez les sujets sédentaires mais pas chez les gymnastes (pNewman-Keuls <
.01). Le gain (Tableau 1, colonne 3) confirme ces résultats car il est compris entre de 1.34 à 1.41 pour les gymnastes alors qu'il varie de 1.42 à 2.76, pour les conditions de haute fréquence chez les sédentaires.
Décalage de phase entre la tête et la cible. La moyenne angulaire de la phase entre la tête et la cible (Tableau 1, colonne 4), φt-c, est significativement groupée autour d'une valeur moyenne (colonne 5), ce qui indique une phase préférée dans toutes les conditions. Cependant, il existe des différences entre les deux niveaux d'expertise. Les gymnastes oscillent en phase avec la cible dans les quatre conditions de fréquence (M = -3.62° ± 6.84) de même que les sédentaires dans la condition de plus basse fréquence (M = -2.46° ± 6.17). Ce résultat est
confirmé par l’intervalle de confiance à 95% qui contient 0° de phase pour ces conditions, et ensuite par un test de Watson-Williams ne révélant aucune différence entre les expertes et les sédentaires pour les deux conditions de basse fréquence F(1, 6) = 5.35, ns. En revanche, l’intervalle de confiance pour les trois conditions de haute fréquence chez les sédentaires ne contient pas la valeur 0° (M = -5.78° ± 14.85), et le test de Watson-Williams indique une différence significative pour ces conditions entre les sédentaires et les experts, F(1, 22) = 8.37, p < .01. En résumé, les gymnastes oscillent en phase avec la cible alors que les sédentaires accusent un retard de 5° à 10° par rapport à la cible. Ceci est cohérent avec les analyses portant sur les corrélations croisées et l'amplitude de la tête qui indiquent que les sédentaires sont sensiblement moins performantes que les gymnastes pour détecter et pour répondre aux oscillations (de 3 cm) de la cible.
2. Les modes de coordination posturale
Les résultats détaillés ci-dessus indiquent que les participantes sont capables de contrôler leurs coordinations posturales afin d'être performantes dans la tâche qui leur est imposée. Nous allons maintenant étudier l'organisation posturale qui sous-tend cette performance. Le Tableau 2 montre la moyenne de l'amplitude pic-à-pic du mouvement angulaire des chevilles et des hanches et la Figure 2 indique les phases relatives hanche- cheville à la fréquence d'oscillation de la cible. Trois résultats principaux peuvent être observés. Tout d'abord, l'augmentation de la fréquence du mouvement de la cible entraîne une augmentation de l'amplitude des chevilles et des hanches. Deuxièmement, cette augmentation de fréquence produit un changement brutal d'une coordination en phase à une coordination en opposition de phase. Troisièmement, ce changement s'effectue plus précocement chez les sujets sédentaires que chez les gymnastes. Voyons ces résultats en détail.
Insérer ici la Figure 2 et le Tableau 2
Amplitudes des hanches et des chevilles. La Figure 1B et le Tableau 2 (colonne 2) indiquent la moyenne de l'amplitude pic-à-pic du mouvement des hanches. Une ANOVA sur
l'amplitude des hanches révèle un effet principal du facteur Fréquence, F(3, 42) = 42.18, p <
.01, 50% de la variance totale, et un effet du facteur Expertise, F(1, 14) = 181.08, p < .01, 19% de la variance totale. L'interaction Fréquence x Expertise est aussi significative F(3, 42)
= 10.09, p < .01 et explique 12% de la variance totale. Elle indique que les déplacements de l'articulation des hanches augmentent fortement lorsque les sujets sédentaires oscillent à une fréquence supérieure à 0.40 Hz (pNewman-Keuls < .01). Cette mobilisation accrue des hanches apparaît également chez les gymnastes mais seulement pour une fréquence de 0.70 Hz (pNewman-Keuls < .01). Nous pouvons observer des résultats similaires pour l'amplitude pic-à-pic du mouvement des chevilles (colonne 1). Une ANOVA sur l'amplitude des chevilles indique un effet principal du facteur Expertise, F(1, 14) = 40.17, p < .01, 28% de la variance totale, ainsi que du facteur Fréquence, F(3, 42) = 13.06, p < .01, 27% de la variance totale.
L’interaction Fréquence x Expertise, en revanche, n'est pas significative, F(3, 42) = 2.74, ns.
En résumé, ces données sur l’angle des hanches et celui des chevilles au cours du mouvement montrent que les déplacements de ces deux articulations sont fortement liés à ceux de la tête: un grand mouvement de la tête produit généralement un grand mouvement angulaire des hanches et/ou des chevilles. Cependant l'analyse de l'amplitude articulaire n'est pas suffisante pour déterminer la coordination posturale adoptée par les participantes. Pour ce faire, il est nécessaire d'étudier les phases relatives entre l'angle des hanches et celui des chevilles.
La phase relative hanche-cheville. La colonne 3 du Tableau 2 et la Figure 2 montrent la moyenne de la phase relative hanche-cheville (φh-c) à la fréquence de la cible. L'analyse de φh-c révèle deux valeurs principales: 0° (coordination en phase) et 180° (coordination en opposition de phase). Pour chaque condition, la moyenne φh-c est significativement groupée autour d'une valeur moyenne (Tableau 2, colonne 4) indiquant une phase relative préférée.
D'autre part, à l'exception de la condition 0.40 H chez les sujets sédentaires, l'intervalle de confiance à 95% contient soit une phase de 0°, soit une phase de 180° (colonne 3). Par conséquent, la coordination posturale φh-c émergeant de chaque condition expérimentale n'est pas différente d'une coordination en phase ou d’une coordination en opposition de phase
(excepté pour la condition 0.40 Hz chez les sédentaires). D’autre part, les résultats montrent que l'augmentation de la fréquence de la cible entraîne le passage d'une coordination de φh-c = 0° à une coordination de φh-c = 180°, conformément à l’analyse effectuée sur l'amplitude articulaire des hanches et des chevilles. Cependant, ce changement de 0° à 180° n’est pas homogène entre les deux niveaux d’expertise. Il a lieu plus tôt (0.50 Hz) chez les sédentaires que chez les gymnastes (0.70 Hz). En ce qui concerne le groupe des sédentaires, on peut de plus remarquer l’existence d’une coordination intermédiaire (φh-c = 31°) pour la fréquence de 0.40 Hz. Ce mode intermédiaire peut représenter soit un changement continu d'un mode en phase vers un mode en opposition de phase (ou inversement), soit une grande variabilité intra- individuelle. Les résultats actuels ne nous permettent pas de trancher en faveur de l'une ou l'autre de ces interprétations puisque nous n'avons analysé que la variabilité inter-sujet.
Toutefois une telle coordination signifie que les chevilles et les hanches des sujets sont décalées en moyenne de 31° les unes par rapport aux autres.
Discussion
Cette expérience avait pour objectif de déterminer si des sujets experts en gymnastique utilisent les mêmes coordinations posturales que des sujets sédentaires dans la régulation d'une tâche supra-posturale. Cette tâche consistait à suivre intentionnellement le mouvement antéro-postérieur d'un cible oscillant à différentes fréquences. En règle générale, les résultats montrent que les participantes sont capables d'effectuer cette tâche de poursuite avec précision. Cependant, des différences existent entre les deux niveaux d'expertise: les sujets sédentaires sont souvent en retard et surestiment les déplacements de la cible surtout à la fréquence la plus élevée. L'analyse de la phase relative entre l'articulation des hanches et celle des chevilles indique pour les deux groupes de sujets l'existence de deux modes stables de coordination: une coordination en phase (phase relative de 0°) et une coordination en opposition de phase (phase relative de 180°). L'augmentation de la fréquence d'oscillation de la cible entraîne un changement d'un patron en phase (0°) vers un patron en opposition de
phase (180°) pour les deux groupes de sujets mais ce changement est plus précoce chez les sédentaires que chez les gymnastes.
Il faut tout d’abord retenir de ces données la confirmation des résultats obtenus antérieurement (Bardy et al., 1997; Marin et al., sous presse). De l’ensemble des variables manipulées, deux principales coordinations posturales, stables, semblent en effet émerger spontanément chez tous les participants: une coordination en phase (0°) et une coordination en opposition de phase (180°). Dans ce contexte, la phase relative entre les hanches et les chevilles semble être une variable essentielle résumant la structure temporelle sous-tendant l’activité posturale.
Mais les résultats obtenus dans cette étude permettent surtout de mieux appréhender les relations entre expertise sportive et contrôle de la posture. Nous avons évoqué en introduction le conflit postural auquel sont confrontées les gymnastes à la poutre d'équilibre:
minimiser les mouvements de hanche tout en effectuant des mouvements à haute fréquence sur une surface étroite. Deux hypothèses ont été avancées pour expliquer la capacité des gymnastes à gérer de façon optimale ce conflit. La première consiste pour l’expert à développer de nouvelles coordinations posturales, inhabituelles pour un sédentaire. La seconde consiste à renforcer les coordinations déjà existantes et leur permettre d'être efficaces face à des déplacements à plus haute fréquence. Ces deux hypothèses ne sont bien entendu pas contradictoires, mais les résultats obtenus favorisent plutôt la seconde. Nous avons en effet observé le maintien de la coordination en phase pour des fréquences plus élevées chez les gymnastes que chez les sédentaires.
Une première formalisation de ces liens entre fréquence et mode de coordination peut être envisagée, à l'aide d'un modèle de pendule inversé de type "masse-ressort" (Turvey, Schmidt, Rosenbaum, & Kugler, 1988). La fréquence d'oscillation d'un pendule inversé en équilibre instable (voir Figure 3) est en effet donnée par l’équation suivante:
F= 1 2π
mlg+kb2
ml2 (1)
où F est la fréquence d'oscillation du pendule, g l'accélération gravitaire, l la distance du centre de rotation à la masse m, k la raideur du ressort (raideur du muscle) et b la distance entre le centre de rotation et le point d'insertion du muscle.
Insérer ici la Figure 3
Dans l'Equation 1, toutes les valeurs sont des constantes à l'exception de la raideur du ressort k. Ainsi, la fréquence d'oscillation d’un pendule inversé simple dépend essentiellement de la raideur musculaire: si une perturbation survient, le système postural revient vers sa position d'équilibre initiale à cause de la force générée par la raideur musculaire. Nous qualifions ici de raideur musculaire la force de rappel général qu'un muscle actif peut exercer lorsqu'il se contracte (Fitzpatrick, Taylor & McCloskey, 1992).
L'augmentation de la raideur a deux origines. Elle peut résulter soit d'une augmentation de la co-contraction du couple agoniste-antagoniste, soit d’une augmentation du gain du réflexe d’étirement du ou des muscles de l'articulation sollicitée (Fitzpatrick et al., 1992). Dans un tel contexte l'entraînement permettrait, ainsi, d'augmenter les qualités musculairement de la cheville des gymnastes tout en réduisant les mouvements de la hanche à de petits déplacements. Nous pensons que ces sportives ont augmenté les caractéristiques de la co- contraction du couple agoniste-antagoniste des muscles de l'articulation de la cheville (et sûrement de la hanche1) afin de se déplacer à haute fréquence lors d'un mode de coordination en phase. L’amélioration du “ gainage ”, terme utilisé en gymnastique pour définir la co- contraction du système postural, pourrait conduire les gymnastes à utiliser davantage les chevilles que des sujets sédentaires et à se déplacer ainsi plus longtemps à haute fréquence sans trop mobiliser l'articulation des hanches (conformément au code de pointage). Par conséquent les gymnastes peuvent donc résoudre le conflit postural auquel elles sont confrontées (notamment à la poutre) par l'utilisation du mode de coordination en phase à haute fréquence. Les résultats obtenus sont compatible avec une telle hypothèse. Bien que
1 Dans cette étude nous envisageons la raideur de façon macroscopique puisqu'il nous est impossible, dans ce travail, de définir quelle composante élastique a été améliorée.
cette modélisation de type "pendule inversé" semble expliquer en partie nos résultats, son utilisation impose quelques prudences, et ce, pour trois raisons essentielles. Tout d'abord, la raideur k de l'équation 1 est considérée comme constante, ce qui est une approximation.
D'autre part, le point fixe du ressort est considéré comme immobile, ce qui, là encore, ne correspond pas tout à fait à la réalité. Enfin, cette modélisation ne tient compte du déplacement que d'une seule articulation, ici, les chevilles. Malgré ces précautions, l'utilisation d'un tel modèle nous semble intéressante pour comprendre les relations qui existe entre la raideur musculaire, la fréquence d'oscillation et les modes de coordination.
Finalement, il nous paraît important de retenir de cette étude les liens qui existent entre expertise sportive et contrôle postural. Les résultats obtenus indiquent en effet que les gymnastes sont capables d'utiliser plus efficacement des coordinations basales inscrites dans le répertoire comportemental du sujet novice. Dans ce contexte, les activités gymniques et acrobatiques, ainsi que les questions que leur réalisation efficace pose aux chercheurs, apparaissent comme un champ d'étude original pour comprendre les mécanismes qui sous- tendent la performance sportive.
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Tableau 1
Moyennes (et écarts-types) de la performance à la tâche de poursuite.
Groupe Fréquence
cible Atête (cm)
R Gain φt-c
(deg)
r de Raleigh
Gymnastes 0.15 Hz 4.03 (1.35)
0.94*
(.009)
1.34 -3.18
(5.79)
0.99*
0.40 Hz 4.07 (1.37)
0.95*
(.032)
1.36 -5.79
(8.47)
0.98*
0.50 Hz 4.10 (1.24)
0.95*
(.029)
1.37 -3.74
(5.73)
0.99*
0.70 Hz 4.23 (1.80)
0.94*
(.019)
1.41 -1.82
(7.40)
0.99*
Sédentaire s
0.15 Hz 4.13 (1.67)
0.91*
(.080)
1.38 -2.46
(6.17)
0.99*
0.40 Hz 5.25 (0.88)
0.90*
(.015)
1.75 -4.22
(10.37)
0.98*
0.50 Hz 7.39 (1.34)
0.89*
(.030)
2.46 -8.25
(22.15)
0.92*
0.70 Hz 8.26 (1.09)
0.89*
(.012)
2.75 -4.87
(12.05)
0.97*
Note. Atête est la moyenne de l'amplitude des déplacements de la tête. L'astérisque pour le R indique que les corrélations croisées entre la la tête et la cible sont différentes de 0. Le gain est le rapport entre l'amplitude maximale de la tête et l'amplitude maximale de la cible. φt-c indique la moyenne des phases relatives entre le déplacement de la tête et celui de la cible. L'astérisque pour le r de Raleigh indique que le test de non homogénéité de la phase est statistiquement significatif. *p < .05.
Tableau 2
Moyennes (et écarts-types) des modes de coordination posturale.
Groupe Fréquence
cible Acheville (deg)
Ahanche (deg)
φh-c (deg)
r de Raleigh
Gymnastes 0.15 Hz 2.67 (1.03)
2.87 (1.76)
-3.69*
(5.80)
0.99*
0.40 Hz 3.71 (1.63)
3.71 (2.08)
-8.45*
(6.93)
0.99*
0.50 Hz 3.92 (1.93)
3.61 (1.79)
9.71*
(11.89)
0.97*
0.70 Hz 5.61 (1.77)
21.97 (5.67)
-179.65*
(15.53)
0.94*
Sédentaire s
0.15 Hz 3.84 (1.63)
3.62 (4.05)
3.33*
(6.26)
0.99*
0.40 Hz 6.56 (3.78)
13.07 (9.17)
31.00 (28.78)
0.87*
0.50 Hz 9.01 (1.39)
27.41 (8.23)
-179.77*
(10.24)
0.98*
0.70 Hz 9.01 (1.14)
30.04 (5.44)
-178.80*
(7.44)
0.99*
Note. Acheville et Ahanche sont respectivement les moyennes de l'amplitude du déplacement de la cheville et de la hanche (en cm). L'astérisque pour φh-c
indique que la moyenne des phases relatives entre le déplacement de la cheville et celui de la hanche contient la valeur 0° ou 180°. L'astérisque pour le r de Raleigh indique que le test de non homogénéité de la phase est statistiquement significatif. *p < .05.
Légendes des figures
Figure 1(A et B) . Deux essais réalisés par un sujet sédentaire (à droite) et un sujet gymnaste (à gauche). 1A: exemple de déplacement de la cible, de la tête, de la hanche et de la cheville dans une même condition expériementale (A = 3 cm, F = 0.5 Hz). On observe pour cette même condition des modes de coordinations différents: un mode en phase (0° de phase relative) pour les gymnastes, un mode en opposition de phase (180° de phase relative) pour les sédentaires. 1B: Transformée Rapide de Fourier pour ces mêmes essais.
Figure 2. Moyennes et écarts-types des phases relatives hanche-cheville par condition expérimentale pour les sujets gymnastes et sédentaires.
Figure 3. Un modèle de type "masse-ressort" au cours de l'oscillation d'un pendule inversé.
tête cheville hanche
4 cm 7 cm
4.5° 27°
cible tête
cheville hanche
A
Gymnaste Sédentaire
0.3
Amplitude (cm)
0.6
0.2
Fréquence (Hz)
0.5 0.7 0.9 0.3 0.9
1.3
0.43
Fréquence (Hz) 0.5 0.7
B
Amplitude (cm)
Figure 1(A et B)
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Figure 2
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Figure 3
