Biomechanical analysis of a constrained and altered reach-to-grasp movement : quantitative indexes of the motor redundancy

Through the assessment of quantitative indexes, this work focused on the biomechanical analysis of the upper limb redundancy and motor coordination during a reach-to-grasp movement. Based on the Uncontrolled Manifold approach, we considered, on one hand, a particular aspect of the synergies, i.e. the covaration of elemental variables of a system that lead to a stabilization of a particular performance variable. In this framework, it was hypothesized that degrees of freedom were not frozen as suggested by Bernstein but combined in order to ensure performance and stability. On the other hand, we used a robotic index, the manipulability, allowing the assessment of wrist displacement capacities during the grasping task. The aim of the present work was to study the motor coordination during constrained and altered upper limb movements through the evaluation of these two. In this framework, the first analysis consisted in evaluating the effect of a spatial constraint materialized by an obstacle during the transport phase of the reach-to-grasp movement. The second part consisted in identifying motor coordination of the upper limb for spinal cord injury patients, especially quadriplegic patients, using both kinematics and electromyographic (EGM) analyses. Two experiments were conducted to record kinematics and EMG activity of upper limb muscles with adapted apparatus. In the presence of an obstacle, results showed that wrist Cartesian trajectory was stabilized through flexible combination of joint synergy. Also, the results showed an increase of goal equivalent configurations to stabilize the elbow trajectory when an obstacle was present. This result suggests that the increase of the joint angle flexibility may be a mechanism by which the central nervous system takes into account a spatial constraint during obstacle avoidance. In the same time, the increase of the manipulability of the wrist joint center was found. For quadriplegic patients, EMG analysis showed a compensation of the weakness or paralysis of particular muscles, particularly the triceps brachii, by an increase of the relative activation of the shoulder muscles. In addition, these subjects presented a variance decomposition similar to the one of the control group suggesting that, despite the presence of a motor deficiency, goal equivalent joint configuration during the execution of the movement are still present or have been recovered. Also, for manipulability, patients have strong similarities with the control group. Considering these results, we think that the exploration of synergies through the proposed indices could be an interesting tool to study the impact of external constraint and impairment on the biomechanical parameters of movement. These works open the way for interesting applications in the field of movement simulation by considering the variability of joint trajectories in relation to a performance variable. Also, they may be applied to the assessment of the coordination of impaired subjects in order to evaluate and improve rehabilitation programs by providing quantitative information on the contribution of all the degrees of freedom.
Au travers de l'évaluation d'indices quantitatifs, ce travail se focalise sur l'analyse biomécanique de la redondance et des coordinations motrices du membre supérieur lors de la réalisation du mouvement de préhension. En nous basant sur la théorie de « l'uncontrolled manifold », nous abordons, d'une part, un aspect particulier de la notion de synergie qui est relatif à la covariation des paramètres d'état du système afin de stabiliser une variable de performance. En effet, la thématique de la redondance motrice qui est une des caractéristiques principale du système musculo-squelettique a été récemment reformulée. Dans ce cadre, il est postulé que les degrés de liberté ne sont jamais éliminés comme le suggère la théorie proposée par Bernstein mais combinés afin d'assurer performance et flexibilité. D'autre part, nous utilisons un indice issu de la robotique, la manipulabilité permettant d'évaluer les capacités de déplacement du poignet au cours de ce mouvement de saisie. L'objectif de ce travail consiste à appliquer ces deux analyses à des mouvements contraints ou altérés afin d'identifier les modifications de la coordination motrice par rapport à des conditions contrôles. Dans cette optique, la première analyse consiste à évaluer l'effet d'une contrainte spatiale matérialisée par un obstacle lors de la phase d'approche d'un mouvement de préhension par une mesure des paramètres cinématiques du membre supérieur. La seconde étude vise à identifier la coordination motrice du membre supérieur de sujets atteints d'une lésion médullaire et souffrants de tétraplégie par une analyse combinée des paramètres électromyographiques (EMG) de certains muscles impliqués et des paramètres cinématiques. Pour cela nous avons mis en place deux protocoles expérimentaux au cours desquels les angles articulaires du membre supérieur ainsi que le signal EMG ont été évalués par des moyens adaptés. En présence d'un obstacle, nos résultats montrent de manière classique que la position du poignet est stabilisée au travers d'une synergie articulaire. De plus, il semble que la présence d'une contrainte spatiale renforce les synergies pour stabiliser la trajectoire du coude dans la seconde partie du mouvement correspondant au franchissement de l'obstacle. Ce renforcement se caractérise par une utilisation accrue de configurations articulaires équivalentes. Ce résultat suggère que l'augmentation de la flexibilité des configurations articulaires serait un mécanisme par lequel le système nerveux central pourrait prendre en compte la présence d'une contrainte spatiale. Parallèlement, la présence de l'obstacle entraine des modifications de la manipulabilité du poignet. Pour les sujets souffrants de tétraplégie, l'analyse EMG a montré une compensation de la faiblesse ou la paralysie de certains muscles, le triceps brachial notamment, par une augmentation de l'activité relative des muscles de l'épaule. De plus, ces sujets présentent une décomposition de la variance des angles articulaires similaire à celle du groupe contrôle suggérant que, malgré la présence d'une déficience motrice, la flexibilité des configurations articulaire au cours de l'exécution du mouvement est toujours présente ou a été récupérée. De même pour la manipulabilité, les patients présentent de fortes similitudes avec les sujets valides avec, dans certains cas, des valeurs de manipulabilité du poignet supérieures. Ces résultats nous amènent à penser que l'étude des synergies au travers des indices proposés pourrait constituer un outil intéressant afin d'étudier l'impact d'une contrainte et d'une déficience motrice sur les paramètres biomécaniques du mouvement. Les présents travaux ouvrent des voies intéressantes pour des applications dans le domaine de la simulation du mouvement et de l'évaluation fonctionnelle de la coordination de sujets déficients moteurs en vue d'évaluer et améliorer la rééducation par l'apport d'informations quantitatives aux cliniciens.