Changes in locomotor capacity of hemiparetic stroke patients following experimentally increased motor impairment of the quadriceps
Effets de la majoration du déficit moteur du quadriceps, induite expérimentalement, sur la locomotion des patients hémiparétiques
Résumé
The main objective of this thesis was to study the effects of experimentally increasing quadriceps motor impairment on the locomotor capacity of hemiparetic stroke patients, with stiff-knee gait. The second objective was to investigate the relationship between fatigue and overactivity of the quadriceps muscle in these patients. Four studies were carried out. Study 1 was carried out to verify our methodology, and it evaluated spatiotemporal and kinematic changes which occur, in hemiparetic patients, during a gait analysis session (GA). The results suggest that at the beginning of the GA session, stroke patients exhibited phase of adaptation, characterized by a ''cautious gait'', but no fatigue was observed at the end. Thus, evaluation of the effects of experimentally increasing quadriceps motor impairment, following a fatigue protocol, on the biomechanical gait parameters of hemiparetic stroke patients can be carried out with GA. In studies 2 and 3, patients' gait was assessed before and after an experimental increase in the motor impairment of the quadriceps using two methods: pharmacological, using botulinum toxin type-A injection (BoNT -A) in the hyperactive rectus femoris (RF) (study 2) and following a fatigue protocol involving repeated contractions of the knee extensors, with an isokinetic dynamometer (study 3). Finally, in study 4, the effect of quadriceps fatigue on the characteristics of muscle spasticity was evaluated using an isokinetic dynamometer. Surprisingly, the results showed that increasing the motor impairment of one part of, or the whole quadriceps muscle, induced the same improvements in biomechanical gait parameters (spatiotemporal, kinematic and EMG), whatever the method used (after injection of BoNT-A or after fatigue). Gait velocity increased, along with peak hip and knee flexion during the swing phase, and inappropriate activity of the RF during the pre-swing and swing phases decreased. The reduction of the mechanical restriction, due to the decrease in inappropriate muscle activity appeared to be associated with a compensatory reorganization of the gait pattern in order to counteract the negative effects of the increased motor impairment of the quadriceps. In addition, although muscle fatigue reduced inappropriate activity of the RF muscle during the semi-automatic task of walking, the characteristics of the stretch reflex were not altered during passive stretching, evaluated with an isokinetic dynamometer. Disruption of the fusimotor system during the fatigue protocols may only have changed the excitability of muscle spindles in dynamic conditions (during walking). In view of all these results, it seems likely that patients' complaints of feeling more spastic and vulnerable in situations in which their quadriceps motor impairment is increased, is the result of greater neural activity of central origin and/or a "real" increase in spasticity, but which occurs in other muscles such as the ankle plantarflexors.
L'objectif principal de ce travail de thèse était d'étudier les effets de la majoration du déficit moteur focal du quadriceps, sur les capacités locomotrices de patients hémiparétiques, présentant un genou raide à la marche, communément appelé stiff-knee gait. L'objectif secondaire était d'investiguer les relations entre la fatigue et l'hyperactivité musculaire du quadriceps, chez ces patients. Quatre études ont été menées. La première étude de ce travail a permis de mettre en évidence qu'au début d'une session d'AQM, le pattern de marche des patients hémiparétiques est influencé par une phase d'adaptation, caracterisée par une " marche prudente ", mais que le phénomène de fatigue n'est pas présent en fin d'examen. L'évaluation des effets de la majoration du déficit moteur du quadriceps, suite à un protocole de fatigue, sur les paramètres biomécaniques de la marche des patients hémiparétiques, peut donc être réalisée au moyen de l'AQM sans biais méthodologique. Ainsi, dans les études 2 et 3, la locomotion des patients a été évaluée avant et après une majoration du déficit moteur du quadriceps, induite expérimentalement par deux méthodes: soit pharmaco-induite par l'injection de toxine botulique de type-A (BoNT-A) dans le rectus femoris (RF) hyperactif (étude 2), soit résultante de la contraction répétée des extenseurs de genou, jusqu'à l'apparition de fatigue, par le biais d'un dynamomètre isocinétique (étude 3). Enfin dans l'étude 4, l'effet de la fatigue du quadriceps sur les caractéristiques de la spasticité a été évalué par le biais d'un dynamomètre isocinétique. De manière surprenante, les résultats montrent que la majoration du déficit moteur, d'une partie ou de toute partie du muscle quadriceps, induit des améliorations identiques sur les paramètres biomécaniques de la marche (spatiotemporels, cinématiques et EMG), quelle que soit la méthode utilisée (après injection de BoNT-A ou après fatigue). Une augmentation de la vitesse de marche, une augmentation de la flexion maximale de la hanche et du genou lors de la phase oscillante, ainsi qu'une réduction de l'activité inappropriée du RF, lors des phases pré-oscillante et oscillantes sont conjointement reportées. La réduction des freins mécaniques, liée à la baisse de l'activité musculaire inappropriée, semble être associée à une réorganisation compensatrice du pattern de marche, mise en place afin de contrer les effets néfastes de la majoration du déficit moteur du quadriceps et à l'origine de ces améliorations. De plus, alors que la fatigue musculaire réduit l'activité inappropriée du muscle RF, au cours d'une tache semi-automatique représentée par la marche, ses caractéristiques ne sont pas modifiées, au cours d'un étirement passif, évaluées par le biais d'un dynamomètre isocinétique. Au cours des protocoles de fatigue, la perturbation du système fusimoteur peut avoir modifiée l'excitabilité des fuseaux neuromusculaires, uniquement lors de sa sollicitation en condition dynamique (à la marche). Au regard de l'ensemble de ces résultats, il semble probable que, dans le contexte clinique, la plainte des patients de se sentir plus spastiques et plus vulnérables, en situation de majoration de leur déficit moteur du quadriceps, soit attribuée à une plus grande activité nerveuse d'origine centrale et/ou à une augmentation " effective " de la spasticité, mais présente au niveau d'autres muscles, comme les fléchisseurs plantaires de cheville.