Combination of Motor Imagery and Muscle Stimulation (MIMS) to promote neuromuscular plasticity during limb immobilization – MIMS

Une série d'expériences préliminaires est nécessaire pour déterminer les différents paramètres à appliquer à la fois dans le NMES et le MI. Par conséquent, chaque modalité sera d'abord étudiée séparément, puis combinée. L'effet aigu du NMES ou de l'IM sera évalué afin de déterminer la dose optimale qui conviendrait dans une approche chronique. En particulier, nous évaluerons la fatigue neuromusculaire avant et après des sessions uniques de NMES différant par les caractéristiques du courant (types de courant et durée) et de MI (nombre de répétitions, etc.). Ensuite, la partie principale du projet est construite selon un plan randomisé avec plusieurs groupes entraînés. La population étudiée sera composée de participants jeunes et en bonne santé.

Tâche d'imagerie mentale
Les participants devront d'abord répondre à un questionnaire, le Movement Imagery Questionnaire 3rd version, ou MIQ-3f, récemment validé en français (Robin et al. 2020), afin de déterminer la capacité d'imagerie de chaque individu. Après avoir effectivement testé la contraction isométrique de la main avec l'appareil (capteur de force de préhension, ADInstruments, Sydney, Australie), les participants auront pour consigne d'imaginer serrer le Hand Grip le plus fort possible et de ressentir les sensations associées à la contraction, sans développer réellement de contraction (modalité kinesthésique). Chaque essai imaginé, d'une durée de 5 secondes, sera précédé de deux instructions orales données par l'expérimentateur : « prépare-toi «, « vas-y «, et interrompu par un signal « stop «. Les signaux physiologiques enregistrés en direct permettront de déterminer si le participant ne contracte pas involontairement les muscles. Chaque session d'imagerie durera 20 minutes et comprendra 4 séries de 25 contractions imaginaires. Chaque contraction imaginaire de 5 secondes sera suivie d'une période de repos de 5 secondes. Entre chaque série, une minute de repos sera observée. Ce type de séance, en termes de durée et de nombre de contractions, est ce qui est classiquement réalisé dans les protocoles d'entraînement mental (Paravlic et al. 2018) et recommandé en pratique clinique (Malouin et Richards 2010).

Stimulation neuromusculaire
La NMES sera délivrée par un stimulateur Digitimer (modèle DS7AH, Hertfordshire, UK). Deux électrodes rectangulaires (5 x 10 cm, Compex Medical SA) seront placées sur le ventre des muscles de l'avant-bras, plus précisément sur le brachium (cathode) et sur le point moteur (anode), qui sera recherché à l'aide d'une électrode stylo pour localiser le point moteur. L'intensité de la stimulation sera ajustée pour obtenir un niveau de force initial égal à 20% de la force maximale volontaire. Les sujets seront invités à se relaxer (contrôle de l'activité des muscles de l'avant-bras par électromyographie) pendant les contractions afin d'éviter toute contribution de la commande volontaire.

Première étude préliminaire
Dans la première phase du projet, une étude a été menée pour étudier les réponses neuromusculaires et cardiovasculaire à une séance d’imagerie motrice (IM), réalisée dans différentes conditions. En effet, il est admis que le contexte dans lequel est réalisé l’IM peut favorablement ou défavorablement limiter ses effets. Ici, il s’agit de savoir si l’IM de contractions de muscles de la jambe devait être réalisée debout ou assis. La position debout présente l’avantage de pré-activer les muscles des jambes de manière inconsciente (la posture debout étant gérée involontairement), permettant de réaliser facilement une tâche mentale. Grâce à l’aide de partenaires ayant pris part ponctuellement à ce protocole pour les besoins de l’étude, nous avons pu rapidement mettre en place ce protocole. En effet, pour les besoins de l’étude, nous avons travaillé avec des chercheurs du laboratoire EA3920 « MARQUEURS PRONOSTIQUES ET FACTEURS DE REGULATIONS DES PATHOLOGIES CARDIAQUES ET VASCULAIRES », de l’université de Franche-comté, qui ont réalisé toute l’analyse cardiovasculaire et métabolique. Les membres du projet MIMS, comme le porteur principal (S. GROSPRETRE), Philippe GIMENEZ et le Dr Uros MARUSIC de Slovénie, spécialiste dans l’analyse des effets de l’imagerie mentale et de la posture, ont été mis à contribution dès cette première étude. Un groupe de sujets sains a ainsi été recruté pour participer à deux séances d’IM au laboratoire, une assis et une debout. Nous avons ainsi montré qu’en condition debout, les effets de l’IM étaient exacerbés sur le système neuromusculaire des membres inférieurs, mais également sur le système nerveux autonome (fréquence cardiaque, échanges gazeux en O2, etc). Ainsi, la présence d’une pré-activation musculaire (telle que celle observée en posture debout simple), semble exacerber les effets de l’IM, non seulement sur le système moteur, mais également sur le système cardiovasculaire. Ce protocole a pu être initié rapidement au lancement du projet ANR MIMS car le matériel requis était déjà à disposition au laboratoire et les demandes de comité d’éthique avaient été faites en amont. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue FRONTIERS IN PHYSIOLOGY (Grosprêtre et al., 2021, Front Physiol, 12:762452. doi: 10.3389/fphys.2021.762452.). L’issue de cette étude est encourageante pour la suite du projet, car réaliser l’IM debout n’est pas toujours possible si un membre est immobilisé. Ainsi, dans la suite du projet, la préactivation musculaire pendant l’IM sera matérialisée par de la stimulation électrique musculaire (NMES). Ce type de stimulation ergogène, qui représente une activation musculaire inconsciente comme pouvait l’être le maintien de la posture debout, sera notre modèle pour le reste du projet.

Le projet MIMS m'aidera à faire un premier pas dans le monde clinique, pour progressivement pouvoir travailler sur certaines populations de patients. Les méthodes mises en œuvre dans le cadre de ce projet seront ensuite testées en conditions réelles avec des patients ayant un membre immobilisé, et dans le futur avec d'autres populations plus fragiles telles que des patients ayant subi un accident vasculaire cérébral. Mon objectif personnel dans ce projet est de renforcer les relations que j'ai eues dans les projets précédents (pendant ma formation postdoctorale), ainsi que de rassembler des scientifiques de différents domaines scientifiques (des neurosciences à la physiologie musculaire) ainsi que de différents domaines pratiques (des scientifiques du sport aux cliniciens) et pays (France, Suisse, Slovénie, USA). La suite logique de ce projet est d'étendre l'équipe en incluant d'autres scientifiques et d'autres pays pour rechercher des financements internationaux (Conseil Européen de la Recherche ou Interreg France Suisse). Progressivement, le succès du projet devrait permettre d'étendre l'équipe à d'autres domaines, tels que les effets du déconditionnement dans l'espace et en microgravité. Les deux étudiants en master recrutés dans le présent projet auraient alors la possibilité de poursuivre un doctorat dans mon laboratoire dans le cadre d'autres soutiens financiers, en accord avec la perspective qu'offrira le projet MIMS. Les collaborations internationales établies au cours du projet contribueraient à propulser le doctorant recruté dans le cadre du présent projet à trouver un contrat postdoctoral de qualité dans un pays étranger.

1. Grosprêtre, S., Marusic, U., Gimenez, P., Ennequin, G., Mourot, L., & Isacco, L. (2021). Stand Up to Excite the Spine: Neuromuscular, Autonomic, and Cardiometabolic Responses During Motor Imagery in Standing vs. Sitting Posture. Frontiers in Physiology, 12(November), 1–19. doi.org/10.3389/fphys.2021.762452

As the motto says, “use it or lose it”. It is known that the lack of physical activity leads to an important decrease of motor function. Full or partial body immobilization is often used to acutely model muscle disuse. An acute injury often leads to a period of immobilization of the injured limb, resulting in drastic impairments of neural and muscular factors. As well, other less common situation known to cause several impairments of the neuromuscular system are for instance prolonged spaceflights which alleviate the body from gravity constraints. For decades, limiting the several motor impairments that follow limb immobilization has been a major preoccupation for health care systems. The challenge for rehabilitation after an injury lays in the inability to move the involved limb, while it is recommended to start to exercise as soon as possible to prevent severe deconditioning. Several methods were proposed to reduce the force loss induced by prolonged immobilization. For example, neuromuscular electrical stimulation (NMES) that consists of evoking contractions by applying an electrical current over the muscles via surface electrodes, has been shown to provide significant results. While important effects are acknowledged on the nervous system (mainly spinal and corticospinal networks), this method is however mainly dedicated to counteract the muscle impairments (atrophy, decrease of contractile properties, etc.). On the opposite, the use of motor imagery (MI) that consists of asking participants to mentally simulate actions without actually performing them, was also shown to reduce the force loss induced by limb immobilization, but mainly by acting over central component (cerebral network, corticospinal pathway, spinal excitability, etc).
The novelty of the present project lies in the combination of those two methods: muscle stimulation and mental training. Subsequently, this project seeks to propose such a combined approach to maximize the effect of rehabilitation programs from central to peripheral aspects. By gathering two fields of research, i.e. neurosciences and physiology, and associating cutting-edge techniques from those fields such as cerebral imaging and muscle ultrasonography, this project intends to draw a clear picture of the whole neuromuscular system deconditioning. Indeed, while many studies focused on either brain function, by using cerebral imagery, or muscle function, by using intracellular physiology techniques (biopsies), to date no study fully investigated the brain-to-muscle system as a whole. Particularly, the involvement of the nervous networks linking both central and peripheral levels, i.e. the medullar network, remains unknown. Accordingly, this project will aim at deciphering corticospinal and spinal networks plasticity during prolonged limb disuse and its adaptation to combined NMES and MI rehabilitation programs.
This project gathers scientits from France, Switzerland, USA and Slovenia as well as from multiple fields of research (cognition, neurophysiology, physiology). The duration of the project is planned at 42 month with the hiring of a PhD student and two master's degree. Beyond the scientific aspect, this project is above all a way to improve the early phases of rehabilitation programs. Therefore, a non-negligible part of the project is dedicated to the dissemination of this work to a wide audience. Besides scientific congresses to target the scientific community, dissemination of our results to clinicians will be performed by organizing workshops to train them for these approaches, at first for the local hospitals then at a national level if the expected success is met. Finally, particular attention will be paid to develop a sustainable communication program to the widest audience (i.e., general public), by implementing a website with short tutorials on different media (videos, explanatory notes, etc.).