Thème 1 : Production et estimation de la force

Les propriétés mécaniques du système musculo-tendineux jouent un rôle essentiel dans les interactions entre la commande nerveuse, le muscle, l'aponévrose, le tendon et les os. Ces interactions contribuent à produire les forces et, in fine, le mouvement. La caractérisation de ces propriétés mécaniques représente donc un verrou scientifique à lever qui permettra une meilleure compréhension des adaptations du potentiel de performance motrice à l'entraînement, au vieillissement, ou dans le cadre de certaines pathologies. Pourtant, les connaissances actuelles sur les propriétés mécaniques du muscle et du tendon proviennent essentiellement de mesures réalisées sur des tissus isolés ou au niveau d'une articulation. Ces mesures ne permettent ni de dissocier le comportement de chacune des structures impliquées, ni d'analyser leurs interactions.
Notre laboratoire est pionnier dans l'utilisation de l'élastographie par onde de cisaillement pour quantifier la raideur locale du tissu musculaire (Lacourpaille et al., 2012*), nerveux (Andrade et al., 2015*) et tendineux (Hug et al., 2013*). En outre, nous avons mené une série de travaux qui montre que la raideur du muscle est linéairement reliée à la tension qu'il produit. Ces résultats nous ont permis de proposer la première technique expérimentale non-invasive permettant d'estimer précisément les changements de tension du muscle au cours de contractions isométriques ou d'étirements passifs (cf. article de synthèse, Hug et al., 2015*). Il s'agit d'une première étape importante vers l'estimation de la force produite par un muscle, qui reste à ce jour un enjeu de recherche important dépassant le périmètre de la biomécanique (cf. Thème 2). En s'appuyant sur cette approche interdisciplinaire, notre programme de recherche visera à :

• Optimiser la technique d'estimation de la force musculaire pour l'appliquer à l'étude de contractions dynamiques.

• Caractériser les modifications locales des propriétés mécaniques du muscle, du nerf ou du tendon induites par des protocoles d'entraînement (e.g., étirements, renforcements musculaires), le vieillissement ou certaines pathologies neurologiques ou musculo-squelettiques.

Les relations fondamentales du muscle (force-longueur et force-vitesse) sont traditionnellement caractérisées in vivo par des mesures globales lors de tâches pluri- ou mono-segmentaires. Cependant, ces mesures ne sont pas nécessairement représentatives du comportement des fibres musculaires. Par exemple, lors de cycles étirement-détente, les tendons sont impliqués dans un cycle de stockage-restitution de l'énergie élastique, limitant de ce fait la sollicitation des fibres musculaires (Cronin and Lichtwark, 2013). Nous avons démontré que ces interactions muscle-tendon jouent également un rôle majeur lors de contractions concentriques mono-articulaires (Hauraix et al., 2013*). En utilisant des mesures échographiques à haute fréquence et des mesures de l'activité myoélectrique, nos travaux viseront à déterminer les facteurs limitant la réalisation de mouvements, notamment explosifs. En considérant des tâches motrices impliquant un nombre plus ou moins important de degrés de liberté, nous ambitionnons de répondre à la question suivante :

• Quelle est l'influence des propriétés mécaniques des différents muscles impliqués, de leur dynamique d'activation et/ou de l'interaction entre les fascicules musculaires et les tendons sur les relations fondamentales du muscle (force-longueur et force-vitesse) mesurées in vivo ?

La contraction musculaire induit des contraintes sur le système musculo-tendineux qui peuvent, selon les modalités de contractions, conduire à une modification des capacités de production de force (e.g., fatigue neuromusculaire, dommages des tissus musculaires et tendineux, adaptations du système nerveux). Il est important de mieux comprendre les interactions entre ces processus dans une perspective d'optimisation de l'efficacité des procédés d'entraînement mais également pour l'analyse des coordinations musculaires et leur plasticité (cf. thème 2). Dans ce contexte, nos travaux viseront à :

• Caractériser les mécanismes neurophysiologiques et biomécaniques impliqués dans la variabilité de la réponse à la fatigue, aux dommages musculaires et aux adaptations à l'entraînement.

• Déterminer la nature des interactions entre les processus cortico-spinaux et le comportement du système musculo-tendineux.

Au-delà de l'apport de connaissances fondamentales, ce thème de recherche répond à des enjeux sociétaux liés à la santé et à la performance sportive. Nos travaux participeront notamment à mettre en place des méthodes novatrices d'évaluation des effets de l'entraînement, du vieillissement, de pathologies neurologiques (e.g., dystrophies, infirmité motrice cérébrale) ou musculo-squelettiques (e.g., tendinites, syndrome patello-fémoral) sur les propriétés mécaniques du muscle et du tendon. En outre, elles pourront être utilisées pour évaluer l'effet de thérapies et de protocoles de réhabilitation. Par exemple, certains de nos travaux viseront à évaluer la répartition spatiale de la raideur dans un muscle spastique. Ces informations permettront, pour la première fois, de focaliser les traitements (e.g., injection de toxine botulique, kinésithérapie) sur les régions musculaires les plus affectées.
Dans le domaine de la performance sportive, les résultats issus de ce programme de recherche contribueront à optimiser des dispositifs, matériels et/ou méthodes d'entraînement. Par exemple, les méthodes développées permettront d'évaluer précisément les effets de protocoles d'étirements sur chacun des muscles impliqués. Ces informations permettront d'optimiser/individualiser les protocoles utilisés dans la pratique sportive ou en rééducation.

(1*) Lacourpaille et al. 2012. Phyisol Meas. 33(3) : N19-28 ; (2*) Andrade et al. 2015. Soumis. (3*) Hug et al. 2013. J Biomech. 46(14) : 2534-8  ; (4*) Hug et al. 2015. Exerc Sport Sci Rev. 43(3) : 125-133 ; (5) Cronin et Lichtwark. 2013. Gait & Posture. 37(3) : 305-12.  (6*) Hauraix et al. 2013. J Appl Physiol. 115(7) : 1015-24.