Motricité, cognition, comportement

Responsables : Serge COLSON & Valeria MANERA

Cette thématique s’intéresse à l’interaction motricité-cognition et aux troubles de la motivation et de la régulation émotionnelle au cours du processus de vieillissement, avec un accent sur l’évaluation, la prévention, la réhabilitation et la prise en charge. L’objectif des travaux menés vise à mieux comprendre la complexité de la fonction motrice humaine à partir d’une approche inter voire transdisciplinaire intégrant les interactions existant entre la motricité, la cognition et le comportement des individus.

Motricité et cognition sont des composantes du schéma des comportements orientés vers un but. Ce schéma intègre d’autres composantes comme les émotions ou la motivation qui peuvent se manifester comme des troubles du comportement (e.g., réduction globale du niveau d’activité motrice, désorganisation du comportement). L’étude des composantes des comportements orientés vers un but est un facteur commun aux individus au cours du processus de vieillissement (e.g., du plus jeune âge aux personnes âgées) mais également dans de nombreuses pathologies neuro-développementales et neuropsychiatriques (e.g., autisme, état de stress post traumatique, schizophrénie, dépression, maladie d’Alzheimer et pathologies associées). Différents objectifs complémentaires sont poursuivis dans le cadre de cette thématique et visent à :

• Etudier le phénomène d’interférence cognitivo-motrice au cours du vieillissement. L’enjeu est de mieux comprendre les facteurs et les conditions de vulnérabilité dans la conduite des activités motrices afin de pouvoir améliorer par la suite les interventions (i.e., activités physique et/ou cognitive) auprès des personnes âgées pour limiter voire prévenir la fragilité.
• Développer des travaux innovants (e.g., biofeedback, neuro-imagerie, réalité virtuelle…) relatifs aux effets combinés d’actions motrices et cognitives pour tester l’influence de programmes de réhabilitation combinant des actions motrices et des sollicitations cognitives, que ces dernières soient volontaires ou induites par des stimuli externes (e.g., tDCS, facilitation sensorimotrice...)
• Développer des méthodes non-invasives et basés sur les nouvelles technologies (jeux sérieux, réalité virtuelle, capteurs portés et environnementaux, rTDCS) pour améliorer l’évaluation et la prise en charge des troubles de la cognition, de la motricité, de la motivation et de l’interaction sociale au cours du développement (autisme, TSPS, TDAH) et dans le vieillissement normale et pathologique.
• Utiliser la modélisation et l’intelligence artificielle pour améliorer l’évaluation et la prise en charge des troubles neuropsychiatriques et neurodéveloppementales grâce à l’intégration de données hétérogènes (capteurs, imagerie, comportement, évaluation clinique).

Identifier les mécanismes explicatifs de l’interférence cognitivo-motrice et des troubles de la motivation et de la régulation émotionnelle à des fins de maintien de l’autonomie.

Les travaux du LAMHESS se sont, par exemple, intéressés à certaines fonctions exécutives (i.e., attention, mémoire de travail, inhibition) qui jouent un rôle majeur dans la capacité de raisonnement et de résolution de problèmes. Alors que ces processus cognitifs étaient considérés comme particulièrement vulnérables à l’exercice (Dietrich & Audiffren, 2011), les résultats obtenus ont, au contraire, mis en évidence leur remarquable robustesse lors de conditions d’exercice intense (Davranche et al., 2015) ou lors de tâches fatigantes (Schmit et al., 2015; Tempest et al., en préparation).

Des travaux indiquent également que l’activité cognitive a un impact bénéfique sur les performances motrices. Par exemple, les capacités de simulation motrice sont un élément essentiel de la réalisation des performances motrices d’un individu (Jeannerod, 1995). De récents travaux laissent penser que des déficits des capacités de simulation motrice pourraient être observés dans les phases précoces de la Maladie d’Alzheimer (MA). Dès lors, l’évaluation de la capacité de simulation motrice pourrait donc être utilisée comme un outil diagnostic dans cette pathologie (Beauchet et al., 2014), voire dans d’autres affections. En effet, la simulation motrice serait impactée dans le cadre d’une hémiplégie suite à un traumatisme crânien ou à un accident vasculaire cérébral, et le type de simulation motrice touchée (i.e., implicite versus explicite) nécessiterait une prise en charge différente pour des effets optimaux (De Vries et al., 2013). Dans ce contexte, la littérature récente montre également que l’utilisation de biofeedback centré sur la tâche motrice permet d’améliorer la récupération motrice chez des patients âgés ou atteints de pathologies du système nerveux central.

A l’inverse, dans certains cas, l’activité cognitive peut également altérer les performances motrices. Il est en effet bien admis que si les personnes âgées ne montrent généralement pas de déclin de performance lors de la réalisation d’une tâche physique de façon isolée, elles sont cependant moins efficaces pour maintenir leur performance lorsque la tâche physique est associée à une charge cognitive (Corp et al., 2013). Cette sensibilité des personnes âgées à l’effet d’interférence cognitive a notamment été montrée sur la résistance à la fatigue physique.
Activité motrice et cognition sont des composantes du schéma des comportements dirigés vers un but (GDB pour Goal Directed Behavior). Ce schéma intègre aussi d’autres composantes comme les émotions et la motivation (Brown & Pluck, 2000), qui se manifestent notamment comme des troubles du comportement (e.g., réduction globale du niveau d’activité motrice, désorganisation du comportement). L’étude des composantes des GDB est un facteur commun à de nombreuses pathologies neuro-développementales et neuropsychiatriques (autisme, état de stress post traumatique, schizophrénie, dépression, Maladie d’Alzheimer et pathologies associées).

Deux objectifs complémentaires seront poursuivis dans le cadre de cette thématique. Le premier concernera l’étude des interactions motricité-cognition. Le second sera focalisé sur les troubles de la motivation et de la régulation émotionnelle.

Etude des interactions motricité-cognition

Le premier objectif sera de mieux comprendre les interactions cognition/motricité dans les populations vulnérables afin de développer de nouvelles méthodes de prise en charge de troubles de la motricité et/ou de la cognition. Deux approches différentes pourront être utilisées. Tout d’abord, nous chercherons à déterminer dans quelles conditions l’activité cognitive permet de modifier la motricité. Ensuite, nous nous intéresserons aux effets de l’activité physique sur les capacités cognitives.

Les questions de recherche qui seront abordées concerneront les deux domaines suivants.

Interférence cognitivo-motrice au cours du vieillissement
Des travaux récents, issus d’une collaboration entre le LAMHESS et COBTEK, ont permis de mettre en évidence l’influence de l’activité physique sur les capacités cognitives de patients Alzheimer (Ben Ayed et al., 2014 ; Sacco et al., 2016). Ces travaux ont notamment permis de montrer que l’ajout d’une tâche cognitive durant un exercice physique permettait de potentialiser les effets de l’activité physique sur la cognition. De même, des études récentes indiquent que chez la personne âgée, la fatigue physique est relativement similaire au sujet jeune lorsque l’exercice physique est isolé, mais que cette fatigue est exacerbée chez le sujet âgé lorsque l’exercice est associé à une charge cognitive (Corp et al., 2013). Dans cette étude, les auteurs ont suggéré que ce résultat serait dû à une baisse des capacités cognitives, notamment au niveau du cortex préfrontal qui serait particulièrement impliqué dans la régulation des doubles tâches. La réalisation de plusieurs tâches de façon simultanée est principalement basée sur l’habileté à attribuer des ressources attentionnelles à plusieurs entrées perceptives en même temps. Cependant, les mécanismes explicatifs de cette interaction entre les performances motrices et cognitives chez la personne âgée sont largement méconnus. Cette question est particulièrement importante car les activités de la vie quotidienne nécessitent généralement la réalisation conjointe d’une tâche cognitive et d’une tâche motrice et parce que la fatigue est un élément central du cercle de déconditionnement généralement observé lors du vieillissement.

D’une façon générale, ce programme de recherche visera à mieux comprendre le phénomène d’interférence cognitivo-motrice au cours du vieillissement. L’enjeu étant de pouvoir mieux comprendre les facteurs et les conditions de vulnérabilité dans la conduite des activités motrices afin de pouvoir améliorer par la suite les interventions (i.e., activités physique et/ou cognitive) auprès des personnes âgées pour limiter voire prévenir la fragilité.

Biofeedback, neuro-imagerie, réalité virtuelle et réhabilitation
Dans un contexte clinique, l’objectif de la réhabilitation motrice est de maintenir voire faciliter l’indépendance fonctionnelle et d’améliorer la qualité de vie des patients. Depuis plus de 50 ans, les techniques de biofeedback moteur ont largement été utilisées en réhabilitation (Giggins et al., 2013 ; Alhasan et al., 2017). Ces techniques permettent de faire un retour au patient de différents signaux physiologiques ou biomécaniques afin de les confronter avec les informations sensorimotrices afférentes, permettant in fine de faire une correction du mouvement directement en situation. Bien que ces techniques soient largement développées, leur efficacité dans différentes affections restent encore à prouver sur de plus larges échantillons (Giggins et al., 2013). La diversité des techniques participe indirectement à ces observations, à laquelle s’ajoute le développement de nouveaux objets connectés utilisés à des fins de « e-santé » plus prometteurs les uns que les autres. Le même constat peut globalement être fait pour les techniques de neuro-feedback utilisées pour traiter les déficits cognitifs par exemple dans les affections neurologiques (Renton et al., 2017). Depuis près de 20 ans, des systèmes s’appuyant sur les technologies de réalité virtuelle ont été développés et utilisés progressivement en réhabilitation du fait de leur possibilité de coupler des actions motrices associées à une charge cognitive permettant de réaliser des actions se rapprochant d’un environnement écologique. Pourtant, l’efficacité de ces systèmes sur l’amélioration de la performance motrice et/ou sur des variables cliniques reste à démontrer (Rose et al., 2018). Une revue de littérature récente présente des résultats encourageants à propos de l’utilisation de la réalité virtuelle comme méthode de réhabilitation des paramètres locomoteurs chez des enfants atteints de paralysie cérébrale (Booth et al., 2018). En effet, l’ajout de réalité virtuelle et de biofeedback permet d’augmenter la fonction locomotrice mais également d’améliorer l’engagement des participants comparativement à un programme de réhabilitation à la marche réalisé seul. Dans ce contexte, il semble par conséquent plus intéressant d’associer l’exécution d’un mouvement à un feedback sensorimoteur que d’utiliser des mouvements seuls ou des stimulations extérieures seules pour optimiser les périodes de réhabilitation de patients (Li et al. 2018).

Ce programme de recherche visera à développer des travaux relatifs aux effets combinés d’actions motrices et cognitives. D’une façon générale, nous chercherons à mieux comprendre l’impact de programmes de réhabilitation combinant des actions motrices et des sollicitations cognitives, que ces dernières soient volontaires ou induites par des stimuli externes (e.g., tDCS, facilitation sensorimotrice...).

Etude des troubles de la motivation et de la régulation émotionnelle

Le deuxième objectif poursuivi dans le cadre de cette thématique est l’étude des troubles de la motivation et de la régulation émotionnelle qui sont des composantes des comportements dirigés vers un but.

Motivation, régulation émotionnelle et comportements dirigés vers un but
L’apathie, qui est un trouble de la motivation, est une dimension clinique centrale dans de nombreuses pathologies psychiatriques. Les équipes de CoBTeK et du Centre Mémoire de Ressources et de Recherche du CHU de Nice sont depuis longtemps impliquées dans cette problématique tant au niveau des critères diagnostic (Robert et al, 2008), des évaluations cliniques (Benoit & al, 2012) que de la prise en charge des patients (Leone et al, 2013).

En Mars 2018, l’équipe a organisé à Nice une réunion de consensus international pour la mise à jour des critères diagnostic de l’apathie. Ces nouveaux critères comprendront en particulier des recommandations pour l’utilisation des nouvelles technologies dans ce domaine. C’est dans ce contexte qu’a débuté en Septembre 2017 le projet intitulé MotAp (pour Motivation Application) destiné à proposer des données objectives pour favoriser le diagnostic. L’objectif de MotAp, financé par le Centre de Référence « Santé Bien-Etre Vieillissement » d'Université Côte d’Azur et l’association IA est :

• de permettre le développement et la validation d’une application pour l’évaluation de l’apathie en consultation mais aussi en population générale,
• d’intégrer dans l’application des données provenant de capteurs audio et vidéo pour favoriser la participation du sujet au travers de propositions non pharmacologiques adaptées,
• d’associer ces données cliniques avec des marqueurs d’imagerie cérébrale afin de personnaliser quand cela est nécessaire la réponse thérapeutique. (Cf. le programme MNC3 présenté ci-dessous.)

Parallèlement à la motivation, une meilleure compréhension des affects/émotions et de la régulation émotionnelle sera un aspect également développé. Ce domaine, qui recoupe l’utilisation de la réalité virtuelle évoquée dans l’objectif 1 est déjà étudié au sein de CoBTeK avec le développement et l’utilisation d’outils objectifs d’évaluation des émotions (e.g., enregistrement des paramètres physiologiques de la régulation émotionnelle via l’EEG, les réponses électrodermales), définition et extraction de paramètres de régulation émotionnelle à partir d’outils d’analyses automatisées de la voix et des expressions faciales). Ces outils ont pour vocation d’être utilisés dans l’évaluation objective des émotions dans les prises en charge non pharmacologiques des troubles anxieux. CoBTeK développe ainsi un environnement multi sensoriel (stimulation olfactive et auditive contrôlée) en réalité virtuelle visant à diminuer le niveau d’anxiété de sujets âgés consultant en centre mémoire et auprès d’enfants exposés aux attentats du 14 juillet à Nice.

Par ailleurs, les liens entre émotion, neurocognition et activités mentales complexes (e.g., conscience, intentionnalité, empathie, apprentissage) pourront être explorés dans une perspective psychopathologique et neuroscientifique. Le projet collaboratif du LAPCOS Emotion-Cognition (ELISE), financé par l’ANR, et étudiant les marqueurs neurocognitifs des processus intégratifs du traitement du contexte sémantique et émotionnel dans le spectre bipolaire et la schizophrénie, en est un exemple (Terrien et al., 2016). Un autre exemple de recherches au sein du LAPCOS concerne plus largement l’étude de processus regroupés sous le terme de cognition sociale et leurs troubles en psychopathologie (e.g., compréhension des états mentaux cognitifs et affectifs d’autrui). Ces recherches utilisent des marqueurs comportementaux, cognitifs et cérébraux (EEG/potentiels évoqués cognitifs par exemple) (Vistoli et al., 2015, 2016, 2017 ; Besche-Richard et al., 2014 ; Mardaga et Iakimova, 2014). Les connaissances acquises par ces recherches permettent :

• une meilleure compréhension des frontières physiopathogéniques et dimensionnelles entre divers troubles psychopathologiques et neuro-développementaux (par exemple spectre de la schizophrénie vs. Spectre de l’autisme ; Le Gall et Iakimova, 2018) ;
• l’étude de l’impact des troubles neurocognitifs et sociocognitifs sur le fonctionnement quotidien (social, professionnel/scolaire, etc.) et la qualité de vie (on sait en effet que les troubles de la cognition sociale observés chez des patients atteints de schizophrénie ou de dépression, sont parmi les plus associés au handicap social (Lysaker et al., 2015) ;
• de guider le développement de nouvelles stratégies de prise en charge thérapeutique de remédiation et d’apprentissage adaptés ciblant ces dysfonctionnements cognitifs et émotionnels (les projets nationaux éducatifs JeStimule et JeMime, dans lesquels ont collaboré les laboratoires LAPCOS et CoBTeK, en sont des exemples, tout comme le développement des aides informatisées pour la lecture (De Cara et Plaza, 2010).

Analyse du mouvement dans l’autisme
Une thématique de recherche actuelle concerne l’analyse de mouvement de l’enfant présentant un Trouble du Spectre de l’Autisme (TSA), un projet né de la collaboration du laboratoire CoBTek (axe neurodéveloppement) avec l’équipe Stars de l’Inria Sophia Antipolis.

Ce projet est soutenu par l’ANR Activis (collaboration des laboratoires LIS, Aix Marseille University, Stars, Inria, CoBTek et entreprise WITA) portant sur la quantification objective des comportements atypiques sur lesquels se fonde le diagnostic de l’autisme à l’aide d’analyse par vidéo 3D. CoBTek collabore ainsi comme partenaire clinique avec les laboratoires en sciences numériques LIS de l’Université Aix Marseille et Stars de l’Inria. Une bourse de doctorat BoostUrCArrer d'Université Côte d’Azur intégrant une collaboration avec l’EPF Lausanne complète cette recherche transversale. La mise en place des études transversales au Centre Ressources Autisme de Nice est également soutenu par le Conseil Départemental des Alpes Maritimes.

Cet axe inclus également une analyse globale des mouvements de l’enfant TSA, p. ex. en prenant en compte l’accélération des mouvements et la cinétique des changements de direction. En effet, le clinicien peut reconnaître certains traits de mouvement ou de prise de posture observé dans le cadre de l’autisme sans qu’ils soient actuellement pris en compte pour le diagnostic. Nous faisons ainsi l’hypothèse que l’analyse par intelligence artificielle (IA) - en utilisant le machine ou deep learning - pourrait être une aide pour l’évaluation clinique.

Médecine Intégrative MNC3
Les équipes EPIONE Inria et CoBTeK sont les porteurs de MNC3 (Médecine Numérique, Cerveau, Cognition et Comportement) qui est un des projets structurants d’excellence de l’IDEXJedi. MNC3 est un projet d'excellence en médecine numérique pour les maladies neurologiques et psychiatriques.

Ce projet fédérateur doit permettre, pour la première fois, d'analyser conjointement les données de neuro-imagerie, de comportement/cognition et de biologie/génomique pour une prévention, un diagnostic et une prise en charge plus efficace des patients.

Le programme comprend dans sa dimension recherche l’utilisation de bases de données (UK BioBank, ADNI, MAPT, Insight) où sont tout particulièrement ciblées les dimensions émotion et troubles de la motivation dans le cadre des pathologies neuropsychiatriques allant de l’enfant au senior. C’est aussi dans ce cadre que le projet MotAp fournira des données capteurs et de jeux vidéo. Enfin le programme comprend une partie formation avec la mise en place depuis 2017 d’une école d’été transdisciplinaire (clinique, informatique, économie).

APAT-MOT : Effets de l’apathie sociale sur la motricité des personnes âgées fragiles et avec troubles cognitifs légers

Responsable scientifique : Valeria Manera (CoBTeK)

L’apathie est un trouble de la motivation caractérisé par une réduction des activités dirigées vers un but qui est très fréquent chez les personnes âgées avec troubles cognitifs. Cette réduction d’activité peut être observée dans les domaines des comportements, des cognitions, des émotions et des interactions sociales [1]. L’apathie sociale est caractérisée par une réduction de la motivation à interagir avec les autres. Actuellement, il existe peu d’outils pour évaluer l’apathie sociale. Un auto-questionnaire en anglais a été récemment développé (AMI [2]) et est en cours de validation en français par une collaboration LAPCOS-CoBTeK. Commencé en 09/2019, le questionnaire a été implémenté en ligne et nous sommes à près de 150 répondants tout venants. Néanmoins il n’existe pas de mesures objectives (indépendantes de l’évaluation du patients et/ou du clinicien) de l’apathie sociale. Dans le contexte de l’appelle d’offre FRIS-2019, nous avons obtenu un financement de 3000€ pour explorer les liens entre l'apathie sociale et l’altération de la motricité. Nous avons développé un protocole de recherche clinique ciblant des personnes avec troubles cognitifs léger. Le protocole, qui s’appuie sur la littérature [3] prévoit d’utiliser des mesures cinématiques sur des actions de grasping effectués dans un contexte individuel (attraper un objet et le poser sur un support) vs. social (attraper un objet et le donner à une personne). Des capteurs portés, développés par une équipe de robotique de Pisa (Italie), sont utilisés pour évaluer la cinématique de manière non invasive. En 2019, nous avons testé 14 patients (4 plaintes mnésiques, 8 troubles cognitifs mineurs) et 12 contrôles sains. Afin d’obtenir un échantillon plus représentatif, nous envisageons de continuer la collecte de donnée en 2020. Cette collecte se fera via une stagiaire de l’équipe de Pisa en visite à CoBTeK jusqu’au 20 Mars et le recrutement d’une stagiaire francophone avec une formation clinique.

[1] Robert P, Lanctôt KL, Agüera-Ortiz L, Aalten P, Bremond F, Defrancesco M, Hanon C, David R, Dubois B, Dujardin K, Husain M, König A, Levy R, Mantua V, Meulien D, Miller D, Moebius HJ, Rasmussen J, Robert G, Ruthirakuhan M, Stella F, Yesavage J, Zeghari R, Manera V. Is it time to revise the diagnostic criteria for apathy in brain disorders? The 2018 international consensus group. Eur Psychiatry. 2018 Oct;54:71-76.
[2] Ang YS, Lockwood P, Apps MA, Muhammed K, Husain M. Distinct Subtypes of Apathy Revealed by the Apathy Motivation Index. PLoS One. 2017; 12(1):e0169938.
[3] Becchio C, Sartori L, Bulgheroni M, and Castiello, U. The case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde: a kinematic study on social intention. Consciousness and Cognition. 2008; 17(3):557-64.

Acte de congres
Manera, V., Galperti, G., Rovini, E., Zeghari, R., Mancioppi, G., Fiorini, L., Plonka, A., Mouton, A., Zory, R., Corveleyn, X., Robert, P., Cavallo, F., Gros, A. (2020). Developing non-invasive, objective assessment tools for social apathy in neurocognitive disorders: The role of action kinematics. Alzheimer’s & Dementia, 16(S6), e047204. IF = 17.1

Utilisation de l’électroencéphalographie

Responsables scientifiques : Florian MONJO (LAMHESS), Auriane GROS (CoBTeK)

L’électroencéphalographie (EEG) permet d’enregistrer l’activité électrique du cortex cérébral afin d’étudier les évènements corticaux impliqués dans la cognition et la sensorimotricité humaine. Toutefois, l’utilisation de casques EEG classiques exige un temps de préparation extrêmement long, notamment pour l’application d’un gel conducteur au niveau des 64 électrodes du casque. Une nouvelle génération de casques à électrodes sèches vient toutefois de voir le jour. En plus de gains de temps substantiels, l’utilisation de ce type d’électrodes permet l’enregistrement de signaux EEG sans fluctuation d’impédance et de qualités supérieures aux mesures réalisées avec des casques classiques (1). Cette demande de financement vise donc principalement à enrichir les chaînes d’acquisition des laboratoires partenaires de la FRIS pour des projets à court et long termes.

Dans l’immédiat, ce casque sera utilisé dans le cadre de deux projets. Le premier, porté par les laboratoires CoBTeK et BCL, fait suite à une étude princeps multicentrique dans laquelle il a été mis en évidence que la pression graphique lors d’une tâche langagière différait entre sujets sains et patients présentant une Aphasie Progressive Primaire (APPs) (2). Cette étude pilote soulève des enjeux cliniques importants puisque le diagnostic des APPs est tardif et complexe. L’hypothèse est que le cortex moteur serait davantage sollicité lors d’une tâche langagière comparativement à une tâche non langagière lors d’un trouble langagier précoce. Une exploration EEG permettrait de vérifier cette hypothèse et d’améliorer le diagnostic et la prise en soin des patients.

Le second, porté par le LAMHESS, vise à identifier les facteurs responsables des déficits proprioceptifs observées en présence de fatigue musculaire. Des travaux récents effectués au sein du laboratoire démontrent clairement l’origine corticale de cette altération. Dans ce cadre, l’utilisation de l’EEG permettra d’identifier les mécanismes corticaux impliqués pour ensuite envisager des interventions visant à limiter ces altérations.