Characterization of neuromuscular fatigue using non-linear methods applied to force signals : methodological considerations and interests in different contexts and populations
Caractérisation de la fatigue neuromusculaire par des méthodes non-linéaires appliquées aux signaux de force : considérations méthodologiques et intérêts dans différents contextes et populations
Résumé
Neuromuscular fatigue is a complex and multi-determined phenomenon. Its assessment usually requires the accomplishment of maximal voluntary contractions. More recently, it has been proposed that certain non-linear analyses (providing measures of complexity), applied to force signals acquired during submaximal contractions, could be considered as new indicators to quantify this fatigue. The aim of this PhD thesis project was to identify the interest of non-linear measures to quantify neuromuscular fatigue in different populations, using fatiguing cognitivo-motordual tasks, representative of daily living activities. Our first study highlighted a detrimental effect of the dual task on muscular endurance in a population of young adults, providing an interesting experimental framework to assess the ability of some measures of complexity to detect differences in fatigability. The second study, based on the use of sample entropy, revealed that the non-stationarity of force signals could lead to misinterpretation of fatigue-induced changes in neuromuscular complexity. In this study, we propose a methodological approach to limit this phenomenon. In our third study, we demonstrated the ability of recurrence quantification analysis to detect fatigue-induced changes in the complexity of force signals. Our results also show that this approach enables the identification of different fatigability profiles (i.e. male vs. female). These methods are currently being used in a clinical study conducted in people with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Considering the systemic nature of this disease, complexitymeasurements seem particularly relevant to detect alterations in neuromuscular dynamics caused by prolonged solicitation of the cognitivo-motor system. Our preliminary results from traditional methods of quantifying fatigue do not yet allow us to conclude whether there is an increase of the detrimental effect of dual tasks in COPD patients. Nevertheless, some measures of complexity suggest that fatigue-induced changes in neuromuscular dynamics are increased by the addition of cognitive stress. Overall, our work shows that complexity measures are appropriate to characterise neuromuscular fatigue in different contexts. The completion of the current study will allow to better define the use of these approaches in the clinical context.
La fatigue neuromusculaire est un phénomène complexe et multi-déterminé. Son évaluation nécessite généralement l’accomplissement de contractions maximales volontaires. Plus récemment, il a été proposé que certaines analyses non-linéaires (fournissant des mesures de complexité), appliquées aux signaux de force recueillis lors de contractions sous-maximales, pourraient être considérées comme de nouveaux indicateurs permettant de quantifier cette fatigue.L’objectif de ce projet de thèse était d’identifier l’intérêt des mesures non-linéaires pour quantifier la fatigue neuromusculaire chez différentes populations, en s’appuyant notamment sur le modèle de la double tâche cognitivo-motrice fatigante caractéristique des activités de la vie quotidienne. Notre première étude nous a permis de mettre en lumière, chez une population de jeunes adultes, un effet néfaste de la double tâche sur l’endurance musculaire, fournissant un cadre expérimental intéressant dans l’optique d’évaluer la capacité de certaines mesures de complexité à détecter des différences de fatigabilité. La deuxième étude, basée sur l’utilisation de la sample entropy, a révélé que la non-stationnarité des signaux de force pouvait mener à des erreurs d’interprétation concernant les changements de complexité neuromusculaire induits par la fatigue. Dans le cadre de cette étude, nous proposons une approche méthodologique permettant de limiter ce phénomène. Notre troisième étude, nous a fourni la preuve de la capacité de la recurrence quantification analysis à détecter des changements de complexité des signaux de force induits par la fatigue. Nos résultats montrent également que cette approche permet de distinguer différents profils de fatigabilité (i.e. hommes vs femmes). Ces méthodes sont actuellement utilisées dans le cadre d’une étude clinique menée chez des individus porteurs de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Considérant le caractère systémique de cette pathologie, les mesures de complexité semblent particulièrement pertinentes dans l’objectif de détecter des altérations de la dynamique neuromusculaire engendrées par une sollicitation prolongée du système cognitivo-moteur. Nos résultats préliminaires issus des méthodes traditionnelles de quantification de la fatigue, ne permettent pour le moment pas de conclure à un effet néfaste de la double tâche majorée chez l’individu porteur de BPCO. Néanmoins, certaines mesures complexes suggèrent des modifications de la dynamique neuromusculaire induites par la fatigue, majorées par l’ajout d’un stress cognitif. Globalement, nos différents travaux montrent que les mesures de complexité sont pertinentes pour caractériser la fatigue neuromusculaire dans différents contextes. La finalisation de l’étude en cours nous permettra de mieux cerner l’intérêt de ces approches dans le contexte clinique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)