Scoliose idiopathique de l’adolescent et facteurs neurosensoriels

1. Scoliose idiopathique de l’adolescent et facteurs neurosensoriels Christine ASSAIANTE Laboratoire de Neurosciences Cognitives, UMR 7291, CNRS, AMU, Marseille Table ronde : Facteurs éthiopathogéniques impliqués dans la survenue d’une scoliose idiopathique, GES, 24 mars 2012, Tours

2. La scoliose idiopathique Déformation tridimensionnelle du rachis Sujets avec une scoliose modérée (10°< angle Cobb < 30°) Angle de Cobb

3. Postural Control Orientation Stabilisation • Alignment of the axis of the body with the gravity vector • Equilibrium : control of the CG position

4. Questions posées par les AIS • Quels sont les effets de cette déformation du rachis dans la construction du schéma corporel, sachant que le tronc constitue un référentiel de base pour contrôler la posture, l’équilibre, ainsi que l’orientation verticale et sa représentation. • Comment les processus développementaux interfèrent avec cette pathologie qui exprime une déformation du rachis au cours de l’adolescence, qui est, précisément, une période de transition déterminante au cours de l’ontogénèse. • Mieux comprendre cette période charnière de l’adolescence est absolument indispensable pour mieux appréhender les pathologies développementales car le développement n’est pas un processus linéaire et que l’adolescence est une phase spécifique dans le développement du contrôle postural.

5. AIS et troubles du contrôle postural • Performances posturales moins bonnes, majorées par une augmentation de la sévérité de la déformation du rachis ( Haumont et al, 2011; Cheng et al, 2011). • Déficits d’équilibre locomoteur (Mallau et al, 2007) • Problèmes d’intégration sensorielle (Barrack et al, 1984; Herman et al, 1985; Keesen et al, 1992; Wiener-Vacher and Mazda, 1998;Simoneau et al, 2006)

6. Contributions sensorielles au contrôle postural Informations Visuelles Informations Vestibulaires (otolithiques et canalaires) Informations graviceptives Informations Proprioceptives

7. AIS et troubles neurosensoriels • Troubles Vestibulaires (otolithiques et canalaires) • Shalstrand and Petrusson, 1979; Shalstrand et al, 1979, Wiener-Vacher and Mazda, 1998) • au niveau anatomique avec une asymétrie des systèmes otolithique et canalaire, en lien avec une asymétrie cranio-faciale (Rouzié et al, 2011; Lambert et al, 2011). • au niveau fonctionnel avec une asymétrie des réponses à un des tests de la fonction vestibulaire (test OVAR: off vertical axis rotation). Ce test évalue la fonction des voies vestibulaires centrales transportant les informations d’accélérations linéaires, dont la pesanteur, vers le système nerveux central (Wiener-Vacher et al, 2011). • au niveau de l’intégration cognitive des signaux vestibulaires dans des tâches de perception spatiale (Simoneau et al, 2009).

8. AIS et troubles neurosensoriels Troubles proprioceptifs (Barrack et al, 1984; Herman et al, 1985; Keesen et al, 1992 Simoneau et al, 2006a and 2006b; Cheng et al, 2011). • Simoneau et al. (2006b) reported that AIS, compared to control adolescents, rely much more on ankle proprioception to control the amplitude of the balance control commands. • 109 AIS girls and 56 age-matched healthy girls were recruited into the study. Abnormal SEP was much more frequently found in AIS patients (14.3%) than in healthy subjects (3.7%). They also demonstrated significantly increased COG sway associated with abnormal SEP. The finding of significant effect of SEP on the performance of balance control when subjects relied on somatosensory system further indicated the abnormal somatosensory function in a subgroup of AIS patients. (Cheng et al, 2011)

9. Contribution de la proprioception dans le contrôle postural à partir du protocole des oscillations lentes Repondération sensorielle chez l’enfant et l’adolescent Mallau et al, 2010, PlosOne Viel et al, 2009, Motor Control

10. Protocole des oscillations lentes du support Tâche :Les sujets doivent maintenir l’orientation verticale de leur corps, avec ou sans vision, en dépit des oscillations très lentes du support sur lequel ils se tiennent debout. Spécificité vestibulaire :Ces oscillations imposées du support sont choisies en amplitude et en fréquence de façon à être soit au dessus (+/- 5° at 0.06 Hz) soit au dessous (+/- 5° at 0.01 Hz) du seuil de détection des canaux semi-circulaires. Contribution sensorielle au contrôle postural :La plus basse fréquence d’oscillations du support associée à la condition sans vision constitue une situation intéressante et inédite où l’on peut spécifiquement explorer la contribution proprioceptive au contrôle postural.

11. En résumé adolescents vs adultes … Le développement du contrôle postural continue jusqu’à des périodes tardives de l’ontogenèse. Les stratégies de stabilisation segmentaire sur l’espace s’améliorent significativement depuis les 14-15 ans jusqu’aux jeunes adultes, passant d’un fonctionnent “en bloc” à un fonctionnement articulé de l’ensemble tête-tronc. Enfin, les adolescents semblent plus dépendants des informations visuelles que les jeunes adultes pour le contrôle postural, ce qui est cohérent avec l’hypothèse d’une négligence transitoire des informations proprioceptives dans l’intégration sensorielle.

12. Repondération sensorielle du contrôle postural chez des adolescents porteurs de scoliose idiopathique Question posée Les adolescents avec une scoliose idiopathique (AIS) negligent-ils aussi les informations proprioceptives dans l’intégration sensorielle du contrôle postural ?

13. Dispersions angulaires Epaules Tête Tronc Bassin • Avec et sans vision, aucune différence significative n’a été observée entre CS et AIS dans les dispersions angulaires aux niveaux tête, épaules, tronc et bassin.

14. Indices d’ancrage Epaules Tête CS AIS CS AIS Tronc Bassin CS AIS CS AIS • Une déformation modérée du rachis n’affecte pas les stratégies de stabilisation segmentaire.

15. En résumé… Une déformation modérée du rachis n’affecte pas le contrôle de l’orientation verticale ni les stratégies de stabilisation segmentaire. Les informations visuelles améliorent notablement le contrôle postural chez tous les adolescents avec ou sans scoliose. Dans notre étude, il semble que l’effet développemental soit dominant par rapport à un éventuel effet pathologique. Contrairement à notre hypothèse initiale, les AIS comme les CA négligent transitoirement les informations proprioceptives pour contrôler leur posture en réponse à des oscillations très lentes du support. Ces résultats associés aux précédentes études de la littérature suggèrent l’existence de différents systèmes de l’information proprioceptive qui soustendent des fonctions différentes de l’intégration sensorielle du contrôle postural.

16. Système proprioceptif statique versus dynamique Goldscheider (1898):La proprioception assure 2 fonctions principales: • la détection du sens du mouvement (accessible par une vibration tendineuse de courte durée), c’est à dire la capacité de détecter la direction, l’amplitude et la vitesse d’un mouvement • la détection du sens de la position (accessible par des mouvements passifs très lents, tel que le protocole des oscillations lentes), c’est à dire la capacité à comparer une position finale avec une position initiale de façon à savoir si un mouvement a été réalisé. • Radovanovic S et al., 2002 : Des études en PET ont montré que ces deux systèmes fonctionnels de la proprioceptions sont soustendus par des réseaux différents d’activation cérébrale.

17. Perturbation de l’entrée proprioceptive par vibration musculo-tendineuse Nouvelle hypothèse : Le système proprioceptif statique, tel qu’il était expérimenté par notre précédent protocole, ne serait pas affecté par la scoliose idiopathique de l’adolescent, tandis que le système proprioceptif dynamique serait principalement affecté.

18. Vibration musculo-tendineuse : une stimulation proprioceptive spécifique (80-100Hz) Vibration musculo-tendineuse (80-100 Hz) activation Terminaisons fusoriales primaires (récepteurs Ia) Interprétation SNC: étirement du muscle vibré En présence de contraintes d’équilibre Tâche perceptive Goodwin (1972) Vibration du tendon d’Achille  Déplacement vers l’arrière pour compenser le déplacement vers l’avant simulé

19. Influence d’une perturbation proprioceptive sur le contrôle postural Tâche 1 : quantifier and qualifier les ajustements posturaux évoqués par vibration • Population : • chez des adolescents scoliotiques • chez des adolescents appariés en âge • chez des adultes sains Condition posturale : Posture érigée • Site de la vibration : • vibration du tendon d’Achille Vibration du tendon d’Achille Mesures • Analyse cinématique du mouvement avec le système ELITE • Analyse du déplacement du centre de pression avec les plateformes de forces

20. Influence d’une perturbation proprioceptive sur le contrôle postural Analyse de la réaction de stabilisation (Amplitude après 3 sec de stimulation ) Analyse de la réaction d’orientation (Amplitude à la fin de la stimulation) Stimulation vibratoire Mesure de l’instabilité (RMS au cours de la vibration) Temps 15 s 15 s 5 s Baseline (rest period) Stimulation vibratoire Période Post-effect

21. Posture Yeux Fermés Posture Yeux ouverts Les réponses posturales des jeunes adultes sont plus modérées que celles des adolescents Les AIS semblent davantage utiliser les informations visuelles que les autres groupes pour réduire la perturbation posturale

22. Premières manifestations posturales

23. Analyse de la réaction de stabilisation (autour de 3 secondes de vibration)

24. Analyse de la réaction d’orientation (amplitude à la fin de la stimulation)

25. Influence d’une perturbation proprioceptive sur la perception illusoire de mouvements Tâche 2 : quantifier et qualifier les illusions kinesthésiques induites par vibration • Tâche perceptive : • Au cours de l’illusion, indiquer en temps réel avec l’index droit - Le démarrage de l’illusion • L’amplitude du mouvement perçu  Système d’analyse cinématique du mouvement ELITE 2)Après l’essai, indiquer l’inclinaison maximale perçuedu pied au cours de l’illusion en reproduisant l’angulation sur un schéma Vibration du tibialis

26. Perception de l’illusion de mouvement N= 16 N = 14 N= 13

27. A propos de l’illusion

28. Amplitude en temps réel

30. En résumé… Ces résultats tant posturaux que perceptifs semblent confirmer l’hypothèse d’une atteinte spécifique du système proprioceptif dynamique chez les AIS. Il existe chez les AIS une repondération sensorielle en faveur de la vision pour améliorer l’équilibre postural. Ces résultats tant posturaux que perceptifs révèlent aussi l’effet développemental qui existe entre les adolescents et les jeunes adultes. Les études en IRMf sont en cours afin de connaître la maturation et / ou les éventuels dysfonctionnements de l’intégration proprioceptive centrale.

31. fMRI Design • Participants : • 16 AIS group • 16 Healthy adolescents • 16 Young adults control pathology effect ? developmental effect ? • fMRI task and procedure : • The experiment has an event-related design composed of the three conditions : • - Vibration at a frequency which elicite kinaesthetic illusions (100 Hz – 20 s) • Vibration at a frequency which does not elicite kinaesthetic illusions (30Hz – 20 s) • Rest (control condition) Task : After each trial, the subject will indicate if a movement of the foot was perceived. Vibration 100 Hz

32. DTI Analysis in order to test cerebral development during adolescence... Question : Link between AIS pathology and maturation of the neural connection? • Liu et al (2008) has reported mean volumetric differences in 22 brain regions between AIS and controls with anatomic IRM recordings. • Diffusion Tensor Imaging (DTI) sequence of 8 minutes : • Maturation of the neural connections and the white matter : • With development (healthy adolescents and young adults comparison) • With AIS pathology (AIS group and healthy adolescents comparison)

33. Pour aller plus loin … Neural activity Behavioral indicator of Body Schema

34. Quelques souhaits… • Nécessité d’augmenter les effectifs d’AIS pour confirmer les tendances • Pouvoir définir des profils perceptifs d’AIS • Développement de tests perceptifs simples et fiables à faire en salle d’attente

37. fMRI investigations : Using tendon vibration to induce illusory sensation of movement • First studies with hand vibration and PET method •  activation areas (primary motor cortex, parietal cortex , cingulate motor cortex, SMA…) • (Naito et al., 1999 ; Radovanovic et al., 2002) • Relation between the velocity of the perceived illusory movement and the intensity of the cortical activations  fMRI study • (Romaiguère et al., 2003)

38. AIS is related to disorders of postural control with potential involvement of vestibular, proprioceptive and visual input • Poorer postural performance, especially in sensory conflict situations, observed in patients with a Cobb angle greater or equal to 15°, reflect less effective central information processing (Haumont et al, 2011) • Various factors cause idiopathic scoliosis, and among these a prominent role has been attributed to the vestibular system. While the deficits in sensorimotor transformations have been documented in idiopathic scoliosis patients,little attention has been devoted to their capacity to integrate vestibular information for cognitive processing for space perception. Results of the present study demonstrate that idiopathic scoliosis patients have an alteration in cognitive integration of vestibular signals (Simoneau et al, 2009) • Adolescent idiopathic scoliosis in humans is generally associated with vestibulo-motor deficits. Such a vestibular origin of scoliotic deformations was confirmed in adult Xenopus frogsafter unilateral labyrinthectomy (UL) at larval stages (Lambert et al, 2011) • craniofacial asymmetries (CFA) is highly associated with idiopathic scoliosis.CFA are linked to developmental deficits inducing Geometrical asymetries of the semicicular canals and otoliths Geometrical asymetries of the orbital cones Asymetries of the cerebellum They are associated with semi-circular canal anomalies (Rouzié et al, 2011) • dans 67% des adolescents développant une scoliose idiopathique (SI) une asymétrie des réponses à un des tests de la fonction vestibulaire (test OVAR: off vertical axis rotation). Ce test évalue la fonction des voies vestibulaires centrales transportant les informations d’accélérations linéaires, dont la pesanteur, vers le système nerveux central. Cette asymétrie a été observée dans quelques SI bien avant que la déformation rachidienne du rachis ne soit détectable. Actuellement nous cherchons à déterminer si la présence de cette asymétrie prédictive de scoliose grave et évolutive (Wiener-Vacher et al, 2011). • There are reports of posture control and balance problems associated with adolescent idiopathic scoliosis (AIS), particularly in patients with severe curves. Somatosensory system is one of the three major sensory systems (vision, vestibular, and somatosensory system) those are involved in balance and posture. It is postulated but not proved that the posture control and balance problems in AIS are related to abnormal somatosensory function. 109 AIS girls and 56 age-matched healthy girls were recruited into the study. Abnormal SEP was much more frequently found in AIS patients (14.3%) than in healthy subjects (3.7%). SOT in this study demonstrated significantly increased COG sway associated with abnormal SEP. The finding of significant effect of SEP on the performance of balance control when subjects relied on somatosensory system further indicated the abnormal somatosensory function in a subgroup of AIS patients. (Cheng et al, 2011)