Scoliose idiopathique de l’adolescent et facteurs

neurosensoriels

Christine ASSAIANTELaboratoire 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

La scoliose idiopathique

Déformation tridimensionnelle du rachis

Angle de Cobb

Sujets avec une scoliose modérée

(10°< angle Cobb < 30°)

Postural Control

Alignment of the axis of the body with the gravity vector

OrientationOrientation StabilisationStabilisation

Equilibrium : control of the CG position

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.

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)

AIS et troubles du contrôle postural

Contributions sensorielles au contrôle postural

InformationsProprioceptives

InformationsVisuellesInformations

Vestibulaires (otolithiques et

canalaires)

Informations graviceptives

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).

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)

Contribution de la proprioception dans le contrôle postural à partir du protocole des

oscillations lentes

Repondération sensorielle chez l’enfant et l’adolescent

Viel et al, 2009, Motor ControlMallau et al, 2010, PlosOne

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.

Protocole des oscillations lentes du support

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.

En résumé adolescents vs adultes …

Les adolescents avec une scoliose idiopathique (AIS) negligent-ils aussi les informations proprioceptives dans l’intégration sensorielle du contrôle postural ?

Question posée

Repondération sensorielle du contrôle postural chez des adolescents porteurs de scoliose idiopathique

CS EO CS EC AIS EO AIS EC0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Deg

rees

CS EO CS EC AIS EO AIS EC0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Deg

rees

CS EO CS EC AIS EO AIS EC0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Deg

rees

CS EO CS EC AIS EO AIS EC0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Deg

rees

Dispersions angulaires

Tête Epaules

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.

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

HA

I

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

SA

I-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

TA

I

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

PA

I

EO CSEO AISEC CSEC AIS

Indices d’ancrage

Tête Epaules

Tronc Bassin

CS AIS

CS AIS

CS AIS

CS AIS

Une déformation modérée du rachis n’affecte pas les stratégies de stabilisation segmentaire.

Une déformation modérée du rachis n’affecte pas le contrôle de l’orientation verticale ni les stratégies de stabilisation segmentaire.

En résumé…

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.

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.

Système proprioceptif statique versus dynamique

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.

Nouvelle hypothèse :

Perturbation de l’entrée proprioceptive

par vibration musculo-tendineuse

Vibration du tendon d’Achille Déplacement vers l’arrière pour

compenser le déplacement vers l’avant simulé

(80-100Hz)

Goodwin (1972)

Vibration musculo-tendineuse (80-100 Hz)activation

Terminaisons fusoriales primaires (récepteurs Ia)

Interprétation SNC: étirement du muscle vibré

En présence de contraintes d’équilibre

Vibration musculo-tendineuse :une stimulation proprioceptive spécifique

Tâche perceptive

Influence d’une perturbation proprioceptive sur le contrôle postural

Vibration du tendon d’Achille

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

Mesures Analyse cinématique du mouvement avec le système ELITE Analyse du déplacement du centre de pression avec les plateformes de forces

Baseline(rest period)

5 s 15 s

Stimulation vibratoire

Temps

Stimulation vibratoire

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)

15 s

Période Post-effect

Mesure de l’instabilité(RMS au cours de la vibration)

Influence d’une perturbation proprioceptive sur le contrôle postural

0 5 10 15 20-60

-40

-20

0

20

Temps (s)

Dép

lace

men

t C

P (

mm

)

Déplacement CP AP

AIS

ADO

Adults

0 5 10 15 20-4

-3

-2

-1

0

1

2

Temps (s)

Incl

inai

son

Tro

nc (

deg)

Inclinaison Tronc AP

AIS

ADO

Adults

0 5 10 15 20-60

-40

-20

0

20

Temps (s)

Dép

lace

men

t C

P (

mm

)

Déplacement CP AP

AIS

ADO

Adults

0 5 10 15 20-4

-3

-2

-1

0

1

2

Temps (s)In

clin

aiso

n T

ronc

(de

g)

Inclinaison Tronc AP

AIS

ADO

Adults

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

Premières manifestations posturales

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

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

Vibration du tibialis

Tâche 2 : quantifier et qualifier les illusions kinesthésiques induites par vibration

Tâche perceptive :

1) 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 perçue du pied au cours de l’illusion en reproduisant l’angulation sur un schéma

Influence d’une perturbation proprioceptive sur la perception illusoire de mouvements

N = 14

N= 16

N= 13

Perception de l’illusion de mouvement

A propos de l’illusion

Amplitude en temps réel

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.

Vibration 100 Hz

Participants : - 16 AIS group- 16 Healthy adolescents- 16 Young adults control

fMRI Design

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.

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)

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.

Neu

ral act

ivit

y

Behavioral indicatorof Body Schema

Pour aller plus loin …

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

Quelques souhaits…

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)

• 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 frogs after 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)