Stimulation transcrânienne et performance en double tâche

Cet article fait référence à l’introduction du mémoire de Master 1 EOPS de Eléonore FRESNEL réalisé à l’Université de Montpellier (2018/2019) sous la direction de Stéphane PERREY (PR) et Pierre BESSON

Titre du mémoire : Stimulation transcrânienne à courant cathodale et performance en double tâche

L’exercice en double tâche (i.e., une tâche motrice effectuée simultanément à une tâche cognitive) est un fait quotidien (e.g., marcher et parler…). La performance en double tâche se caractérise par la nécessité de coordonner deux flux de traitement de l’information au même instant.

Le paradigme de la double tâche met en jeu le partage de l’attention qui va accorder une priorité à l’une des deux tâches (Pashler, 1994). L’attention pourrait se résumer comme « l’aspect sélectif de la perception et de la réponse » (Treisman, 1969) jouant ainsi le rôle de filtre de l’information, c’est-à-dire que l’attention permet la discrimination entre les informations ainsi que l’établissement d’une priorité dans leur traitement.

Ce besoin de partage de l’attention s’accompagne d’une stabilisation ou plus généralement d’une dégradation des performances d’au moins une des deux tâches telles que l’augmentation du temps de réponse et/ou du taux d’erreur comparativement à la tâche réalisée seule.

La dégradation d’au moins une des performances fait référence à une notion de priorité, celle qui va s’exercer pour le partage des ressources attentionnelles que le sujet alloue à chacune des tâches. L’ampleur de cette dégradation dépend de la difficulté des tâches à réaliser.

Le coût lié à l’exercice en double tâche a été montré être corrélé à la difficulté que représente chacune des deux tâches : les ressources attentionnelles sont partagées augmentant ainsi la charge de travail mental global lors d’un exercice en double tâche (Smit et al., 2004).

Les différentes techniques de neuroimagerie telles que l’imagerie fonctionnelle par résonnance magnétique (IRMf) ou encore l’électroencéphalographie (EEG) ont permis d’identifier des zones d’activation corticale pour différentes tâches.

Le cortex préfrontal (PFC) est une région d’intérêt puisqu’il est impliqué dans les fonctions exécutives, dans la réalisation de tâches cognitives (e.g., langage, tâche de calcul) et/ou de tâches motrices (e.g., préhension, marche) (Fuster, 2001; Miller & Cohen, 2001; Miller, 2000). L’habilité à produire et à moduler la force est un aspect essentiel du contrôle sensorimoteur, qui va être caractérisé par une performance comportementale mesurable.

Les zones frontales du cortex sont intimement liées aux régions motrices primaires participant à l’initiation et à la régulation du mouvement volontaire. En effet, l’aire motrice primaire reçoit des projections du PFC (Jeannerod & Joseph, 1988).

Pour des tâches cognitives, comme le calcul mental, un grand nombre de recherches ont montré une augmentation de l’activité corticale des régions préfrontales eu égard à la difficulté des opérations arithmétiques. (Arsalidou & Taylor, 2011; Dresler et al., 2009). 

La charge de travail, définie par Mandrick (2013) comme étant « toute exécution de tâche fonctionnelle, courte ou longue, simple ou complexe, unique ou multiple, qu’elle soit motrice, sensori-motrice et/ou mentale, nécessite l’allocation et la mobilisation de ressources attentionnelles (i.e., notions d’effort cognitif) afin de satisfaire à une performance comportementale » influence l’activation corticale.

En effet, Derosière et al. (2013 ; 2014) ont rapporté pour une tâche motrice volontaire (i.e., handgrip) l’existence d’une relation linéaire positive entre l’amplitude du signal cortical du PFC évaluée par la méthode de spectroscopie proche infrarouge (NIRS) et la force de serrage de la main (en % de la force maximale volontaire (CMV)).

Cependant, les différences d’activation du PFC n’apparaissent qu’à partir d’un certain seuil (environ 30% de CMV) ce qui suppose que le système nerveux central augmente considérablement l’activation du PFC pour répondre à la demande de la tâche en plus du cortex prémoteur et sensorimoteur primaire. Les résultats suggèrent qu’une plus grande activation du PFC peut refléter une plus grande demande d’attention requise pour contrôler des niveaux de force élevés (au-delà de 30% CMV).

L’activation du PFC va, de même, être modifiée avec la charge de travail induite par une tâche cognitive telle que le calcul mental (Mandrick et al.,2013a). En effet, la difficulté de la tâche croissante de la tâche arithmétique (Meiri et al., 2012) modifie proportionnellement la réponse hémodynamique traduisant l’activation du PFC (Christoff et al., 2001; Dagher et al., 1999).

Ces réponses s’accompagnent d’une augmentation du temps de réponse et d’une augmentation du taux d’erreur, à savoir une diminution de la performance de la tâche mentale. Ainsi, plus la difficulté de la tâche augmente, plus l’activité corticale du PFC augmente.

 Lors d’une tâche de handgrip associée à une tâche de calcul arithmétique de soustraction (soustraction d’un nombre à 2 chiffres à un nombre 4 chiffres), Mandrick et al. (2013b) ont observé un pattern d’activation corticale spécifique au niveau du PFC.

Il n’y avait pas d’effet principal de la charge secondaire (i.e., la tâche cognitive) par rapport à la tâche motrice (primaire) seule au niveau de l’activation du PFC. Cependant, la performance de la tâche de calcul diminuait avec l’augmentation de la difficulté de la tâche motrice (i.e., serrage à 15% CMV vs. 30% CMV).

De plus, lors de la tâche motrice la plus difficile (i.e., demandant le plus de ressources, 30% CMV) la variabilité de la force, témoignant du contrôle en boucle fermée (i.e., avec feedback visuel), était plus grande avec la tâche cognitive additionnelle. Cela supposerait que les ressources attentionnelles liées au traitement cognitif interféreraient avec les ressources mobilisées pour la production motrice.            

Finalement soulignons les possibilités de mesure de la charge de travail par des évaluations subjectives caractérisant la difficulté ressentie par les sujets. Ces mesures sont simples, peu coûteuses et non-invasives. Elles peuvent se dérouler sous forme d’entretiens, de questionnaires ou plus généralement par échelles visuelles analogiques (Price et al., 1983).

Le test de référence utilisé dans la littérature est le questionnaire NASA-TLX (Hart et Staveland, 1988). C’est un test multidimensionnel permettant l’évaluation de la charge de travail subjective prenant en compte trois facteurs liés à la nature de la tâche (la pression mentale, physique et temporelle) ainsi que trois facteurs liés à l’interaction du sujet (l’effort, la frustration et la réussite). 

La stimulation transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique de neuromodulation utilisée en neurosciences pour mieux comprendre le fonctionnement cérébral et les liens cerveau-mouvement. Plus récemment, elle a également pour finalité d’augmenter le niveau des performances cognitives et/ou motrices des personnes. 

La tDCS est une technique non-invasive de stimulation cérébrale permettant de moduler l’excitabilité neuronale (Nitsche et al., 2003). La stimulation est délivrée via des électrodes (au moins 2) fournissant un courant électrique constant faible (nombre de recherches utilisent une intensité de courant de 0,5 à 2 mA (Imburgio & Orr, 2018).

Selon la polarité, la tDCS peut induire un effet facilitateur -au niveau de l’électrode anodale- ou inhibiteur -au niveau de l’électrode cathodale- des régions cérébrales stimulées (Jacobson, Koslowsky, & Lavidor, 2012). En effet, la tDCS va modifier l’excitabilité cortico-spinale en dépolarisant (anode) ou en hyperpolarisant (cathode) la membrane des neurones.

Ainsi les bénéfices attendus sur les fonctions motrices et cognitives ont été observés par la stimulation anodale (atDCS) (Kuo & Nitsche, 2012) qui faciliterait l’activation neuronale d’une tâche. Nelson et al. (2016)indiquent que la tDCS anodale appliquée au niveau du PFC améliore considérablement la capacité de traitement de l’information lors de tâches multiples, contrairement à la modalité cathodale (ctDCS) possédant un effet inhibiteur sur l’activation neuronale et qui réduirait la performance d’une tâche (Nitsche & Paulus, 2000).

Cependant, des effets positifs de la stimulation ctDCS ont été observés lors d’une double tâche (Filmer et al., 2013). Ces auteurs ont constaté une amélioration des temps de réaction de la tâche motrice (tâche de précision/vitesse) à des stimulations cognitives (auditives et/ou visuelles) après une stimulation ctDCS au niveau du PFC latéral postérieur gauche.

 

Une étude plus récente (Zhu et al., 2015) a montré comparativement à une stimulation factice que la ctDCS supprimait les activités de mémoire de travail verbale, mais améliorait les performances en golf -soit les performances motrices- en particulier lorsque les sujets devaient effectuer plusieurs tâches. En effet, le groupe ayant été stimulé avec la ctDCS améliorait ses performances lors d’une double tâche.

Ces résultats laissent penser que la ctDCS permettrait d’obtenir de meilleures performances par une automatisation du contrôle moteur induisant une réduction du coût attentionnel de la tâche motrice. Par conséquent, en réduisant le coût attentionnel d’une des tâches à réaliser, la performance globale d’un exercice en double tâche pourrait être améliorée.

Des questions demeurent concernant le placement des électrodes de stimulation pour un ciblage optimal des courants électriques vers les zones corticales d’intérêt et ainsi permettre un meilleur effet. Le montage céphalique (i.e., les deux électrodes au niveau du crâne) et celui extracéphalique (i.e., une électrode sur le crâne, l’autre sur le corps -généralement au niveau des épaules) font toujours débat.

Peu d’études se sont intéressées spécifiquement au montage extracéphalique. Noetscher et al. (2014), via une étude de simulation numérique, ont rapporté qu’un montage extracéphalique pourrait créer des densités de courant totales plus grandes dans les régions cérébrales plus profondes (notamment au niveau de la substance blanche) que dans le cadre d’un montage céphalique qui resterait seulement de surface.

 

De plus, le montage extracéphalique pourrait créer des densités de courant verticales plus importantes dans le cortex moteur primaire, alors que le courant horizontal (i.e., dispersion du courant horizontalement dans toutes les régions du cortex) serait équivalent à un montage céphalique.

Récemment, Angius et al. (2018) ont montré des améliorations de la performance en endurance (avec un temps jusqu’à l’échec plus long) ainsi qu’une diminution de la perception de l’effort avec un montage tDCS extracéphalique par rapport à un montage céphalique. 

La combinaison tDCS et tâche(s) a déjà été appréhendée dans différentes études à travers des protocoles variés, dont certains au cours de travaux de doctorat menés au sein du laboratoire. L’action combinée tDCS pendant la réalisation d’une tâche motrice ou d’une tâche cognitive promeut des réponses comportementales augmentées.

Sur la base de la littérature, il s’avère que la polarité cathodale pourrait diminuer la charge mentale nécessaire à la réalisation d’une double tâche et ainsi favoriser les performances (Filmer et al., 2013). Pour autant, à notre connaissance, la fusion de ces approches avec un montage extracéphalique n’a pas été documentée.

L’objectif de cette étude était donc de tester l’influence de la tDCS sur la perception de la charge de travail et sur les niveaux de performance lors d’une double tâche nécessitant des ressources attentionnelles partagées (i.e., handgrip + tâche de calcul de soustraction).

Pour tester cette influence, nous avons cherché à savoir si l’inhibition de l’activation neuronale liée à la modalité ctDCS au niveau du PFC améliorerait la perception de la charge de travail (i.e., évaluation subjective de la perception) lors d’une double tâche.

De plus, nous avons émis l’hypothèse que la performance liée à l’exercice en double tâche dans des situations avec une difficulté accrue serait meilleure avec la ctDCS en montage extracéphalique comparativement à une double tâche sans tDCS ou avec stimulation en montage céphalique. 

Le montage extracéphalique pourrait permettre le passage d’un courant plus important et plus robuste, et le caractère inhibiteur de la ctDCS sur l’activité neuronale pourrait retarder le partage des ressources attentionnelles allouées aux deux tâches, améliorant ainsi les performances (e.g., diminution de la variabilité de la force, augmentation du nombre de bonnes réponses) et la perception de la charge de travail (e.g., diminution du score NASA-TLX).

Pour rappel, l’article présente uniquement l’introduction du mémoire. Pour accéder au protocole, données ainsi qu’à la discussion du présent document, n’hésitez pas à vous adresser directement auprès de Eléonore. Pour ses travaux scientifiques : Research gate

Le second mémoire de Eléonore : ici