Principes d’entraînement

En 1666, le physicien néerlandais Christian Huygens a découvert que les fréquences pendulaires de deux horloges montées sur le même mur ou le même tableau se synchronisaient. Il a supposé que les vibrations des molécules d’air transmettraient de petites quantités d’énergie d’un pendule à l’autre et les synchroniseraient à une fréquence commune. Cependant, lorsqu’il est réglé sur différentes surfaces, l’effet a disparu. Le support de transmission était en fait la planche vibrante ou le mur. Pour les vibrations des molécules d’air, il y aurait eu trop d’amortissement dans le processus de transmission d’énergie, comme cela a été découvert plus tard. L’effet a ensuite été confirmé par de nombreuses autres expériences et a été appelé entraînement. En entraînement, les différentes quantités d’énergie transférées entre les corps mobiles en raison des périodes de mouvement asynchrones provoquent une rétroaction négative. Cette rétroaction entraîne un processus d’ajustement dans lequel les différentes quantités d’énergie sont progressivement éliminées à zéro jusqu’à ce que les deux corps mobiles se déplacent en fréquence de résonance ou en synchronie. Le plus fort « oscillateur » verrouille le plus faible dans sa fréquence. Lorsque les deux corps oscillants ont une énergie égale, les deux systèmes se rapprochent l’un de l’autre: le système le plus rapide ralentit et le système le plus lent accélère jusqu’à ce qu’ils se verrouillent dans une période de mouvement commune (Pantaleone, 2002).

Techniquement, l’entraînement en physique se réfère au verrouillage de fréquence de deux corps oscillants, i.e., des corps qui peuvent se déplacer dans des cycles périodiques ou rythmiques stables. Ils ont des fréquences ou des périodes de mouvement différentes lorsqu’ils se déplacent indépendamment, mais lorsqu’ils interagissent, ils supposent une période commune. Incidemment, les pendules de Huygens supposaient en fait une période commune déphasée de 180 °, qu’il appelait « sympathie étrange.”On sait maintenant que l’entraînement peut se produire dans diverses relations de phase des mouvements des corps oscillants. Une relation de phase stable est obtenue lorsque les deux corps commencent et arrêtent leur période de mouvement en même temps. Cependant, ce n’est pas une condition préalable nécessaire à l’entraînement. Le facteur décisif pour l’entraînement est la période commune des mouvements oscillants des deux corps. L’entraînement de la période commune est d’une importance critique pour les applications cliniques de l’entraînement rythmique comme repère temporel dans la réadaptation motrice (Kugler et Turvey, 1987; Thaut et al., 1998a). L’entraînement par période commune établit que le repère rythmique fournit une référence de temps continue pendant toute la durée du mouvement à régler.

Système auditif et perception du temps

L’importance du système auditif dans le contrôle du mouvement a traditionnellement fait l’objet d’une attention beaucoup moins importante dans la théorie et la recherche sur le contrôle moteur que le système visuel ou proprioceptif. Par conséquent, le rythme auditif et les structures de temps auditives plus complexes associées aux schémas musicaux n’ont pas donné beaucoup de valeur fonctionnelle dans l’apprentissage moteur ou la rééducation motrice. Par conséquent, l’application aux thérapies motrices n’a joué aucun rôle dans la musicothérapie traditionnelle. La musique a été principalement assignée à un rôle de motivation pour la performance du mouvement (Thaut, 2005).

Cependant, la neurophysiologie de base et la biophysique de la connectivité sensorimotrice ont toujours montré des interactions intrigantes entre le système auditif et le système moteur. La capacité du système auditif à construire rapidement des modèles temporels stables est bien connue (voir pour une revue: Thaut et Kenyon, 2003). Le système auditif est superbement construit pour détecter les modèles temporels dans les signaux auditifs avec une précision et une vitesse extrêmes, comme l’exige la nature du son qui n’existe que dans les modèles de vibrations temporelles (Moore, 2003). Dans ces tâches, le système auditif est plus rapide et plus précis que les systèmes visuels et tactiles (Shelton et Kumar, 2010). Étant donné que les ondes sonores les plus importantes pour la parole et la musique et d’autres tâches perceptives sont basées sur des mouvements périodiques qui se répètent dans des cycles régulièrement récurrents, le système auditif est également orienté perceptuellement vers la détection et la construction de motifs sonores rythmiques. Enfin, de nombreuses études ont maintenant montré que les signaux rythmiques auditifs peuvent entraîner des réponses motrices. Par exemple, Thaut et al. (1998b) ont démontré que les mouvements des doigts et des bras entraînent instantanément la période d’un stimulus rythmique (par exemple, le rythme du métronome) et restent verrouillés à la fréquence du métronome même lorsque des changements de tempo subtils sont induits dans le métronome qui ne sont consciemment pas perçus. Ces résultats ont été confirmés par d’autres études (cf, Large et al., 2002).

Entraînement neural

La base neurale de l’entraînement auditif-moteur est moins bien comprise. Deux premières études électrophysiologiques (Paltsev et Elner, 1967; Rossignol et Melvill Jones, 1976) ont montré comment les signaux sonores et la musique rythmique peuvent amorcer et chronométrer l’activation musculaire via les voies réticulospinales. Il est maintenant bien établi que le système auditif possède des connexions fibreuses richement distribuées aux centres moteurs de la moelle épinière vers le haut au niveau du tronc cérébral, sous-cortical et cortical (Koziol et Budding, 2009; Schmahmann et Pandya, 2009; Felix et al., 2011). Bien que la base spécifique des mécanismes d’entraînement neuronal ne soit pas entièrement explorée, plusieurs études ont au moins été en mesure de lier les modèles d’oscillation neurale dans le système auditif à la dynamique temporelle et fréquentielle des stimuli sonores rythmiques. Fujioka et coll. (2012) ont montré des modulations dans les oscillations bêta neuromagnétiques liées à la fréquence du stimulus rythmique dans les zones auditives, les zones motrices (cortex sensorimoteur, zone motrice supplémentaire) ainsi que le gyrus frontal inférieur et le cervelet. Tierney et Kraus (2013) ont démontré des réponses neuronales cohérentes dans le colliculus inférieur (IC) synchronisées à un stimulus auditif rythmique (la syllabe « da”). Le CI est un noyau de voie auditive précoce dans le tronc cérébral avec de riches projections vers le cervelet via les noyaux pontins dorsolatéraux. Puisque le cervelet est activé dans les tâches de synchronisation sensorimotrice (cf. Stephan et coll., 2002; Grahn et coll., 2011) et les activations dans des régions cérébelleuses distinctes correspondent à différents aspects de la dynamique temporelle de la synchronisation rythmique (Thaut et al., 2009b; Konoike et coll., 2012) – comme la détection de motifs ou le suivi des changements dans la durée des intervalles rythmiques – la représentation des informations de synchronisation dans le CI peut être une fonction importante dans les transformations auditives-motrices pendant l’entraînement rythmique. Enfin, une étude MEG de Tecchio et al. (2000) ont montré des changements d’amplitude dans la composante M100 du potentiel de champ évoqué auditif entraînés linéairement par des changements dans les durées des intervalles rythmiques, c’est-à-dire que des intervalles plus longs étaient associés à des intensités M100 plus élevées et vice versa. Ce schéma d’entraînement était également observable lors de changements de durée subliminaux à 2% de la durée absolue de l’intervalle. Cependant, les mécanismes de transmission neuronale exacts des centres auditifs aux centres moteurs n’ont pas été complètement explorés.

La découverte que le cerveau blessé peut effectivement accéder aux mécanismes d’entraînement rythmique a été la plus importante dans le contexte de la rééducation motrice. Études précoces de l’entraînement de la démarche en réadaptation hémiparétique de l’AVC (Thaut et al., 1993, 1997), la maladie de Parkinson (Thaut et al., 1996; McIntosh et coll., 1997), une lésion cérébrale traumatique (Hurt et al., 1998), et la paralysie cérébrale (Thaut et al., 1998) ont confirmé sur le plan comportemental l’existence de processus d’entraînement rythmique dans les populations cliniques. Les études étendant l’entraînement à la rééducation du bras hémiparétique ont suivi de près (Whitall et al., 2000; Thaut et coll., 2002).

L’entraînement rythmique a établi la première théorie motrice testable pour le rôle du rythme auditif et de la musique en thérapie. Les études ultérieures ont conduit à la nécessité de codifier et de standardiser l’application rythmique-musicale à la rééducation motrice (Thaut, 2005; Thaut et Hoemberg, 2014). Ces techniques sont devenues le fondement initial du répertoire clinique de la musicothérapie neurologique.

Optimisation du mouvement Basée sur le timing

L’effet global de l’entraînement rythmique sur le contrôle moteur soulève d’importantes questions théoriques quant aux mécanismes modulant ces changements. Nous savons que les vitesses de déclenchement des neurones auditifs, déclenchées par le rythme auditif et la musique, entraînent les schémas de déclenchement des motoneurones, entraînant ainsi le système moteur à différents niveaux de fréquence. Il existe deux mécanismes supplémentaires d’une grande importance clinique en ce qui concerne l’entraînement. La première est que la stimulation auditive amorce le système moteur dans un état de préparation au mouvement. L’amorçage augmente la qualité de réponse ultérieure.

Le deuxième aspect plus spécifique de l’entraînement se réfère aux changements dans la planification motrice et l’exécution motrice qu’il crée. Les stimuli rythmiques créent des échelles de temps ou des modèles anticipatifs stables. L’anticipation est un élément essentiel pour améliorer la qualité des mouvements. Le rythme fournit des indices de temps d’anticipation précis pour que le cerveau puisse planifier à l’avance et être prêt. De plus, l’anticipation réussie du mouvement est basée sur la connaissance préalable de la durée de la période de repère. Pendant l’entraînement, deux oscillateurs de mouvement – dans notre cas basés sur des neurones – de périodes différentes s’entraînent à une période commune. Dans l’entraînement auditif, la période motrice entraîne la période du rythme auditif. L’entraînement est toujours piloté par l’entraînement de fréquence ou de période – c’est-à-dire que les périodes communes peuvent ou non être en verrouillage de phase parfait (c’est-à-dire que le début de la réponse motrice serait parfaitement synchronisé avec le battement auditif). L’entraînement au rythme est un concept souvent mal compris. L’entraînement n’est pas défini par un entraînement par battement ou par phase – il est défini par un entraînement par période (Large et al., 2002; Thaut et Kenyon, 2003; Nozaradan et al., 2011).

L’entraînement par période permet de comprendre pourquoi le rythme auditif modifie également les mesures de force cinématique et dynamique spatiale de l’activation musculaire, par exemple, comme en témoigne le lissage des profils de vitesse et d’accélération. La connaissance préalable de la durée de la période de mouvement change tout, par calcul, dans la planification motrice du cerveau. La vitesse et l’accélération sont des dérivées temporelles mathématiques de la position du mouvement. Considérons qu’un cycle de mouvement, par example de l’articulation du poignet dans les mouvements d’atteinte, consiste en un nombre fini de coordonnées de position (x, y, z) associées chacune à une valeur de temps (t) particulière pendant la période de mouvement. Si l’on considère, pour simplifier, que la coordonnée de position x(t) est continue plutôt qu’une fonction discrète des énoncés suivants, on peut décrire mathématiquement la relation entre la position, la vitesse et l’accélération sans entrer dans le détail de l’équation mathématique:

• La vitesse v(t) à tout instant t est la première dérivée temporelle de la position x(t) et est égale à la valeur numérique de la pente de la courbe de position à l’instant t.

• L’accélération a(t) à tout instant t est la deuxième dérivée temporelle de la position x(t), la première dérivée temporelle de la vitesse v(t), et est égale à la valeur numérique de la pente de la courbe de vitesse à l’instant t.

• La position x à tout instant t est numériquement égale à l’aire sous la courbe vitesse-temps entre zéro et t.

• La vitesse v à tout instant t est numériquement égale à l’aire sous la courbe accélération-temps entre zéro et t.

Compte tenu de ces informations de base et en utilisant un critère d’optimisation, par exemple, tel que la minimisation de l’accélération maximale, nous pouvons maintenant montrer que la trajectoire de mouvement en fonction du temps dans l’espace tridimensionnel est complètement déterminée en conséquence de la condition d’optimisation, c’est-à-dire que tout le cycle de mouvement est fixé dans le temps en raison de la période entraînement. Le fait qu’une contrainte temporelle d’anticipation sur la période de mouvement (donnée par la période de stimulus) entraîne un problème d’optimisation bien défini cinématiquement permet une analyse mathématique montrant une spécification complète des coordonnées tridimensionnelles d’une trajectoire de membre. En d’autres termes, la réduction de la variabilité de trajectoire du bras lors d’un mouvement d’atteinte ou du genou lors d’un cycle de pas est une conséquence naturelle de la contrainte de temps rythmique.

En langage clinique, en fixant le temps de mouvement à travers un intervalle rythmique, le chronométreur interne du cerveau dispose désormais d’un chronométreur supplémentaire déclenché à l’extérieur avec un intervalle de référence précis, une référence de temps continue (CTR). Cette période présente des informations temporelles au cerveau à n’importe quel stade du mouvement. Le cerveau sait à tout moment du mouvement combien de temps s’est écoulé et combien de temps il reste, ce qui permet une cartographie anticipée améliorée et une mise à l’échelle des paramètres de vitesse et d’accélération optimaux sur l’intervalle de mouvement. Le cerveau essaie maintenant d’optimiser le mouvement en le faisant correspondre au modèle donné. Ce processus entraînera non seulement des changements de vitesse de déplacement, mais également des trajectoires de mouvement plus lisses et moins variables et un recrutement musculaire. On peut en conclure que le rythme auditif, via l’entraînement de la période physiologique du système moteur, agit comme une fonction de forçage pour optimiser tous les aspects du contrôle moteur. Le rythme influence non seulement le moment du mouvement – le temps en tant qu’unité de coordination centrale du contrôle moteur – mais module également les modèles d’activation musculaire et de contrôle du mouvement dans l’espace (Thaut et al., 1999). Les signaux rythmiques fournissent des informations d’optimisation complètes au cerveau pour la reconfiguration du mouvement.

Avec cette compréhension des mécanismes sous–jacents de l’entraînement, il est cliniquement moins important que les patients synchronisent leur réponse motrice exactement au rythme – il est important qu’ils s’entraînent à la période rythmique car le modèle de période contient les informations critiques pour optimiser la planification motrice et l’exécution motrice. La recherche a en effet montré que le timing de la réponse motrice par rapport au battement peut fluctuer alors que la période de mouvement s’entraine très rapidement et précisément à la période rythmique et que l’entraînement de la période est maintenu lors des changements de fréquence dans l’intervalle de stimulus rythmique (Thaut et al., 1998b).

Applications cliniques de l’entraînement

Les enseignements tirés des études rythmiques auditives-motrices ont conduit à une reconceptualisation complète du rôle des stimuli auditifs complexes tels que la musique pour la thérapie et la réadaptation. Traditionnellement, le rôle de la musique en thérapie avait été considéré à partir de modèles de sciences sociales comme un stimulant pour l’interprétation personnelle en ce qui concerne le bien-être, la réponse émotionnelle et la relation sociale. Bien que ces propriétés de la musique soient également importantes pour les fonctions thérapeutiques, les nouvelles découvertes ont recentré le rôle de la musique en tant que stimulus thérapeutique sur ses propriétés structurelles façonnant la perception sensorielle liée à la fonction motrice (de l’Etoile, 2010; Altenmueller et Schlaug, 2013).

Les premiers résultats cliniques ont été reproduits et étendus par un certain nombre d’autres groupes de recherche justifiant l’existence de circuits moteurs auditifs rythmiques pour l’entraînement dans la réadaptation de la démarche hémiparétique (Ford et al., 2007; Roerdink et coll., 2007, 2011; Thaut et coll., 2007; Spaulding et coll., 2013). Un grand nombre d’études sur le SRA ont reproduit et étendu l’utilisation bénéfique du SRA pour la mobilité dans la maladie de Parkinson (voir pour examen: deDreu et al., 2012).

Après des expériences réussies entraînant des rythmes biologiques endogènes d’oscillateurs neuronaux de la démarche, une nouvelle question est apparue. L’entraînement rythmique peut-il également être appliqué pour entraîner les mouvements du corps entier, en particulier les mouvements des bras et des mains qui ne sont pas entraînés par des rythmes biologiques sous-jacents? La réponse a été trouvée en transformant les mouvements fonctionnels des membres supérieurs, qui sont généralement discrets et non rythmiques, en unités de mouvement cycliques répétitives qui pourraient maintenant être adaptées aux indices temporels rythmiques. Plusieurs études de recherche clinique ont réussi à étudier le cuing rythmique des membres supérieurs pour la coordination complète du corps, en particulier dans la réadaptation hémiparétique de l’AVC (Luft et al., 2004; McCombe-Waller et coll., 2006; Schneider et coll., 2007; Altenmueller et coll., 2009; Malcolm et coll., 2009; Grau-Sanchez et coll., 2013) et chez les enfants atteints de paralysie cérébrale (Peng et al., 2010; Wang et coll., 2013).

Les améliorations de la réadaptation des bras de l’AVC étaient comparables en taille aux données de la recherche sur la thérapie induite par contrainte (CIT; Massie et al., 2009).

Plus d’applications cliniques de l’entraînement

L’entraînement rythmique dépasse le contrôle moteur. De nouvelles recherches montrent que le contrôle du taux de parole affectant l’intelligibilité, le contrôle moteur oral, l’articulation, la qualité de la voix et la force respiratoire peut grandement bénéficier de l’entraînement rythmique utilisant le rythme et la musique (Pilon et al., 1998; Wambaugh et Martinez, 2000; Thaut et coll., 2001; Natke et coll., 2003; Lim et coll., 2013). Des découvertes récentes dans la réhabilitation de l’aphasie suggèrent que la composante rythmique de la thérapie d’intonation mélodique peut être tout aussi importante que l’activation des circuits de parole de l’hémisphère droit intacts par le chant (Stahl et al., 2011).

Enfin, le potentiel d’entraînement temporel de la fonction cognitive n’est apparu que récemment comme un moteur important de changement thérapeutique. La reconnaissance du fait que la synchronisation et le séquençage ont également une fonction critique dans les capacités cognitives (Conway et al., 2009) a conduit à des recherches sur le rôle potentiel de la musique et du rythme en tant que technique de réadaptation cognitive. Le son en musique est intrinsèquement temporel et séquentiel et peut servir d' »échafaudage » pour amorcer la représentation de modèles séquentiels temporels dans des fonctions cognitives telles que la mémoire (Conway et al., 2009). L’amorçage d’informations non musicales sur les motifs rythmiques et mélodiques d’un « échafaudage » musical peut offrir plusieurs avantages pour améliorer l’encodage profond lors de l’acquisition et de la récupération lors de l’entraînement en mémoire. La musique peut indiquer l’ordre temporel et le séquençage de l’information. Le contour rythmique-mélodique peut créer une structure de motif sur laquelle des unités d’information peuvent être mappées. La structure de phrases des motifs musicaux peut segmenter les unités d’information totales en un ensemble plus petit de gros morceaux ou d’unités globales, réduisant ainsi la charge de mémoire (Wallace, 1994). Ce dernier point peut constituer un avantage particulier en musique puisque les mnémoniques musicales, telles que les chansons courtes, sont généralement composées par un petit alphabet de hauteurs et de motifs rythmiques (Snyder, 2000). Grandes unités d’information constituées de grands alphabets (p. ex., listes de mots, tables de nombres) peuvent être cartographiées sur un petit alphabet de hauteur et de rythme qui est organisé en « unités de mémoire” redondantes, répétitives et anticipatives réduisant la charge de mémoire et augmentant le codage profond (Thaut et al., 2009a).

De l’entraînement à la complexité

Les techniques de musicothérapie neurologique en réadaptation cognitive et orthophonie reposent dans une large mesure sur le rôle du timing dans la musique et le rythme. Cependant, la découverte qu’un élément musical tel que le rythme peut être un moteur très efficace de l’apprentissage et de la formation thérapeutiques a conduit à un nouveau regard pour considérer le potentiel thérapeutique de tous les éléments musicaux dans un cadre de perception de la musique et de jeu de musique. En d’autres termes, l’entraînement rythmique a ouvert la porte au passage de modèles principalement interprétatifs de la musique en thérapie à des modèles basés sur la perception. Les applications interprétatives de la musique en thérapie restent importantes, en particulier lorsque les objectifs de mémoire à long terme psychosociaux, affectifs / expressifs ou associatifs deviennent un objectif fonctionnel de la thérapie. Cependant, la recherche a maintenant montré comment toute la complexité des éléments musicaux peut être transformée en thérapie fonctionnelle. Des exercices de perception basés sur des modèles mélodiques et harmoniques en musique peuvent être appliqués pour entraîner une attention soutenue, sélective, divisée, concentrée et alternée dans des contextes cliniques (Gardiner et Thaut, 2014). La musique en tant que langage auditif complexe a été appliquée pour rééduquer les déficits de perception auditive et améliorer la perception de la parole (Tierney et Kraus, 2013; Mertel, 2014). Des applications spéciales de formation à la perception auditive basée sur la musique ont été utilisées avec des utilisateurs d’implants cochléaires (Mertel, 2014). Chez les patients atteints de négligence visuelle hémi-spatiale, des exercices thérapeutiques utilisant l’écoute de musique et le jeu d’instruments qui mettent l’accent sur l’attention auditive et visuelle du côté de la négligence se sont avérés efficaces pour réduire la négligence (Hommel et al., 1990; Abiru et coll., 2007; Soto et coll., 2009; Bodak et coll., 2014). Enfin, des exercices guidés de composition élémentaire et d’improvisation en musique mettant l’accent sur la pensée complexe, la prise de décision, la résolution de problèmes, le raisonnement, l’évaluation affective, l’auto-organisation, la compréhension, etc. il a été démontré qu’il est efficace d’améliorer la fonction exécutive chez les personnes atteintes d’une lésion cérébrale traumatique (Thaut et al., 2009b; Hegde, 2014).

Frontières de la musicothérapie neurologique

La découverte de l’entraînement à des fins thérapeutiques au début des années 1990 a conduit à de nombreuses recherches montrant que la périodicité des schémas rythmiques auditifs pourrait améliorer les schémas de mouvement chez les patients atteints de troubles du mouvement. La théorie du contrôle moteur et la neurophysiologie motrice proposent que les changements dans les schémas moteurs sont dus à l’amorçage du système moteur et aux modèles rythmiques anticipatifs dans le cerveau qui permettent une anticipation, une planification motrice et une exécution optimales avec un repère rythmique externe. La capacité du cerveau à utiliser l’entraînement pour reprogrammer l’exécution d’un motif moteur a fait de l’entraînement rythmique un outil important dans la rééducation motrice (Thaut et Abiru, 2010; Thaut et McIntosh, 2014). Plus récemment, l’entraînement rythmique temporel a été étendu à des applications en réadaptation cognitive et en réadaptation de la parole et du langage, avec des preuves émergentes que les mécanismes d’entraînement rythmique peuvent être un outil essentiel pour la réadaptation dans tous les domaines de la musicothérapie neurologique (Thaut, 2010; Thaut et Hoemberg, 2014). La structure temporelle de la musique reste un élément central de la thérapie et de la réadaptation. Cependant, la découverte de l’entraînement rythmique a également ouvert la porte à l’exploration des mécanismes thérapeutiques dans d’autres éléments de la musique tels que la mélodie et l’harmonie, et enfin dans la structure des motifs de la musique en tant que langage auditif complexe pour stimuler et (ré)entraîner des fonctions cognitives complexes. La musicothérapie neurologique en tant que modèle de traitement codifié et standardisé, comprenant actuellement 20 techniques de rééducation motrice, de la parole / du langage et cognitive, a émergé et a été acceptée médicalement assez rapidement au cours des 15 dernières années. Cependant, puisque le NMT a été construit sur des données de recherche existantes, la forme future du NMT sera dynamiquement motivée par la poursuite de la recherche. L’un des plus grands domaines de besoins thérapeutiques est la réadaptation psychiatrique. Les vues émergentes sur la nature de la maladie mentale, motivées par de nouvelles connaissances issues de la recherche neuropsychiatrique, pourraient permettre une extension plus ciblée des techniques de NMT dans les domaines de la fonction exécutive et psychosociale, de l’attention et de la mémoire pour contribuer au traitement psychiatrique.

Déclaration sur les conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.