Visuomotor control of locomotion and the effects of aging and stroke

Vision is arguably the most important sensory cue for the control of goal-directed locomotion. Optic flow, broadly defined as the pattern of light at the eye of a person moving through the environment, provides strong cues on the direction of locomotion, also known as heading. To date, most studies have only investigated the use of optic flow for heading in healthy young subjects. However, the capacity for visual processing can decline with advancing age or a neurological insult, such as stroke. These changes could impact on the control of heading and locomotion. The purpose of this thesis was to explore the role of optic flow in the control of locomotion in older adults and in stroke patients. In the first study, 2 groups of subjects (young: n=9, age 21.56 ± 3.20; old: n=9, age 66.11 ± 3.95) were instructed to walk straight in a virtual environment. As they progressed forward, the location from which the scene was expanding from, also know as the focus of expansion (FOE), was offset with a translation of 20° or 40° either to the left or right of the midline of the virtual scene. Young adults responded by displacing their centre of mass (CoM) mediolaterally in the direction opposite to the FOE shift, thus correcting their virtual trajectory so that they perceived walking straight in the virtual environment. In contrast, older adults showed very little trajectory corrections to the optic flow, resulting in large heading errors. In the second study, 10 young (age 23.49 ± 4.72) and 10 older adults (age 76.22 ± 3.11) were instructed to walk straight in a virtual environment where the FOE was gradually rotated until reaching 40° to the right or left at the end of the walking trial. Young adults displayed very small net heading errors in the virtual environment and responded by physically reorienting their heading and head in the direction opposite to the FOE rotation. Older adults showed similar responses, though they had smaller head rotations and slightly larger errors. Taken together, these 2 studies indicate that the effects of aging on the control of heading from optic flow are dependent on the type of flow presented and that the utilization of rotational flows while walking are less susceptible to aging than translational flows. In the third study, the same groups of healthy young and older adults (n=10 each) were tested on their ability to re-weight sensory information and maintain a straight heading in the physical environment while being exposed to rotational flows, as they walked at normal and fast walking speeds. Older participants made significantly larger heading errors than younger adults at normal walking speeds. Fast walking speed was found to improve the heading performance of young subjects but led to even larger heading errors in the older adults. This study suggests an increased reliance on visual cues for locomotor control in older adults who are less adept in visual reweighting. In the final study, a single-subject design was used to investigate the effects of stroke on the ability to use rotational optic flow cues while walking. Nine stroke patients were instructed to walk straight in a virtual environment with the FOE rotating 40° either towards the ipsilesional or contra-lesional side. Patterns of heading responses varied, with individuals having a history of neglect consistently showing heading larger errors than those without. The presence of persistent visuomotor deficits, particularly in far space, in stroke patients with a history of visuospatial neglect, is a novel finding of this thesis. In conclusion, central nervous system changes due to aging and stroke can impact the ability to use optic flow for the control of goal-directed locomotion. The underlying changes may pertain to the processing and/or integration of visual motion information.La vision est sans doute l'information sensorielle la plus importante dans le contrôle de la marche. Le flux optique, qui peut être défini comme le patron de lumière dirigé sur la rétine quand une personne avance dans l'environnement, donne de puissantes indications quant à la trajectoire ou la direction de la marche. Le vieillissement et la présence de lésions neurologiques peuvent altérer la capacité à traiter les informations visuelles. Le but de cette thèse était d'explorer le rôle du flux optique dans le contrôle de la trajectoire de la marche chez les personnes âgées et les patients ayant subi un accident vasculaire cérébral (AVC). Dans la première étude, deux groupes de sujets (jeunes : n=9, 21.56 ± 3.20 ans; Âgés: n=9, 66.11 ± 3.95 ans) ont reçu pour instruction de marcher en ligne droite dans un environnement virtuel. Alors qu'ils avançaient, l'endroit à partir duquel la scène prenait de l'expansion, connu également comme le focus d'expansion (FE), a été déplacé latéralement pour atteindre une translation de 20° ou de 40° vers la gauche ou la droite par rapport à la ligne centrale de l'environnement virtuel. Les jeunes adultes ont répondu en déplaçant leur centre de masse médiolatéralement dans la direction opposée au déplacement du FE, corrigeant ainsi leur trajectoire de sorte qu'ils marchent en ligne droite dans l'environnement virtuel. Au contraire, les adultes plus âgés ont montré très peu de corrections en réponse au flux optique, résultant en de grandes erreurs de trajectoire. Dans la seconde étude, 10 jeunes adultes (âge 23.49 ± 4.72 ans) et 10 adultes âgés (âge 76.22 ± 3.11 ans) ont reçu pour instruction de marcher droit dans un environnement virtuel alors que le FE a été graduellement déplacé en rotation, jusqu'à l'obtention d'un angle de 40° vers la droite ou la gauche à la fin de l'essai de marche. Les sujets jeunes ont démontré des erreurs nettes de trajectoire très petites dans l'environnement virtuel et ont répondu en tournant et redirigeant la tête et le corps dans la direction opposée à la rotation du FE. Les adultes plus âgés ont répondu de la même façon, bien qu'ils aient eu moins de rotation de la tête et des erreurs légèrement plus grandes. Les résultats combinés de ces deux études indiquent que les effets du vieillissement sur le contrôle de la trajectoire à l'aide du flux optique sont dépendants du type de flux optique présenté et que l'utilisation du flux en rotation pendant la marche est moins sensible au vieillissement que celle du flux en translation. Dans la troisième étude, les sujets jeunes et âgés ont été testés quant à leur habileté à re-pondérer les informations sensorielles et maintenir une trajectoire rectiligne dans l'environnement réel alors qu'ils étaient exposés à des flux optiques en rotation, lors de la marche à vitesse confortable et rapide. Les sujets âgés ont fait de plus grandes erreurs de trajectoire à vitesse confortable que les sujets plus jeunes. Une vitesse de marche plus rapide a amélioré la performance des sujets jeunes mais a entraîné des erreurs de trajectoire plus grandes chez les adultes plus âgés. Dans la dernière étude neuf patients avec un AVC ont reçu comme instruction de marcher droit dans un environnement virtuel avec un FE se déplaçant à 40 ° de rotation vers le côté lésionnel ou contra-lésionnel. Les patrons de réponse se sont révélés variables, alors que les sujets ayant une histoire d'héminégligence ont constamment montré de plus grandes erreurs de trajectoire. La présence de déficits visuomoteurs persistants chez les sujets avec une historique d'heminégligence est une nouvelle découverte de cette thèse. En conclusion, les changements au système nerveux central causés par le vieillissement et la présence d'un AVC peuvent influencer la capacité à utiliser le flux optique pour contrôler la marche. Les changements sous-jacents pourraient être liés au traitement et/ou à l'intégration des informations de mouvement visuel