Role of the force-length relationship on muscle coordination and force production with the hand : a biomechanical modeling approach

La main nous permet de réaliser au quotidien une multitude de tâches en interaction avec notre environnement impliquant des niveaux de force élevés ou des gestes fins. Comment le système neuro-musculosquelettique coordonne-t-il ces multiples structures pour produire un geste ou une force, reste un questionnement majeur pour la compréhension du mouvement humain du fait d'un manque de données quantifiées pour la main. Mes travaux de thèse avaient pour but d’explorer le rôle de la mécanique musculaire, en particulier des aspects de « force-longueur », sur les coordinations musculaires et la capacité à produire de la force avec la main. Pour y arriver, j’ai développé un modèle musculosquelettique de la main et un protocole de mesure permettant d’étudier l’effet de la posture et de l’activation sur la force maximale que le muscle peut produire. Ces outils ont été employés dans deux études s’intéressant aux facteurs associés aux dimensions de l’objet et aux types d’application de force, préhension ou appui. Ces études ont permis de montrer que selon la tâche, les capacités d’un muscle spécifique semblent guider les variations de la force maximale que l’on peut exercer, notamment les extenseurs des doigts ou du poignet, dans les tâches préhensiles. Ces travaux doctoraux suggèrent que lors de la préhension les capacités musculaires exercent une influence forte sur les coordinations musculaires et sur les niveaux de force exercés avec la main. Ils apportent aussi des données essentielle pour les ergonomes et la compréhension des facteurs de risque des troubles musculosquelettiques en reliant directement une posture à un état favorable du système musculosquelettique.The hand allows us to perform a multitude of tasks in daily interaction with our environment, to manipulate objects of various shapes and weights, involving high levels of force or fine gestures. How the neuro-musculoskeletal system coordinates these multiple structures to produce a force remains a major question in the understanding of human movement. In particular, there is little understanding of how the force production capabilities of each muscle influence their coordination to accomplish a task due to a lack of quantified data. The aim of this thesis work was to explore the role of muscle mechanics, in particular aspects of ’force-length’, on muscle coordination and the ability to produce force with the hand. To achieve this, I developed a musculoskeletal model of the hand and a measurement protocol to study the effect of posture and activation on the maximum force that the muscle can produce. These tools were used in two studies that focused on factors associated with object size and the types of force application, grasping or supporting. This work showed that depending on the task, the ability of a specific muscle seemed to guide the variations of maximum hand force, notably the finger or wrist extensors in prehensile tasks. This doctoral work suggests that during prehension, muscular capabilities have a strong influence on muscle coordination and force levels exerted with the hand. They also provide essential data for ergonomists and the understanding of risk factors for musculoskeletal disorders by directly linking a posture to a favourable state of the musculoskeletal system