La plasticité du système nerveux central face aux contraintes environnementales ou morphologiques est un processus fondamental mis en place afin de permettre à l’animal de maintenir des comportements adaptés. Parce que le comportement locomoteur est essentiel à la survie de l'animal, les mécanismes neuronaux permettant sa genèse doivent s’adapter aux modifications morphologiques de l’organisme pendant son développement. Pour aborder cette question, nous avons développé un nouveau modèle expérimental pour lequel les modifications morphologiques au cours du développement sont extrêmes et impliquent des reconfigurations à long terme du système nerveux. L'amphibien Xenopus laevis lors de sa métamorphose est, en effet, un modèle pertinent pour étudier (par des approches comportementales, neuroanatomiques, électro-physiologiques et pharmacologiques), les mécanismes impliqués dans la réorganisation des réseaux neuronaux locomoteurs de la moelle épinière face à des modifications extrêmes du schéma corporel. En effet, pendant sa métamorphose, l'animal passe d'un mode de locomotion ondulatoire mettant en jeu sa musculature axiale, à un mode de locomotion appendiculaire grâce aux membres néo-formés. Il existe de plus des stades intermédiaires où les deux modes de locomotion coexistent et expriment des relations fonctionnelles variables. Nos expériences d’électrophysiologie extracellulaire nous ont permis de dégager la dynamique temporelle de l’émergence du réseau de neurones commandant la locomotion appendiculaire adulte et de ses relations fonctionnelles avec le réseau locomoteur commandant la nage larvaire lorsque ces deux réseaux coexistent. D’après les résultats présentés, il apparaît un changement de l’équilibre fonctionnel et des interactions entre les commandes locomotrices ondulatoire et appendiculaire, faisant des stades intermédiaires de la métamorphose les témoins privilégiés du passage de relais progressif entre les deux systèmes locomoteurs. Nos travaux ont également démontré que l’activité de chaque réseau ainsi que leurs relations fonctionnelles sont sujettes à modulation glutamatergique et aminergique destinées à adapter la locomotion aux besoins de l'animal. Nous montrons que certains modulateurs (tels que le glutamate, la sérotonine et la noradrénaline) exercent des effets opposés sur les réseaux locomoteurs larvaires et adultes, alors qu'à l'inverse, la dopamine conserve les mêmes propriétés modulatrices sur ces réseaux malgré les profonds bouleversements subis pendant le développement. Outre leur rôle modulateur, nos résultats suggèrent aussi un rôle des afférences aminergiques dans la maturation des réseaux locomoteurs et ouvrent de nombreuses interrogations quant aux mécanismes impliqués dans la plasticité des afférences neuromodulatrices elles-mêmes au cours de la métamorphose. L’apparition et la disparition de neurones sérotoninergiques intraspinaux concomitantes avec la croissance des membres postérieurs, et précédant la régression de l'appendice caudal laissent envisager un rôle de la sérotonine dans la maturation du réseau locomoteur appendiculaire ou dans la chronologie de la régression du réseau axial. / Plasticity of the central nervous system is fundamental to an animal's capacity to adapt to continually changing biomechanical and environmental demands. Although the neuronal mechanisms underlying such essential behaviours as locomotion must adapt to an organism's morphological modifications during growth and development, the associated changes that occur in central nervous function remain poorly understood. To address this issue, we have developed a new experimental model - the amphibian Xenopus laevis during its metamorphosis - in which the extreme biomechanical modifications occurring during this critical period necessitate a correspondingly extensive and long-term reorganisation of locomotor neural circuitry within the animal's spinal cord. During metamorphosis, the locomotory strategy of Xenopus shifts from undulatory swimming involving axial tail-based movements, to appendicular propulsion that uses the newly formed limbs. At intermediate metamorphic stages, moreover, the two locomotor strategies coexist within the same animal as the secondary limb-based motor circuitry is progressively replaces the primary axial network as the limbs are added and the tail regresses. By making extracellular recordings of spontaneous "fictive" locomotor patterns generated by isolated brainstem/spinal cord preparations, we have charted the temporal dynamics of the emergence of the appendicular neuronal network and determined its functional relationship with larval axial locomotor circuitry through the metamorphic period. Our results have shown that the limb circuitry is initially present but not functional, functional but subordinate to the embryonic axial network, functionally independent from the axial network, and ultimately alone after axial circuitry disappears with tail resorption. Furthermore, the use of pharmacological approaches established that during the metamorphic transition, the coexisting spinal locomotory networks and their functional interactions are subject to glutamatergic and aminergic modulation in order to adapt locomotory performance to the immediate behavioural needs of the animal. Interestingly, the neuromodulators glutamate, serotonin and noradrenaline exert directly opposing influences on the larval and adult locomotor networks, while dopamine preserves a similar modulatory action on the two circuits in spite of their profound remodelling during metamorphic development. Finally, in addition to a short-term modulatory role, our immunocytochemical evidence suggested that descending aminergic systems may contribute to the long-term maturation of spinal locomotor circuitry during metamorphosis in parallel with their own developmental reconfiguration. Specifically, the appearance and disappearance of a population of intraspinal serotonergic neurons concomitant with hindlimb growth and preceding tail regression suggested a role of serotonin in the maturation of the appendicular locomotor network and/or in the chronology of axial network regression.

L’influence de la gravité sur le développement des capacités motrices a été étudiée chez la souris C57Bl/6J. Nous avons voulu savoir s’il existait des périodes critiques dans l’adaptation à la gravité. Nous avons utilisé pour cela l’hypergravité par centrifugation chronique, seul moyen de modifier la pesanteur durant l’embryogenèse des mammifères. Des groupes de souris ont été centrifugés (a) pendant le développement pré et périnatale (de la conception jusqu’à l’âge de 10 jours), (b) pendant le développement post-natal (du 10e jour au 30e) ou (c) sur l’ensemble de ces deux périodes. Nous avons étudié, à l’âge de 2 et 6 mois, (i) les mouvements compensateurs des yeux dans la stabilisation du regard par vidéo-oculographie et les réactions vestibulaires ; (ii) la dépense énergétiques par calorimétrie indirecte, et (iii) les paramètres cinématiques de la locomotion par vidéo-radiographie. Seules les souris centrifugées pendant l’ensemble du développement présentent, au moins transitoirement, des réactions otolithiques perturbées. Ce résultat nous conduit à rejeter l’hypothèse d’une période critique vestibulaire, mais l’observation de déficits dans certains tests de réactions vestibulaires des souris centrifugées à partir de P10 pourrait confirmer l’hypothèse d’une période critique dans l’établissement des connexions vestibulo-cérébelleuses et vestibulo-spinales. L’analyse du métabolisme a montré que seules les souris élevées prénatalement en hypergravité présentaient une dépense énergétique accrue à l’âge de 2 et 6 mois. L’analyse de la cinématique articulaire au cours de la locomotion a montré que l’ajustement du contrôle postural a lieu, en partie, avant que les animaux ne commencent à marcher. En revanche, l’ajustement des allures se fait après le 10e jours post-natal quand les animaux font l’expérience de la marche. L’ensemble de ces résultats démontrent l’existence d’une succession de périodes critiques dans l’ontogenèse des capacités motrices. / The influence of gravity on the development of motor skills was analysed on the mice C57Bl/6J. Our goal was to evaluate the hypothesis of critical periods in the adaptation to gravity. We used the chronic centrifugation that is the only available technique to modify the gravity during mammals embryogeny. Several groups of mice were centrifuged (a) during the early perinatal development (from conception to tenth postnatal day), (b) during the postnatal development (from day 10 to 30) or (c) during the whole periods. We analysed, at the age of 2 and 6 months, (i) the compensatory eye movements during the gaze stabilization by video-oculography, and the vestibular reactions; (ii) the energetic expanse by indirect calorimetry, and (iii) the kinematic parameters of locomotion by video-radiography. Only the mice centrifuged during their whole development showed at least transitory impairment of otolithic reactions. This result was inconsistent with a vestibular critical period, but the observation of impairments in some vestibular reactions of postnatally centrifuged mice could support the hypothesis of a critical period in the establishment of vestibulo-cerebellar or vestibulo-spinal connections. The metabolic analysis showed an increased energetic expense in mice exposed to hypergravity when 2 or 6 months old. The kinematic analysis of joints during locomotion showed that postural adjustment occurred, at least partly, before the mice started walking. On the other hand, the gait adjustment occured after tenth postnatal day, when the mice experiment walking. As a whole these results show the existence of several critical periods in the ontogenesis of motor capabilities.

Un robot bipède doit pouvoir marcher en toute sécurité dans une foule. Pour cela, il faut prendre en compte deux aspects : l’équilibre et l'évitement des collisions. Maintenir l’équilibre implique d'éviter les défaillances dynamiques et cinématiques de la dynamique instable du robot. Pour ce qui est de l’évitement des collisions, il s’agit d’éviter le contact entre le robot et des individus. Nous voulons être capables de satisfaire ces deux contraintes simultanément, à l’instant présent mais aussi dans le futur. Nous pouvons assurer l’équilibre du robot indéfiniment en le faisant entrer dans un cycle limite de marche ou en le faisant s’arrêter après quelques pas. Néanmoins, une telle garantie pour l’évitement d’obstacle n’est pas possible pour plusieurs raisons : impossibilité de connaître de manière absolue la direction vers laquelle les individus se dirigent, limitations cinématiques et dynamiques du robot, mouvement adverse de la foule, etc. Nous traitons ces limitations avec une stratégie standard de navigation dans une foule, appelée passive safety, qui nous permet de formuler une loi de commande prédictive avec laquelle nous assurons l’équilibre et l'évitement des collisions, de manière unifiée, en faisant s’arrêter le robot de manière sécurisée et en temps fini. De plus, nous définissons une nouvelle stratégie de navigation sûre basée sur le principe d’évitement des collisions aussi longtemps que possible, qui a la propriété de minimiser leur apparition et sévérité. Nous proposons une formulation lexicographique qui synthétise des mouvements conformes à ce principe. Nous augmentons les degrés de liberté de la locomotion d’un robot bipède en permettant la variation de l’orientation et de la durée des pas en ligne. Cependant, cela introduit des non-linéarités dans les contraintes de nos problèmes d’optimisation. Nous faisons des approximations de ces contraintes non-linéaires avec des contraintes linéaires sûres de sorte que la satisfaction des secondes implique la satisfaction des premières. Nous proposons une nouvelle méthode de résolution des problèmes non-linéaires (Optimisation Quadratique Successive Sûre) qui assure la faisabilité des itérations de Newton en utilisant cette redéfinition des contraintes. Nous simulons la marche d’un robot bipède dans une foule pour évaluer la performance de nos lois des commandes. D’une part, nous réussissons à réduire (statistiquement) la quantité et la sévérité des collisions en comparaison avec la méthode de passive safety, spécialement dans les conditions d’incertitude de la marche du robot dans une foule. D’autre part, nous montrons des exemples de comportements typiques du robot, qui découlent de la liberté de choisir l’orientation et la durée des pas. Nous rapportons le coût de calcul de notre méthode de résolution des problèmes non-linéaires en comparaison avec une méthode standard. Nous montrons qu’une seule itération de Newton est nécessaire pour arriver à une solution faisable, mais que le coût de calcul dépend du nombre de factorisations de l’active set dont nous avons besoin pour arriver à l’active set optimal. / We want a biped robot to walk safely in a crowd. This involves two aspects: balance and collision avoidance. The first implies avoiding kinematic and dynamical failures of the unstable walking dynamics of the robot; the second refers to avoiding collisions with people. We want to be able to solve both problems not only now but also in the future. We can ensure balance indefinitely by entering in a cyclic walk or by making the robot stop after a couple of steps. Nonetheless, we cannot give a comparable guarantee in collision avoidance for many reasons: impossibility of having absolute knowledge of where people are moving, kinematic/dynamical limitations of the robot, adversarial crowd motion, etc. We address this limitation with a standard strategy for crowd navigation, known as passive safety, that allows us to formulate a unified Model Predictive Control approach for balance and collision avoidance in which we require the robot to stop safely in finite time. In addition, we define a novel safe navigation strategy based on the premise of avoiding collisions for as long as possible that minimizes their occurrence and severity. We propose a lexicographic formulation that produces motions that comply with such premise.We increase the degrees of freedom of the locomotion of a biped robot by allowing the duration and orientation of its steps to vary online. This introduces nonlinearities in the constraints of the optimization problems we solve. We approximate these nonlinear constraints with safe linear constraints so that satisfying the latter implies satisfying the former. We propose a novel method (Safe Sequential Quadratic Programming) that ensures feasible Newton iterates in the solution of nonlinear problems based on this redefinition of constraints.We make a series of simulations of a biped robot walking in a crowd to evaluate the performance of our proposed controllers. We are able to attest the reduction in the number and in the severity of collisions with our proposed navigation strategy in comparison with passive safety, specially when there is uncertainty in the motion of people. We show typical behaviors of the robot that arise when we allow the online variation of the duration and orientation of the steps and how it further improves collision avoidance. We report the computational cost of our proposed numerical method for nonlinear problems in comparison with a standard method. We show that we only need one Newton iteration to arrive to a feasible solution but that the CPU time is dependent on the amount of active set factorizations needed to arrive to the optimal active set.

Lors de la locomotion, la commande rythmique envoyée aux muscles des membres est organisée de manière spatiale et temporelle par les générateurs centraux du patron locomoteur (CPGs) localisés dans la moelle épinière. Ces derniers sont sous le contrôle des centres supraspinaux impliqués dans l'aspect motivationnel du comportement locomoteur dont l’activité est constamment modulée par des afférences sensorielles afin de permettre d'adapter les mouvements aux changements environnementaux. L’objectif majeur de mon travail doctoral était d’explorer les mécanismes des interactions dynamiques entre (1) les centres supraspinaux, (2) les CPGs et (3) les afférences sensorielles dans le contrôle de la locomotion chez le rat nouveau-né intact et spino-lésé. En nous appuyant sur le modèle de préparation de tronc cérébral / moelle épinière isolée in vitro, nous avons montré que la manipulation de l’organisation temporelle de la commande locomotrice en provenance de la formation réticulée (située dans le tronc cérébral) est efficace pour ajuster finement l’activité des CPGs locomoteurs. Nous avons ensuite mis en lumière l’importance des voies descendantes sérotonergiques dans l’intégration de l’information sensorielle par les CPGs locomoteurs durant la première semaine postnatale. Enfin, en combinant des approches comportementales, neurochimiques et électrophysiologiques, nous avons mis en évidence des effets différents mais complémentaires des neuromodulateurs monoaminergiques (sérotonine, dopamine et noradrénaline) dans la réexpression du comportement locomoteur après une lésion spinale. Notre travail ouvre de belles perspectives pour la compréhension du contrôle afférent de la moelle épinière, à la fois dans un contexte non-pathologique et après un traumatisme médullaire. / Located within the spinal cord, the locomotor central pattern generators (CPGs) organize the rhythmical activation of limb muscles according to specific gait pattern requirements. These CPGs are under the control of supraspinal centers that are involved in the motivational aspect of locomotor behavior, and their activity is constantly modulated by sensory inputs to adapt the locomotor activities to environmental changes. The aim of my doctoral work was to further understand the dynamic interactions between (1) the supraspinal centers, (2) the CPGs and (3) the sensory inputs in both healthy and spinalized newborn rats. Using the isolated brainstem / spinal cord preparation as an in vitro experimental model, we first showed that manipulating the periodicity and the relative durations of left and right descending reticulospinal commands at the brainstem level is efficient to set the locomotor speed and sustain directional changes. We next established the interaction between the descending serotonergic pathways and sensory feedback to shape the spinal locomotor outputs during the first postnatal week. Finally, by combining behavioral, neurochemical and electrophysiological techniques, we showed different but complementary effects of monoaminergic neuromodulators (serotonin, dopamine and norepinephrine) in the expression of locomotor behavior after a spinal cord injury. Our work brings additional data to better understand the afferent control of locomotor spinal CPGs in healthy and spinalized newborn rats.

本論文以表面肌電（Surface Electromypgraphy, SEMG）信號中動態信號能被獲取為前提，把被處理過的表面肌電信號轉變成步態參數 (gait parameters). 我們利用一些便攜式步態測量裝置，如加速度計，陀螺儀和腳踏開關和表面肌電圖測量裝置去採集步態參數。信號的處理和生物信息（身體的動態特性）轉換都加以討論和解釋，如濾波和預測肌肉的收縮等。 / 我們利用被採集步態參數作步態分析，並發現表面肌電信號內的動態信號的頻率特性能夠代表運動過程中的非恆久步態參數，如行走時的足部擺動的期間 (period of swing phase)、行走時的足部站立的期間 (period of stance phase) 和行走時的步幅期間 (period of stride)。 / 最後，我們發現可以利用線性預測 (linear prediction) 和閾值分析 (threshold analysis) 處理表面肌電信號以便獲得三種非恆久步態參數。根據我們的觀察，行走時足部擺動的期間可以被股直肌（rectus femoris, RF）的表面肌電信號捕獲，行走時的步幅期間可以被二頭肌股（bicep femoris, BF）的表面肌電信號捕獲，而行走時的足部站立的期間則可由BF和RF輸出的結果的平均值所捕獲。因此，表面肌電信號是可以作為一種獲取非恆久步態參數的工具。 / Electromyography (EMG) signal is an important quantity for describing the muscle’s activities and provides additional information in describing movement and locomotion in gait analysis. Surface electromyography (SEMG) measurement is a non-vivo technology for acquiring EMG signal. During the measurement of SEMG signals, the motion artifact is captured. Filters are applied to eliminate the frequency characteristics of motion artifact. However, this unwanted signal could be useful for obtaining the temporal gait parameters during the movement, such as the period of swing phase, the period of stance phase, and the period of stride of free walking. / In this study, accelerometers, gyroscopes and foot switches are used for the acquisition of kinematics and surface electromyography is used for measuring muscle’s activities. These measurement devices are evaluated in a gait study on lower extremity. The signal processing and conversion of bio-information (the dynamic characteristics of body) are discussed, such as filtering, and the prediction of muscle’s contraction. / Lastly, temporal gait parameters could be captured by SEMG measurement with the linear prediction process and threshold analysis. From the results, it is observed that the swing period can be captured through the SEMG measurement for rectus femoris (RF), the stride period can be captured by the SEMG measurement for bicep femoris (BF), and the stance period can be captured by the averaged result of the outputs of BF and RF. Thus, SEMG measurement could be a tool for capturing temporal gait parameters. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Chan, Chi Chong. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2012. / Includes bibliographical references (leaves 67-69). / Abstracts also in Chinese. / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Literature Review --- p.1 / Chapter 1.2 --- Objectives --- p.5 / Chapter 1.3 --- Thesis Description --- p.5 / Chapter 2 --- Description for Wearable Gait Measurement --- p.7 / Chapter 2.1 --- Wearable Sensors --- p.8 / Chapter 2.2 --- Surface Electromyography (SEMG) --- p.12 / Chapter 2.3 --- Processing Unit --- p.15 / Chapter 2.4 --- Hardware Connection and Communication --- p.16 / Chapter 2.5 --- Summary --- p.20 / Chapter 3 --- Gait Analysis for Lower Extremity during Walking --- p.21 / Chapter 3.1 --- Gait Parameters Captured by Wearable Sensors --- p.21 / Chapter 3.1.1 --- Foot Switch: Walking Phase Detection --- p.22 / Chapter 3.1.2 --- Gyroscope: Frequency Response of Lower Limbs during Walking --- p.24 / Chapter 3.1.3 --- Accelerometer: Knee Joint Angle Estimation during Walking --- p.30 / Chapter 3.2 --- Analysis of Muscle Activities by SEMG signals --- p.36 / Chapter 3.3 --- Summary --- p.42 / Chapter 4 --- Temporal Gait Parameters during Walking by SEMG Measurement --- p.43 / Chapter 4.1 --- Motion Event and SEMG Signals --- p.43 / Chapter 4.2 --- Walking Phase Detection by SEMG Signals --- p.49 / Chapter 4.3 --- Temporal Gait Parameters --- p.53 / Chapter 4.4 --- Summary --- p.62 / Chapter 5 --- Conclusions, Contributions and Future Work --- p.63 / Chapter 5.1 --- Conclusions --- p.63 / Chapter 5.2 --- Contributions --- p.64 / Chapter 5.3 --- Future Work --- p.65 / Bibliography --- p.67

La radiculopathie cervicale caudale a été identifiée comme cause de boiterie affectant le membre antérieur chez le cheval. Les affections dégénératives des articulations intervertébrales des processus articulaires entraînent un remodelage périarticulaire pouvant comprimer les racines du nerf spinal ou leur rameau ventral. Les objectifs de l’étude étaient de décrire la réalisation d’injections échoguidées périneurales du rameau ventral des nerfs spinaux cervicaux 7 et 8 (RV7 et RV8), d’évaluer sur des cadavres de chevaux par dissection la diffusion péri-nerveuse d’une solution colorée ainsi que de décrire chez des chevaux sains les signes cliniques associés à une anesthésie périneurale échoguidée du RV7 et RV8 individuellement. Dans l’étude post-mortem, 5 RV7 et 5 RV8 ont été visualisés échographiquement et colorés par une injection de 7 ou 14 ml de solution colorée. Une portion du tronc nerveux a été trouvée coloré pour chaque injection. La coloration était uniforme transversalement sur toute la largeur du nerf et couvrait une longueur supérieure à 2 cm pour 8 RV alors qu’une coloration de la moitié crâniale du RV sur une longueur de moins de 2 cm pour un RV7 et un RV8. L’étude sur cheval sain portait sur 4 chevaux sains sans image radiographique anormale de la colonne cervicale. Six RV7 et 8 RV8 ont été anesthésiés de la Lidocaïne 2% mélangés à du iohexol. Toutes les injections ont entraîné boiterie antérieure ipsilatérale de l’injection. Les boiteries les plus sévères correspondaient à une parésie du nerf suprascapulaire pour RV7 et à une parésie radiale pour RV8. Cette étude a montré qu’il était possible de réaliser une injection périneurale des RV 7 et RV8 chez le cheval et que l’anesthésie tronculaire des deux racines provoque une atteinte motrice essentiellement de la fonction nerveuse. Ces résultats contribuent à mieux comprendre la symptomatologie des compressions nerveuses cervicales chez le cheval. / Caudal cervical radiculopathy has been identified as a cause of frontlimb lameness in horses. Degenerative conditions of articular process joint result in periarticular remodeling responsible for compression of spinal nerve roots or their ramus ventralis (RV). The objectives of the study were to describe how to perform perineural RV injection under ultrasonographic guidance, to evaluate on cadaver perineural RV staining after a dye solution injection, as well as describe clinical signs associated with a perineural ultranosonography-guided anesthesia of RV7 and RV8 respectively. In the post-mortem study, the RV of the spinal cervical nerves was visualized in all cadavers. Eight RV had a uniform transversal staining of the nerve trunk that covered longitudinally a distance greater than 2 cm. One C7 and one C8 RV showed incomplete transversal staining with a more concentrated color on its half cranial aspect and a longitudinal coverage of less than 2 cm. The in vivo study included 6 RV7 and 8 RV8 perineural injections of a local anesthetic agent, performed on 4 horses that had no abnormal finding on cervical radiographs. All anesthetic injections (lidocaine 2% and iohexol) resulted in modifications of the locomotion with variable degree of lameness on the ipsilateral frontlimb. Severe lameness was characteristic of a suprascapular paresis for RV7 and a radial paresis for RV8. Mild to moderate lameness on the ipsilateral frontlimb included decreased anterior phase of the stride, intern circumduction of the limb and sometimes stumbling for that same frontlimb. Signs of ataxia on the hindlimbs were encountered for 3 injections. This study showed that it is possible to perform perineural injections of RV7 and RV8 in horses and that perineural anesthesia of RV7 and RV8 results in motor dysfunction. These findings constitute a contribution to understanding clinical signs associated with cervical nerve compression in horses.

Cette thèse appréhende des questions scientifiques d'un point de vue de la data science, dans le cadre de l'analyse des séries temporelles issues de la locomotion en fauteuil roulant manuel (FRM). Compression et classification des séries temporelles à l'aide de DTW : l'algorithme Dynamic Time Warping (DTW) est souvent utilisé car il permet d'éviter de petites distorsions entre les séries temporelles au cours de leur alignement. Cependant, DTW produit parfois des alignements pathologiques qui se produisent, lorsque au cours de la comparaison de deux séries temporelles X et Y, un point de données de la série temporelle X est comparé à une grande sous-séquence de Y. Nous démontrons que la compression de séries temporelles à l'aide de l'approximation par morceaux (Piecewise Aggregate Approximation) (PAA) augmente considérablement la qualité de l'alignement avec DTW. Classification non supervisée de séries temporelles basée sur la distance Frobenius : Un shapelet non supervisé (U-shapelet) est une sous-séquence d'une série temporelle utilisée pour segmenter un jeu de données. Notre but est de découvrir des u-shapelets sur des séries temporelles incertaines. Pour ce faire, nous proposons un score de dissimilarité robuste à l'incertitude appelé FOTS dont le calcul est basé sur la décomposition en vecteurs propres et la comparaison des matrices d'autocorrélation de la série temporelle. Ce score est robuste à la présence d'incertitude ; il n'est pas très sensible aux changements transitoires ; il permet de saisir des relations complexes entre des séries temporelles telles que les oscillations et les tendances, et il est également bien adapté à la comparaison de séries temporelles courtes. Le score FOTS a été utilisé avec l'algorithme Scalable Unsupervised Shapelet Discovery pour le clustering de 17 jeux de données, et il a montré une amélioration substantielle de la qualité du clustering par rapport à l'indice Rand. Représentation symbolique de série temporelles cycliques basée sur les propriétés des cycliques : L'analyse des séries temporelles cycliques de la biomécanique est basée sur la comparaison des propriétés de leurs cycles. En général, les algorithmes de fouille de données ignorent cette particularité, nous proposons une représentation symbolique des séries temporelles cycliques basées sur les propriétés de cycles, appelés SAX-P. Les chaînes de caractères résultantes peuvent être comparées en utilisant la distance de distorsion temporelle dynamique (DTW). L'application de SAX-P aux moments propulsifs de trois sujets (S1, S2, S3) se déplaçant en FRM a mis en évidence de caractère asymétrique de leur propulsion. La représentation symbolique SAX-P facilite l'interprétation clinique des résultats de classification. / This thesis addresses scientific issues from a data science perspective as part of the analysis of time series from manual wheelchair locomotion (FRM).Compression and classification with Dynamic Time Warping: Dyna- mic Time Warping (DTW) is a time series alignment algorithm that is often used because it considers that it exits small distortions between time series during their alignment. However, DTW sometimes produces pathological alignments that occur when, during the comparison of two time series X and Y, one data point of the time series X is compared to a large subsequence of data points of Y. In this chapter, we demonstrate that compressing time series using Piecewise Aggregate Approximation (PAA) is a simple strategy that greatly increases the quality of the alignment with DTW. This result is particularly true for synthetic data sets.Frobenius correlation based u-shapelets discovery for time series clustering: An unsupervised shapelet (u-shapelet) is a sub-sequence of a time series used for clustering a time series dataset. The purpose of this chapter is to discover u-shapelets on uncertain time series. To achieve this goal, we propose a dissimilarity score robust to uncertainty called FOTS whose computation is based on the eigen- vector decomposition and the comparison of the autocorrelation matrices of the time series. This score is robust to the presence of uncertainty; it is not very sensitive to transient changes; it allows capturing complex relationships between time series such as oscillations and trends, and it is also well adapted to the comparison of short time series. The FOTS score has been used with the Scalable Unsupervised Shapelet Discovery algorithm for the clustering of 17 datasets, and it has shown a substantial improvement in the quality of clustering with respect to the Rand Index. This work defines a novel framework for clustering of uncertain time series.Symbolic representation of cyclic time series based on properties of cycles: The analysis of cyclic time series from bio-mechanics is based on the comparison of the properties of their cycles. As usual algorithms of time series classification ignore this particularity, we propose a symbolic representation of cyclic time series based on the properties of cycles, named SAX-P. The resulting character strings can be compared using the Dynamic Time Warping distance. The application of SAX-P to propulsive moments of three subjects (S1, S2, S3) moving in Manual Wheelchair highlight the asymmetry of their propulsion. The symbolic representation SAX-P facilitates the reading of the cyclic time series and the clinical interpretation of the classification results.

La marche humaine nécessite la génération de force propulsive ainsi que des forces antigravitaires pour maintenir l’équilibre. Pour cela, le système nerveux central est requis d’orchestrer la contraction des muscles des membres inférieurs, notamment les fléchisseurs plantaire de la cheville qui interface entre le sol et le corps humain. Durant la première phase de simple appui, le triceps sural (TS) est en contraction excentrique et son activation aide à soutenir le corps en résistant à la rotation du tibia sur le Tarsus. Par contre, la phase finale de simple appui est marquée par une augmentation des forces de réactions au sol « Push-off », du couple articulaire de la cheville et de l’activité électromyographique du TS. Le rôle du TS durant la phase finale de simple appui est l’objet de débat dans la littérature, où certains lui attribut le rôle de propulseurs et d’autre de soutien du corps. Dans ce travail, nous postulons que l’augmentation de l’activité du TS en phase finale de simple d’appui sert uniquement à décélérer la chute du centre de masse. En outre, nous postulons que la modulation temporelle de l’activité du TS permet de contrôler la cinématique (cadence et longueur de pas) et la cinétique de la marche. Deux études ont été mises en places pour tester les hypothèses de travail. Des données biomécaniques mesurées à partir d’une plateforme de force et l’activité EMG du soléaire et des gastrocnémiens latéral et médial de la jambe d’appui ont été collecté pour les deux études. Dans la première études des volontaires ont initié la marche sans et avec un ajout de poids de 20 kg attaché au niveau de la ceinture abdominale. L’ajout du poids augmente les forces de propulsion. Une augmentation de l’activité EMG du triceps permettrait de comprendre si le triceps participe à la génération de force propulsive. La deuxième étude est composée de deux expérimentations. Dans la première expérimentations des volontaires ont accompli 3 conditions de initiation de marche à vitesse variée tout en maintenant la longueur de pas constante. Dans la deuxième expérimentation, les sujets ont été incliné et instruit de récupérer leur équilibre en exécutant un pas de longueur différente. Les résultats ont montré que : 1) le triceps ne participe pas au push-off mais freine la chute du centre de masse en phase finale de simple appui. 2) L'amplification d’activité électromyographique durant la marche rapide est due à l’augmentation de demande de support de corps causé par la croissance des forces inertiels du corps. 3) La durée de contraction du TS permet de déterminer la cadence et la longueur de pas, donc la cinématique de la marche. La durée d’activité du TS permet aussi de déterminer la position du centre de masse par rapport au centre de pression au moment du contact avec le sol. 4) Ceci permet au TS de moduler le couple de déséquilibre responsable des forces propulsives, donc la cinétique de la marche. / Human gait necessitates the generation of both propulsive force to propel the body forward and anti-gravitational force to maintain dynamic postural equilibrium. This requires the central nervous system to orchestrate lower limb muscles. Notably the CNS has to control ankle plantar flexors activity as the whole body rotates around the ankle, which in turn interfaces with the external environment. From early to middle stance, triceps surae (TS) contracts eccentrically thus resisting tibial rotation around the tarsus. However, late stance is marked by an increase in ground reaction forces, commonly known as « Push-off », in ankle torque and electromyographic activity of TS. The role of triceps surae during late stance is object of debate in the literature. Some believe it is responsible for the push-off other insist it is sole role is to maintain dynamic postural equilibrium. In this work, we postulate that the increase in TS activity in late stance is to decelerate vertically the fall of the centre of mass. We further hypothesise that temporal modulation of TS activity determines global gait kinematics (cadence and step length) and kinetics. Two studies have been conducted to test the work hypotheses. Ground reaction force data gathered from a large force platform and EMG activity of soleus, medial and lateral gastrocnemius of stance was measured using surface electrodes. In the first study, subjects initiated gait with and without an added mass of 20 kg attached around the waist. Adding the weight increases propulsive force. If TS activity increases as well than it is responsible for generating propulsive force. The second study is composed of two experiments. In the first volunteers performed gait initiation at three different walking velocity conditions while maintain step length constant. In the second experiment, subjects were inclined and asked to recuperate their equilibrium by performing a step. They were asked to perform three step lengths. Results showed that: 1) Triceps does not participate in push-off but brakes the fall of the centre of mass during late single stance. 2) Increasing TS EMG activity in late stance is due to an increase in the requirement of maintaining dynamic postural equilibrium. 3) Control over the duration of TS activity determines cadence and step length and thus the kinematics of gait. Temporal modulation of TS also sets the position of centre of mass with respect to centre of pressure at the moment of foot-contact. 4) By controlling the distance between the two, the CNS modulates the disequilibrium torque that is responsible for propulsive force and thus the kinetics of gait.

Motor control of any movement task involves the integration of neural, muscular and skeletal systems. This integration must occur throughout the sensorimotor system and focus its efforts on controlling the system endpoint, e.g. the foot during locomotion. A person with a uni-lateral trans-tibial amputation has lost the foot, ankle joint, and muscles crossing those joints, hence the residuum becomes the new terminus of the motor system. The amputee must now adjust to the additional challenges of utilizing a compromised motor system as well as the challenges of controlling an external device, i.e. prosthesis, through the mechanical interface between the residuum and prosthetic socket. The obvious physical and physiologic asymmetries between the sound and amputated limbs are also involved in strategies for locomotion involving kinematic and kinetic asymmetries (Winter&Sienko, 1988). There are many questions as to why these asymmetric locomotor strategies are selected and what factors may be influencing that strategy. Factors influencing a change in locomotor strategy could be related to 1) the central nervous system accounting for the loss of sensorimotor feedback, 2) the altered mechanics of this new human/prosthetic system, or some combination of these factors. Understanding how the human motor system adjusts to the amputation and to the addition of an external mechanical device can provide useful insight into how robust the human control system may be and to adaptations in human motor control. This research uses a group of individuals with a uni-lateral trans-tibial amputation and a group of intact individuals using an Ankle Foot Orthosis (AFO) performing a cycling task to understand the "motor adjustments" necessary to utilize an external device for locomotion. Results of these experiments suggest 1) the motor system does account for the activation-contraction dynamics when coordinating muscle activity post amputation, 2) the motor system also changes joint kinetics and muscle activity, 3) these changes are related to control of the interface between the limb and the external device, and 4) the motor system does not alter kinetic asymmetries when kinematic asymmetries are minimized, contrary to a common practice in rehabilitation (Kapp, 2004). Results suggest that control of the external device, i.e. prosthesis or AFO, via the interface between the limb and the device reflect "motor adjustments" made by the nervous system and may be viewed in the context of tool use. Clinical goals in rehabilitation currently focus on minimizing gait deviations whereas the clinical application of these results suggest these deviations from normal locomotion are motor adjustments necessary to control a tool, i.e. prosthesis, by the motor system. Examining amputee locomotion in the context of tool use changes the clinical paradigm from one designed to minimize deviations to one intended to understand this behavior as related to interface control of the device thereby shifting the focus to improving function of the limb/prosthesis system. Kapp SL. (2004) Atlas amp limb def: surg pros rehab princ. 3rd ed: 385 - 394. Winter&Sienko. (1988) J Biomech, 21: 361 - 367.

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée. / In hominoids, tensile and compressive forces generated by locomotion and upper-limb use are transmitted through the elbow joint. It has been noticed that the distal humerus of hominoid is morphologically very similar across species. However, some studies have suggested that articular shape varies in relation to size and locomotor modes. This project is an attempt to characterize more thoroughly distal humeral variation in hominoids. It considers the humeral trochlea not only as a structure by itself, as it has been done before, but as an articulation that varies in orientation relative to the diaphysis. Indeed, there is evidence that articulations have a minimum size and are generally oriented to better resist habitual loads. This project tested the hypothesis that predominantly arboreal species are expected to present joints that have a size, position and orientation of articular surfaces to better resist shear loads generated by the strong finger and wrist flexor muscles crossing the elbow obliquely. Consequently, predominantly terrestrial species should present articulations shape and orientation that are better to resist axial load generated by ground reaction forces. Ten landmarks and two linear measurements were taken from a skeletal sample including specimens from the Homo, Pan, Gorilla and Pongo genus. Results show that orientation and position of humeral trochlea joint surfaces correlate with locomotor modes and that length of the articular surfaces seems to be better correlated with size. The main hypothesis suggesting that stress related to locomotion in hominoids should influence the morphology of distal humeral joints is therefore supported.