Notre motivation est de comprendre la locomotion humaine pour un meilleur contrôle des systèmes virtuels (robots et mannequins). La locomotion humaine a été étudiée depuis longtemps dans des domaines différents. Nous considérons la locomotion comme le déplacement d'un repère attaché au corps humain (direction et orientation) au lieu de la trajectoire articulaire du corps complet. Notre approche est basée sur le fondement calculatoire de la locomotion humaine. Le but est de trouver un modèle qui explique la forme de la locomotion humaine dans l'espace. Pour ce faire, nous étudions tout d'abord le comportement des trajectoires au sol pendant la locomotion intentionnelle. Quand un humain marche, il met un pied devant l'autre et par conséquence, l'orientation du corps suit la direction tangente de la trajectoire. C'est ce qu'on appelle l'hypothèse de comportement nonholonome. Cependant, dans le cas d'un pas de côté, l'orientation du corps n'est plus semblable à la direction de trajectoire, et l'hypothèse n'est plus valable. Le comportement de la locomotion devient holonome. Le but de la thèse est de distinguer ces deux comportements et de les exploiter en neuroscience, robotique et animation graphique. La première partie de la thèse présente une étude qui permet de déterminer des configurations de comportement holonome par un protocole expérimental et par une fonction qui segmente les comportements nonholonomes et holonomes d'une trajectoire. Dans la deuxième partie, nous établissons un modèle unifiant comportements nonholonomes et holonomes. Ce modèle combine trois vitesses générant la locomotion humaine : tangentielle, angulaire et latérale. Par une approche de commande optimale inverse nous proposons une fonction multi-objectifs qui optimise des trajectoires calculées pour les rendre proches des trajectoires humaines naturelles. La dernière partie est l'application qui utilise les deux comportements pour synthétiser des locomotions humaines dans un environnement d'an imation graphique. Chaque locomotion est caractérisée par trois vitesses et est donc considérée comme un point dans l'espace de commande 3D (de trois vitesses). Nous avons collecté une librairie qui contient des locomotions de vitesses différentes - des points dans l'espace 3D. Ces points sont structurés en un nuage de tétraèdres. Quand une vitesse désirée est donnée, elle est projetée dans l'espace 3D et on trouve le tétraèdre qui la contient. La nouvelle animation est interpolée par quatre locomotions correspondant aux quatre sommets du tétraèdre. On expose plusieurs scénarios d'animations sur un personnage virtuel.

Parallèlement aux adaptations cardiovasculaires et neuromusculaires, les exercices mono-articulaires ou locomoteurs peuvent induire des changements neuroplastiques de muscles impliqués ou non dans l’exercice. Si l’effet de paramètres de l’exercice, comme l’intensité ou la durée, sur les changements neuroplastiques ont déjà été étudiés, l’effet du mode de contraction musculaire reste, quant à lui, moins connu. L’objectif de cette thèse a été d’évaluer les effets du mode de contraction musculaire sur les changements neuroplastiques consécutifs à un exercice locomoteur ou mono-articulaire. La première étude a montré que l’augmentation de l’excitabilité corticospinale d’un muscle non-impliqué dans l’exercice (muscle de la main), observée suite à un exercice de marche/ course, n’était pas modulée par le mode de contraction des muscles extenseurs du genou. En revanche, une modulation spécifique des réseaux intracorticaux par le mode de contraction impliqué lors d’un exercice a été mise en évidence par l’application d’un protocole de stimulation associative jumelée. Des observations similaires ont été faites dans une seconde étude investiguant les changements corticospinaux observés au niveau des muscles extenseurs du genou impliqués dans des exercices mono-articulaires fatigants, effectués dans un mode de contraction concentrique ou excentrique. Une troisième étude a montré que pour un exercice de marche/ course réalisé à même fréquence cardiaque en montée, à plat ou en descente, la modalité en descente induisait une fatigue musculaire des extenseurs du genou plus importante, avec des altérations contractiles plus marquée. La quatrième étude a montré que seule la modalité en descente induisait une augmentation de l’excitabilité corticospinale, et une réduction de l’inhibition corticale des muscles extenseurs du genou. Les travaux de cette thèse proposent que le mode de contraction musculaire lors d’un exercice n’est, en lui-même, pas un facteur prépondérant des changements neuroplastiques observés pour des muscles impliqués dans l’exercice. Ces changements neuroplastiques seraient au contraire dépendant de la magnitude de la fatigue neuromusculaire induite, elle-même dépendante du mode de contraction musculaire. / Along with cardiovascular and neuromuscular changes, mono-articular and locomotor exercises may induced neuroplastic changes from muscles involved, or non-involved, in the exercise. If the effect of exercise intensity or duration on neuroplastic changes has been previously investigated, the effect of the mode of muscle contraction remains unclear. The aim of this thesis was to investigate the effects of the mode of muscle contraction on neuroplastic changes induced a locomotor or a single-joint exercise. The first study showed that the increase in the corticospinal excitability of a non-exercised hand muscle, observed after a walking/ running exercise, was not modulated by the knee extensors mode of muscle contraction. However, a specific modulation of the intracortical networks by the mode of muscle contraction was evidenced using a paired-associative stimulation protocol. Similar findings were made in a second study that investigated corticospinal changes in the knee extensors following a fatiguing single-joint exercise, performed in either a concentric or an eccentric mode of muscle contraction. A third study showed that for a walking/ running exercise performed at the same heart rate in either a inline, a level or a decline condition, the latter condition induced a greater magnitude of neuromuscular fatigue of the knee extensors, with greater contractile impairments. The fourth study reported that only a decline exercise induced an increase in the corticospinal excitability, and a reduction of the cortical inhibition of the knee extensors. Altogether, findings from this thesis suggest that the mode of muscle contraction during an exercise is not, per se, a main factor responsible for neuroplastic changes observed in exercised muscles. Rather, these changes may depend upon the magnitude of neuromuscular fatigue induced, which could depend upon the mode of muscle contraction involved during exercise.

Durant ses activités quotidiennes, un marcheur interagit avec son environnement et en particulier avec les autres marcheurs, notamment en évitant toute collision. La nature de l'information visuelle utilisée pour une interaction sans collision est une question encore très ouverte à ce jour. Dans ce cadre, cette thèse vise à répondre aux questions suivantes : quels sont les indices visuels qu'un individu perçoit à partir du mouvement des autres ? Quels sont les mécanismes d'interprétation possibles et les modèles utilisés pour déterminer les possibles risques de collision ? Afin de répondre à ces questions, nous avons mis en place des expérimentations impliquant des évitements de collision entre deux marcheurs en utilisant la réalité virtuelle, permettant un contrôle détaillé de l'environnement visuel et des informations visuelles disponibles. La première étude s'est concentrée sur la nature de l'information visuelle fournie par un autre marcheur, en particulier, si ces informations sont extraites d’une perception locale considérant les segments corporels, ou d’une perception globale du mouvement du corps. La deuxième étude s'est concentrée sur l’influence de la trajectoire de l’autre marcheur (en ligne droite ou en courbe) sur la capacité à estimer de façon précise un possible risque de collision. Enfin, la troisième étude s'est concentrée sur l’effet du contact visuel sur l'interaction entre les deux marcheurs. Nous avons présenté ici le couplage entre les possibilités d'action perçues et les possibilités offertes par la nature de l'information visuelle et démontré que les marcheurs peuvent détecter les collisions futures prévues lorsqu'un autre marcheur suit une trajectoire avec des accélérations constantes. / During daily activities, a walker interacts with their environment, especially the other walkers, avoiding any collision with them. The nature of visual information that is used for a collision-free interaction requires further understanding. Specifically, the thesis aims to answer the following questions: what are the visual cues an individual perceives from the movement of others? What are the possible interpretation mechanisms and models used for determining future predicted crossing distances? To answer these questions, we designed experiments considering collision avoidance interactions between two walkers in virtual reality, allowing detailed control of the visual environment and the available visual information. The first study of the thesis focused on the nature of visual information provided from another walker, investigating whether these visual cues are extracted from local body parts or from global perception of the body motion. The second study investigated the influence of the walker's path (straight or curved), which the participant is interacting with for the accurate estimation of future risk of collision. Finally, the third study investigated whether eye contact influences the interaction. Here we have demonstrated the coupling of perceived actionopportunities affordances from the nature of visual information and evidenced that walkers can detect future predicted collisions when another walker follows a path with constant acceleration.

Nous proposons une approche de planification unifiée pour robots humanoïdes réalisant des tâches de locomotion et de manipulation nécessitant une dextérité propre aux systèmes anthropomorphes. Ces tâches sont basées sur des transitions de contacts ; contacts entre les extrémités des membres locomoteurs et l'environnement dans le cas du problème de locomotion par exemple, ou entre les extrémités de l'organe préhensible effecteur et l'objet manipulé dans le cas du problème de manipulation. Nous planifions ces transitions de contacts pour des systèmes abstraits constitués d'autant de robots, d'objets, et de supports dans l'environnement que désiré/nécessaire pour la modélisation du problème. Cette approche permet de s'affranchir de la distinction de nature entre tâches de locomotion et de manipulation et s'étend à une variété d'autres problèmes tels que la coopération entre plusieurs agents. Nous introduisons notre paradigme de planification non-découplée de locomotion et de manipulation en exhibant la stratification induite dans l'espace des configurations de systèmes simplifiés pour lesquels nous résolvons analytiquement le problème en comparant des méthodes de planification géométrique, non-holonome, et dynamique. Nous présentons ensuite l'algorithme de planification de contacts basé sur une recherche best-first. Cet algorithme fait appel à un solveur de cinématique inverse qui prend en compte des configurations de contacts générales dans l'espace pouvant être établis entre robots, objets, et environnement dans toutes les combinaisons possibles, le tout sous contraintes d'équilibre statique et de respect des limitations mécaniques des robots. La génération de mouvement respectant l'équation de dynamique Lagrangienne est obtenue par une formulation en programme quadratique. Enfin nous envisageons une extension à des supports de contact déformables en considérant des comportements linéaires-élastiques résolus par éléments finis. / We propose a unified planning approach for autonomous humanoid robots that perform dexterous locomotion and manipulation tasks. These tasks are based on contact transitions; for instance between the locomotion limbs of the robot and the environment, or between the manipulation end-effector of the robot and the manipulated object. We plan these contact transitions for general abstract systems made of arbitrary numbers of robots, manipulated objects, and environment supports. This approach allows us to erase distinction between the locomotion and manipulation nature of the tasks and to extend the method to various other planning problems such as collaborative manipulation and locomotion between multiple agents. We introduce our non-decoupled locomotion-and-manipulation planning paradigm by exhibiting the induced stratification of the configuration space of example simplified systems for which we analytically solve the problem comparing geometric path planning, kinematic non-holonomic planning, and dynamic trajectory planning methods. We then present the contact planning algorithm based on best-first search. The algorithm relies on an inverse kinematics solver that handles general robot-robot, robot-object, robot-environment, object-environment, non-horizontal, non-coplanar, friction-based, multi-contact configurations, under static equilibrium and physical limitation constraints. The continuous dynamics-consistent motion is generated in the locomotion case using a quadratic programming formulation. We finally envision the extension to deformable environment contact support by considering linear elasticity behaviours solved using the finite element method.

La locomotion se définit par des mouvements répétés et coordonnés des membres droits et gauches et des muscles antagonistes d’une même articulation. L’activité locomotrice des rongeurs est générée par des groupes de neurones localisés dans la partie antérieure de l’élargissement lombaire; ce réseau de cellules est appelé Central Pattern Generator (CPG). Au cours de cette thèse, les études entreprises chez le rat nouveau-né ont eu pour but d’étudier les mécanismes cellulaires impliqués dans la genèse du rythme locomoteur. Le courant sodique persistant (INaP) joue un rôle important dans la genèse d’activités rythmiques de plusieurs structures supraspinales et notamment celles impliquées dans la mastication et la respiration. Curieusement, son existence et son implication dans la genèse d’activités rythmiques dans les structures du CPG locomoteur spinal n’ont jamais été abordées. A l’aide d’études électrophysiologiques, la thèse démontre l’existence de INaP et le caractérise pour la première fois au sein du CPG locomoteur. Ce courant est indispensable à la genèse du rythme locomoteur et joue un rôle fondamental dans l’émergence d’activités pacemakers au sein du CPG. Ces activités pacemakers émergent dans un contexte physiologique où des fluctuations dans la composition ionique du milieu extracellulaire interviennent au cours d’une activité locomotrice. L’ensemble de ces données suggère que le « cœur » du générateur de rythme pourrait être composé d’interneurones présentant une activité pacemaker dépendante de INaP dont la modulation pourrait être un élément fondamental à la fois dans le déclenchement et la modulation de l’activité locomotrice. / Identification of the cellular mechanisms underlying the generation of the locomotor rhythm is of longstanding interest to physiologists. Hindlimb locomotor movements are generated by lumbar neuronal networks, referred to as central pattern generators (CPG). Although rhythm generation mechanisms within the CNS can vary, the activation of a subthreshold depolarizing conductance is always needed to start the firing of individual neurons. Among various subthreshold membrane conductances, the persistent sodium current (INaP) is involved in rhythmic activity of numerous supraspinal neurons such as those involved in the generation of masticatory and respiratory rhythm. The thesis was aimed at identifying and characterizing INaP in the neonatal rodent locomotor CPG, determining its importance in shaping neuronal firing properties and its role in the operation of the locomotor circuitry. Using electrophysiological studies the thesis has characterized INaP for the first time in the locomotor CPG. This current is essential to the generation of the locomotor rhythm and plays a fundamental role in the emergence of pacemaker activity within the CPG. These pacemaker activities emerge in a physiological context in which fluctuations in the ionic composition of the extracellular environment occur during locomotion. This study provides evidence that INaP generates pacemaker activities in CPG interneurons and new insights into the operation of the locomotor network with a critical implication of INaP in stabilizing the locomotor pattern.

La réparation nerveuse périphérique constitue un véritable défi pour le chirurgien. En effet, les lésions nerveuses sont fréquentes et graves, avec une récupération fonctionnelle incomplète et un coût induit au niveau professionnel. Malgré des progrès dans le délai de prise en charge et dans la qualité du geste technique chirurgical, les résultats ne se sont pas améliorés depuis une vingtaine d’années. Devant ces limites du traitement chirurgical, une approche biologique s’est progressivement imposée avec la recherche de molécules neurotrophiques capables d’améliorer la croissance axonale et de limiter la perte neuronale.Initialement, nous nous sommes intéressés au FK506 (Tacrolimus), qui est un immunosuppresseur dont les propriétés neurotrophiques ont été décrites au niveau du système nerveux périphérique, avec l’objectif de réaliser un essai clinique. Cependant cette molécule présente de nombreux effets secondaires dont la balance bénéfice/risque est discutable dans cette indication. Par conséquent notre intérêt s’est porté sur la vitamine D dont les propriétés neuroprotectrices ont largement été étudiées au niveau du système nerveux central.Au cours de cette thèse, nous avons eu pour objectifs: 1. d’évaluer le potentiel thérapeutique de la Vitamine D dans la repousse nerveuse périphérique au travers d’une étude comparative avec le FK506 ;2. de déterminer la molécule de calciférol la plus efficace - ergocalciférol (vitamine D2) versus cholécalciférol (vitamine D3) - et la posologie optimale ;3. d’analyser les mécanismes moléculaires d’action de la vitamine D au niveau des cellules de Schwann et des motoneurones.Dans notre première étude (Chabas et al, 2008), nous avons confirmé que le FK506 favorisait une récupération fonctionnelle précoce et améliorait la récupération de la métabosensibilité. Par ailleurs, dans notre deuxième étude (Chabas et al, 2009), nous avons montré, pour la première fois, les effets neurotrophiques de la vitamine D2 dans la repousse nerveuse périphérique. De même, au travers d’une étude pharmacologique, nous avons mis en évidence que la vitamine D3 à la posologie de 500 UI/Kg/jour constituait la molécule et la posologie les plus efficaces dans la régénération nerveuse périphérique. Enfin, l’étude transcriptionnelle des mécanismes moléculaires retrouve une régulation des gènes intervenant dans l’axogénèse et la myélinisation.Tous ces résultats nous confortent dans notre volonté de réaliser un essai clinique randomisé, en double aveugle, avec bénéfice individuel direct, utilisant la vitamine D3 (Uvedose®) dans les plaies nerveuses du membre supérieur. / Nerve repair remains a challenge for surgeons who have to face unpredictable and very often disappointing outcomes. These suboptimal results have prompted researches on molecules that support cell survival and stimulate axonal outgrowth.For this research project, we chose to compare two AFSSAPS-approved compounds which display a have well documented immunomodulatory role and are suspected to act, within the nervous system, as neuroprotective and neuroregenerative molecules. On the one hand, we elected FK506 (Tacrolimus) that promotes nerve regeneration in addition to its immunosuppressant properties. However this molecule may induce critical side effects. On the other hand, we opted for vitamin D whose neuroprotective and neurotrophic actions are increasingly recognized.The aims of the research project were to:1. assess the potential therapeutic benefit of vitamin D on peripheral nerve regeneration and compare its efficiency to FK506;2. compare the efficiency of two doses (100 and 500 IU/kg/d) of the two main forms of vitamin D: vitamin D2 (ergocalciferol) and vitamin D3 (cholecalciferol);3. get an insight on the molecular mechanisms underlying the role of vitamin D3.In a first study (Chabas et al, 2009), we observed that FK506 significantly increased the diameter of regenerated axons in the distal portion of the graft and potentiates metabosensitive nerve fiber regeneration.In a second study (Chabas et al, 2008), we observed that vitamin D2 potentiates axon regeneration in the peripheral nervous system.In a third study, we observed that vitamin D3 is more efficient than vitamin D2 and, when delivered at high dose (500 IU/kg/day), cholecalciferol induces a dramatic locomotor and electrophysiological recovery and increases the number of preserved or newly formed axons in the proximal end and neurite myelination in both the distal and proximal ends. Using cDNA microarrays, we also performed an in vitro study on vitamin D-treated Schwann cells or dorsal root ganglia and observed that vitamin D3 triggers the expression of several genes involved in axogenesis and myelination.Altogether, these data indicate that vitamin D3 is a potent neurotrophic and myelinating agent that can be tested in phase I clinical trials for nerve repair.

Cette thèse traite du problème de la locomotion des robots humanoïdes dans le contexte du projet européen KoroiBot. En s'inspirant de l'être humain, l'objectif de ce projet est l'amélioration des capacités des robots humanoïdes à se mouvoir de façon dynamique et polyvalente. Le coeur de l'approche scientifique repose sur l'utilisation du controle optimal, à la fois pour l'identification des couts optimisés par l'être humain et pour leur mise en oeuvre sur les robots des partenaires roboticiens. Cette thèse s'illustre donc par une collaboration à la fois avec des mathématiciens du contrôle et des spécialistes de la modélisation des primitives motrices. Les contributions majeures de cette thèse reposent donc sur la conception de nouveaux algorithmes temps-réel de contrôle pour la locomotion des robots humanoïdes avec nos collégues de l'université d'Heidelberg et leur intégration sur le robot HRP-2. Deux contrôleurs seront présentés, le premier permettant la locomotion multi-contacts avec une connaissance a priori des futures positions des contacts. Le deuxième étant une extension d'un travail réalisé sur de la marche sur sol plat améliorant les performances et ajoutant des fonctionnalitées au précédent algorithme. En collaborant avec des spécialistes du mouvement humain nous avons implementé un contrôleur innovant permettant de suivre des trajectoires cycliques du centre de masse. Nous présenterons aussi un contrôleur corps-complet utilisant, pour le haut du corps, des primitives de mouvements extraites du mouvement humain et pour le bas du corps, un générateur de marche. Les résultats de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle "Stack-of-Tasks" du LAAS-CNRS. / This thesis covers the topic of humanoid robot locomotion in the frame of the European project KoroiBot. The goal of this project is to enhance the ability of humanoid robots to walk in a dynamic and versatile fashion as humans do. Research and innovation studies in KoroiBot rely on optimal control methods both for the identification of cost functions used by human being and for their implementations on robots owned by roboticist partners. Hence, this thesis includes fruitful collaborations with both control mathematicians and experts in motion primitive modeling. The main contributions of this PhD thesis lies in the design of new real time controllers for humanoid robot locomotion with our partners from the University of Heidelberg and their integration on the HRP-2 robot. Two controllers will be shown, one allowing multi-contact locomotion with a prior knowledge of the future contacts. And the second is an extension of a previous work improving performance and providing additional functionalities. In a collaboration with experts in human motion we designed an innovating controller for tracking cyclic trajectories of the center of mass. We also show a whole body controller using upper body movement primitives extracted from human behavior and lower body movement computed by a walking pattern generator. The results of this thesis have been integrated into the LAAS-CNRS "Stack-of-Tasks" software suit.

How does a nervous system orchestrate compound behaviors? Finding the neural basis of behavior requires knowing which neurons control the behavior and how they are connected. To accomplish this we measured and manipulated neural activity in a live, behaving animal with a completely defined connectome. The C. elegans escape response is a compound behavior consisting of a sequence of behavioral motifs. Gentle touch induces a reversal and suppression of head movements, followed by a deep turn allowing the animal to navigate away from the stimulus. The connectome provides a framework for the neural circuit that controls this behavior. We used optical physiology to determine the activity patterns of individual neurons during the behavior. Calcium imaging of locomotion interneurons and motor neurons reveal unique activity profiles during different motifs of the escape response. Furthermore, we used optogenetics and laser ablations to determine the contribution of individual neurons to each motif. We show these that the suppression of head movements and turning motifs are distinct motor programs and can be uncoupled from the reversal. The molecular mechanisms that regulate these motifs involve from signaling with the neurotransmitter tyramine. Tyramine signaling and gap junctions between locomotion interneurons and motor neurons regulate the temporal orchestration of the turning motif with the reversal. Additionally, tyramine signaling through a GPCR in GABAergic neurons facilitates the asymmetric turning during forward viii locomotion. The combination of optical tools and genetics allows us to dissect a how a neural circuit converts sensory information into a compound behavior.

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La paraplégie est une condition pathologique qui hypothèque physiquement et mentalement toutes les personnes atteintes. Généralement, la blessure à la moelle épinière par compression, lacération ou section complète entraîne des pertes instantanées et quasi irréversibles des fonctions motrices, locomotrices et sensorielles sous le niveau de la lésion. Ces pertes fonctionnelles conduisent inévitablement à des changements morphologiques et physiologiques liés pour la plupart à l'inactivité physique chronique. Afin de contrer ces changements et leurs effets négatifs sur la santé, plusieurs équipes de recherche ont concentré leurs efforts sur le développement d'entraînements physiques spécialisés sur tapis roulant. Ces programmes d' entraînement, peu efficaces pour l'instant chez les blessés médullaires complets, permettraient le maintient d'une bonne forme physique dans l'espoir de retarder l' apparition des pertes musculaires, de l'ostéoporose ainsi que des troubles immunitaires, cardiovasculaires et hormonaux pour ne nommer que ceux-là. Nos recherches ont été orientées principalement sur 1) le discernement des mécanismes sousjacents au déclenchement de la locomotion chez la souris paraplégique ainsi que sur 2) l'identification d'une pharmacothérapie appliquée qui pourrait permettre l'induction de cette locomotion. Plusieurs pistes de solutions seront évaluées au cours de ce manuscrit. D'abord, il était primordial de caractériser le niveau basal de récupération spontanée de mouvements dans les membres paralysés de souris adulte afin de prendre cette notion en compte dans les expériences futures (article 1). Deuxièmement, nous avons étudié l'implication des récepteurs alpha₂-adrénergiques dans le déclenchement de mouvements de type locomoteur (mouvement de flexion-extension alterné bilatéralement) chez notre modèle de souris paraplégique avec et sans stimulation des afférentes sensorielles (articles 2 et 3). Par la suite, nous avons évalué le rôle des cinq (5) sous-types de · récepteurs dopaminergiques dans l' induction de mouvements de type locomoteur chez la souris paraplégique ainsi que leur localisation au niveau des segments L₁-L₅ (article .4). Finalement, nous avons étudié l'impact de l'actiyation simultanée de sous-types spécifiques de récepteurs dopaminergiques et sérotoninergiques afin de découvrir un moyen de faciliter un entraînement intensif sur tapis roulant chez la souris adulte paraplégique (article 5).