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.

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.