Le contrôle moteur fin et précis des doigts est une habileté importante dans la vie quotidienne pour écrire ou manger par exemple. Ce contrôle moteur est pris en charge par le cortex moteur primaire (M1) qui transmet le signal neuronal à la moelle épinière via la voie corticospinale. Le macaque rhésus est un excellent modèle pour étudier ce système moteur car, comme chez l’humain, il possède cette voie cortico-motoneuronale directe. Bien que les déficits du contrôle moteur de la main suite à des inactivations de M1 aient été étudiés sur des modèles de singes, peu d’études ont décrit les changements musculaires sous-tendant ces déficits. Le but de cette étude était d’évaluer les effets d’une inactivation partielle de M1 sur le comportement et l’activation du patron musculaire du membre supérieur chez le macaque rhésus. Pour ce faire, nous avons effectué des injections intra-corticales de Muscimol, un agoniste du GABA, pour inactiver temporairement l’aire de représentation de la main de M1. Des singes ont été entrainés à réaliser une tâche d’atteinte et de préhension qui requière l’utilisation du pouce et de l’index pour attraper une pastille de nourriture. En parallèle, les activités électromyographiques (EMG) des muscles proximaux et distaux du membre supérieur contralatéral aux sites d’injections ont été enregistrées. L’inactivation partielle de M1 entraine différents déficits moteurs comme une diminution du taux de succès, une perte des mouvements indépendants des doigts, une première flexion de l’index plus lente, et l’apparition de nouvelles stratégies de préhension pour attraper la pastille. Dans le cas de trouble sévère, les singes ont présentés tous ces déficits comportementaux. Ces troubles moteurs étaient sous-tendus par des activités musculaires anormales. En effet, les analyses EMG ont mis en évidence des changements dans les latences et les patrons d’activations musculaires des muscles proximaux et distaux au cours de la phase d’atteinte, d’ajustement et de préhension. Dans le cas de trouble modéré, les patrons d’activations musculaires étaient préservés malgré certain déficits visibles. Cependant, les patrons d’activations musculaires étaient altérés si la tâche demandait une rotation de l’avant-bras et de la main. Ces résultats montrent que les déficits comportementaux et les changements musculaires dépendent de la sévérité des troubles moteurs et/ou de la difficulté de la tâche (i.e. une rotation de l’avant-bras). / Fine digit movements contribute to many different aspects of our daily life and require appropriate muscle coordination. The main pathway through which M1 sends motor commands to spinal motor neurons is via the corticospinal tract. The rhesus macaque, like humans, have this direct corticomotoneuronal pathway of M1, making it a useful model to study this system. Although the effect of M1 inactivation on the control of the hand in term of behavioral changes has been studied in monkeys, little is known of how muscle activation patterns of the upper limb during reaching and grasping in monkeys becomes altered. The goal of this study was to evaluate the effect of a partial inactivation of the primary motor cortex (M1) in rhesus macaques on both behavioral performance and muscle activations. To do so we performed intra-cortical injections of Muscimol, a GABA agonist, to inactivate the hand area of M1. Monkeys performed a reach-to-grasp task that required a precision grip to retrieve a food pellet from a well. Electromyographic (EMG) activity of the proximal and distal muscles of the contralateral upper limb were recorded and quantified relative to the behavioral performance. We found that depending on the severity of the impairment, the Muscimol injection could induce several different movement abnormalities, such as decrease in the success rate, loss of independent finger movements, longer duration of the first flexion of the index finger, and use of alternate types of grasp to retrieve the food pellet. In cases of severe impairment, monkeys displayed all these movement abnormalities concurrently. In addition, we observed that behavioral deficits were associated with muscle discoordination. Indeed, EMG analysis revealed that the latencies and the muscle activation patterns were altered during the reach, hand preshaping and the grasp phases of the movement. These inappropriate EMG activities were visible on both proximal and distal muscles of the upper limb. In cases of mild impairment, monkeys had fewer behavioral deficits, but still showed some changes in the temporal muscle activation patterns. In contrast to the severe cases, the muscle activation patterns were more preserved. Interestingly, in the mild cases, the muscle activation patterns were altered if a rotation of the forearm was required by the task. Thus, we found that behavioral and muscular activation changes were dependent on the severity of the impairment and/or the difficulty of the task (i.e. required a rotation of the forearm).

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Ce travail explore des solutions afin d'améliorer la reconnaissance des gestes de la main à l'aide de signaux électromyographiques. Grâce aux prothèses myoélectriques, cette technologie a le potentiel de transformer la vie des amputés des membres supérieurs. Malheureusement, les prothèses myoélectriques disponibles sur le marché peinent à reproduire fidèlement les gestes de la main, car il est complexe de déduire l'intention de l'utilisateur à partir de l'activité musculaire mesurée, particulièrement entre différentes utilisations de la prothèse. Pour adresser ce problème, ce travail présente une solution logicielle permettant, à l'aide d'un nouveau capteur flexible d'électromyographie haute densité (HD-EMG) à 64 électrodes, de renforcer la robustesse de la détection contre différentes sources de variations. Cette innovation repose sur l'introduction d'une approche d'augmentation des données par décalage circulaire (ABSDA) couplée à un réseau de neurones à convolution (CNN) et une version anticrénelée (AA-CNN) permettant d'améliorer la robustesse de la classification au mouvement des électrodes et à la variabilité entre les séances. La méthode ABSDA-CNN proposée améliore significativement la précision de la reconnaissance des gestes. Ce travail examine également le potentiel de l'apprentissage machine sur graphes, un domaine émergent qui applique la théorie des graphes à l'intelligence artificielle. En utilisant cette approche pour représenter les capteurs HD-EMG sous forme de graphes, il est possible de capitaliser sur leur structure géométrique naturelle afin de construire des réseaux de neurones sur graphes (GNN) novateurs qui surpassent les réseaux à convolution traditionnels. L'introduction de ces nouvelles architectures permet d'explorer la notion d'invariance en translation des réseaux de neurones en démontrant l'importance d'apprendre la position des électrodes pour améliorer la précision de la reconnaissance des gestes Finalement, une plateforme embarquée sans fil est introduite pour réaliser de la reconnaissance de gestes en temps réel, grâce à un accélérateur Coral Tensor Processing Unit (TPU). Cette solution permet d'intégrer l'intelligence artificielle directement dans les prothèses, supprimant la dépendance à des équipements externes coûteux. Pour une meilleure flexibilité, le système propose la calibration des modèles d'inférence localement ou à distance par le biais d'un serveur. L'exploration des techniques de quantification des données à 8 bits démontre que la compatibilité matérielle peut être obtenue sans sacrifier les performances. / This work explores solutions to improve hand gesture recognition using electromyographic signals. Thanks to myoelectric prostheses, this technology has the potential to radically transformthe lives of upper limb amputees. Unfortunately, the myoelectric prostheses currently availableon the market struggle to faithfully reproduce hand gestures because it is complex to correctlyinfer the user's intention from the measured muscle activity, especially between different usesof the prosthesis. To address this problem, this work presents a software solution that, with the help of anew flexible high-density electromyography (HD-EMG) sensor with 64 electrodes, enhancesthe robustness of detection against various sources of variations. This innovation is basedon the introduction of an array barrel-shifting data augmentation (ABSDA) coupled witha convolutional neural network (CNN) and an anti-aliased version (AA-CNN) to improverobustness to electrode movement, forearm orientation, and inter-session variability. Theproposed ABSDA-CNN method significantly improves the accuracy of gesture recognition. This work also examines the potential of graph machine learning, an emerging field that applies graph theory to artificial intelligence. By using this approach to represent HD-EMGsensors as graphs, it is possible to capitalize on their natural geometric structure to constructinnovative graph neural networks (GNNs) that surpass traditional convolutional networks. The introduction of these new architectures allows for the exploration of the notion of invariance to translation of neural networks by demonstrating the importance of learning electrodepositions to improve gesture recognition accuracy. Finally, a wireless embedded platform is introduced for real-time gesture recognition, thanksto a Coral Tensor Processing Unit (TPU) accelerator. This solution enables the integration ofartificial intelligence directly into prostheses, eliminating the dependency on expensive externalhardware. For enhanced flexibility, the system offers model calibration locally or remotely viaa server. Exploring 8-bit data quantization techniques shows that hardware compatibility canbe achieved without sacrificing performance.

Bien que l’imagerie motrice positive ait été bien étudiée et est utilisée en réhabilitation, l’effet de l’imagerie motrice négative est beaucoup moins connu. Le but de cette recherche était de définir si l’intention et/ou l’imagerie motrice négative serait en mesure de réduire l’effet d’une stimulation magnétique transcrânienne (SMT) sur le cortex moteur. Vingt participants ont reçu trente stimulations de SMT dans trois situations différentes : En restant passif, en portant une attention particulière aux sensations dans leur main ou en tentant de réduire l’effet de la SMT. La moitié des participants ont utilisé une stratégie d’imagerie motrice, l’autre moitié leur intention. Dans les deux cas, l’amplitude dans la condition de modulation n’a pas été réduite de façon significative. / Although positive motor imagery has been widely studied and is used in rehabilitation, the effect of negative motor imagery on our motor system is less well understood. Our goal was to ascertain whether intention and/or negative visual imagery is effective in decreasing the twitch resulting from transcranial magnetic stimulation (TMS) over the primary motor cortex. Twenty participants received 30 TMS stimulations in three different conditions: remaining passive, paying particular attention to the sensations in their hand, and attempting to modulate the amplitude of the resulting movement. To do this, half the participants used an imagery strategy, whereas the other half used an intention strategy. In both cases, amplitude in the modulation condition was not significantly reduced.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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L'utilisation quotidienne du fauteuil roulant manuel (FRM) entraîne chez certaines personnes âgées, tout comme chez les jeunes et/ou les athlètes handicapés, un surmenage de la structure anatomique des épaules. Ce fait est responsable à la longue de phénomènes dégénératifs et douloureux entraînant des dépenses de santé supplémentaires. Dans un but préventif, les recherches présentées ci-dessous visent à réduire le travail de la ceinture scapulaire au cours de la propulsion du FRM. Une étude épidémiologique préliminaire a révélé l'étendue de ce problème. Par ailleurs l'étude anatomo-pathologique a montré l'inefficacité des soins destinés à diminuer les douleurs d'épaules. La revue bibliographique a aussi révélé les lacunes de la littérature concernant les aspects de la propulsion du FRM par la population âgée et amputée. Dans un premier temps, une chaîne de mesure destinée à appréhender les aspects dynamique, cinématique et électromyographique de la propulsion du FRM, a été développée et validée. Ce dispositif a permis d'étudier la technique de propulsion du FRM par les personnes âgées souffrant ou non de douleurs d'épaules. Les résultats ont révélé certaines causes et conséquences probables de ces douleurs. Ils permettront aux cliniciens d'améliorer la conduite d'un processus de prévention. Ces investigations ont abouti à la mise au point et à la validation d'un prototype de propulsion peu coûteux et adaptable à tous les types de FRM. Ce dispositif innovant met en œuvre une liaison élastique entre la main courante et la roue motrice. Les analyses expérimentales et les résultats cliniques ont révélé l'intérêt de cette invention dans l'amélioration du confort d'utilisation du FRM et dans la réduction des contraintes articulaires du membre supérieur. Les retombées de ce travail sont à caractère scientifique et technologique mais aussi médical, humain et économique.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le pouce opposable de la main joue un rôle essentiel dans le comportement humain, permettant une prise bien plus précise que celle des singes avec les pouces opposables. Comment le cerveau contrôle t-il les mains aussi précisément? Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié comment différentes régions du cerveau dédiées au contrôle moteur, en particulier le cortex moteur (M1) et l’aire motrice supplémentaire (AMS), contribuent à une pince pouce-index précise. Les résultats de nos études révèlent que des neurones dans l’AMS, en complément de ceux dans M1, communiquent directement avec les motoneurones de la moelle épinière contrôlant les muscles de la main. De plus, SMA communique aussi efficacement que M1 avec les muscles de la main, alors que chez le singe, celle avec M1 est plus efficace. Cette différence fonctionnelle dans la voie AMS-muscles entre le singe et l’Homme pourrait expliquer la plus grande capacité de ce dernier à contrôler finement la force produite par les doigts. / The human hand's opposable thumb plays a large role in human behavior, allowing for a grip far more precise than that of monkeys with opposable thumbs. However, it isn't well understood how the brain controls the hands in such a precise way. In these studies, we investigate how different parts of the brain dedicated to motor tasks, in particular the motor cortex (M1) and the supplementary motor area (SMA), contribute to a precise thumb-index finger grip. Our experiments suggest that some neurons in the SMA, in addition to those well-described in M1, may connect directly to the motoneurons in the spinal cord controlling the hand muscles. Moreover, we found that SMA communicates with the hand muscles as efficiently as M1, while in monkeys, SMA communicates less efficiently than M1. This functional difference in the SMA-muscles pathway between monkey and human may account for the higher capacity of the latter to precisely control the force produced by digits.