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

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les travaux présentés dans cette thèse portent sur les mécanismes centraux impliqués dans la planification de la direction et de l'amplitude d'atteintes manuelles vers des cibles visuelles. Les résultats de plusieurs études psychophysiques suggèrent que le système nerveux central utilise une règle générale d'organisation qui consiste à planifier la direction et l'amplitude d'atteintes manuelles par l'intermédiaire de deux canaux de traitement indépendants. Nous avons évalué cette hypothèse en testant l'effet de différentes conditions sensorimotrices sur la nature des erreurs de direction et d'amplitude d'atteintes manuelles. Un système d'analyse de mouvement (Optotrak) a permis revaluation des erreurs produites lors d'atteintes manuelles vers des cibles visuelles. Sept sujets ont exécuté des mouvements d'atteintes vers des cibles situées à 5 distances différentes le long de 5 directions différentes dans deux conditions expérimentales. Dans la tâche l, les sujets devaient orienter le regard vers une cible visuelle présentée sur un plan horizontal, puis fermer les yeux, et effectuer un pointage manuel en direction de cette cible. Dans la tâche 2, les pointages manuels étaient effectués vers les mêmes positions spatiales que dans la tâche l, mais, les cibles étaient présentées sur un plan vertical. Dans ces deux tâches, les erreurs variables de distance ont été plus grandes que les erreurs variable de direction. Cependant, dans la tâche 2, ces erreurs variables ont présenté une gradation différente en fonction de l'amplitude des mouvements. Cette influence différente de la nature des transformations sensorimotrices sur les erreurs variables de direction et d'amplitude d'atteintes manuelles supporte l'hypothèse que le SNC planifie ces deux paramètres par des canaux de traitement distincts. Une analyse subséquente a porté sur une prédiction de cette conclusion. Si les patrons dans la variabilité finale des pointages manuels reflètent les processus de planification motrice qui précèdent l'initiation des mouvements, ces derniers devraient présenter une étroite correspondance avec les patrons dans la variabilité initiale d'atteintes manuelles. L'analyse comparée des distributions des positions spatiales des sommets d'accélération et de vitesse ainsi que des points finaux d'atteintes manuelles a montré que les positions finales ne sont pas entièrement déterminées lors de l'initiation des mouvements suggérant que la planification et l'exécution ne sont pas des étapes sérielles strictes. Cependant, l'indépendance de la variabilité spatiale de direction et d'amplitude le long des trajectoires de mouvements a suggéré une planification indépendante de ces paramètres au cours du temps. Une approche neurophysiologique a été utilisée afin d'évaluer les fondements neuronaux des canaux de traitement indépendants par lesquels la direction et l'amplitude des mouvements d'atteintes sont planifiées. L'activité de 162 cellules du cortex prémoteur dorsal (PMd) a été enregistrée dans 2 hémisphères d'un singe rhésus alors qu'il effectuait des mouvements d'atteinte vers 24 cibles visuelles situées à 3 différentes distances le long de 8 directions différentes. Dans cette tâche expérimentale, un indice visuospatial présenté durant 500 ms indique la position vers laquelle une atteinte manuelle devait être dirigée après une période de délais (l 000-2500 ms). Ensuite, un deuxième indice (visuel, non-spatial) donne l'instruction au singe d'initier un mouvement en direction de la position mémorisée de la cible. Durant la présentation de la cible, l’activité des cellules individuelles de PMd est préférentiellement liée à la direction du mouvement à produire. Ensuite, au cours des événements successifs, elle montre une augmentation graduelle de la modulation en fonction de la distance de la cible. Les fréquentes interactions entre l'encodage de la direction et de l'amplitude dans la décharge de cellules individuelles de PMd suggère que les canaux de traitement pour la planification de la direction et de l'amplitude n'impliquent pas deux populations distinctes de cellules dans le cortex PMd. L'augmentation progressive de la convergence de l'expression de ces paramètres au cours du temps pourrait refléter une représentation intermédiaire interposée entre les canaux de traitement indépendants et un code approprié pour la spécification éventuelle des forces et de l'activité musculaire.

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible. / In everyday situations, we frequently manipulate objects without looking at them. To successfully perform goal directed movements with a handheld unseen object, one needs to perceive the spatial properties of the object. Several studies showed that subjects can discriminate between different object lengths without visual information and are able to adapt movements to novel manipulation dynamics. In this study, we evaluated the ability of subjects to adapt their reaching movements to the perceived length and shape of unseen handheld objects (haptic sensations) in two different experimentations. In experiment 1, ten subjects were required to reach to 4 different memorized 3D targets with handheld objects having three different lengths (12.5, 17.5 and 22.5 cm). No feedback of hand or object position relative to the target location was provided during and after the movements. Therefore, when compared with the ‘control’ no object condition, the spatial error of each movement reflects the precision of length perception and movement adaption in a given condition. Our results show that subjects increased their spatial errors while reaching with a handheld object compared to the no object condition. However, interestingly, they maintained the same accuracy level across the three different object length conditions despite a 10 cm length difference between the shorter and longer object. In experiment 2, nine different subjects reached to the same targets using two L-shaped objects (object no.1: 17.5 cm length and 12.5 cm rightward deviation- object no.2: 17.5 cm length and 17.5 cm deviation). As in experiment 1, subjects increased their spatial errors while reaching with handheld objects, but this increase was similar between the two object shape conditions. A striking observation is that subjects did not significantly increase their directional errors in both object shape conditions compared to the no object condition. This demonstrates that they accurately perceived the lateral deviation of objects despite never seeing nor having any explicit knowledge of object configurations. The results indicate that adaptation of reaching movements to the perceived length and shape of handheld objects is largely based on haptic sensations. To our knowledge, this study is the first to provide a quantitative evaluation of the ability of the haptic system to perceive the length and the shape of handheld objects in order to perform an accurate goal directed movement.

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible. / In everyday situations, we frequently manipulate objects without looking at them. To successfully perform goal directed movements with a handheld unseen object, one needs to perceive the spatial properties of the object. Several studies showed that subjects can discriminate between different object lengths without visual information and are able to adapt movements to novel manipulation dynamics. In this study, we evaluated the ability of subjects to adapt their reaching movements to the perceived length and shape of unseen handheld objects (haptic sensations) in two different experimentations. In experiment 1, ten subjects were required to reach to 4 different memorized 3D targets with handheld objects having three different lengths (12.5, 17.5 and 22.5 cm). No feedback of hand or object position relative to the target location was provided during and after the movements. Therefore, when compared with the ‘control’ no object condition, the spatial error of each movement reflects the precision of length perception and movement adaption in a given condition. Our results show that subjects increased their spatial errors while reaching with a handheld object compared to the no object condition. However, interestingly, they maintained the same accuracy level across the three different object length conditions despite a 10 cm length difference between the shorter and longer object. In experiment 2, nine different subjects reached to the same targets using two L-shaped objects (object no.1: 17.5 cm length and 12.5 cm rightward deviation- object no.2: 17.5 cm length and 17.5 cm deviation). As in experiment 1, subjects increased their spatial errors while reaching with handheld objects, but this increase was similar between the two object shape conditions. A striking observation is that subjects did not significantly increase their directional errors in both object shape conditions compared to the no object condition. This demonstrates that they accurately perceived the lateral deviation of objects despite never seeing nor having any explicit knowledge of object configurations. The results indicate that adaptation of reaching movements to the perceived length and shape of handheld objects is largely based on haptic sensations. To our knowledge, this study is the first to provide a quantitative evaluation of the ability of the haptic system to perceive the length and the shape of handheld objects in order to perform an accurate goal directed movement.