La gravité est omniprésente et affecte la dynamique de tous les mouvements que nous réalisons au quotidien. Variant de moins de 1% sur la surface terrestre, la force d’attraction gravitationnelle (9.81 m/s2) est actrice de l’évolution de toute espèce vivante. Grâce à un système sensoriel performant, les conséquences des effets de la gravité sur nos mouvements sont mémorisées sous la forme de représentations internes. Pour éviter d’être tributaires des délais temporels contraignants des signaux afférents du système sensoriel (trop longs si le mouvement doit être réalisé en urgence), l’individu agit de façon proactive en utilisant des modèles internes adaptés qu’il a notamment élaborés au cours de son expérience passée. Ces modèles sont utilisés essentiellement au cours d’une phase de planification motrice durant laquelle une commande motrice est définie pour initier l’action. La connaissance antérieure de notre système biomécanique et de notre environnement détermine donc l’ensemble des modèles internes de chaque individu. Cependant, à l’état initial, les retours sensoriels peuvent aussi être utilisés pour élaborer une stratégie motrice optimale. Pour anticiper au mieux les effets de la gravité, le rôle de ces informations initiales issues de feedback sensoriel reste encore à approfondir. C’est au cours de ces travaux de thèse que nous avons mis en évidence l’importance de ces informations avant l’exécution du mouvement. Une fois disponible (~100ms après le début du mouvement), les retours sensoriels disponibles sont alors intégrés aux modèles internes pour permettre un monitoring de la tâche motrice et éventuellement ajuster la stratégie au cours du mouvement. Ils sont d’autant plus utiles lorsque l’individu fait face à un nouveau contexte dynamique. En effet, l’individu va se fier davantage aux informations issues du système sensorimoteur, étant donné qu’il ne dispose d’aucun modèle interne adapté. C’est au cours d’une phase d’apprentissage que de nouveaux modèles internes vont être établis. Les facteurs qui permettent un apprentissage sont multivariés et dépendent du système sensoriel de chaque individu. Nous avons montré que lorsque tous les systèmes sensoriels subissent les effets d’un nouvel environnement gravito-inertiel, l’apprentissage était facilité. Ce résultat contraste avec le manque d’adaptation – voire les interférences – parfois observés lors d’apprentissages de tâches beaucoup plus simples. Tous ces mécanismes observables au niveau comportemental sont traités dans le cortex cérébral, et la prise en compte puis l’encodage des effets de la gravité sont effectués dans des aires cérébrales spécifiques. Si elles forment le réseau visuel vestibulaire lorsqu’il s’agit de prédire les effets de la gravité appliqués à des objets extérieurs, nous avons voulu savoir si le même réseau fonctionnel était responsable du traitement de la gravité lorsqu’il s’agissait de la production d’un mouvement. Nous avons mis en évidence que le cortex insulaire est le siège de ce réseau vestibulaire. Ainsi, grâce à une étude d’imagerie mentale qui n’induit pas de mouvement, nous avons également pu observer des différences de circuiterie au sein même de l’insula lorsque des informations gravitaires utiles fournies par les capteurs sensoriels, en particulier proprioceptifs, sont transmises (phase d’exécution), ou non (phase de planification du mouvement) au cerveau. / Gravity is immutable, ubiquitous and affects the dynamic of our daily movements. The gravitational attraction (9.81 m / s2) which varies less than 1% of the earth's surface, is an actress of the evolution of all living species. Thanks to an efficient sensorimotor system, the dynamical consequences of the effects of gravity on our movements are stored as internal representations. To circumvent the time delays of the afferent signals coming from the sensorimotor system (too long to plan quick movements), the Central Nervous System (CNS) acts in a proactive fashion by using suitable internal models developed during our past experiences. These models are mainly used during the motor planning to provide a motor command to initiate the action. Prior knowledge of our biomechanical system and our environment therefore characterizes the diversity of internal models of each individual. However, before movement’s execution, sensory feedback can also be used to develop an optimal strategy of the motor task. The role of this initial information coming from the sensory feedback to anticipate the effects of gravity remains to deepen. During this thesis, we have highlighted the critical role of the initial information to plan a movement. Once available (~ 100 ms after the beginning of the movement), the sensory feedback is then integrated into internal models to control the motor task and if it is necessary, to adjust the strategy during movement execution. The initial information is especially useful when we have to deal with a new dynamical context. Indeed, the CNS will much more rely on this information coming from the sensorimotor system, given that no internal model related to the unusual context has still been developed. During a learning phase new internal models will be established. The parameters which allow learning are various and depend on the sensorimotor system of each individual. We have shown that when all the sensory systems are affected by the effects of a new gravito-inertial environment, learning was facilitated. This result contrasts with the lack of adaptation - or interference - sometimes observed during learning tasks much easier. All these mechanisms observed at a behavioral stage are processed in the cerebral cortex, and the integration and encoding of the effects of gravity are processed in specific brain areas. In particular, concerning external objects, the vestibular network is engaged to predict the effects of gravity. Thus, we wanted to know if the same functional network was responsible of the processing of the dynamical constraints of gravity during movement’s execution. We have shown that the insular cortex, which is the core region of the visual vestibular system, plays an important role. Then, by using mental imagery paradigm that does not induce movement, we also observed differences in the circuitry within the insula when gravity-relevant signals related to movement’s execution are transmitted or not to the brain.

L'intérêt pour les énergies renouvelables et pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre a conduit au développement de l'éthanol comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Les moteurs dits Flexfuel, en particulier, peuvent fonctionner avec un mélange quelconque d'essence et d'éthanol. Ces deux carburants ont des propriétés physico-chimiques différentes, qui influent sur le fonctionnement du moteur et, partant, sur son contrôle. Les systèmes de contrôle moteur habituels ne prennent pas en compte ces propriétés variables. Sur un moteur Flexfuel, les réglages doivent être adaptés à chaque carburant, afin de maintenir le niveau des émissions polluantes et l'agrément. Cependant, ces adaptations ne doivent pas se faire au prix d'un accroissement excessif du travail de calibration. Cette thèse traite de ces questions. Les effets des différentes propriétés du carburant sur le moteur et son contrôle sont tout d'abord analysés afin de définir les besoins en termes de contrôle. Un modèle moyen de moteur, adapté aux variations de propriétés du carburant, est alors développé pour reproduire ces effets et permettre l'évaluation de stratégies de contrôle. Dans ce travail, celles-ci incluent une méthode d'estimation de la composition du carburant pendant le fonctionnement du moteur, et son utilisation dans le contrôle de la richesse. / The interest in renewable energies and in the reduction of greenhouse gas emissions has led to the development of ethanol as a fuel for internal combustion engines. In particular, so-called Flexfuel engines can run on any mixture of gasoline and ethanol. These two fuels have different physico-chemical properties. These influence engine operation, and in turn, its control. These variable properties are not taken into account in conventional engine management systems. In a Flexfuel engine, the engine settings must be adapted to each fuel used, in order to maintain the pollutant emissions and the drivability levels, andto take advantage of the performance and efficiency improvements allowed by ethanol. However, these adaptations should not result in a cumbersome increase in the calibration work. This thesis addresses these issues. The effects of the different fuel properties on the engine and its control are first analyzed, for defining the control requirements. A mean-value, fuel-flexible, engine model reproducing these effects is then developed for the evaluation of control strategies. These include in this work a method for estimating the fuel composition during engine operation, and its use in the equivalence ratio control.

À la suite d’une lésion du système nerveux central tel qu’un accident vasculaire cérébral ou une lésion médullaire incomplète un ensemble de symptômes tel que la parésie, l’hyperactivité musculaire et l’hypo-extensibilité des tissus vont perturber l’organisation locomotrice du patient. Depuis quelques années, l’utilisation de méthodes mathématiques permet d’extraire à partir de l’activité électrique des muscles la commande à l’organisation locomotrice du sujet. L’objectif de ce travail de thèse est d’utiliser ces méthodes pour caractériser les spécificités du patient hémiparétique et paraparétique. Une première étude sur le sujet asymptomatique a permis de valider notre méthodologie..La deuxième étude portant sur les patients paraparétiques montre que l’asymétrie de marche est plutôt expliquée par une expression différente des symptômes plutôt qu’une réelle asymétrie provenant de la commande. Pour conclure, la troisième étude portant sur l’effet d’une anesthésie d’un muscle chez le patient hémiparétique a montré que le cerveau était en mesure de modifier la commande locomotrice pour pallier les perturbations induites par cette anesthésie. En conclusion nos travaux soulignent l’intérêt de ces méthodes comme un outil pertinent dans l’évaluation de l’organisation locomotrice chez le patient présentant une lésion du système nerveux central. / Following a central nervous system injury such as a stroke or incomplete spinal cord injury, a set of symptoms such as paresis, muscle hyperactivity and hypo-extensibility will disrupt the patient’s locomotor organization. In recent years, the use of mathematical methods has made it possible to extract, from the electrical muscle activities, the command of the locomotor organization. This thesis aimed at using these methods to characterize the specificities of the post-stroke patient and the patient with incomplete spinal cord injury. The first study of healthy individuals allowed to validate our methodology.The second study in patients with incomplete spinal cord injury showed that gait asymmetry may be explained by a different expression of symptoms rather than a real asymmetry originating from the control. Finally, the third study has investigated the effect of muscle anesthesia on the post-stroke patient. The results showed that the central nervous system was able to adapt locomotor control to compensate for the disturbances induced by this anesthesia. In conclusion, our work underlines the interest of these methods as a relevant tool in the evaluation of locomotor organization in patients with central nervous system lesions.

Contexte et objectif:C’est presque une banalité que de dire qu’une des caractéristiques principales de la parole est sa variabilité : variabilité inter-sexe, inter-locuteur, mais aussi variabilité d’un contexte à un autre ou d’une répétition à une autre pour un même sujet. C’est cette variabilité qui fait à la fois la beauté de la parole mais aussi la complexité de son traitement par les technologies vocales, et la difficulté pour en comprendre les mécanismes. Dans cette thèse nous étudions certains aspects de cette variabilité, avec comme point de départ la variabilité observée chez un locuteur dans la répétition d’un même son dans les mêmes conditions, que nous appelons variabilité intrinsèque.Les modèles de contrôle moteur de la parole abordent principalement la variabilité contextuelle de la parole mais prennent rarement en compte sa variabilité intrinsèque, alors même que l’on sait que c’est cette variabilité qui donne à la parole tout son caractère naturel. Dans le contexte général du contrôle moteur, l’origine précise de la variabilité intrinsèque reste peu comprise et controversée. Cependant, une hypothèse courante est que la variabilité intrinsèque serait essentiellement due à du bruit neuronal dans la chaine d’exécution.L’objectif principal de cette thèse est d’aborder la variabilité intrinsèque et contextuelle de la production de la parole dans un cadre formel intégrateur. Pour cela nous faisons l’hypothèse que la variabilité intrinsèque n’est pas que le résultat d’un bruit d’exécution, mais qu’elle résulte aussi d’une stratégie de contrôle où la variabilité inter-répétition fait partie intégrante de la représentation de la tâche.Méthodologie:Nous formalisons cette idée dans un cadre computationnel probabiliste, la modélisation Bayésienne, où l’abondance de réalisations possibles d’un même item de parole est représentée naturellement sous la forme d’incertitudes, et où la variabilité est donc manipulée formellement. Nous illustrons la pertinence de cette approche à travers trois contributions.Résultats:Dans un premier temps, nous reformulons un modèle existant de contrôle optimal de la parole, le modèle GEPPETO, dans le formalisme probabiliste et démontrons que le modèle Bayésien contient GEPPETO comme un cas particulier. En particulier, nous illustrons comment l’approche Bayésienne permet de rendre compte de la variabilité intrinsèque tout en incluant les mêmes principes d’émergence et de structuration de la variabilité contextuelle proposés par GEPPETO.Dans un deuxième temps, le formalisme nous permet de dépasser le cadre de GEPPETO en y intégrant une composante somatosensorielle dans la représentation des buts. Cela permet d’introduire une variabilité interindividuelle sur la préférence sensorielle, c’est-à-dire la modulation des poids relatifs des cibles auditives et somatosensorielles, et permet d’expliquer la variabilité de compensation observée dans les études de perturbation sensorielle. Cette étape a nécessité l’élaboration d’hypothèses sur l’intégration des retours sensoriels dans la planification, dont nous avons cherché à évaluer la pertinence en concevant une expérience originale de production-perception de parole.Dans un troisième temps, nous exploitons le formalisme pour réinterpréter des données expérimentales récentes qui mettent en évidence un changement perceptif consécutif à un apprentissage moteur induit par une altération du retour auditif. Cela est rendu possible grâce à la représentation unifiée des connaissances dans le modèle, qui permet d’intégrer la production et la perception dans un cadre formel unique.L’ensemble de ces travaux illustre la capacité du formalisme Bayésien à proposer une démarche systématique et structurée pour la construction des modèles. Cette démarche facilite le développement des modèles et leur complexification progressive en précisant et explicitant les hypothèses formulées. / Context and goal:It is almost a truism to affirm that one of the main features of speech is its variability: variability inter-gender, inter-speaker, but also variability from one context to another, or from one repetition to another for a given subject. Variability underlies at the same time the beauty of speech, the complexity of its treatment by speech technologies, and the difficulty for understanding its mechanism. In this thesis we study certain aspects of speech variability, our starting point being the variability characterizing the repetitions of a given utterance by a given subject, in a given condition, which we call intrinsic variability.Models of speech motor control have mainly focused on the contextual aspects of speech variability, and have rarely considered its intrinsic component, even though it is this fundamental component of variability that gives speech it naturalness. In the general context of motor control, the precise origin of the intrinsic variability of our movements remains controversial and poorly understood, however, a common assumption is that intrinsic variability would mainly originate from neural and muscular noise in the execution chain.The main goal of this thesis is to address the contextual and intrinsic component of speech variability in an integrative computational framework . To this aim, we postulate that the main component of the intrinsic variability of speech is not just execution noise, but that it results from a control strategy where intrinsic variability characterizes the abundance of possible productions of the intended speech item.Methodology:We formalize this idea in a probabilistic computational framework, Bayesian modeling, where the abundance of possible realizations of a given speech item is naturally represented as uncertainty, and where variability is thus formally manipulated. We illustrate the pertinence of this approach with three main contributions.Results:Firstly, we reformulate in Bayesian terms an existing model of speech motor control, the GEPPETO model, and demonstrate that this Bayesian reformulation, which we call B-GEPPETO, contains GEPPETO as a particular case . In particular, we illustrate how the Bayesian approach enables to account for the intrinsic component of speech variability while including the same principles proposed by GEPPETO for the emergence and structuration of its contextual component.Secondly, the Bayesian framework enable us to go beyond and extend B-GEPPETO in order to include a multisensory characterization of speech motor goals, with auditory and somatosensory components. We apply this extension to explore variability in the context of compensations to sensory-motor perturbation in speech production. We account for differences in compensation as sensory preferences implemented by modulating the relative contribution of each sensory modality in the model . The somatosensory characterization of speech motor goals involved a certain number of hypotheses that we intended to evaluate with two experimental studies.Finally, in our third contribution we exploit the formalism for the reinterpretation of recent experimental observations concerning perceptual changes following speech motor adaptation to auditory perturbations. This original analysis is made possible thanks to the unified representation of knowledge in the model, which enables to account for production and perception processes in a single computational framework.Taken together, these contributions illustrate how the Bayesian framework offers a structured and systematic approach for the construction of models in cognitive sciences . The framework facilitates the development of models and their progressive complexification by specifying and clarifying underlying assumptions.

Résumé : L’objectif de cette thèse était d’investiguer l’influence des émotions sur l’organisation biomécanique de mouvements volontaires complexes, c’est-à-dire mobilisant l’ensemble du corps. L’effet des émotions a été testé par le biais de l’hypothèse de la direction motivationnelle selon laquelle 1) les stimuli plaisants faciliteraient les comportements d’approche et perturberaient les comportements d’évitement et 2) les stimuli déplaisants faciliteraient les comportements d’évitement et perturberaient les comportements d’approche. Deux modèles expérimentaux du mouvement complexe ont été choisis : l’initiation du pas vers l’avant et vers l’arrière (étude 1) et l’élévation latérale de la jambe (études 2 à 4). Les émotions étaient manipulées en exposant les participants à des images de l’International Affective Pictures System (induisant des émotions plaisantes et déplaisantes, étude 1) et en plaçant les participants au bord d’une plateforme surélevée (induisant une peur de chuter, études 2 à 4). Les mouvements étaient réalisés sur une plateforme de force (études 1 à 3). La cinématique du mouvement de la jambe oscillante était enregistrée grâce au système de capture de mouvements VICON (études 2 et 3). Les paramètres psychologiques (dimension de valence et d’activation des émotions, peur de chuter) étaient évalués grâce à des questionnaires. Les résultats de la première étude ont montré que les émotions plaisantes facilitaient les comportements d’approche (en termes de réactivité) et perturbaient les comportements d’évitement (en termes de vitesse du centre des masses lors des ajustements posturaux anticipateurs (APA) associés à un pas vers l’arrière), comparativement aux images déplaisantes et neutres. Cependant ces images semblaient aussi pouvoir perturber les comportements d’approche (en termes de pic de vitesse du centre des masses lors de l’exécution du pas vers l’avant). Les résultats de la deuxième étude ont démontré que les comportements d’approche envers la menace posturale (c’est-à-dire le vide) étaient perturbés (en termes d’amplitude et de durée des APA), comparativement aux comportements d’évitement. La troisième étude s’est ensuite intéressée à l’existence de différences interindividuelles dans la relation entre la menace posturale (et donc la peur de chuter) et l’organisation du mouvement volontaire. Les résultats ont révélé que la confiance en l’équilibre était un facteur de protection à la menace posturale. Ainsi, les participants reportant une forte confiance en leur équilibre étaient moins perturbés par la menace posturale que les participants reportant une faible confiance en leur équilibre. Enfin, la quatrième étude a cherché à expliquer l’existence de ces différences interindividuelles. Les résultats ont montré que l’estime globale de soi pouvait expliquer une partie de ces différences. En conclusion, les résultats de cette Thèse ne semblent confirmer que partiellement l’hypothèse de la direction motivationnelle. Pris ensemble, ces résultats ont permis d’améliorer la compréhension des processus sous-jacents à l’influence des émotions sur l’organisation du mouvement volontaire.Mots clés : Ajustements Posturaux Anticipateurs, Approche-Évitement, Contrôle Moteur, Émotions, Hypothèse de la Direction Motivationnelle / The aim of this thesis is to investigate the influence of emotions on the planning and execution of whole body voluntary movement. The effect of emotions was test thanks to the motivational direction hypothesis which supposed that 1) pleasant stimuli should facilitate approach and perturb avoidance behaviors. 2) Unpleasant stimuli should facilitate avoidance and perturb approach behaviors. Two experimental protocols have been chosen to pursue the investigation: Forward and backward gait initiation (study 1) and lateral elevation of the leg (studies 2-4). The emotions were manipulated by exposing the subjects to pictures of the International Affective Pictures System (inducing pleasant and unpleasant emotions, study 1) and by placing the subjects at the edge of an elevated platform (inducing fear of falling). Movements were performed on force platform (studies 1-3). Kinematic parameters of leg movement were recorded by the system of motion capture VICON (studies 2 and 3). Psychological parameters (valence and arousal dimensions of emotions fear of falling) were assessed by questionnaires. Results of the first study showed that pleasant pictures facilitated approach behaviors (as observed in the reactivity) and perturbed avoidance behaviors (as observed in the velocity of centre of mass during anticipatory postural adjustment (APA) prior to the execution of a backward step), compared to unpleasant or neutral pictures. However, these pleasant pictures also perturbed approach behaviors (as observed in the peak of centre of mass velocity during the execution of a forward step). Results of the second study showed that approach behaviors toward the postural threat (i.e, the void) were perturbed (as observed in the amplitude and duration of APA), compared to avoidance behaviors. The third study focused on the inter-individual differences in the relation between postural threat and organization of movement. Results revealed that balance confidence of the participants dealing with increased postural threat. In other terms, participants reported a high confidence in their own balance control were least perturbed than those reported a low balance confidence and vice versa. Finally, in the fourth study we tried to explain these inter-individual differences. The self-esteem seems to explain these differences. In conclusion, the results of this thesis seem to partially confirm the hypothesis of motivational direction. Put together, the results help improve our general understanding of the influence of emotions on the planning and execution of voluntary movements.Keywords: Anticipatory Postural Adjustments, Approach-Avoidance, Emotions, Motivational Direction Hypothesis, Motor Control

La recherche portant sur l'identification des principes neurobiologiques qui sous-tendent le contrôle moteur humain est actuellement très active. Les mouvements humains ont en effet un niveau de robustesse et de dextérité encore inégalé dans la réalisation robotique de tâches complexes. L'objectif est donc de mieux comprendre l'origine de cette performance et de la reproduire en robotique bio-inspirée. Il a déjà été démontré que des réseaux spinaux rythmiques sont présents dans la moelle épinière des vertébrés. Ils constituent des systèmes dynamiques non-linéaires composés de neurones en inhibition réciproque et seraient à l’origine de la génération des mouvements rythmiques comme la locomotion et la respiration. Les attracteurs de ces systèmes dynamiques seraient modulés de manière continue ou intermittente par des signaux sensoriels et des signaux descendant du cortex moteur, de manière à adapter le comportement de l’agent à la dynamique de l’environnement.La présente étude émet l'hypothèse que des informations visuelles sont également couplées aux réseaux spinaux rythmiques et que ces couplages sont responsables des synchronisations temporelles et spatiales observées lors de la réalisation de tâches visuomotrices rythmiques. Cette proposition est confrontée à des résultats expérimentaux de frappe cyclique de balle, un benchmark bien connu des neuroscientifiques et des dynamiciens en raison de ses propriétés dynamiques intrinsèques. Il rend possible à la fois l’étude de la génération de mouvements rythmiques par des réseaux spinaux, la synchronisation temporelle avec l’environnement, la correction en-ligne des erreurs spatiales et l’interception de projectiles balistiques.Cette thèse propose ainsi un modèle comportemental mathématique innovant reposant sur un modèle d’oscillateur neuronal dont l’attracteur, qui définit les trajectoires de la raquette, est modulé en ligne par les perceptions visuelles de la trajectoire de la balle. La pertinence du modèle est validée par comparaison aux données expérimentales et aux modèles précédemment proposés dans la littérature. La robustesse de cette stratégie de contrôle est également quantifiée par une analyse de stabilité asymptotique du système hybride défini par le couplage entre le système neuro-musculo-squelettique et la balle. Le correcteur bio-inspiré proposé dans cette thèse réunit de manière harmonieuse un contrôle prospectif de la synchronisation balle-raquette, un contrôle paramétrique intermittent dimensionnant le mouvement et un contrôle émergeant du cycle-limite du système couplé. Il reproduit efficacement les modulations des actions motrices et les performances des humains durant la tâche de frappe cyclique de balle, y compris en présence de perturbations, et ce sans avoir recours à une planification du mouvement ou à des représentations internes explicites de l’environnement. Les résultats de cette étude conduisent à l’affirmation réaliste que les mouvements humains sont directement structurés par l’information sensorielle disponible et par des stratégies correctives en-ligne, en accord avec la théorie des dynamiques comportementales. Cette architecture de contrôle pourrait offrir de nombreux avantages aux robots humanoïdes qui en seraient munis, en assurant stabilité et économie d’énergie, par l’intermédiaire de lois de commande de faible complexité et peu gourmandes en ressources computationnelles. / The identification of the neurbiological principles underlying human motor control is a very active reseach topic. Indeed, human movement has a level of robustness and dexterity still unmatched by robots. The objective is therefore to better understand the origin of this efficiency to replicate these performances in robotics. It has been shown that spinal rhythm generators, known as Central Pattern Generators (CPG), are responsible for the generation of rhythmic movements such as locomotion and respiration in vertebrates. These CPG constitute dynamic nonlinear systems modulated by sensory signals and descending signals from the cortex to adapt the behavior to the changing environment.The present study hypothesizes that visual information is also coupled to the CPG and that these couplings are responsible for the temporal and spatial synchronization observed during rhythmic visuomotor tasks. This assumption is confronted with experimental results from human participants performing ball bouncing, a well-known benchmark in neuroscience and robotics for its intrinsic dynamic properties. This task allows for the investigation of rhythmic movement generation by spinal networks, the temporal synchronization with the environment, the on-line correction of spatial errors and the interception of ballistic projectiles.This thesis proposes an innovative mathematical behavioral model based on a neuronal oscillator whose attractor, which defines the paddle trajectories, is modulated on-line by the visual perception of the ball trajectory. The relevance of the model is validated by comparison with experimental data and models previously proposed in the literature. The robustness of this control strategy is quantified by an asymptotic stability analysis. The bio-inspired controller presented in this thesis harmoniously combines a prospective control of the ball-paddle synchronization, an intermittent parametric control that scales the movement and a control emerging from the coupled system limit cycle. It efficiently reproduces the human modulation in motor action and performance during ball bouncing, without relying on movement planning or explicit internal representation of the environment. The results of this study lead to the realistic assumption that much part of the human behavior during ball bouncing is directly structured by sensory information and on-line error correction processes, in agreement with the behavioral dynamics theory. This control architecture holds promise for the control of humanoid robots as it is able to ensure stability and energy saving through control laws of reduced complexity and computational cost.

L'intégralité de ce projet a été réalisé à l'aide de logiciels sous licence libre. / Une évaluation du nombre de symptômes d'hyperactivité-impulsivité et d'inattention a été faite sur 277 jumeaux au moyen d'une entrevue semi-structurée administré aux parents, basée sur une échelle validée et communément admise, et une tâche de pointage a été demandée à chacun d'eux. La tâche de pointage a été effectuée avec chaque main successivement vers une cible dont la position à 135° ou à 45° était déterminée aléatoirement. Les tracés ont été classés en trois catégories selon le type de la première correction volontaire qu'ils présentaient sur leurs profils cinématiques : absence de correction, correction de position, correction dynamique. Ce projet veut caractériser la relation entre le taux de chaque type de correction et le nombre de symptômes de TDAH chez une population d'enfants ne répondant majoritairement pas à un diagnostic clinique de TDAH. Il a été montré que la présence de corrections de position était fréquemment corrélée à la présence de symptômes d'hyperactivité-impulsivité, mais pas, ou rarement, de symptômes d'inattention. D'autre part, il a été aussi remarqué que le taux de correction augmentait significativement lorsque le mouvement de pointage était effectué de la main gauche, sans égard à la dominance manuelle du sujet. Le premier résultat n'était pas attendu, étant donné la littérature relativement épaisse montrant un lien entre l'inattention et les problèmes de coordination motrice. Le second résultat, par contre, laisse entendre que la différenciation fonctionnelle hémisphérique d'un point de vue de contrôle attentionnel, ou de la motricité de la main gauche, serait affectée par le TDAH. / Symptoms linked to ADHD were assessed on 277 twins according to the commonly recognized dimensions formed by hyperactivity-impulsivity and inattention. A semi-structured interview administered to parents was used for the assessment. Subjects were asked to perform a pointing task. Left and right hands were tested in turn, and to reach a target placed either at 135° or 45°. Order of appearance was randomly determined. All traces were categorized according to the first voluntary correction as shown in their kinematic profiles : no correction, position correction, and dynamic correction. This project proposes to characterize the link between each correction type frequency and hyperactivity-impulsivity and inattention symptoms. The population studied was mostly subclinical and did not reach ADHD diagnosis criteria. Position corrections were shown to be correlated quite reliably to hyperactivity- impulsivity symptoms, but not to inattention symptoms. Deficits were most reliably linked with left hand use. The first result was unexpected considering abundant literature confirming the link between inattention and fine motor deficits, but the second one is more in line with a less exploited hypothesis stating that hemispherical functional differentiation related to control of the hand, or control of attention is affected by ADHD.

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

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité. / According to a dominant theory, the motor cortex is directly involved in pre-programming motor outcome in terms of movement trajectories and electromyographic (EMG) patterns. In contrast, the equilibrium point theory suggests that the motor cortex sets and resets the spatial thresholds, i.e., the positions of body segments at which muscles and reflexes begin to act. Movement parameters thereby emerge without pre-programming, depending on the difference between the actual and the threshold position of the body segments. To choose between these two theories of motor control, we investigated corticospinal influences associated with voluntary changes in elbow joint angle in healthy individuals using transcranial magnetic stimulation (TMS) of the brain site projecting to motoneurons of the elbow muscles. In order to minimize the influence of motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, motor evoked potentials (MEPs) elicited by TMS were obtained during the EMG silent period produced by a brief muscle shortening prior to the TMS pulse. MEPs were obtained at a flexion and an extension elbow angle actively established by subjects. MEPs were recorded from 2 elbow flexors (biceps and brachioradialis) and 2 extensors (medial and lateral heads of triceps). Flexor MEP amplitude was bigger at the elbow flexion position in the case of the biceps and extensor MEPs were bigger at the extension position in both extensors studied (reciprocal pattern). MEPs observed in the brachioradialis did not differ at the two elbow orientations. A similar difference in corticospinal influences at the two elbow positions was often preserved when the tonic activity of elbow muscles was equalized by compensating the passive muscle forces at the two positions with a torque motor. Thus, corticospinal influences and EMG activity were de-correlated and it can be concluded that the corticospinal system is not involved in pre-determining the magnitude of motor commands to muscles. Results suggest that the corticospinal system resets the spatial thresholds for muscle activation when segments move from one position to another. This implies that deficits in spatial threshold control may underlie different neurological motor problems (e.g., hypotonia and spasticity).

Pour franchir les prochaines étapes réglementaires, une des solutions adoptées par les constructeurs automobiles est la dépollution à la source par des nouveaux concepts de combustion. Une piste d’étude est le moteur à charge homogène allumé par compression, le moteur HCCI. Le défi majeur est de contrôler le phasage de la combustion lors des transitions. Or, l’ozone est un additif prometteur de la combustion. La première partie de ce travail est consacrée au développement d’un modèle 0D physique de la combustion dans le moteur HCCI à l’aide d’une approche statistique basée sur une fonction de densité de probabilité (PDF) de la température. Pour cela, un modèle de variance d’enthalpie est développé. Après la validation expérimentale du modèle, il est utilisé pour développer des cartographies du moteur HCCI avec et sans ajout de l’ozone afin d’évaluer le gain apporté par cet actuateur chimique en terme de charge et régime. La deuxième partie porte sur le contrôle du phasage de combustion par ajout d’ozone. Une étude de simulation est effectuée où des lois de commandes sont appliquées sur un modèle orienté contrôle. Les résultats montrent que l’ajout d’ozone permet de contrôler cycle-à-cycle le phasage de la combustion. En parallèle, une étude expérimentale sur un banc moteur est facilitée grâce à un système d’acquisition des paramètres de combustion (Pmax, CA50) en temps réel, développé au cours de cette étude. En intégrant les lois de commande par ajout d’ozone dans le calculateur du moteur (ECU), les résultats expérimentaux montrent la possibilité de contrôler non seulement cycle-à-cycle le phasage de la combustion par ajout d’ozone lors des transitions mais aussi de stabiliser le phasage de la combustion d’un point instable. / To pass the next legislator steps, one of the alternative solutions proposed for the depollution at the source by new concepts of combustion. One of proposed solution is the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine. The major challenge is to control combustion phasing during transitions. Ozone is promising additive to combustion. During this work, a 0D physical model is developed based on temperature fluctuations inside the combustion chamber by using Probability Density Function (PDF) approach. For this, an enthalpy variance model is developed to be used in Probability Density Function (PDF) of temperature. This model presents a good agreement with the experiments. It is used to develop HCCI engine map with and without ozone addition in order to evaluate the benefit of using ozone in extending the map in term of charge-speed. The second part deals with control the combustion phasing by ozone addition. A Control Oriented Model (COM) coupled with control laws demonstrates the possibility to control combustion phasing cycle-to-cycle. Thereafter, an experimental test bench is developed to prove this possibility. A real time data acquisition system is developed to capture combustion parameters (Pmax, CA50). By integrating control laws into Engine Control Unit (ECU), results demonstrate not only the controllability of combustion phasing cycle-to-cycle during transitions but also to stabilize it for an instable operating point.