Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Comment notre système moteur peut-il influencer notre perception ? Quels sont les mécanismes qui permettent de réaliser un même mouvement avec différents effecteurs ? Afin d'apporter des éléments de réponse à ces deux questions issues des sciences cognitives, nous avons étudié un système sensori-moteur: celui mis en oeuvre pour les tâches de lecture et écriture de lettres cursives isolées. Notre contribution est un modèle formel de cette boucle sensori-motrice, qui tient compte des observations et théories issues de la littérature. L'hypothèse centrale est qu'il existe un codage interne des lettres commun à la perception et à l'action, et, de plus, indépendant de l'effecteur. Ce codage, pivot entre la perception et l'action, consiste en des séquences de points de contrôle, géométriquement remarquables, identifiables à partir de la trace des lettres, et permettant de récupérer une partie de l'information cinématique. Le formalisme utilisé est celui de la programmation bayésienne. La définition d'un programme bayésien se fait par l'écriture d'une distribution de probabilité conjointe. Connaissant cette probabilité conjointe, le modèle est capable de résoudre plusieurs tâches cognitives. Chacune de ces tâches correspond à une question probabiliste qui est résolue automatiquement par inférence bayésienne : la lecture, la lecture en simulant le geste d'écriture, la copie de traces, la reconnaissance du scripteur, l'écriture avec différents effecteurs. Nous avons simulé informatiquement chacune de ces inférences et comparé leurs résultats aux observations issues des expériences de psychophysique. Le modèle permet d'effectuer des prédictions et ainsi de suggérer de nouveaux protocoles expérimentaux.

Comme d'autres mouvements humains, les gestes de la parole sont vraisemblablement planifiés selon des stratégies optimales. Cependant, il est probable que la planification de ces gestes soit aussi contrainte par des critères de nature linguistique. De telles contraintes pourraient porter notamment sur la structure phonologique et la longueur des séquences prises en compte dans la planification. Le but de cette thèse a été d'approfondir cette hypothèse à partir de l'analyse de données expérimentales et de simulations avec un modèle. <br />Pour cela, la coarticulation anticipante a été étudiée expérimentalement dans des séquences Voyelle1-Consonne-Voyelle2 (V1CV2) pour deux langues différentes, le français et le chinois, à partir de données articulatoires et acoustiques. Les résultats de nos analyses montrent que les locuteurs français et chinois ont adopté des stratégies de planification différentes : en français l'anticipation s'étend au delà des frontières de la syllabe CV, alors qu'en chinois ce n'est pas le cas. Pour valider cette interprétation sur le rôle de la syllabe, un modèle de contrôle moteur a été élaboré exploitant une stratégie de planification qui minimise un critère combinant effort articulatoire et contraintes perceptives, et il a été testé sur un modèle biomécanique de la langue. Différentes hypothèses sur la structure phonologique de la séquence planifiée ainsi que sur l'exécution du mouvement ont été testées dans ce cadre. Les simulations ont été comparées aux données. Nos résultats soutiennent l'hypothèse selon laquelle les influences de la syllabe seraient plus fortes en mandarin qu'en français.

Cette thèse est une étude de méthodes permettant d'estimer des fonctions valeur avec des réseaux de neurones feedforward dans l'apprentissage par renforcement. Elle traite plus particulièrement de problèmes en temps et en espace continus, tels que les tâches de contrôle moteur. Dans ce travail, l'algorithme TD(lambda) continu est perfectionné pour traiter des situations avec des états et des commandes discontinus, et l'algorithme vario-eta est proposé pour effectuer la descente de gradient de manière efficace. Les contributions essentielles de cette thèse sont des succès expérimentaux qui indiquent clairement le potentiel des réseaux de neurones feedforward pour estimer des fonctions valeur en dimension élevée. Les approximateurs de fonctions linéaires sont souvent préférés dans l'apprentissage par renforcement, mais l'estimation de fonctions valeur dans les travaux précédents se limite à des systèmes mécaniques avec très peu de degrés de liberté. La méthode présentée dans cette thèse a été appliquée avec succès sur une tâche originale d'apprentissage de la natation par un robot articulé simulé, avec 4 variables de commande et 12 variables d'état indépendantes, ce qui est sensiblement plus complexe que les problèmes qui ont été résolus avec des approximateurs de fonction linéaires.

Le membre fantôme correspond à la persistance de perceptions sensitives et motrices attribuées au membre amputé. Des douleurs chroniques parfois invalidantes ainsi que des capacités d'évocation de mouvements dans le membre absent sont fréquemment rapportées. Très peu connue, cette motricité résiduelle est souvent considérée comme de l'imagerie motrice. Le premier objectif de cette thèse est de réinterroger le statut psychologique des mouvements de membre fantôme. Le second objectif est d'étudier le lien entre le contrôle moteur dans le membre fantôme et les réorganisations corticales dans le cortex moteur du sujet amputé. Au moyen de tests comportementaux et d'examens en Imagerie par Résonnance Magnétique fonctionnelle (IRMf), ces travaux de thèse ont permis de dissocier expérimentalement une forme de perceptions kinesthésiques associée à de l'imagerie motrice et une autre forme associée à de l'exécution motrice dans le membre fantôme. Cette distinction repose à la fois sur des différences de performances et sur le recrutement de régions cérébrales partiellement distinctes. Au-delà de cette distinction physiologique, les résultats obtenus suggèrent que les mouvements de membre fantôme s'apparentent à une forme d'exécution motrice plutôt qu'à de l'imagerie motrice. A travers le modèle du membre fantôme, ce travail aborde donc la question de la nature des informations menant à la perception d'un mouvement comme étant " exécuté ". Les altérations du fonctionnement cortical mises en évidence chez l'amputé peuvent représenter un modèle d'étude intéressant des différents mécanismes physiopathologiques relevés dans des situations de déficiences liées à une forme de plasticité " maladaptative ". Les observations cliniques et les examens en neuroimagerie menés au cours de cette thèse dressent en effet, un modèle relativement cohérent de l'organisation fonctionnelle du cortex après amputation. En particulier, l'existence d'un lien entre les réorganisations fonctionnelles au sein du cortex moteur et la qualité du contrôle moteur résiduel dans le membre fantôme permet de mieux comprendre les mécanismes sur lesquels reposent certaines thérapies antalgiques, comme les thérapies visuomotrices

L'objectif général de ce travail de thèse était d'examiner, chez le sujet jeune et bien portant, l'adaptabilité des commandes motrices posturale et focale associées à une tâche de poussée bilatérale dynamique lorsque la capacité posturo-cinétique est spécifiquement contrainte par trois types de facteurs : i) le changement d'appui de bipodal à unipodal (1ère expérimentation), ii) la dominance posturale (appui unipodal sur la jambe dominante ou sur la jambe non dominante ; 2ème expérimentation), et iii) la fatigue posturale (3ème et 4ème expérimentation). Les résultats de la 1ère expérimentation ont montré que le système nerveux central augmentait la durée des ajustements posturaux anticipateurs (APA) en condition unipodale de façon à maintenir un niveau de forces inertielles équivalent à celui obtenu en condition bipodale, et donc à maintenir un niveau de contreperturbation anticipatrice équivalent. Il en résultait une performance focale (vitesse maximale) optimale. Les résultats de cette expérimentation, basée sur une analyse des caractéristiques biomécaniques des APA, ont également montré que ce type de stratégie adaptative caractérisée par un allongement de la durée des APA ne dépendait pas de la dominance posturale. En revanche, l'analyse électromyographique (2ème expérimentation) a révélé que la réponse adaptative des muscles posturaux au changement d'appui (de bipodal à unipodal) était asymétrique, i.e. que le niveau d'activation des muscles posturaux nécessaire à assurer une contre-perturbation posturale et une performance focale optimales était plus élevé lorsque les sujets se tenaient en appui unipodal sur la jambe non dominante que sur la jambe dominante. La capacité d'adaptation au changement d'appui serait donc meilleure dans cette dernière situation car plus " économique " en terme énergétique. Enfin, les résultats de la 3ème et de la 4ème expérimentation suggèrent que cette capacité d'adaptation est altérée suite à la répétition intensive de séries de contractions isométriques de haute intensité. Dans ces conditions de fatigue, l'amplitude des APA était en effet drastiquement réduite comparativement à la condition " non fatigue ". L'ensemble de ces résultats contribue à une meilleure connaissance des capacités d'adaptation des commandes motrices posturales et focales associées à l'exécution du mouvement volontaire.

La première année de vie est une période cruciale pour le développement de la parole chez l'enfant. Le babillage, étape clé dans ce développement, apparaît vers 6 mois sous une forme quasi-similaire chez tous les enfants du monde quel que soit le langage environnant. Durant cette période, l'enfant ne contrôle pas la nature de ses productions et n'a pas encore acquis les capacités pour produire les unités phonologiques de sa langue maternelle. Avec l'apparition de ses premiers mots autour de 12 mois, c'est-à-dire de productions verbales désignant de façon stable un référent identifiable, l'enfant a parcouru un chemin développemental durant lequel il a acquis de nouvelles capacités motrices, articulatoires et phonologiques. Nous nous sommes intéressées à l'apparition de ces capacités en adoptant une démarche à la croisée des approches scientifiques actuelles de type bottom-up (MacNeilage, 1998) et top-down (Fikkert & al. 2004, Wauquier, 2005, 2006) En effet, il nous semble que les productions de parole ne peuvent pas s'expliquer hors du cadre articulatoire et moteur. Mais il nous paraît pour autant indispensable de prendre en considération les caractéristiques structurelles et les contraintes linguistiques de l'input (Vihman, 1996). Pour nous, l'enfant doit donc s'adapter à sa langue maternelle en fonction de ses capacités motrices et articulatoires qui évolueront avec la croissance et la maturation cognitive, tout en comparant constamment ses productions à sa langue maternelle. Pour évaluer ces propositions théoriques, nous avons élaboré une base de données des productions vocales d'un enfant francophone âgé de 7 à 16 mois à partir d'un corpus audio-visuel. Notre questionnement porte sur la nature des premiers mots. En effet, si le contrôle des oscillations mandibulaires peut bien être considéré comme la structure de base de la parole, l'enfant ne pourra pas produire de syllabe adulte tant qu'il n'aura pas acquis trois contrôles supplémentaires à celui de la mandibule : (i) le contrôle du vélum qui permet d'obtenir un conduit vocal globalement oral pour produire des séquences consonnes-voyelles distinctes, (ii) le contrôle de la coordination oro-laryngéee qui permet d'obtenir la distinction voisée/non voisée, et (iii) le contrôle du rythme mandibulaire qui va permettre à l'enfant d'adapter ses productions au patron prosodique de sa langue maternelle.

Les performances des moteurs à combustion interne sont limitées par la quantité de gaz que leur système d'air peut apporter dans le cylindre. Les turbocompresseurs permettent d'augmenter cette quantité et c'est donc pour cette raison qu'ils sont maintenant couram- ment utilisés, parfois en combinaison avec d'autres composants. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'entraîner une dynamique lente sur le moteur. Les stratégies de commande associées doivent donc exploiter au maximum la dynamique d'un système complexe. Cette thèse examine les problèmes de commande des systèmes d'air suralimentés à travers trois études de cas : un turbocompresseur à géométrie fixe sur un moteur essence, une turbine à géométrie variable sur un moteur Diesel avec deux circuits de recirculation des gaz brûlés, et un turbocompresseur à deux étages sur un moteur Diesel. La démarche proposée consiste à réduire un modèle physique du système et à synthétiser des stratégies de commande simples basées sur l'analyse de ce modèle. Grâce à la simplicité du modèle réduit et de la loi de commande, on peut prouver des propriétés du système en boucle fermée telles que la convergence, la stabilité et le respect des contraintes. Des résultats expérimentaux sont fournis dans chaque cas pour démontrer la pertinence de la démarche. Le premier problème considéré est à simple entrée simple sortie (SISO) avec des contraintes sur l'actionneur. Le système est non linéaire du premier ordre. La stratégie de commande développée consiste en une linéarisation par retour d'état avec planification de trajectoire sous contrainte. Elle se base sur l'inversion dynamique d'une représentation physique du système. Des problèmes pratiques tels que les contraintes sur l'actionneur et l'anti emballement de l'intégrateur sont pris en compte à la fois dans les parties de prépositionnement et de bouclage du contrôleur. La démarche et les développements sont ensuite étendus à des applications plus complexes. Le second système d'air considéré contient plusieurs sous systèmes avec de nombreuses interactions : turbocompresseur et circuits de recirculation des gaz brûlés. Un niveau de modélisation similaire à celui du premier cas est utilisé pour l'analyse du système. On montre que les dynamiques des circuits de recirculation des gaz brûlés sont plus rapides que celles du turbocompresseur et peuvent donc être négligées. Cependant, les interactions statiques entre les deux systèmes imposent des contraintes sur la commande du turbocom- presseur. La structure de commande développée pour le premier exemple est adaptée à ce nouveau problème de commande. La dernière application est la plus complexe. Le problème de commande peut être réduit à un problème à simple entrée et simple sortie (SISO), mais le système est du second ordre et des contraintes doivent être respectées sur l'un des états. Un modèle physique mais réduit du second ordre permet d'étudier les trajectoires du système en boucle fermée dans le plan des phases. Des stratégies de commande sont ainsi synthétisées pour forcer le système sur les trajectoires désirées tout en satisfaisant les contraintes. La thèse montre donc que différents problèmes de commande de sytèmes d'air peuvent être traités avec des solutions similaires et cohérentes. La démarche globale et le niveau de modélisation retenu sont génériques. Ils pourront ainsi être étendus à de futurs problèmes de commandes de systèmes d'air, mais également à des problèmes de diagnostic pour lesquels ils sont bien adaptés.

Les neurones propriospinaux C3-C4, situés au niveau des cervicales C3-C4, sont connectés de façon excitatrice ou inhibitrice aux motoneurones des membres supérieurs. Ils reçoivent des signaux périphériques et descendants, communiquent avec de multiples interneurones de la moelle et envoient une copie de leurs efférences au cervelet. Les neurones propriospinaux excitateurs sont sous le contrôle d'interneurones inhibiteurs. Les neurones propriospinaux pourraient servir à assister les commandes motrices provenant de structures supérieures, ainsi que l'initiation et la terminaison du mouvement. Des études comportementales chez l'animal ont montré que ce système influence particulièrement les mouvements d'atteinte de cible visuellement guidés du membre antérieur (reaching), ainsi que des mouvements de préhension demandant de la dextérité (precision grip). Le but de cette thèse est de confirmer le rôle du système propriospinal dans la transmission de la commande motrice du bras chez l'Homme. Ce travail a été divisé en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les effets d'une activation du système propriospinal sur la contraction d'un muscle fléchisseur du poignet (FCR) au cours de tâches dynamiques et visuo-guidées du bras et de la main (reach to grasp et reach to point). Nous avons activé les neurones propriospinaux à l'aide de stimulations magnétiques transcraniennes (TMS) et de stimulations électriques du nerf ulnaire, pour en observer les effets sur la contraction musculaire du FCR au cours des différentes tâches. Nous avons montré que le système propriospinal facilitait la contraction du FCR lors du reach to grasp mais pas lors du reach to point. Nous avons aussi montré que durant le reach to grasp, la facilitation propriospinale n'avait lieu que durant la phase de reaching mais pas pendant la phase de grasping. En augmentant l'intensité de stimulation du nerf ulnaire, la facilitation disparaissait. Nous avons émis l'hypothèse que cette différence de facilitation propriospinale entre les différentes tâches et entre les différentes phases du mouvement soit due à une différence de retours proprioceptifs ainsi qu'à une différence de commandes descendantes. Nous avons suggéré que le contrôle des neurones propriospinaux diffère selon que la tâche soit statique (levée d'inhibition feedback) ou dynamique (renforcement de la commande descendante sur les neurones propriospinaux). Nous avons proposé que le système propriospinal soit un élément important pour l'expression de la dextérité en aidant notamment la stabilisation du bras. La seconde partie consistait à mettre en évidence l'existence d'une relation entre les neurones propriospinaux inhibiteurs et le cortex moteur primaire (M1) et le cortex pré-moteur ventral (PMv). Pour cela, nous avons réalisé des expériences de convergence de volées sur les neurones propriospinaux inhibiteurs à l'aide de stimulations électriques du nerf médian et de TMS appliquée sur M1 ou PMv. Nous avons réussi à démontrer l'existence d'une interaction entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs, mais pas entre ces neurones et M1. Cette interaction pourrait se faire par des projections cortico-spinales issues de PMv ou en passant par M1. Nous avons donc inhibé transitoirement M1 par un traitement de double continuous theta burst tout en testant les interactions entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs. Les données préliminaires montrent que l'interaction avec PMv subsiste toujours : il est possible que des projections cortico-spinales issues du PMv projette (directement ou indirectement) sur les neurones propriospinaux inhibiteurs.