Conception et validation d’un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale en position érigée(SAP3D : Système d’Analyse Postural 3D)La stabilité posturale en position debout est la capacité d'un sujet à maintenir un état d'équilibre ou à le retrouver en cas de perturbation. De nombreux organes sont mis à contribution par le système nerveux central afin d'aider l'organisme à maintenir sa stabilité. L'atteinte d'une ou plusieurs de ces structures (suite à un traumatisme, une pathologie, ou tout simplement du fait du vieillissement) modifie le comportement du sujet et altèrent sa capacité à maintenir sa stabilité. Les outils d’évaluation posturale actuels reposent essentiellement sur des mesures du centre des pressions et/ou du centre de masse, négligeant le comportement postural inter-segmentaire : les outils capables de les prendre en compte sont souvent inaccessibles, car complexes et coûteux. Le SAP3D a été développé comme un nouvel outil d’évaluation de la stabilité posturale, il permet une reconstruction tridimensionnelle multi-segmentaire et du centre de masse à partir d’une seule caméra bon marché. La validation du SAP3D comparativement à un système de référence optoélectronique met en évidence une excellente corrélation et un faible résidu moyen entre les deux systèmes. En situation clinique, le SAP3D confirme que les mécanismes de stabilisation posturale sont i) moins efficaces en condition yeux fermés ; ii) influencés négativement par le vieillissement ; iii) influencés positivement par la pratique régulière d’une activité telle que de la danse, au moins chez les jeunes femmes ; iv) altérés par plusieurs antécédents traumatiques et/ou pathologiques. Bien que des améliorations techniques soient envisagées, le SAP3D constitue une alternative clinique fiable, rapide, accessible et peu coûteuse aux systèmes d'analyse posturographique existants.Mots-clés : équilibre ; contrôle moteur ; analyse cinématique ; centre de masse ; personnes âgées ; vieillissement ; danse ; faible coût / Design and validation of a new tool for assessing postural stability in quiet standing(SAP3D: 3D Postural Analysis System)Postural stability in quiet standing is a subject’s ability to maintain its balance or to regain it after a perturbation. Multiple organs contribute to ensure postural stability, under a regulation ensured by the central nervous system. The alteration of one or several of these organs (following a trauma, a pathology or simply due to ageing) modifies the subject’s behavior and its ability to maintain stability. Current systems for postural evaluation rely mostly on center of pressure and/or center of mass assessment, disregarding the intersegmental postural behavior: such measurements are possible, but most tools are complex and expensive. The SAP3D system was developed as a new tool for postural stability assessment, allowing for center of mass and multi-segmental three dimensional modeling based on a single inexpensive camera. Validation of the SAP3D system compared to a standard optoelectronic system shows excellent agreement and a satisfyingly low average residue between the two systems. In a clinical setup, the SAP3D system confirms that postural steadiness mechanisms are i) less efficient with eyes closed than eyes opened; ii) negatively affected by ageing; iii) positively affected by regular practice of an activity such as dancing, at least for young women; iv) altered in pathological or injured patients. Although many technical improvements are being considered, the SAP3D system is a reliable, quick, accessible and low-cost clinical alternative to the existing systems for postural evaluation.Keywords: balance; steadiness; motor control; kinematics; center of mass; elderly; ageing; dance; low-cost

L'émergence Troubles Musculo-Squelettiques (TMS) en industrie constitue un véritable fléau ayant de lourdes conséquences socio-économique en France. Afin de réduire la pénibilité au travail et les risques TMS, les industriels s'engagent dans une politique de réaménagement des postes de travail par la mise en œuvre de moyens robotisés d'assistance aux opérateurs. Dans cette politique de prévention, le groupe PSA Peugeot Citroën aspire à utiliser des cobots et des exosquelettes comme dispositifs d'assistance pour améliorer les conditions de travail des opérateurs. Mais pour mettre en œuvre ces types de robot en usine, il est nécessaire de quantifier leurs apports ergonomiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, dont l'objectif est de proposer une méthode d'évaluation de robots collaboratifs visant à être mis en œuvre dans les usines PSA Peugeot Citroën. Dans le cadre de ces travaux, nous avons utilisé l'exosquelette mono-bras droit ABLE, conçu par le CEA-LIST. A partir d'une analyse biomécanique d'une tâche de manipulation humaine, nous avons pu évaluer l'apport de l'exosquelette en termes de réduction de charge physique de l'utilisateur. Aussi avons-nous proposé dans ces travaux d'analyser les mécanismes neuromusculaires résultants du mouvement effectué en interaction avec l'exosquelette. Sur la base de la théorie du contrôle moteur humain et en utilisant une méthode d'optimisation inverse, les fonctions objectifs telles que jerk, le couple articulaire, ou l'énergie, caractérisant la tâche de manipulation humaine en termes d'efforts, de cinématique et de temps d'exécution, ont été identifiées. Cette meilleure compréhension du mouvement du membre supérieur humain a permis ensuite de revenir sur la conception de l'exosquelette afin de proposer une stratégie de commande optimisée à l'exécution de tâches de travail en environnement industriel. / The emergence of Musculo-Squelettal Disorders (MSD) in the industry is a real blight, having major socioeconomic consequences in France. In order to reduce work painfulness and MSD risks, some industries are committing to modifying workstations by assisting operators with robotic devices. Following this MSD prevention policy, PSA Peugeot Citroen aims to use cobots or exoskeletons as assistive devices to improve workers conditions. However, implementing this type of robot in factories requires quantifying their ergonomic benefit. In this context, the objective of this thesis is to develop a method to assess collaborative robot that are intended to be used in PSA Peugeot Citroen factories. In this framework, the right mono-arm ABLE exoskeleton, designed by the CEA-LIST has been used. With a biomechanical analysis of an industrial manipulation task, we have been able to assess the benefit of the exoskeleton in terms of physical load reduction. We also proposed in this work to assess neuromuscular mechanisms underlying the industrial task performed in interaction with the exoskeleton. On the basis of the human motor control theory and using an inverse optimisation method, objectives functions such as jerk, joint torque or energy that characterize the human manipulation task in terms of efforts, kinematics and execution time, have been identified. This improved understanding of human upper limb movements then allowed reviewing the exoskeleton design in order to propose an optimal command strategy adapted to the execution of industrial tasks.

Nous avons tous un corps, et seulement un corps. Grâce à lui, nous nous déplaçons dans l’espace, nous interagissons avec le monde extérieur et les autres individus qui l’habitent, nous percevons, bref, nous vivons. Il s’agit d’un objet unique et essentiel. Cependant, bien que nous ayons un seul corps, il en existe dans le cerveau plusieurs représentations. Peu d’accord existe en littérature sur le nombre de représentation, mais tout le monde concorde sur le fait qu’il en existe plus qu’une. Les modèles de la représentation corporelle sont basés sur une notion de séparation des fonctions, selon laquelle activités différentes requièrent différentes représentations. Au cours de ma thèse j’ai étudié une de ces représentations dont la fonction principale est de fournir une connaissance du corps utile à l’action. Cette représentation est nommée Schéma Corporel. En particulier, en utilisant une technique comportementale puissante telle que la cinématique, j’ai pu montrer, pour la première fois, que le Schéma Corporel est une représentation extrêmement plastique, capable d’intégrer des outils lorsqu’ils sont utilisés pour effectuer une action. Ensuite, j’ai pu décrire cette propriété plastique du Schéma Corporel en montrant quelles informations sensorielles sont nécessaires et quels aspects des outils sont intégrés dans la représentation du corps. Les résultats de mes études expérimentales, ainsi que mon travail de synthèse de la littérature, m’ont permis d’élaborer une définition opérative du Schéma Corporel et de sa plasticité / We all have a body : our own body and just one body. Through it, we move, we interact with the world and other persons, we perceive, basically we live. It’s a unique essential object. If it is true that we have only one physical body, we also have many representations of it in the brain. There is little agreement about the exact number of body representations in the brain, but not on the fact that we have more than one. The multi-componential models of body representation are based on the notion, supported by scientific evidence that different activities demand and rely on specifically adapted representations. In my thesis, I studied one particular body representation that is used and involved in action planning and execution, i.e. the Body Schema. I have been able to describe and measure the plasticity of the Body Schema and its level of specificity in healthy individuals. In particular, using a tool-use paradigm, I showed that the Body Schema is quickly and efficiently updated once a change in the body configuration occurs. With a series of kinematic studies, I contributed unveiling the ingredients that rule the plasticity of the BS and the sensory information that is used to this purpose. As a result of my thesis, I suggest that a clearer definition and operational description of the Body Schema, as an action-devoted repertoire of effectors representations, is possible, particularly thanks to its plastic features

Les activités motrices de la vie quotidienne ou sportive se caractérisent par des mouvements de rotations complexes 3D des membres supérieurs pouvant s’effectuer autour d’axes de rotation distincts (i) articulaires (ii) d’inertie ou (iii) passant par le centre de masse du bras, chacun relevant de référentiels distincts. Une étude récente a montré que selon les contraintes de vitesse, un changement d’axe de rotation s’opère dans le cadre de l’exécution d’un mouvement simple de rotation du bras par rapport au tronc (Isableu et al., 2009). Dans ce cadre, l’objectif de la thèse a été de compléter cette première analyse et d’évaluer la robustesse de l’hypothèse selon laquelle les axes autour desquels s’organise le mouvement dépendent de la vitesse du mouvement et des contraintes liées à la tâche en général. L’hypothèse formulée est que l’axe correspondant à l’inertie minimum verra sa variabilité diminuée avec des vitesses qui augmentent par rapport à un axe lié au centre de masse (épaule-centre de masse du membre supérieur) ou géométrique (axe-épaule–coude). Cette étude s’effectue en considérant des mouvements « simples » et plus complexes incluant des gestes sportifs. Ainsi, les études effectuées ont porté sur l’influence des contraintes liées à la tâche et leur incidence sur le choix des axes de rotation. Tout d'abord le rôle de l'instruction initiale est testé. Deuxièmement, la variabilité de l'axe d’inertie minimum est évaluée au cours d'une tâche de précision. Troisièmement, l’hypothèse est testée dans le cadre d’une tâche d’interception qui implique des contraintes de temps. Enfin, nous avons testé le rôle des axes lors de gestes complexes, à grande vitesse, notamment lors de lancer à bras cassé et lors du service au tennis. Les résultats obtenus permettent de discuter l’hypothèse de l’importance de l’axe d’inertie minimum lors de l’exécution de mouvements volontaires du membre supérieur. / Motor activities of daily life or sports are characterized by complex 3D rotational movements of the upper limbs can be done around distinct axes of rotation (i) joint (ii) inertia or (iii) through the center mass of arms, each under separate repositories. A recent study showed that within the constraints of speed, a change of axis of rotation occurs in the context of the implementation of a simple rotation of the arm relative to the trunk (Isableu et al., 2009) . In this context, the aim of the thesis was to complete this first analysis to evaluate the robustness of the assumption that the axes around which organizes the movement depends on the speed of motion and the constraints task in general. The assumption is that the axis corresponding to the minimum inertia reduced variability seen with speeds which increase with respect to a center axis associated with the mass (shoulder mass center of the upper limb) and geometric (pin-shoulder elbow). This study is done by considering "simple" and complex athletic movements including movements. Thus, studies have focused on the influence of the task constraints and their impact on the choice of axes of rotation. Firstly the role of initial instruction is tested. Secondly, the variability of the axis of minimum inertia is estimated in a precise task. Thirdly, the hypothesis is tested in an interception task that involves time constraints. Finally, we tested the role of axes in complex gestures, high speed, especially during launch and broken arm during the tennis serve. The results are used to discuss the hypothesis of the importance of the axis of minimum inertia during the execution of voluntary movements of the upper limb.

Une perspective récente considère que la compréhension du sens des mots fasse appel, outre aux aires de Broca et Wernicke, au système sensori-moteur. A cet égard, l'étude du traitement des mots d'action apparaît comme un outil adapté à la compréhension des liens fonctionnels unissant langage et motricité. Ce travail de thèse avait pour but d'une part, de déterminer si le traitement des mots d'action implique les aires corticales participant également au contrôle moteur, et d'autre part, d'évaluer le rôle de ces régions dans les processus de récupération des mots. Dans une première étude, des effets différents d'âge d'acquisition des mots ont été observés sur la reconnaissance de noms concrets et de verbes d'action, suggérant l'existence de réseaux neuronaux partiellement distincts pour le traitement de ces mots. Lors d'une seconde étude, nous avons examiné l'influence du traitement de ces catégories de mots sur l'exécution d'un mouvement de préhension. Des analyses cinématiques fines ont révélé une interférence du traitement des verbes d'action sur la performance motrice simultanée, alors qu'une facilitation était obtenue lors de l'exécution subséquente du mouvement. Dans une troisième étude couplant des enregistrements électrophysiologiques et cinématiques, l'influence de la présentation subliminale de noms et de verbes a été mesurée sur la préparation simultanée d'un mouvement de préhension. Une interférence de la perception inconsciente des verbes d'action a été mise en évidence sur le potentiel de préparation motrice et sur l'exécution motrice subséquente. Enfin, notre dernière étude nous a permis d'évaluer le rôle du système moteur dans le traitement des verbes d'action, en comparant les effets d'amorçage répété masqué pour des noms et des verbes chez des patients parkinsoniens. Nos résultats ont révélé une absence d'effet d'amorçage uniquement pour les verbes d'action chez les patients privés de traitement dopaminergique ; la prise médicamenteuse rétablissait ensuite les performances, les patients se comportant alors comme des sujets sains. L'ensemble de ce travail de thèse fournit donc des éléments robustes en faveur d'un partage de substrats neuronaux entre les mots d'action et l'action elle-même, et suggère une contribution des aires motrices au traitement des mots d'action.

Notre travail de recherche porte sur la production des consonnes coronales anglaises /t, d, n/ par des apprenants francophones. Bien que ces phonèmes fassent partie du répertoire de l'anglais et du français, des différences infra-phonémiques se manifestent dans leur réalisation, au niveau du voisement et du lieu d'articulation des occlusives. Il est reconnu que les aspects phonétiques sont, parmi les nombreux aspects d'une langue, les plus difficiles d'acquisition dans l'apprentissage d'une L2.<br />Nous abordons dans ce travail l'acquisition de la phonologie de la langue maternelle, avant de nous concentrer sur l'acquisition d'une L2 chez les adultes. Au travers d'une étude acoustique et articulatoire, nous montrons qu'une production semblable à celle d'un locuteur natif est réalisée par les apprenants, qui ont une maîtrise suffisamment grande de leur appareil articulatoire pour leur permettre de produire les sons de la L2 différemment de ceux de la L1.

Le contrôle des moteurs à allumage commandé est devenu capital pour satisfaire la législation sur les émissions polluantes tout en garantissant un bon agrément de conduite.<br />L'objectif était d'estimer la masse et la composition des gaz dans le cylindre d'un moteur à partir de lois physiques afin d'assurer un meilleur contrôle des phases transitoires en prenant en compte les gaz résiduels et les gaz recirculés.<br />La quantité de gaz résiduels a été caractérisée à l'aide de deux expériences et d'un code de calcul. Un modèle a été validé expérimentalement et intégré à un observateur prédicteur bouclé qui permet de prédire la pression et la température dans le collecteur. Les prédictions des différents flux de gaz et des espèces chimiques présents dans le cylindre en sont alors déduites.<br />L'observateur à été validé expérimentalement et en simulation. De plus, un algorithme permettant d'estimer la masse de gaz frais et brûlés à partir de la pression cylindre a été proposé pour obtenir l'information cycle à cycle et cylindre à cylindre.

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.

Cette thèse porte sur la modélisation de la commande motrice chez le Primate suivant deux approches : - Tout d'abord, en suivant une formalisation mathématique de la préparation par le Cerveau des signaux de commande d'un mouvement volontaire dirigé vers une cible. La méthode utilisée dans cette étude a été de recenser les contraintes fonctionnelles et d'en déduire un circuit de traitement des signaux moteurs, compatible avec l'organisation anatomique des voies cérébelleuses. Ce circuit a permis une optimisation hiérarchisée, sous les contraintes de rapidité d'exécution et d'économie de la dépense énergétique. Cette approche a été appliquée à la commande d'un bras robotique à 2 d.d.l mû par des muscles de McKibben, et à la modélisation du système oculomoteur du Primate. - Ensuite, en suivant une approche par codage. Nous présentons ici la conception et la mise au point d'une Interface Cerveau-Machine asynchrone qui décode les données cérébrales enregistrées chez le Macaque afin de contrôler un doigt robotique.

The striatum represents the main input nucleus of the basal ganglia, a system of subcortical nuclei critically involved into motor control and motivational processes and altered in several conditions such as Parkinson’s diseases or drug addiction. The projection neurons of the striatum are GABAergic (γ-aminobutyric acid) medium-sized spiny neurons (MSNs), and account for the large majority of striatal neurons, while interneurons represent about 10% of striatal cells. The MSNs are subdivided into two subpopulations that form two main efferent pathways: the striatonigral and striatopallidal neurons. The striatonigral MSNs project to the entopeduncular nucleus (EP) and substancia nigra pars reticulata (SNr) (direct pathway) and co-express dopamine D1 receptors (D1R) and substance P neuropeptide (SP). On the other hand, striatopallidal MSNs project to the lateral globus pallidus (LGP) (indirect pathway) and co-express dopamine D2 receptor (D2R), adenosine A2A receptor (A2AR) and enkephalin (Enk). The D1R striatonigral and D2R striatopallidal MSNs are equal in number and shape and are mosaically distributed through all the striatum. The dorsal striatum is mainly involved in motor control and learning while the ventral striatum is crucial for motivational processes. In view of the still debating respective functions of projection D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons and striatal interneurons, both in motor control and learning of skills and habits but also in more cognitive processes such as motivation, we were interested in the development of models allowing the removal of selective striatum neuronal populations in adult animal brain. Because of the mosaical organisation of the striatum, a targeting of specific neuronal type, with techniques such as chemical lesions or surgery, is still impossible. Taking advantage of new transgenic approaches, the goal of the present work was to generate and/or to initiate the characterization of genetic models in which a selective subtype of striatal neuron can be ablated in an inducible way. We used a transgenic approach in which mice express a monkey diphtheria toxin (DT) receptor (DTR) in D2R-striatopallidal or D1R-striatonigral neurons. Local stereotactic injections of DT can then induce selective neuronal ablation in functionally different striatal areas. We first investigated functions of D2R-striatopallidal neurons in motor control and drug reinforcement by their selective ablation in the entire striatum or restricted to the ventral striatum. This DTR strategy produced selective D2R striatopallidal MSN ablation with integrity of the other striatal neurons as well as the striatal dopaminergic function. D2R MSN ablation in the entire striatum induced permanent hyperlocomotion while ventral striatum-restricted ablation increased amphetamine place preference. We next compared respective roles of D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons in motor control and skill learning in functionally different striatum subregions. Finally, to target nitrergic interneurons of the striatum, we developed a bacterial artificial chromosome genetic strain in which the cre-recombinase expression is under the control of the neuronal nitric oxide gene promoter. Altogether, those results show that DTR expression and DT local injections is an efficient and flexible strategy to ablate selective striatum neuronal types with spatial resolution. We provide the first direct experimental evidences that D2R striatopallidal neurons inhibit both locomotor and drug-reinforcement processes and that D2R and D1R MSNs in different striatum subregions have distinct functions in motor control and motor skill learning. Those results strongly support a cell-type and topographic functional organization of the striatum and underscore the need for characterization of the specific cellular and molecular modifications that are induced in D2R and D1R MSNs during drug-reinforcement or procedural learning.