Au travers de l'évaluation d'indices quantitatifs, ce travail se focalise sur l'analyse biomécanique de la redondance et des coordinations motrices du membre supérieur lors de la réalisation du mouvement de préhension. En nous basant sur la théorie de « l'uncontrolled manifold », nous abordons, d'une part, un aspect particulier de la notion de synergie qui est relatif à la covariation des paramètres d'état du système afin de stabiliser une variable de performance. En effet, la thématique de la redondance motrice qui est une des caractéristiques principale du système musculo-squelettique a été récemment reformulée. Dans ce cadre, il est postulé que les degrés de liberté ne sont jamais éliminés comme le suggère la théorie proposée par Bernstein mais combinés afin d'assurer performance et flexibilité. D'autre part, nous utilisons un indice issu de la robotique, la manipulabilité permettant d'évaluer les capacités de déplacement du poignet au cours de ce mouvement de saisie. L'objectif de ce travail consiste à appliquer ces deux analyses à des mouvements contraints ou altérés afin d'identifier les modifications de la coordination motrice par rapport à des conditions contrôles. Dans cette optique, la première analyse consiste à évaluer l'effet d'une contrainte spatiale matérialisée par un obstacle lors de la phase d'approche d'un mouvement de préhension par une mesure des paramètres cinématiques du membre supérieur. La seconde étude vise à identifier la coordination motrice du membre supérieur de sujets atteints d'une lésion médullaire et souffrants de tétraplégie par une analyse combinée des paramètres électromyographiques (EMG) de certains muscles impliqués et des paramètres cinématiques. Pour cela nous avons mis en place deux protocoles expérimentaux au cours desquels les angles articulaires du membre supérieur ainsi que le signal EMG ont été évalués par des moyens adaptés. En présence d'un obstacle, nos résultats montrent de manière classique que la position du poignet est stabilisée au travers d'une synergie articulaire. De plus, il semble que la présence d'une contrainte spatiale renforce les synergies pour stabiliser la trajectoire du coude dans la seconde partie du mouvement correspondant au franchissement de l'obstacle. Ce renforcement se caractérise par une utilisation accrue de configurations articulaires équivalentes. Ce résultat suggère que l'augmentation de la flexibilité des configurations articulaires serait un mécanisme par lequel le système nerveux central pourrait prendre en compte la présence d'une contrainte spatiale. Parallèlement, la présence de l'obstacle entraine des modifications de la manipulabilité du poignet. Pour les sujets souffrants de tétraplégie, l'analyse EMG a montré une compensation de la faiblesse ou la paralysie de certains muscles, le triceps brachial notamment, par une augmentation de l'activité relative des muscles de l'épaule. De plus, ces sujets présentent une décomposition de la variance des angles articulaires similaire à celle du groupe contrôle suggérant que, malgré la présence d'une déficience motrice, la flexibilité des configurations articulaire au cours de l'exécution du mouvement est toujours présente ou a été récupérée. De même pour la manipulabilité, les patients présentent de fortes similitudes avec les sujets valides avec, dans certains cas, des valeurs de manipulabilité du poignet supérieures. Ces résultats nous amènent à penser que l'étude des synergies au travers des indices proposés pourrait constituer un outil intéressant afin d'étudier l'impact d'une contrainte et d'une déficience motrice sur les paramètres biomécaniques du mouvement. Les présents travaux ouvrent des voies intéressantes pour des applications dans le domaine de la simulation du mouvement et de l'évaluation fonctionnelle de la coordination de sujets déficients moteurs en vue d'évaluer et améliorer la rééducation par l'apport d'informations quantitatives aux cliniciens.

L’objectif de cette thèse était de mettre en évidence les différentes stratégies adaptatives posturales et motrices face à une contrainte temporelle chez le jeune adulte et la personne âgée lors de la production d’un mouvement complexe mobilisant l’ensemble du corps. Le modèle de mouvement choisi est composé d’une flexion rapide de la cuisse dominante associée à une extension simultanée de l’index ipsilatéral. Les résultats de la première étude ont montré que le mode de déclenchement de la commande motrice modifiait l’organisation posturale du mouvement. La durée des APA associés à la flexion de la cuisse était plus courte en condition de pression temporelle forte (condition temps de réaction, TR) qu’en condition de pression temporelle faible (condition auto-initiée, AI). Cette diminution de la durée des APA était compensée par une augmentation du pic de déplacement anticipateur du centre des pressions (CP) vers la jambe oscillante. De cette façon, la stabilité dynamique ainsi que la performance motrice restaient inchangées. Les résultats de la deuxième étude ont montré que les sujets âgés étaient également capables de réduire la durée des APA en condition TR. Cependant, au contraire des sujets jeunes, ils ne compensaient pas cette diminution par une augmentation du déplacement anticipé du CP. La stabilité dynamique au moment du décollement du pied était dégradée dans cette population. Par ailleurs, l’effet de la pression temporelle sur la synchronisation motrice ne changeait pas avec l’avancée en âge. Cependant, l’erreur de synchronisation était plus importante chez les âgés que chez les jeunes, en condition AI uniquement. Enfin, l’étude 3 a montré que la modification transitoire des propriétés mécaniques des membres inférieurs (par l’addition d’une charge de 5 kg aux chevilles) affectait l’ordre de synchronisation du mouvement, en condition TR uniquement. En présence d’une charge, les sujets semblent basculer d’un mode de synchronisation de type « réactif » vers un mode « prédictif », ce qui leur permettait de maintenir une précision de synchronisation optimale. En revanche, le mode de contrôle des APA ne changeait pas. Il semble donc que le mode de contrôle des APA et de la synchronisation des mouvements puissent être dissociés selon les contraintes biomécaniques imposées par l’expérimentation. L’ensemble de ces résultats met en évidence la capacité du SNC à moduler l’ordre temporel de la synchronisation du mouvement ainsi que les paramètres spatio-temporels des APA dans le but d’assurer une coordination temporelle et une stabilité dynamique optimales. / This work aimed to investigate the adaptive postural and motor strategies developed by young and elderly healthy subjects during a complex task involving the whole body when facing a temporal pressure constraint. The motor task chosen was a simultaneous rapid leg flexion paired with ipsilateral finger index extension. Results of the first study showed that the mode of triggering of movement modifies the postural organization of the leg flexion. The APA duration associated with leg flexion was shorter in the reaction-time (RT, high temporal pressure) condition as compared to the self-initiated (SI, low temporal pressure) condition. This APA shortening was compensated by an increase of APA amplitude so that the mediolateral (ML) stability and the motor performance were both unchanged. Results of the second study showed that elderly subjects were unable to compensate this APA shortening by an increase of anticipatory ML centre-of-pressure displacement. Dynamic stability at foot-off was degraded in this population, with a consequent increased risk of ML imbalance and falling. Besides, the effect of temporal pressure on motor synchronization was not affected by ageing. Of particular importance, the synchronization error was greater in elderly than in young subjects, but in the SI condition only. Finally, the third study showed that transitory changes in the mechanical properties of the lower limbs (by ankle loading) affect the order of movement synchronization, but in the RT condition only. With ankle loading, subjects thus switched from a “reactive” to a “predictive” mode of synchronization allowing then to maintain an optimal synchronization. In contrast, ankle loading did not modify the mode of control of the APA. Therefore, it seems that the mode of control of APA and of movement synchronization can be decorrelated according to the biomechanical constraints. These results provide novel insights into the capacity of the CNS to modulate motor synchronization and APA spatio-temporal features to ensure optimal motor coordination and dynamic stability across ages.

L’objectif de ce travail porte sur l’évaluation des comportements sociaux non-verbauxdans la pathologie schizophrénique. Pour cela, nous avons utilisé la Motor-Affective-Social-Scale (Trémeau et al., 2008) dans le but d’évaluer les gestes co-verbaux qui accompagnent lediscours (sourires et gestes des mains spontanés et expression faciale volontaire), ainsi que leparadigme expérimental des pendules (Schmidt & O’Brien, 1997) permettant d’évaluer lastabilité des coordinations motrices interpersonnelles (CMI). Nos études 1 & 2 démontrentque la schizophrénie induit une réduction significative des gestes co-verbaux, ainsi qu’unediminution de la stabilité des CMI. Nos études 3 & 4 mettent en évidence que la diminutionde la stabilité des CMI dans la schizophrénie est également présente chez les apparentés depremier degré et ce, en dehors de toute influence de l’âge chronologique. Ces résultatssuggèrent que les déficits de CMI pourraient être considérés comme de potentiels phénotypesintermédiaires de la schizophrénie. Enfin, les études 5 & 6 suggèrent qu’il est possible defavoriser la production des comportements sociaux non-verbaux ainsi que de favoriser lastabilité des CMI chez les patients en utilisant une tâche expérimentale d’amorçage socialnon-conscient. Ces travaux ont permis de compléter les connaissances théoriques, de mettreen lumière l’importance des comportements moteurs, de mettre en évidence un nouveaumarqueur phénotypique et d’explorer une nouvelle voie de prise en charge des troubles dufonctionnement social dans la schizophrénie. / The aim of this work was to assess the social motor behaviors in schizophrenia. In ourexperimental situations, we used the Motor-Affective-Social-Scale (Trémeau et al., 2008) toassess the social motor behaviors (spontaneous smiles and hand gestures and voluntary facialexpression) and the hand-held pendulum task (Schmidt & O’Brien, 1997) to assess theinterpersonal social motor coordination. In studies 1 & 2, we showed a social behaviorsreduction and interpersonal social motor coordination impairment in schizophrenia. In studies3 & 4, we showed that first degree-relatives of schizophrenia patients have a similarinterpersonal social motor impairment. These results suggested that interpersonal social motorcoordination could be a potential intermediate phenotype of schizophrenia. Finally, thesestudies 5 & 6 showed that the social motor behaviors, including interpersonal social motorcoordination, could be significantly promoted using pro-social priming effect. In conclusion,this dissertation allowed us to better understand the schizophrenia disorder, to demonstrate thenecessity of taking into account the motor dimensions in mental disorders with socialinteraction deficits, to suggest that intentional interpersonal coordination impairments mightbe a potential motor intermediate phenotype of schizophrenia and to propose a newrehabilitation protocol to improving the social functioning in schizophrenia.

Cette thèse étudie l’effet de quatre facteurs psychosociaux (attractivité physique, émotion, préférence et similitude morphologique) sur la coordination motrice interpersonnelle. A l’aide de la théorie des systèmes dynamiques, nous avons montré que la façon dont nous nous coordonnons avec autrui dépend de ces quatre facteurs. Plus précisément, nous avons étudié la façon dont ces facteurs pouvaient être considérées comme des affordances sociales permettant d’expliquer l’influence des comportements selon les stimuli psychosociaux. D’autre part nous avons également révélé les mécanismes attentionnels et perceptifs (direction du regard) permettant d’expliquer la nature de la relation entre les propriétés psychosociales et les coordinations motrices interpersonnelles. Nos résultats sont en faveur du concept d’embodiment, d'une manière telle que notre comportement exprime nos processus cognitifs internes. Pour conclure, nous pouvons soutenir que la coordination motrice interpersonnelle pourrait être utilisé comme marqueur comportemental pour évaluer les processus psychosociaux au cours d'interactions sociales. / My thesis investigated the effect of four psychosocial factors (physical attractiveness, emotion, likability, and morphological similarity) on interpersonal motor coordination. By adopting the dynamical system approach, we have found that how we behaviorally coordinate with other people was influenced by these four factors. Underlying mechanisms were also explored in the experiments to see whether attention or eye tracking mediated the relation between these psychosocial properties and interpersonal motor coordination. We discussed how these four factors could be viewed as social affordances that afford different coordinated behaviors depending on psychosocial stimuli. Our results are supportive of the embodied concept that cognition is embodied in such a way that our overt behavior manifests inner cognitive processes. In this vein, it is argued that interpersonal motor coordination could be used as behavioral markers to assess psychosocial processes during social interaction.

Ce travail doctoral poursuivait deux objectifs : D'une part, proposer une triple contribution méthodologique à l'analyse de la coordination motrice. Cette contribution consiste premièrement à analyser la sensibilité des résultats d'une procédure de dynamique inverse à la qualité des données d'entrée anthropométriques et à proposer une recommendation quant à la méthode d'estimation des BSP à utiliser pour déterminer au mieux les moments musculaires nets. Deuxièmement, une évolution d'un modèle biomécanique associant des données périphériques de différente nature (cinématique, anthropométrie, torseur dynamique externe, EMG) dans une procédure d'optimisation numérique et permettant d'estimer les moments développés par les groupes musculaires agoniste et antagoniste de l'articulation du genou est présentée. Les évolutions apportées visent à prendre en compte la baisse de capacit'e de production de force du groupe musculaire dûe à la fatigue en se basant sur une analyse fréquentielle du signal EMG réalisée par une transformée en ondelettes. Troisièmement, une méthode d'estimation des tensions musculaires est développée avec pour objectif une prédiction optimale de l'activité musculaire antagoniste. D'autre part, analyser la coordination musculaire lors d'une tâche de "squat" réalisée en présence d'une perturbation interne ou externe des conditions de réalisation de la tâche. L'ajout d'une charge supplémentaire modifiait les conditions externes de réalisation de la tâche tandis que la présence d'une fatigue musculaire représentait une perturbation interne. Les résultats de l'analyse de la coordination musculaire montrent une exploitation de la redondance musculaire orientée vers la stabilité de l'articulation et la production de mouvements coordonnés. De plus, la gestion de cette redondance en présence de fatigue diffère de celle observée lors de l'ajout d'une charge. Le Système Nerveux Central exploite donc différemment, mais toujours de manière optimale, la redondance musculaire pour faire face à une perturbation.

Tout déplacement du regard dans l'espace 3D se décompose en une composante conjuguée (même direction pour les deux yeux) et une autre disconjuguée (directions opposées). Cette division reflète l'activation de systèmes distincts qui pourtant interagissent. Notre hypothèse est que cette interaction, traditionnellement localisée dans le tronc cérébral, a lieu à de multiples niveaux depuis le cortex et qu'elle est activée pour tous les mouvements oculaires. Au moyen de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), l'interaction est examinée dans l'initiation des combinaisons de saccades et de divergences et dans la coordination binoculaire des saccades. Lors des mouvements combinés, les déclenchements des saccades et de la divergence sont concertés. La TMS du cortex pariétal postérieur (PPC) retarde l'initiation des mouvements imprédictibles mais non des mouvements prédictibles : les mêmes aires, pariétales ou frontales selon la prédictibilité, coordonnent le déclenchement des deux composantes. La lecture est basée sur des séquences automatisées de saccades, dont la coordination est optimisée chez le jeune adulte avec une bonne vision binoculaire. La TMS du PPC perturbe la coordination des saccades isolées et des séquences entières de saccades de lecture. Pour la première fois, nous montrons que la coordination binoculaire est aussi corticale. Les résultats suggèrent une interaction corticale permanente entre les systèmes de saccade et de vergence. La régulation de la coordination au cours de la vie se base sur la plasticité et l'apprentissage de cette interaction. La thèse a des implications cliniques pour la rééducation des personnes avec des troubles de la coordination.

GPR88 est un récepteur couplé aux protéines G orphelin exprimé principalement au niveau du striatum spécifiquement dans les neurones moyens épineux de la voie striato-nigrale et de la voie striato-pallidale.Premièrement nous avons étudié les souris Gpr88 KO et montré des altérations biochimiques, structurales et comportementales. Aussi les résultats montrent que l’hyperactivité des souris Gpr88 KO est diminuée par l’administration de méthylphénidate. Deuxièmement nous avons montré que la diminution des comportements liés à l’anxiété dépend de GPR88 dans la voie striato-pallidale et que la coordination motrice est régulée par GPR88 dans le striatum adulte (injection AAV-Cre) et dans la voie striato-pallidale. Dernièrement, nous avons confirmé un déficit d’inhibition du prépulse chez les souris Gpr88 KO, mais aussi montré que celui-ci s’étend à la modalité visuelle et n’est pas lié à un déficit général d’inhibition ou à la délétion de Gpr88 dans les neurones striato-pallidaux. / Among brain orphan G protein-coupled receptors, GPR88 shows high expression mainly in the striatum specifically in medium spiny neurons of both the striatonigral and striatopallidal pathwaysFirst, we examine full Gpr88 KO mice and show biochemical, structural and behavioral alterations. Results also show that the hyperactivity phenotype of Gpr88 KO mice is reversed by methylphenidate.Second, we show that Gpr88 in striatopallidal neurons (cKO approach) exerts anxiogénic activity and that motor coordination is regulated by GPR88 in the adult brain (AAV-Cre approach) and in the striatopallidal pathway.Finally, we confirmed previous data showing impaired acoustic prepulse inhibition in Gpr88 KO mice and further show that this deficit is not the result of a general inhibition deficit or of the lack of GPR88 in striatopallidal neurons.

Introduction : Les enfants ayant un trouble de l‘acquisition de la coordination (TAC) éprouvent de la difficulté à apprendre des gestes moteurs, particulièrement ceux demandant de la coordination motrice. Des nombreuses études en neuroimagerie ont mis en évidence une diminution de l‘activité neuronale au niveau du cervelet, ce qui pourrait être à l‘origine des difficultés d‘apprentissage moteur chez les enfants ayant un TAC. Augmenter l‘activité neuronale au niveau du cervelet afin d‘améliorer l‘apprentissage et la coordination motrice pourrait être une avenue prometteuse. La stimulation à courant direct (SCD) anodale permet d‘augmenter l‘activité neuronale de la région stimulée. L‘application de la SCD anodale au niveau du cervelet a montré une amélioration de l‘apprentissage moteur chez des populations en santé ou ayant des troubles neurologiques. À notre connaissance, aucune étude n‘a évalué l‘efficacité de l‘application de la SCD sur l‘apprentissage moteur des enfants ayant un TAC. Objectif : Ce projet vise à évaluer l‘efficacité de la SCD anodale appliquée au niveau du cervelet sur l‘apprentissage moteur et la coordination motrice du membre supérieur des enfants ayant un TAC. Méthodologie : Une étude expérimentale à devis avant-après avec un groupe témoin équivalent a été réalisée. Dix-neuf enfants âgés entre 10 et 17 ans ont été randomisés dans un des deux groupes (stimulation active ou stimulation placebo). Durant trois sessions, les participants ont reçu un courant anodal (de 2mA ou placebo) au niveau du cervelet. La stimulation a été effectuée durant 20 minutes pendant que les enfants réalisaient simultanément une tâche de pianotage sur le clavier d‘un ordinateur. Cette tâche, appelée « Serial Reaction Time Task (SRTT) », permet de mesurer la vitesse de réponse et le taux d‘erreur, lesquels ont été utilisés pour évaluer l‘apprentissage moteur. La coordination motrice du membre supérieur a été évaluée par le test doigt-nez (TDN) avant et après chaque application de la SCD. Résultats : L‘application de la SCD n‘a pas eu effet statistiquement significatif sur l‘apprentissage moteur, bien qu‘une tendance ait été observé quant à la réduction du taux d‘erreur pour le groupe actif par rapport au groupe placebo (p=0.072). Aucune différence statistiquement significative n‘a été observée pour la vitesse de réponse et la coordination motrice entre les 2 groupes. Conclusion : La SCD anodale pourrait potentiellement améliorer l‘apprentissage moteur chez les enfants ayant un TAC, particulièrement en regard de la diminution du taux d‘erreur. Cependant, plus de recherches sont nécessaires afin d‘explorer si la SCD pourrait être un outil ayant un potentiel thérapeutique intéressant pour bonifier l‘efficacité des interventions visant l‘apprentissage moteur des enfants ayant un TAC. / Abstract : Introduction: Children with developmental coordination disorder (DCD) have difficulties learning motor tasks, especially for the ones requiring motor coordination. Numerous neuroimaging studies demonstrated a decrease in neuronal activity in the cerebellum, what might be responsible for motor learning difficulties in children with DCD. Increasing neuronal activity in the cerebellum might be an interesting avenue to improve learning and motor coordination. Anodal transcranial direct current stimulation (a-tDCS) has been shown to increase neuronal activity of the stimulated region, and to improve motor learning in healthy adults or patients with neurological disorders. To our knowledge, no study has assessed the tDCS effectiveness on motor learning for children with DCD. Objective: The present study evaluates the effect of cerebellar a-tDCS application on the motor learning and upper limb coordination of children with DCD. Methods: A pre-post experimental study with an equivalent control group was performed. Nineteen children aged 10-17 years were randomized in one of the two groups (active or placebo stimulation). During three sessions, participants received an anodal stimulation (2mA or placebo) on the cerebellum. The stimulation was carried out for 20 minutes while children simultaneously performed the Serial Reaction Time Task (SRTT), used to document motor learning through response speed and error rate. The motor coordination of the upper limb was evaluated by the finger-nose test (FNT) before and after each tDCS session. Results: The cerebellar a-tDCS could not significantly improve motor learning but a clinical reduction on error rate for the active group versus placebo group (p=0.072). The tDCS application did not show significantly improvement on speed and motor coordination between two groups. Conclusion: The a-tDCS could potentially improve motor learning by decreasing the error rate of children with DCD. However, more researches are needed to explore if the tDCS could be an interesting therapeutic tool to improve the effectiveness of motor learning interventions for children with DCD.

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Le comportement moteur est un phénomène où les différentes composantes d’un système biologique sont organisées de façon à assurer la coordination d’un mouvement intentionnel. Selon les théories computationnelles, le comportement est défini comme un problème moteur dont la solution peut être trouvée par des systèmes divisés de manière hiérarchique. Les composantes traitent et communiquent entre elles de l’information représentant les aspects pertinents du problème moteur (positions, trajectoires, vitesses, forces, etc.) lesquels sont censés être organisés à leur tour selon une hiérarchie d’abstraction et de complexité ascendante. Le défi est de faire face à quatre problèmes centraux du comportement : a) Le nombre élevé de degrés de liberté et d’interactions ; b) La redondance des degrés de liberté ; c) L’anticipation des effets du mouvement ; d) L’incertitude dans l’information. Les théories computationnelles classiques proposent des schémas explicatifs composés d’un agencement de différents modèles internes (prospectifs et inverses). Plus récemment, l’approche bayésienne propose un schéma hiérarchique plus homogène lequel est censé faire face aussi à l’incertitude de l’information. Cette recherche démontre que les théories computationnelles, y compris l’approche bayésienne, sont paralysées par un dilemme insurmontable : soit elles peuvent passer à l’échelle de manière computationnellement faisable - les calculs peuvent être réalisés en un temps raisonnable - mais dans ce cas elles ne peuvent pas reproduire la versatilité caractéristique du comportement des êtres vivants ; soit elles aspirent à reproduire la versatilité biologique mais alors elles sont infaisables. / Motor behavior is a phenomenon where the components making up a biological system are organized so as to ensure the coordination of a purposeful movement. According to computational theories, behavior is defined as a motor problem the solution of which can be found by systems divided hierarchically. The components process and communicate information representing the relevant variables of the motor problem (positions, trajectories, velocities, forces, etc.) which are, in turn, assumed to be organized as a hierarchy of increasing abstraction and complexity. The challenge is to tackle the four core problems of behavior: a) The high number of degrees of freedom and their interactions; b) The redundancy of degrees of freedom; c) The anticipation of the effects of movement; d) The uncertainty in information. Classical computational theories advance explanatory schemas made of structured sets of internal models (forward and inverse). More recently, the Bayesian approach advances a more homogeneous hierarchical schema which is supposed to account for uncertainty in information. This research shows that computational theories, including the Bayesian approach, are crippled by an unsolvable dilemma: The first horn is that if the models can scale up while staying computationally tractable, i.e. the computations can be carried out in a reasonable amount of time, then they fail to reproduce the versatility which characterizes the behavior of living beings. The second horn is that if the models aspire to reproduce biological versatility, then they are intractable.