L’objectif de cette thèse est à la fois d’identifier les couplages information-mouvement impliqués dans la régulation d’une coordination visio-manuelle rythmique (tâche de frappe cyclique de balle) et également leur développement entre 5 et 12 ans. Dans un premier temps l’étude 1 a montré que la période de raquette (Tr) est couplée à la durée de la phase ascendante de la trajectoire de balle (tup) et que la variation de vitesse de raquette à l’impact (Δvr) est quant à elle couplée à l’erreur de rebond de balle à la cible (ε). Dans un second temps, les études 2 et 3 ont montré que de 5 à 7 ans les enfants montrent une très faible capacité de régulation cycle-à-cycle et adoptent un comportement moteur stéréotypé caractérisé par unehaute fréquence d’oscillation de raquette. Entre 7 et 12 ans le premier couplage information mouvement qui émerge est celui entre Tr à la hauteur de rebond de balle (hp) tandis que Δvrn’ai pas encore régulée. C’est à partir de l’âge de 11-12 ans que les premiers passages d’un couplage de Tr d’une information visuelle spatiale (hp) à l’information visuelle temporelle référence sont observés. L’évolution avec l’âge de la nature des couplages information mouvement impliqués dans la régulation de la tâche notamment au niveau des informations impliquées est en accord avec la séquence développementale du Freezing-Freeing-Exploiting(Savelsbergh & Van der Kamp ; 2000, 2003). Enfin, l’étude 4 a permis de montrer que leenfants âgés de 9 à 12 ans adoptaient un comportement oculaire similaire de fixation du regard au niveau de la cible. / This thesis aims to both identify the information-movement couplings involved in the regulation of rhythmical hand-eye coordination (ball-bouncing task) and their development in children aged from 5 to 12 years old. Study 1 showed that racket period (Tr) is coupled to the duration of the ascending phase of the ball trajectory (tup) while the variation of racket velocity at impact (Δvr) is coupled to bounce error (ε). Studies 2 and 3 showed both poorcycle-to-cycle regulation ability and stereotyped behavior (characterized by a high racket frequency) in children aged from 5 to 7. From 7 to 12, results showed the emergence of the first information-movement coupling between Tr and the ball peak height while Δvr still remains not regulated. Since the age of 11-12, the first shifts from space- (hp) to time-relatedinformation (tup) in the control of Tr are observed. Developmental dynamics related to thenature of informaiton-movement couplings and the source of information involved is in accordance with the Freezing-Freeing-Exploiting developmental sequence proposed by (Savelsbergh & Van der Kamp ; 2000, 2003). Finally, study 4 showed that both children from9 to 12 and adults fixated their gaze at a location closed the target height while performing the task.

L'étendue et les causes des déficits de coordination visuo-manuelle des enfants nés prématurés à bas risque ne sont pas vraiment connus. L'objectif principal de la thèse présentée ici était d'étudier le développement de la coordination visuo-manuelle chez douze prématurés à bas risque, nés après 33-36 semaines de gestation et examinés entre 5 et 23 mois d'âge chronologique. Au cours de la thèse, nous avons mené une série d'études avec des objectifs spécifiques. Dans l'étude 1, nous avons observé le développement de la coordination visuo-manuelle, la prise d'objets, le contrôle de la motricité bimanuelle et la latéralité chez ces enfants prématurés vus entre 6 et 12 mois et comparés à des enfants nés à terme à âge gestationnel équivalent. La perception visuelle des enfants a également été testée à 5 mois et mise en relation avec la coordination visuo-manuelle. Les résultats montrent une perception visuelle globalement normale chez les prématurés qui ne différent des enfants à terme que par une fixation visuelle plus faible. Par contre les enfants prématurés présentent un développement plus lent pour l'intégration visuo-manuelle, la prise d'objet, la coordination bimanuelle et la latéralité. L'hypotonicité et l'âge gestationnel sont les principaux facteurs responsables de ce retard. Aucun retard n'est observé pour le développement postural et locomoteur. Dans l'étude 2 nous avons recherché l'effet de la prématurité sur le développement de la compréhension qu'un objet dont toutes les parties ne sont pas à portée de main peut être saisi par n'importe quelle partie (principe de cohésion). Nous avons présenté aux mêmes enfants prématurés une condition « objet composite » dans laquelle une balle colorée est attachée au bout d'un manche blanc, seul le manche étant à portée de main. Dans une deuxième condition (« déconnection invisible »), la balle paraissait connectée au manche mais ne l'était pas. Les résultats montrent que, en tant que groupe, les bébés prématurés ne présentent pas de retard dans leur prise d'un objet composite. Cependant les enfants prématurés hypotoniques ou nés après 33-34 semaines étaient significativement en retard par rapport aux enfants prématurés hypertoniques. Ces résultats des deux premières études montrent que les nourrissons prématurés, même à bas risque, présentent un retard de développement visuo-manuel dans leur première année de vie et on peut se demander si ce retard se prolonge au-delà de la première année. La réponse à cette question est présentée dans l'étude 3. Nous avons comparé le développement de l'utilisation d'un outil chez les enfants prématurés, âgés alors de 15 à 23 mois, avec celui d'enfants nés à terme d'âge gestationnel équivalent. Comprendre l'affordance d'un outil est une étape importante dans la période sensorimotrice. L'utilisation d'un outil pour prendre un objet hors de portée, par exemple, se développe normalement au cours de la deuxième année. Nous avons présenté aux enfants prématurés un jouet coloré hors de portée et un râteau blanc à portée de main dans cinq conditions de relations spatiales entre le jouet et le râteau. En tant que groupe, les enfants prématurés ont présenté un développement normal de l'utilisation de l'outil. Cependant, ce développement normal n'apparaît pas chez tous les enfants prématurés. Les enfants prématurés hypotoniques ou nés après 33-34 semaines de gestation ont montré un retard significatif dans leur acquisition de l'utilisation de l'outil. Ces résultats montrent que les enfants nés prématurés à faible risque peuvent être retardés dans leur développement de nouvelles compétences manuelles au-delà de la première année. En suivant ces enfants au-delà de deux ans, il devrait être possible de déterminer quels sont les tests les plus prédictifs de déficits neuropsychologiques persistants parmi ceux que nous avons utilisés. Ces résultats devraient néanmoins être confirmés dans une population plus large. / The extent of and reasons for visual-manual coordination deficits in moderate and late low risk preterm born infants are not well known. The aim of the thesis presented here was to investigate the development of visual-manual coordination in twelve low risk preterm infants born after 33-36 weeks of gestation and examined from 5 to 23 months of age. We conducted a series of studies with specific goals. The goal of study 1 was to investigate the development of visual-manual and bimanual coordination as well as handedness in the preterm infants between the postnatal ages of 6 and 12 months, after having evaluated their visual functions at 5 months. Gross motor development was also evaluated every month. Preterm infants were compared to a control group of ten full-term infants according to corrected age. Results show that preterm infants had a visual perception close to normal, with only visual fixation being lower than in full-terms. Preterm infants had delayed development of visual-manual integration, grasping, bimanual coordination and handedness. Tonicity and gestational age at birth were the main variables associated to the delays. There was no delay for gross motor development. The goal of study 2 was to investigate at what age preterm infants integrate the notion of object cohesiveness into their action plan. The same preterm and full-term infants as in first study were presented with a composite object task at 6, 8, and 10 months in two conditions, "composite object" condition, in which a bright ball was attached to the end of a neutral handle, and "invisible disconnection" condition in which the ball seemed to be connected to the handle but was not. Only the handle was within reach. Corrected age comparisons between preterm infants and full-terms showed no significant difference between the two groups. However, the hypotonic preterm infants had a significantly lower performance than the hypertonic infants. Based on the results from studies 1 and 2 it seems that preterm infants, in particular the hypotonic infants, have a delayed development in their first year of life, and one can wonder if this delay remains at later stages. To answer this question, in study 3 we compared the development of tool use in the preterm infants, aged 15 to 23 months, with that of full-terms according to corrected age. Understanding the affordance of a tool is an important milestone in early sensorimotor period. Using a tool to bring within reach an out-of-reach object, for instance, has been shown to develop during the second year in full-term infants. Here we presented preterm infants with an attractive toy out of reach and with a rake-like tool within reach in five conditions of spatial relationships between the toy and the tool. As a group, preterm infants showed a normal development of tool use. However not all preterm infants developped tool use without delay. Hypotonic and moderate preterm infants were significantly delayed in their acquisition of tool use. These results, show that some low risk preterm infants can still be impaired for the development of new manual skills beyond the first year. By following these low risk preterm children, it should be possible to evaluate which of the delays observed in our studies are the best predictors of later neuropsychological deficits in childhood. These results should also be confirmed with a larger sample of preterm infants.

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.