Les humains virtuels en interaction homme machine sont aujourd’hui établis comme un objet de recherche à part entière. Leurs comportements pensés pour différentes applications sont basés sur les routines d’interaction entre humains. Bien que les humains virtuels aient souvent un corps représenté graphiquement, les recherches actuelles souffrent de deux limitations majeures qui dégradent la crédibilité de l’expérience des utilisateurs : les comportements corporels modélisés manquent d’interactivité sociale et ne prennent pas en compte les différences interindividuelles. Les développements récents en Sciences Humaines promeuvent une approche plus intégrative avec en son cœur le rôle constitutif de l’interaction sociale. La position centrale et interdisciplinaire des humains virtuels dans ce nouvel agenda de recherche est particulièrement importante : ils sont à la fois une manière de mieux étudier les différents phénomènes d’interactions sociales (comme outil expérimental) et une solution potentielle à des défis sociétaux (comme applications). L’objectif principal de cette thèse est de combiner les apports et valoriser les synergies établies entre les sciences de l’informatique et les sciences humaines, afin d’appréhender le rôle modérateur des différences interindividuelles dans le contrôle et la régulation des interactions corporelles. L’objectif à plus long terme de cette contribution vise à développer des humains virtuels interactifs à l’interface de ces domaines, avec l’idée que les besoins des deux champs de recherches contraindraient de manière positive les propositions futures. Pour limiter le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les mouvements du corps (les aspects statiques du corps ou les autres modalités ne sont pas considérées), sur les mécanismes de couplages bas niveaux et le rôle modérateur des différences interindividuelles avec comme objectif de proposer des prototypes d’humains virtuels comme preuve de concept (plutôt que des logiciels fonctionnels complets) incluant des modèles d’interaction corporelle dyadique. Notre méthodologie peut être résumée en quatre étapes principales. Premièrement, les modèles et hypothèses liant les processus d’interaction sociale aux différences interindividuelles résultent d’une double revue de littérature en sciences de l’informatique et sciences humaines. Ces différences interindividuelles identifiées comme pertinentes apparaissant faiblement associées théoriquement, notre seconde étape consista à étudier leurs associations lors d’une étude à grande échelle. Troisièmement, les interactions corporelles ont été analysées dans deux études de cas qui présentent des intérêts applicatifs et expérimentaux. Dans les deux cas, des corpus multimodaux d’interactions corporelles dyadiques ont été collectés et associés à des mesures de différences interindividuelles. La phase finale fut de développer des prototypes d’humains virtuels inspirés par les analyses précédentes et basés sur les données collectées. Le modèle général portant sur la prise en compte des différences interindividuelles se révèle en accord avec les données collectées (questionnaires d’auto-évaluation) : les relations entre dispositions d’orientations pro-sociales, d’empathie et de régulation émotionnelle furent confirmées. Les deux études de cas validèrent partiellement les hypothèses initiales : certaines différences interindividuelles modulèrent les processus d’interaction corporelle. Ces études contribuent à la définition de modèles d’humains virtuels interactifs parcimonieux. La principale contribution critique de ces deux études de cas au rôle modérateur des différences interindividuelles dans le modèle proposé est la nécessité de prendre en considération le contexte de la tâche avant de définir les hypothèses. L’intégration de ces différences interindividuelles identifiées dans les études de cas aux modèles informatiques interactifs est incluse dans les directions de recherches futures. / In human computer interaction, virtual humans are now established as a specific object of research. They build on human to human interaction routines to serve various application goals. Although Virtual Humans (VH) have bodies, current researches suffer from two major limitations which impair the experienced credibility: modeled bodily behaviors lack of social interactivity and do not account for individual differences. Recent developments in human sciences call for a more integrative approach with at its heart the constitutive role of social interaction. Of particular importance is the central and interdisciplinary position of virtual humans in this new research agenda: they are both a way to better investigate the various socially interactive phenomena (VH as experimental tools) and potential solutions for societal challenges (VH as applications). The main goal of this PhD thesis is to contribute to both computer and human sciences by studying together bodily interaction and individual differences. Central to this study is the long term objective to develop interactive virtual humans at the interface of these domains, with the idea that requirements from both fields would constrain positively future propositions. To limit the scope of the thesis, we focused on body movements (not considering static bodily aspects or other modalities), low level coupling mechanisms and the moderating role of individual differences with the aim to propose proof of concept of virtual human prototypes (rather than complete functional software) embedding full body dyadic interaction models. Our research methodology can be summarized in four main steps. First, models and hypotheses linking social interaction processes and individual differences emerged from a review of the literature in both computer and human sciences. As the identified relevant individual differences appeared barely theoretically associated, our second step aimed at investigating their interrelatedness in a large scale study. Thirdly, bodily interactions were analyzed in two case studies which present application and experimental interests. In both cases, corpuses were collected with full body interacting dyads and individual differences measured. The final phase was to develop virtual human prototypes inspired by previous analyses and based on the collected data. The proposed general model of individual differences was shown to be consistent with real word data (collected by self-report questionnaires): dispositions in pro-social orientations, empathy and emotion regulation were closely related. The two case studies partially confirmed our initial hypotheses: various individual differences modulated the bodily interactive processes. These studies enabled the definition of parsimonious virtual human interactive models. The main critical contribution of the two case studies to the proposed model of individual differences is the clear necessity to take into consideration the task context before drawing any hypotheses. Future directions of research are proposed including an integration of individual differences identified in case studies.

Le principal objectif de notre projet de recherche était l’étude approfondie des mécanismes fondamentaux qui sous-tendent l’adaptation de l’os à la contrainte mécanique liée à la gravité, en évaluant les effets de deux modèles d’hypergravité sur le squelette de jeune souris saines. Des expériences de même durée, portant sur des animaux de même souche et de même âge, nous ont permis d’établir des comparaisons entre les différents types d’adaptation du squelette à une hypergravité continue, générée par centrifugation, et une hypergravité intermittente, obtenue par vibrations du corps entier (WBV). Nous avons observé que la centrifugation réduit la résorption et augmente la formation dans l’os trabéculaire alors que les WBV ne découplent pas les activités de résorption et formation qui sont, l’une et l’autre, stimulées. La centrifugation induit une réorganisation de la microarchitecture trabéculaire au niveau du fémur et des vertèbres mais n’a pas d’effet sur les paramètres de masse osseuse corticale. En revanche, les WBV stimulent l’expansion de l’os cortical et augmente sa densité minérale osseuse. Les deux modèles d’hypergravité induisent une diminution de l’expression de la sclérostine (inhibitrice de la formation) et une augmentation de celle de DMP1 (responsable de la minéralisation) dans le cortex fémoral. De plus, les deux modèles augmentent le nombre de vaisseaux sanguins dans la diaphyse fémorale. Sur le plan technique, nous avons développé avec succès une méthode d’IHC quantitative qui nous a permis de détecter et de valider statistiquement de faibles variations, induites par nos expérimentations, dans l’expression de protéines ostéocytaires. Nous pensons que les résultats obtenus en IHC devraient faire l’objet d’une analyse quantitative systématique et fournissons, à cet effet, un outil adapté aux échantillons murins ou humains inclus en paraffine ou MMA / The main focus of the research project was to further study fundamental mechanisms underlying bone adaptation to gravity-induced mechanical loading and to assess effects of two different hypergravity models on skeleton of young healthy mice. Same duration of the experiments and the use of animals of the same type and age allowed us to make comparisons between different skeleton adaptations to continuous hypergravity generated by centrifugation and to intermittent one generated by WBV. We observed that centrifugation reduced resorption and increased formation in trabecular bone, whereas WBV did not uncoupled resorption and formation activities and stimulated both of them simultaneously. Centrifugation resulted in reorganized trabecular microarchitecture in femur and vertebra but had no effect on cortical bone mass-structural parameters. In contrast, WBV stimulated cortical bone geometrical expansion in 3-week experiment and increased cortical mineral density in 9 weeks. Both hypergravity models resulted in lower Sclerostin and higher DMP1 expressions in femoral cortex. Also, both models resulted in higher number of blood vessels in femoral metaphysis, however only centrifugation increased vessels volume. In relation to technical objects of the research project, we successfully developed a method of quantitative IHC, which allowed us to detect and verify statistically even modest alterations of osteocyte protein expressions in our experiments. We believe that IHC results should always be quantitatively analyzed and we provide a tool for both mice and human bone samples embedded in paraffin or MMA

Le mouvement est une composante primordiale et nécessaire de notre existence. Nous l’utilisons tous les jours pour accomplir des tâches simples et essentielles, mais également pour communiquer. Que cela soit intentionnel ou non, nos mouvements signent nos différences interindividuelles, mais aussi intra-individuelles liées à nos états émotionnels, notre status, et nos intentions. Au cours d’une même journée, la cinématique de nos mouvements tend inéluctablement à évoluer et à s’adapter en fonction de notre environnement social. Ce qui différencie le mouvement des robots et des personnages virtuels de celui des humains est sa capacité à varier, un humain ne reproduisant jamais deux mouvements identiques. Néanmoins, ce contraste est de moins en moins évident. Depuis Darwin et ses travaux sur l’impact des émotions dans le mouvement jusqu’aux plus récentes études sur l’expressivité du mouvement dans des contextes d’interactions (p. ex. homme femme, interaction professeur-élève) et d’applications variées (p. ex. autisme, exergame), les chercheurs et entreprises cherchent à implémenter la variabilité du mouvement biologique humain dans les interactions homme-machine (IHM). En s’appuyant sur les Sciences sociales, du mouvement et de l’informatique, ce travail doctoral multidisciplinaire contribue à la compréhension de l’action et de la perception de mouvement expressif à travers trois études dans un contexte sportif d’interaction coach-élève. La première étude a pour objectif de comprendre comment l’expressivité du mouvement humain signe l’émotion perçue. Dans la seconde étude, nous envisageons plusieurs dyades composées de participants dont les status de passations et les conditions expérimentales évoluaient. Enfin, une dernière expérience orientée IHM a été réalisée. Au cours de celle-ci, des personnages virtuels expressifs ont été conçus pour interagir non verbalement avec les participants. Les résultats de ces travaux permettent de mettre en évidence que certains paramètres de l’expressivité du mouvement issue de séries temporelles (ST) (Energie, Caratère direct, Rigidité et l’étendue) sont nécessaires pour discriminer les affects, les status et les ressentis des participants au sein des interactions. La visée applicative de ce travail doctoral est la création d’un coach virtuel qui, au moyen de ces mouvements expressifs, permet une interaction dynamique et crédible. / Movement is a major component of our daily life. Every day we use it to both perform simple and essential task and to communicate. Intentionnal or not our movements sign our intraindividual and interindividual differences liked to our status, intentions and affects. In the same day, the cinematic of our movements evolve and adapt according of our social environnement. Distinction between movements of robot – virtual character and human movement is that the latter can vary. Indeed an identical movement made twice by a human will not be perfectly the same. However this specificity tends to change. From Darwin’s first works studying the impact of affect on movement to recent studies about movement expressivity in various interactive context (e.g. man-woman, student-professor interaction) and various applications (e.g. Autism, Exergames) researchers and entreprises seek to implement this human specificity in human computer interaction (HCI). Based on social science, movement science and computer science, this multidisciplinary work contributes to the understanding of action and perception of expressive movements thanks to three studies in coach-student sport context interaction. The first study aims at understanding how the perceived affect impact the expressivity of human movement. In the second study we examine dyadic interactions involving different status of participants and social set-up. Finaly we desgined an expressive full-body virtual agent and used it in an interactive trask. The main contribution of this PhD thesis is to show that expressivity features computed from different time-series (Energy, Caractère franc,rigidité and sptatial extent) are relevant to discriminate participants’ affects, status and thoughts. One goal and possible application of this work is the design of a virtual trainer allowing credible and dynamic full-body interactions thanks to its expressive movements.

L'objectif de cette thèse est de détailler les effets respiratoires induits par les associations de l'éthanol au THC et de l'éthanol au GHB. Les études ont été menées chez l'animal non anesthésié par pléthysmographie corps entier pendant les quatre heures suivant l'administration intrapéritonéale. Dans une première étape, les effets respiratoires de la prise isolée d'éthanol et de GHB ont été étudiés. Ces deux substances modifient le mode respiratoire : l'éthanol provoquant une tachypnée dès 3 g.kg-1, le GHB une respiration apneustique dès 600 mg.kg-1, sans insuffisance respiratoire (PaO2 normale). Les modifications des gaz du sang observées : acidémie pour l'éthanol et alcalose pour le GHB sont d'origine métabolique. A ces doses, ces deux substances perturbent aussi la conscience des animaux et la thermorégulation : l'éthanol induit une hypothermie et le GHB une évolution triphasique de la température : hypothermie/hyperthermie/ hypothermie. Les dosages sanguins et les études cinétiques menés lors de ces études confirment la vraisemblance de notre modèle et sa pertinence clinique et médicolégale. L'étude des associations à l'éthanol montre que les effets respiratoires du THC et du GHB sont conservés, seule leur association à la dose de 3 g.kg-1 d'éthanol a provoqué une baisse de la ventilation minute avec réduction du débit inspiratoire mais selon des mécanismes différents : baisse du volume courant pour l'association THC-éthanol et augmentation de la durée des apnées expiratoires pour celle du GHB à l'éthanol. Pour cette dernière, l'interaction cinétique observée après administration intrapéritonéale n'explique pas l'intensité du phénomène, une potentialisation est probable.

Dans les sociétés industrialisées, les humains sont exposés à multiples sources de mouvements vibratoires. Jusqu'à présent, l'analyse de l'effet des stimuli vibratoire dans son ensemble a été bien développée, plus précisément en ce qui concerne le seuil de perception. Au cours des dernières années, diverses études ont analysé l'influence de certains facteurs.Cependant, l'effet d'une des composantes du stimulus sur la perception d'autres composants a été rarement rapporté. Dans ce cas, très peu d'information a été trouvée dans la littérature. Dans les deux études trouvées, le seuil absolu a été réévalué en considérant un second signal sinusoïdal. La valeur du seuil était plus élevée que ce qui a été estimé avec le stimulus simple. L'augmentation du seuil a été attribuée à l'effet de masquage. Basé sur ces observations, cette étude examine l'existence de l'effet de masquage dans les vibrations vertical du corps entière. Afin d'examiner l'effet de masquage, la différence entre le seuil absolu et le seuil masqué est nécessaire. Deux types de stimuli ont été utilisés : le stimulus masquage et le stimulus de test. Le masque est un signal de bruit à bande étroite entre 10 et 20 Hz, à trois niveaux d'amplitude différents. La sélection du stimulus de masque a été basée sur le modèle de masquage largement étudié dans certains domaines tels que l'acoustique, le domaine visuel et vibrotactile. Le stimulus de test est un signal sinusoïdale d'amplitude modulée à six fréquences différentes (30, 35, 40, 50, 60, 80 Hz. L'effet de la fréquence sur le seuil absolu estimé est similaire à ce qui a été indiqué par d'autres études. La détection du stimulus en présence du signal de masquage a été empêchée. Par conséquent, il est certainement clair que le phénomène de masquage a eu lieu. Les valeurs des seuils masqués étaient considérablement plus élevées que ceux correspondant aux seuils absolus. Le seuil décroît en fonction de la fréquence de test et l'effet de masque est plus important à haute qu'à faible niveau d'intensité du masque. Le démasquage est lié à l'écart entre les fréquences des signaux masquant et de test. Lorsque l'écart est faible, prévaut la reconnaissance de l'augmentation de l'intensité globale d'énergie. Si l'écart augmente, la discrimination des signaux prédomine.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’impact de la micropesanteur sur le comportement moteur humain représente une question fondamentale alors même que ce contexte environnemental constitue le quotidien d’hommes et de femmes astronautes durant leurs missions spatiales. En compensant le poids du corps (condition de flottabilité neutre), des méthodes d’entraînement en environnement subaquatique tentent de simuler les conditions d’allégement vécues par ces astronautes. Cependant, du point de vue du contrôle moteur, ces méthodes d’entraînement ne bénéficient d’aucune validité scientifique. Ce travail de thèse a pour objectif d’identifier et de comprendre les stratégies de contrôle du mouvement humain mises en oeuvre en micropesanteur réelle et simulée afin d’assurer une interaction désirée avec l’environnement. Nous avons réalisé trois expérimentations visant à étudier la réalisation de geste d’atteinte à la fois en environnement subaquatique (Exp.1) et lors de deux campagnes de vols paraboliques (Exp.2 et 3). Globalement, nos travaux mettent en exergue le fait qu’un contrôle fin de la flottabilité neutre en immersion améliore la qualité de la simulation de la micropesanteur en environnement subaquatique, optimisant ainsi l’entraînement des astronautes avant leurs missions spatiales. Plus intéressant encore, nos études en micropesanteur réelle suggèrent que l’Homme est capable d’anticiper les effets de l’absence de la gravité sur ses segments corporels lui permettant de gérer avec succès les contraintes spatiotemporelles de ses mouvements volontaires tout en conservant une flexibilité sensorimotrice adéquate dans cet environnement inhabituel. / The impact of microgravity on human motor behavior represents a fundamental issue while this environmental context constitutes the daily life of men and women astronauts during their space missions. By compensating the body weight (neutral buoyancy condition), underwater training methods attempt to simulate weightlessness as experienced by astronauts in space. However, in the field of motor control, these training methods have not been scientifically validated. This doctoral dissertation aims at identifying and understanding the human motor control strategies in real and simulated microgravity to ensure a desired interaction with the environment. We performed three experiments aiming at investigating reaching movements both underwater (Exp.1) and during two parabolic flight campaigns (Exp.2 and 3). Overall, our results highlight that a fine control of neutral buoyancy underwater may improve the quality of the simulation of microgravity environments, thus optimizing astronauts’ training before their space missions. More interestingly, our studies in real microgravity suggest that humans are able to anticipate the effects of gravity release on their moving limbs allowing them to successfully manage spatiotemporal constraints of voluntary movements while preserving sensorimotor flexibility in this unusual environment.

L’objectif de cette thèse est de détailler les effets respiratoires induits par les associations de l’éthanol au THC et de l’éthanol au GHB. Les études ont été menées chez l’animal non anesthésié par pléthysmographie corps entier pendant les quatre heures suivant l’administration intrapéritonéale. Dans une première étape, les effets respiratoires de la prise isolée d’éthanol et de GHB ont été étudiés. Ces deux substances modifient le mode respiratoire : l’éthanol provoquant une tachypnée dès 3 g.kg-1, le GHB une respiration apneustique dès 600 mg.kg-1, sans insuffisance respiratoire (PaO2 normale). Les modifications des gaz du sang observées : acidémie pour l’éthanol et alcalose pour le GHB sont d’origine métabolique. A ces doses, ces deux substances perturbent aussi la conscience des animaux et la thermorégulation : l’éthanol induit une hypothermie et le GHB une évolution triphasique de la température : hypothermie/hyperthermie/ hypothermie. Les dosages sanguins et les études cinétiques menés lors de ces études confirment la vraisemblance de notre modèle et sa pertinence clinique et médicolégale. L’étude des associations à l’éthanol montre que les effets respiratoires du THC et du GHB sont conservés, seule leur association à la dose de 3 g.kg-1 d’éthanol a provoqué une baisse de la ventilation minute avec réduction du débit inspiratoire mais selon des mécanismes différents : baisse du volume courant pour l’association THC-éthanol et augmentation de la durée des apnées expiratoires pour celle du GHB à l’éthanol. Pour cette dernière, l’interaction cinétique observée après administration intrapéritonéale n’explique pas l’intensité du phénomène, une potentialisation est probable. / The objective of this thesis was to study the time-course of the respiratory effects of THC/ethanol and GHB/ethanol associations. Respiration was studied using whole body plethysmography in non-anesthetized rats during the four hours following intraperitoneal injection. In a first step, both GHB and ethanol affected the respiratory pattern. Ethanol caused bradypnea at doses greater than 3 g.kg-1 and GHB induced apneusis above 600 mg.kg-1. Arterial blood gases modifications were metabolic: acidemia with ethanol and alkalosis with GHB. At those doses, both substances altered consciousness and body temperature of animals. Ethanol induced hypothermia and GHB a temperature triphasic change: hypothermia/ hyperthermia/hypothermia. Blood determinations and kinetic studies reinforced the likelihood, and clinical and forensic relevancies of our animal model. Association studies showed that the respiratory effects of THC and GHB were unchanged in presence of ethanol. Association with 3 g.kg-1 ethanol dose only provoked a reduction in minute volume and in mean inspiratory flow, but mechanisms were different. Ethanol and THC induced a decrease in tidal volume; ethanol and GHB an increase in expiratory apnea duration. The observed kinetic interaction between ethanol and GHB did not explain phenomenon intensity; a potentialization could occur.