La gravité est omniprésente et affecte la dynamique de tous les mouvements que nous réalisons au quotidien. Variant de moins de 1% sur la surface terrestre, la force d’attraction gravitationnelle (9.81 m/s2) est actrice de l’évolution de toute espèce vivante. Grâce à un système sensoriel performant, les conséquences des effets de la gravité sur nos mouvements sont mémorisées sous la forme de représentations internes. Pour éviter d’être tributaires des délais temporels contraignants des signaux afférents du système sensoriel (trop longs si le mouvement doit être réalisé en urgence), l’individu agit de façon proactive en utilisant des modèles internes adaptés qu’il a notamment élaborés au cours de son expérience passée. Ces modèles sont utilisés essentiellement au cours d’une phase de planification motrice durant laquelle une commande motrice est définie pour initier l’action. La connaissance antérieure de notre système biomécanique et de notre environnement détermine donc l’ensemble des modèles internes de chaque individu. Cependant, à l’état initial, les retours sensoriels peuvent aussi être utilisés pour élaborer une stratégie motrice optimale. Pour anticiper au mieux les effets de la gravité, le rôle de ces informations initiales issues de feedback sensoriel reste encore à approfondir. C’est au cours de ces travaux de thèse que nous avons mis en évidence l’importance de ces informations avant l’exécution du mouvement. Une fois disponible (~100ms après le début du mouvement), les retours sensoriels disponibles sont alors intégrés aux modèles internes pour permettre un monitoring de la tâche motrice et éventuellement ajuster la stratégie au cours du mouvement. Ils sont d’autant plus utiles lorsque l’individu fait face à un nouveau contexte dynamique. En effet, l’individu va se fier davantage aux informations issues du système sensorimoteur, étant donné qu’il ne dispose d’aucun modèle interne adapté. C’est au cours d’une phase d’apprentissage que de nouveaux modèles internes vont être établis. Les facteurs qui permettent un apprentissage sont multivariés et dépendent du système sensoriel de chaque individu. Nous avons montré que lorsque tous les systèmes sensoriels subissent les effets d’un nouvel environnement gravito-inertiel, l’apprentissage était facilité. Ce résultat contraste avec le manque d’adaptation – voire les interférences – parfois observés lors d’apprentissages de tâches beaucoup plus simples. Tous ces mécanismes observables au niveau comportemental sont traités dans le cortex cérébral, et la prise en compte puis l’encodage des effets de la gravité sont effectués dans des aires cérébrales spécifiques. Si elles forment le réseau visuel vestibulaire lorsqu’il s’agit de prédire les effets de la gravité appliqués à des objets extérieurs, nous avons voulu savoir si le même réseau fonctionnel était responsable du traitement de la gravité lorsqu’il s’agissait de la production d’un mouvement. Nous avons mis en évidence que le cortex insulaire est le siège de ce réseau vestibulaire. Ainsi, grâce à une étude d’imagerie mentale qui n’induit pas de mouvement, nous avons également pu observer des différences de circuiterie au sein même de l’insula lorsque des informations gravitaires utiles fournies par les capteurs sensoriels, en particulier proprioceptifs, sont transmises (phase d’exécution), ou non (phase de planification du mouvement) au cerveau. / Gravity is immutable, ubiquitous and affects the dynamic of our daily movements. The gravitational attraction (9.81 m / s2) which varies less than 1% of the earth's surface, is an actress of the evolution of all living species. Thanks to an efficient sensorimotor system, the dynamical consequences of the effects of gravity on our movements are stored as internal representations. To circumvent the time delays of the afferent signals coming from the sensorimotor system (too long to plan quick movements), the Central Nervous System (CNS) acts in a proactive fashion by using suitable internal models developed during our past experiences. These models are mainly used during the motor planning to provide a motor command to initiate the action. Prior knowledge of our biomechanical system and our environment therefore characterizes the diversity of internal models of each individual. However, before movement’s execution, sensory feedback can also be used to develop an optimal strategy of the motor task. The role of this initial information coming from the sensory feedback to anticipate the effects of gravity remains to deepen. During this thesis, we have highlighted the critical role of the initial information to plan a movement. Once available (~ 100 ms after the beginning of the movement), the sensory feedback is then integrated into internal models to control the motor task and if it is necessary, to adjust the strategy during movement execution. The initial information is especially useful when we have to deal with a new dynamical context. Indeed, the CNS will much more rely on this information coming from the sensorimotor system, given that no internal model related to the unusual context has still been developed. During a learning phase new internal models will be established. The parameters which allow learning are various and depend on the sensorimotor system of each individual. We have shown that when all the sensory systems are affected by the effects of a new gravito-inertial environment, learning was facilitated. This result contrasts with the lack of adaptation - or interference - sometimes observed during learning tasks much easier. All these mechanisms observed at a behavioral stage are processed in the cerebral cortex, and the integration and encoding of the effects of gravity are processed in specific brain areas. In particular, concerning external objects, the vestibular network is engaged to predict the effects of gravity. Thus, we wanted to know if the same functional network was responsible of the processing of the dynamical constraints of gravity during movement’s execution. We have shown that the insular cortex, which is the core region of the visual vestibular system, plays an important role. Then, by using mental imagery paradigm that does not induce movement, we also observed differences in the circuitry within the insula when gravity-relevant signals related to movement’s execution are transmitted or not to the brain.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons mené trois études sur le terrain et/ou en laboratoire pour comparer l'importance relative de la géométrie des routes, représentée visuellement ou tactilement en deux dimensions, des informations multidimensionnelles extraites sur la base d'une visite directe du monde réel, et des informations symboliques indirectes sur les lieux par le biais d' instructions verbales, dans la construction de représentations spatiales chez l'homme, lui permettant de naviguer de mémoire dans des environnements complexes et non-familiers. Ces expériences ont permis de mettre en lumière certains aspects multidimensionnels et multi-sensoriels dans le traitement cognitif des informations spatiales et l'influence de celui-ci sur les performances d'hommes et de femmes, qui avaient pour tâche de retrouver de mémoire un itinéraire donné dans un milieu urbain non familier. Les résultats montrent clairement que des informations relatives aux repères visuels, transmises au moyen de séquences d'images panoramiques des itinéraires étudiés, sont inutilisables par un navigateur s'il ne dispose pas d'informations valides sur les distances relatives entre ces repères dans le monde réel (expérience 1). L'influence d'une exposition au préalable à un plan 2D visuel ou tactile des itinéraires a été comparé avec celle d'une expérience directe au moyen d'une visite guidée, ou indirecte au moyen d'indications verbales, sur les performances de navigation de personnes voyantes (expérience 1 et 2), déficientes visuelles (expérience 3), ou voyantes mais privées temporairement de leur vision (expérience 3) dans des environnements urbains à grande échelle. Les tests ont été réalisés en milieu réel (expériences 1 et 3) et virtuel (expérience 2) généré par ordinateur (Google Street View). Les performances ont été analysées en termes de temps du point de départ au point d'arrivée, nombre d'arrêts, nombre d'erreurs et taux de succès. Les stratégies potentiellement employées durant la navigation sont mis en avant sur la base des réponses des sujets à un questionnaire standardisé ; leurs capacités individuelles de se représenter l'environnement exploré sous forme d'images mentales a été évaluée sur la base de dessins. Les niveaux subjectifs de stress psychologique ont été mesurés pour mettre en évidences des différences possibles entre l'homme et la femme à cet égard. Les données ici montrent, d'une part, qu'une exploration rapide de représentations virtuelles correctement mises à l'échelle d'un environnement complexe permet aux sujets de retrouver cet itinéraire sans problème dans le milieu réel (expérience 2). Les personnes aveugles de naissance compensent l'absence de repères visuels dans la navigation efficacement par la mémorisation d'informations géométriques sur la base d'une brève exploration d'un plan tactile des itinéraires étudiés ici. Les sujets voyants privés de repères visuels, par contre, ne sont pas instantanément capables d'une telle compensation (expérience 3). Les résultats de ce travail sont discutés ici à la lumière des hypothèses actuelles sur la nature intrinsèque des représentations spatiales chez l'homme et placés ici dans le contexte d'un modèle de la mémoire de travail. Nous suggérons que cette dernière comprend des sous-systèmes multidimensionnels de stockage temporaire, capables de traiter en parallèle une multitude d'entrées sensorielles avec une capacité beaucoup plus grande que précédemment postulé dans le modèle classique de la mémoire de travail, qui présume un traitement sériel d'informations à capacité limitée. Un tel modèle est globalement mis en question par les résultats de cette thèse, qui ouvre une porte importante aux recherches futures sur le traitement cognitif d'informations spatiales chez l'homme dans un monde en perpétuel changement.Mots-clés : Environnements à grandes échelles – perception – traitement multi-sensoriel – représentation spatiale – navigation – humain / Previous studies investigating how humans build reliable spatial knowledge representations allowing them to find their way from one point to another in complex environments have been focused on comparing the relative importance of the two-dimensional visual geometry of routes and intersections, multi-dimensional data from direct exposure with the real world, or verbal symbols and/or instructions. This thesis sheds further light on the multi-dimensional and multi-sensorial aspects by investigating how the cognitive processing of spatial information derived from different sources of sensory and higher order input influences the performance of human observers who have to find their way from memory through complex and non-familiar real-world environments. Three experiments in large-scale urban environments of the real world, and in computer generated representations of these latter (Google Street View), were run to investigate the influence of prior exposure to 2D visual or tactile maps of an itinerary, compared with a single direct experience or verbal instructions, on navigation performances in sighted and/or visually deficient individuals, and in individuals temporarily deprived of vision. Performances were analyzed in terms of time from departure to destination, number of stops, number of wrong turns, and success rates. Potential strategies employed by individuals during navigation and mental mapping abilities were screened on the basis of questionnaires and drawing tests. Subjective levels of psychological stress (experiment 2) were measured to bring to the fore possible differences between men and women in this respect. The results of these experiments show that 2D visual maps, briefly explored prior to navigation, generate better navigation performances compared with poorly scaled virtual representations of a complex real-world environment (experiment 1), the best performances being produced by a single prior exposure to the real-world itinerary. However, brief familiarization with a reliably scaled virtual representation of a non-familiar real-world environment (Google Street View) not only generates optimal navigation in computer generated testing (virtual reality), but also produces better navigation performances when tested in the real-world environment and compared with prior exposure to 2D visual maps (experiment 2). Congenitally blind observers (experiment 3) who have to find their way from memory through a complex non-familiar urban environment perform swiftly and with considerable accuracy after exposure to a 2D tactile map of their itinerary. They are also able to draw a visual image of their itinerary on the basis of the 2D tactile map exposure. Other visually deficient or sighted but blindfolded individuals seem to have greater difficulty in finding their way again than congenitally blind people, regardless of the type of prior exposure to their test itinerary. The findings of this work here are discussed in the light of current hypotheses regarding the presumed intrinsic nature of human spatial representations, replaced herein within a context of working memory models. It is suggested that multi-dimensional temporary storage systems, capable of processing a multitude of sensory input in parallel and with a much larger general capacity than previously considered in terms of working memory limits, need to be taken into account for future research.Keywords: large scale environments – perception – multisensory processing - spatial representation – navigation - human

Le contrôle postural fait intervenir l’intégration cérébelleuse de différentes entrées sensorielles (le vestibule, la vision, la somesthésie). Nous avons évalué le contrôle postural à l’aide de différents dispositifs : la plateforme Techno Concept®, le Multitest Framiral® et les mouvements oculaires avec l’oculomètre : le Mobile e(ye)BRAIN T2® chez des participants contrôles et des enfants présentant des déficits neuro-développementaux, troubles appartenant au spectre autistique et dyslexie. Au cours de nos travaux, nous avons décrit un aspect développemental physiologique des indices posturaux et oculomoteurs et également un déficit de ces indicateurs auprès d’enfants avec retards d’apprentissage. En effet, chez ces enfants, la stabilité posturale est déficitaire et les stratégies d’exploration sont différentes par rapport aux contrôles. Nous avons basé nos hypothèses sur le fait que ce déficit serait du à un défaut d’utilisation des informations sensorielles ainsi qu’à une mauvaise intégration cérébelleuse. Les résultats de nos études nous permettent de mieux préciser les caractéristiques neuropsychologiques impliquant les fonctions cérébelleuses chez ces enfants afin de pouvoir suggérer des prises en charge thérapeutiques multimodales capables d’entrainer simultanément plusieurs fonctions. Notre objectif final est de pouvoir identifier une médiation thérapeutique spécifique pour ces enfants. / Postural control involves cerebellar integration of several sensory inputs (vestibular, visual and somesthesic). We evaluated postural control with force plateform: Techno Concept®, Multitest Framiral® and the eye movements with the Mobile e(ye)BRAIN T2® in healthy children population as well as in children with developmental disorders (autistic spectrum desorders and dyslexia). The results of our studies showed a developmental aspect of postural and oculomotor factors in healthy children and a deficit of both postural and oculomotor control in children with autistic spectrum desorders and with dyslexia. Indeed, in these children postural stability is poor and visual strategy is different with respect to healthy children. Our hypothesis is that these deficits could be due to a lack in using appropriately sensory inputs and of their integration via cerebellar activity. The importance of these studies is to better understand the involvement of cerebellar function in such developmental disorders. Our final goal is to suggest new training tecniques to use sensory inputs more efficiently in these children with developmental disorders.

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF. / We investigated early auditory and visual information processing in Fragile X Syndrome (FXS), the most common form of X-linked Intellectual Disability (ID) and the only known monogenetic cause of autism. FXS is caused by a trinucleotide repeat expansion in the FMR1 (‘Fragile X mental retardation 1’) gene, which prevents expression of the ‘fragile X mental retardation protein’ (FMRP). FMRP absence leads to altered structural and functional development of the synapse, while also preventing activity-based synapse maturation and synaptic pruning, which are essential for cerebral and cognitive development. We review the contribution of electrophysiological signal studies for the understanding of information processing in FXS and compare event-related potential (ERP) findings to those concerning other clinical populations that share symptoms with FXS. In our research project, we investigated ERPs evoked by basic auditory and visual stimulation in twelve adolescents and young adults (10-22) with FXS, as well as healthy chronological- and developmental- age matched controls. We found an altered ERP profile in FXS, including increased auditory N1 amplitude, relative to both control groups, as well as increased auditory P2 and N2 amplitudes and increased auditory N2 latencies. Rather than being immature, sensory processing appears to be specifically disrupted in FXS. Furthermore, the auditory modality seems to be more affected than the visual modality. In combination with brain anatomical, biochemical and behavioural findings, our results suggest a hyperexcitable nervous system in FXS.

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF. / We investigated early auditory and visual information processing in Fragile X Syndrome (FXS), the most common form of X-linked Intellectual Disability (ID) and the only known monogenetic cause of autism. FXS is caused by a trinucleotide repeat expansion in the FMR1 (‘Fragile X mental retardation 1’) gene, which prevents expression of the ‘fragile X mental retardation protein’ (FMRP). FMRP absence leads to altered structural and functional development of the synapse, while also preventing activity-based synapse maturation and synaptic pruning, which are essential for cerebral and cognitive development. We review the contribution of electrophysiological signal studies for the understanding of information processing in FXS and compare event-related potential (ERP) findings to those concerning other clinical populations that share symptoms with FXS. In our research project, we investigated ERPs evoked by basic auditory and visual stimulation in twelve adolescents and young adults (10-22) with FXS, as well as healthy chronological- and developmental- age matched controls. We found an altered ERP profile in FXS, including increased auditory N1 amplitude, relative to both control groups, as well as increased auditory P2 and N2 amplitudes and increased auditory N2 latencies. Rather than being immature, sensory processing appears to be specifically disrupted in FXS. Furthermore, the auditory modality seems to be more affected than the visual modality. In combination with brain anatomical, biochemical and behavioural findings, our results suggest a hyperexcitable nervous system in FXS.