Parmi toutes les informations sensorielles que le système nerveux central doit intégrer afin d'établir la commande musculaire permettant d'assurer une position debout, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à ce qui est nommé le " toucher léger ". En effet, il a été montré que poser le doigt sur une surface fixe, même légèrement, fournissait une information supplémentaire permettant d'améliorer le contrôle postural. De manière intéressante, lorsque la surface est mise en mouvement, un couplage apparait entre ces mouvements et le balancement postural. Nous avons lors de nos travaux étudié comment cette information était intégrée au contrôle postural. En se basant sur les conclusions de cette étude, nous avons proposé une loi de commande en boucle fermée basée sur la modulation de la vitesse du doigt, qui permet de contrôler la position du centre de pression autour d'une consigne prédéfinie. Nous avons de plus étudié les conditions expérimentales pouvant affecter les performances de cette boucle fermée (instruction, conscience des mouvements du doigt, ajout/retrait d'un sens (la vision), action de rejet volontaire du couplage). Ces études nous permettent de proposer une explication exhaustive des mécanismes expliquant ce phénomène de couplage entre la posture et les mouvements du doigt. La loi de commande proposée permet de guider le centre de pression autour d'une consigne prédéfinie, tout en ne nécessitant ni la coopération ni la concentration des sujets, et présente ainsi un intérêt certain dans les domaines de l'assistance ou de la rééducation. Nous avons donc mené une étude préliminaire en milieu clinique démontrant le potentiel applicatif de cette dernière. / Among the sensory information allowing to control postural balance, we have focused our research on Light Touch. Indeed, it has been shown that lightly touching a motionless surface, provides additional sensory information that improves balance. Interestingly, when the surface is moved slowly, a coupling appears between its motion and postural sway. We have investigated the mechanisms underlying this coupling. Based on our findings, we implemented a closed-loop control law, based on the modulation of the finger velocity, which allows to control the position of the center of pressure around a pre-defined trajectory. We also studied the experimental conditions that could influence the performance of the closed loop (instruction, awareness of finger movements, adding / removing a sensory inputs (vision), voluntary dismissal of action coupling). These studies allow us to offer a comprehensive explanation of the mechanisms underlying this phenomenon of coupling between the posture and movements of the finger. The proposed control law allows to guide the center of pressure around a pre-defined trajectory, without any cooperation from the participants. It could have an interest in the areas of assistance or rehabilitation as a new biofeedback. We therefore conducted a preliminary study in a clinical environment.

La perception de l'environnement à travers différentes modalités sensorielles est une capacité essentielle à la survie des animaux. La compréhension du fonctionnement de ces différentes modalités ainsi que du mécanisme de leur intégration en une représentation unique est un enjeu majeur en neurosciences ainsi qu'en matière de conception d'architectures de contrôle de robots autonomes. Le rat, par exemple, exploite énormément les informations tactiles fournies par ses vibrisses. Elles lui servent notamment à reconnaître des textures ou des formes, comme à évaluer la taille d'une ouverture... Cette modalité, très étudiée en biologie, n'a été que peu abordée dans le domaine de la robotique. L'audition et la vision fournissent également de riches informations sur l'environnement et ces trois modalités fonctionnent de manière complémentaire. Une des structures intégrant toutes ces modalités est le colliculus supérieur, région sous-corticale commune à la plupart des vertébrés. Cette structure fonctionnant comme un système attentionnel, permet de détecter les stimuli pertinents et de s'orienter vers ceux-ci tout en ignorant les stimuli inutiles. L'objectif de ce travail est de développer les différentes capacités sensorielles (tactile, auditive et visuelle) du robot-rat Psikharpax et de les intégrer en une représentation multi-sensorielle en s'inspirant de ces connaissances biologiques. Nous avons tout d'abord développé un système vibrissal artificiel permettant de reconnaitre des textures sur un robot mobile. Nous avons montré que deux hypothèses biologiques s'affrontant pour expliquer le codage des informations tactiles sont peut-être compatibles. Nous avons ensuite collaboré au développement d'un système auditif binaural permettant la localisation et la séparation de sources. Nous avons montré que les mécanismes permettant la reconnaissance de textures avec le système vibrissal, permettait de reconnaitre des sons avec le système auditif. Puis nous avons développé un système d'attention visuelle en adaptant et en intégrant des modèles neuro-mimétiques de colliculus supérieur et de ganglions de la base avec un mécanisme d'apprentissage par renforcement. Ce modèle inclut des boucles sous-corticales et corticales permettant l'apprentissage des caractéristiques spatiales et non-spatiales des stimuli. Nous avons montré que ce système permettait de générer des saccades oculaires vers des cibles génératrices de récompense. Enfin, nous avons étendu ce modèle d'attention visuelle aux modalités tactile et auditive et montré ses capacités à reproduire les phénomènes d'intégration multi-sensorielle. Nous avons également utilisé ce modèle sur un robot mobile pour générer des comportements d'orientation vers des stimuli multi-sensoriels associés à des récompenses. Nous concluons que ce modèle permet la gestion de stimuli multi-sensoriels de manière assez robuste pour être utilisé sur un robot mobile. Il génère de plus quelques prédictions testables.

Notre travail s’inscrit dans une conception fonctionnaliste de la mémoire qui se donne pour objectif de décrire le fonctionnement de la mémoire plus que sa structure. Notre assise théorique est basée sur le modèle Act-in qui postule que la mémoire est représentée par un ensemble de traces multidimensionnelles. Ces traces comporteraient l’ensemble des dimensions d’une expérience (e.g., motrices, sensorielles, émotionnelles). Pour rendre compte de l’émergence des connaissances, ce modèle repose sur deux mécanismes : l’activation et l’intégration. Notre travail avait pour objectif de spécifier les relations fonctionnelles entre activation et intégration à travers les mécanismes perceptifs et les mécanismes mnésiques. Nous avons également proposé un mécanisme d’interaction, permettant de rendre compte de la formation des traces sensorielles en mémoire. Comme le modèle Act-in conçoit les traces en mémoire comme étant multidimensionnelles, nous avons étudié les différentes relations entre mécanismes d’intégration, interaction et activation via le prisme de la multimodalité. Ce travail s’est organisé autour de deux grands axes expérimentaux, un premier tourné vers l’intégration en perception et l’autre vers l’intégration en mémoire.Dans un premier axe, nous avons introduit la notion d’interaction multimodale pour rendre compte des relations entre modalités sensorielles dans des tâches perceptives. Nous avons montré que lorsque des interactions sensorielles étaient systématiquement répétées, les performances de sujets étaient meilleures que celles observées dans un contexte multimodal dans lequel les modalités sensorielles n’entretenaient pas de lien. Nous avons mesuré à l’aide d’un outil mathématique, le Race Model, le gain multi-sensoriel dans diverses conditions. Nous avons montré que le Race Model mesurait un gain multi-sensoriel essentiellement lorsque la tâche n’impliquait pas de processus mnésiques (i.e., détection). Selon nous, cela montre que cet outil mathématique est plus sensible à l’interaction multimodale, lorsque les composants sensoriels ne sont pas intégrés en mémoire.Dans un second axe, nous avons développé un paradigme expérimental permettant de mesurer les effets d’un encodage sensoriel sur une récupération ultérieure (i.e., catégorisation, reconnaissance et rappel libre). Nous avons montré qu’une association multimodale congruente lors d’un encodage (e.g., image de chien et aboiement du chien) améliorait significativement les performances dans diverses tâches de mémoire. Selon nous, l’activation des dimensions auditives associées au sein de la trace explique cette facilitation lors de la récupération. Nous avons également montré qu’une association multimodale non congruente lors de l’encodage (e.g., image d’un chien et bruit blanc) perturbait la récupération en mémoire à long terme. Ce résultat apporte un argument supplémentaire en faveur des modèles de mémoire qui postulent que les connaissances sont avant tout sensorielles.Pour résumer, ce travail a permis dans un premier temps de proposer un mécanisme d’interaction multimodale nécessaire à l’intégration des composants sensoriels en mémoire. Dans un second temps, nous avons montré que des modalités sensorielles associées lors de l’encodage pouvait être réactivées ultérieurement et faciliter le traitement uniquement si les modalités sensorielles étaient sémantiquement congruentes. Ce résultat renforce la conception d’une mémoire organisée autour de connaissances avant tout sensorielles.Enfin, les résultats que nous obtenons suggèrent que la mémoire et la perception partagent des traitements communs car un trait perceptivement absent peut influencer un trait perceptivement présent et réciproquement. Cela nous permet d’envisager une relation horizontale entre mémoire et perception et remet en question la conception traditionnelle top-down des liens entre mémoire et perception. / Our conception of memory has the aim to describe the memory process more than the memory architecture. Our theoretical approach is based on the Act-in model, postulating that memory is represented by a multidimensional set of traces. These traces should include all dimensions of an experience (e.g., sensory-motor and emotional components). This model relies on two mechanisms (i.e., activation and integration) in order to reveal the emergence of knowledge. The aim of this work was to specify the functional relationships between activation and integration through memory and perception mechanisms. We also proposed a mechanism of interaction, to understand the formation of sensory memory traces. The model Act-in is composed by multidimensional memory traces. Thus, we studied the relationship between integration, interaction and activation through multimodality. This work was organized around two main axis. On one hand perceptual integration and on the other hand the memory integration.In the first axis, we have introduced the concept of multimodal interaction to show the relationship between sensory modalities in perceptual tasks. Our results revealed that when sensory interactions were systematically repeated, the performance of subjects were better than those observed in a context in which multimodal sensory modalities did not maintain a link. We measured using a mathematical tool, the Race Model, multi-sensory gain under various conditions. We have shown that the Race Model measured multi-sensory gain, mainly when the task did not involve memory processes (i.e., detection). This mathematical tool seems to be more sensitive to multimodal interaction, when the sensory components are not integrated into memory.In the second axis, we used an experimental paradigm to measure the effects of sensory encoding on subsequent retrieval tasks (i.e., categorization, recognition and free recall). Our results showed that a congruent multimodal association at encoding (e.g., image of dog and the dog barking) improved performance in various memory tasks. It seems that the activation of the sensory dimensions could explain the facilitation during retrieval. Moreover, an incongruent multimodal association at encoding (e.g., image of a dog and white noise) disturbed performance from retrieval in long-term memory. This result provides a further argument supporting sensory-based memory model.In summary, we propose a multimodal interaction mechanism for the integration of sensory components in memory. Secondly, we have shown that sensory modalities associated during encoding could be reactivated later and facilitate the processing only when the sensory modalities were semantically congruent. This result improves the assumption that memory is sensory-based.Finally, theses results suggest that memory and perception share common features. The reactivation of a sensory dimension can influence the perceptual dimension processing and vice versa. This allows us to consider a horizontal relationship between memory and perception. In such case, the traditional relationship between memory and perception, as assumed to be top-down, could be questioned.

Un simulateur de conduite dynamique est un outil permettant, entre autres, d’étudier les processus d’intégration multi-sensorielle pour la perception du mouvement et la production du comportement de conduite. Néanmoins, les limitations mécaniques des simulateurs, qui imposent des stratégies dynamiques pour simuler le réel, peuvent avoir un impact défavorable sur la perception et le comportement du conducteur. Cette problématique est particulièrement vraie pour la prise de virages qui demeure une situation difficile à reproduire de façon réaliste notamment à cause des variations importantes d’accélérations latérales. Dans ce contexte, cette thèse présente des travaux de recherches permettant de mieux comprendre les processus d’intégration multi-sensorielle (rôle des informations inertielles et visuelles) pour la perception du mouvement en virages et de caractériser l’évolution d’un percept en fonction des conditions de simulation.En conclusion, il a été démontré que la perception des accélérations latérales est basée sur des processus non-linéaires. Le rôle des informations visuelles et inertielles semble donc dépendre des individus et du contexte (notamment du niveau des accélérations latérales) dans lequel ces stimulations sont produites. Sur la base de l’ensemble de ces résultats, des nouvelles pistes d’amélioration du simulateur dynamique SHERPA² de PSA sont proposées. Il est préconisé notamment d’employer un gain du mouvement latéral dégressif avec l’augmentation du niveau d’accélération latérale. / A dynamic driving simulator is a tool, among others, allowing the study of multisensory integration for motion perception and production of driving behavior. Nevertheless, the mechanical limitations of the simulators which impose dynamic strategies to simulate the real can have an adverse negative impact on the driver perception and its behavior. This issue is particularly true for cornering which remains a difficult situation to reproduce in a realistic way, because of massive lateral accelerations variations. In this context, this thesis presents research works allowing to understand the processes of multisensory integration (role of inertial and visual information) for the motion perception in cornering and to characterize the evolution of a percept as a function of simulation conditions.In conclusion, it has been demonstrated that the perception of lateral accelerations is based on non-linear processes. The roles of visual and inertial information seem to depend on the individuals and on the context (notably the level of lateral accelerations) in which these stimulations are produced. Base on of the overall results, new ways for improvement of the dynamic driving simulator SHERPA2 are proposed. It is notably preconized to employ a lateral motion gain digressive with the increase of lateral acceleration.

La vision joue un rôle très important dans la prévention du danger. La douleur a aussi pour fonction de prévenir les lésions corporelles. Nous avons donc testé l’hypothèse qu’une hypersensibilité à la douleur découlerait de la cécité en guise de compensation sensorielle. En effet, une littérature exhaustive indique qu’une plasticité intermodale s’opère chez les non-voyants, ce qui module à la hausse la sensibilité de leurs sens résiduels. De plus, plusieurs études montrent que la douleur peut être modulée par la vision et par une privation visuelle temporaire. Dans une première étude, nous avons mesuré les seuils de détection thermique et les seuils de douleur chez des aveugles de naissance et des voyants à l’aide d’une thermode qui permet de chauffer ou de refroidir la peau. Les participants ont aussi eu à quantifier la douleur perçue en réponse à des stimuli laser CO2 et à répondre à des questionnaires mesurant leur attitude face à des situations douloureuses de la vie quotidienne. Les résultats obtenus montrent que les aveugles congénitaux ont des seuils de douleur plus bas et des rapports de douleur plus élevés que leurs congénères voyants. De plus, les résultats psychométriques indiquent que les non-voyants sont plus attentifs à la douleur. Dans une deuxième étude, nous avons mesuré l’impact de l'expérience visuelle sur la perception de la douleur en répliquant la première étude dans un échantillon d’aveugles tardifs. Les résultats montrent que ces derniers sont en tous points similaires aux voyants quant à leur sensibilité à la douleur. Dans une troisième étude, nous avons testé les capacités de discrimination de température des aveugles congénitaux, car la détection de changements rapides de température est cruciale pour éviter les brûlures. Il s’est avéré que les aveugles de naissance ont une discrimination de température plus fine et qu’ils sont plus sensibles à la sommation spatiale de la chaleur. Dans une quatrième étude, nous avons examiné la contribution des fibres A∂ et C au traitement nociceptif des non-voyants, car ces récepteurs signalent la première et la deuxième douleur, respectivement. Nous avons observé que les aveugles congénitaux détectent plus facilement et répondent plus rapidement aux sensations générées par l’activation des fibres C. Dans une cinquième et dernière étude, nous avons sondé les changements potentiels qu’entrainerait la perte de vision dans la modulation descendante des intrants nociceptifs en mesurant les effets de l’appréhension d’un stimulus nocif sur la perception de la douleur. Les résultats montrent que, contrairement aux voyants, les aveugles congénitaux voient leur douleur exacerbée par l’incertitude face au danger, suggérant ainsi que la modulation centrale de la douleur est facilitée chez ces derniers. En gros, ces travaux indiquent que l’absence d’expérience visuelle, plutôt que la cécité, entraine une hausse de la sensibilité nociceptive, ce qui apporte une autre dimension au modèle d’intégration multi-sensorielle de la vision et de la douleur. / Vision is important for avoiding encounters with objects in the environment that may imperil physical integrity. Since pain also plays a major role in preventing bodily injury, we tested whether, in the absence of vision, pain hypersensitivity would arise from an adaptive shift to other sensory channels. Indeed, a wealth of literature indicates that blindness leads to sensory compensation and crossmodal plasticity. Furthermore, studies have shown that pain perception can be modulated by vision and by temporary visual deprivation. In a first study, we measured innocuous and noxious thermal thresholds using a Peltier-based thermotester in congenitally blind and normal sighted participants. We also assessed their suprathreshold pain ratings using a CO2 laser device and evaluated their attitude towards daily pain encounters using questionnaires on attention and anxiety. Results show that congenitally participants have lower pain thresholds and higher suprathreshold pain ratings. The psychometric data further indicates that they are more attentive to pain compared to their sighted peers. In a second study, we investigated whether visual experience has an impact on pain perception by replicating the first study in late blind participants. Results indicate that individuals who lost sight later in life are similar to the sighted in every aspect of pain perception that we measured. In a third study, we tested whether blind individuals have supranormal skills in detecting small and quick increases in temperature, as these thermal cues of the environment might help identifying and avoiding potentially harmful objects. Results show that congenitally blind participants outperform their sighted peers and that they are more susceptible to spatial summation of heat. In a fourth study, we examined the contribution of A∂ and C-fibres to blind individuals’ nociceptive processing, as these fibres are thought to signal the first and second pain, respectively. Our findings indicate that congenital blindness leads to an enhanced detection to C-fibre mediated sensations and to faster reaction times to these nociceptive inputs. In a fifth and final study, we probed the potential changes in the descending modulation of nociceptive inputs following visual deprivation by measuring the effects of psychological factors like anticipation and anxiety on blind individuals’ pain perception. Results show that congenitally blind participants are more sensitive to pain in response to uncertainty about threat, suggesting that they are more susceptible to top-down modulation of pain. Overall, this work indicates that visual deprivation from birth, but not later in life, causes a leftward shift in the stimulus–response function to nociceptive stimuli and lends new support to a model of sensory integration of vision and pain processing.

Le maintien de la stabilité posturale est généralement décrit comme le résultat de l’intégration de plusieurs modalités sensorielles : vision, proprioception, tactile plantaire et système vestibulaire. Bien qu’étant une source riche d’informations spatiales, l’audition a été très peut étudiée dans ce cadre. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’influence spécifique du son sur la posture.La première partie de ces travaux concerne la mise en place et la caractérisation perceptive d’un système de spatialisation ambisonique d’ordre 5. Ce système permet de générer et de déplacer des sons dans tout l’espace 3D entourant l’auditeur, ainsi que de synthétiser des espaces sonores immersifs et réalistes.Ensuite, ce système a été utilisé comme un outil pour la génération de stimuli adaptés à l’étude de l’influence du son sur la posture. Ainsi, la posture debout statique de sujets jeunes et en bonne santé a été étudiée dans un ensemble de cinq expériences posturales. Les résultats de ces différentes études montrent que l’information auditive spatiale peut être intégrée dans le système de régulation posturale, et permettre aux sujets d’atteindre une meilleure stabilité posturale.Deux pistes sont évoquées pour interpréter cette stabilisation : d’un côté, l’utilisation des indices acoustiques pour construire une carte spatiale de l’espace environnant, représentation par rapport à laquelle les sujets peuvent se stabiliser ; de l’autre, des phénomènes d’intégration multi-sensorielle, où la modalité auditive permettrait de potentialiser l’intégration des différentes informations fournies par les autres modalités impliquées dans le contrôle postural. / Postural control is known to be the result of the integration by the central nervous system of several sensory modalities. In the literature, visual, proprioceptive, plantar touch and vestibular inputs are generally mentioned, and the role of audition is often neglected, even though sound is a rich and broad source of information on the whole surroundind 3D space. In the frame of this PhD, we focused on the specific role of sound on posture. The first part of this work is related to the design, the set-up and the perceptual evaluation of a fifth order ambisonics sound spatialization system. This system makes it possible to generate and move sound sources in the 3D space surrounding the listener and also to synthesize immersive and realistic sound environments. Then, this sound spatialization system was used as a tool to generate sound stimuli used in five different postural tests. In these tests, we studied the static upright stance of young and healthy subjects. The results of these studies show that the spatial auditory information can be integrated in the postural control system, allowing the subjects to reach a better stability.Two complementary trails are proposed to explain these stabilizing effects. Firstly, the spatial acoustic cues can contribute to the building of a mental representation of the surrounding environment; given this representation, the subjects could improve their stability. Secondly, we introduce multisensory integration phenomena: the auditory component could facilitate the integration of the other modalities implied in the postural control system.

Ce travail de thèse vise à améliorer notre compréhension des mécanismes sous-tendant la perception et la mémorisation des structures sonores complexes. Nous avons étudié les corrélats comportementaux et cérébraux de la perception et de la mémoire auditive pour des notes isolées, des séquences musicales et des séquences de mots, chez des auditeurs typiques et dans l'amusie congénitale, un trouble permanent de la perception de la musique. En utilisant des approches comportementales, nous avons démontré que les déficits des individus amusiques dans la dimension de la hauteur sont liés à des déficits à la fois durant l’encodage des sons courts et dans la rétention à court terme de l'information musicale. En utilisant des mesures neurophysiologiques (IRM, MEG, IRMf) nous avons démontré l’existence d’anomalies anatomiques et fonctionnelles dans le cerveau amusique, principalement dans les cortex frontal et auditif droits. De plus des anomalies fonctionnelles ont été observées à la fois durant l'encodage, la rétention et la reconnaissance de l'information mélodique lors d’une tâche de mémoire à court terme. En revanche, pour le matériel verbal, les participants amusiques recrutaient des régions cérébrales similaires à celles des contrôles, ceci suggérant que des ressources neuronales distinctes sous-tendent la mémoire tonale et verbale. A partir des conclusions de ces trois premières études, nous avons exploré deux approches visant à renforcer les capacités de traitement de la hauteur dans l'amusie: 1) en étudiant si des connaissances implicites du système musical occidental tonal pouvaient améliorer leurs capacités de mémoire à court terme pour les notes, et 2) en explorant si les capacités d’encodage altérées des participants amusiques pouvaient être améliorées par des interactions audio-visuelles. Ces études ont été encourageantes et pourraient guider la conception d'outils de réhabilitation dans ce déficit. Enfin, il convient de souligner que nos recherches contribuent également à améliorer la compréhension des mécanismes sous-tendant le traitement de la musique en général, un domaine de recherche émergeant qui fait le parallèle avec le traitement du langage / The aim of this PhD thesis is to further our understanding about how humans perceive and nmemorize complex sound structures. We investigated the behavioral and cerebral correlates of auditory perception and memory for isolated tones, musical sequences, and verbal material both in typical listeners and in individuals presenting a lifelong disorder of music perception that has been referred to as congenital amusia. Using behavioral approaches, we demonstrated that amusic individuals’ deficits in the pitch dimension are related to impairments both in the encoding of short tones and in the short term retention of pitch information. Using multimodal neuroimaging methods (MRI, MEG, fMRI) we observed anatomical and functional abnormalities in the amusic brain, mostly in the right frontal cortex and in the right auditory cortex. Functional abnormalities were observed at each level of processing in short-term memory tasks, that is for encoding, retention, and retrieval of the melodic information. In contrast, for verbal material, amusic participants recruited similar brain regions as those observed for controls, thus suggesting that separate neural resources support tonal and verbal memory. Based on the conclusions made on these first three studies, we explored two approaches aiming to boost pitch processing abilities in amusia; 1) by investigating whether implicit knowledge of the western tonal musical system could influence their short-term memory abilities, and 2) by exploring whether amusic individuals’ altered encoding of short tones could be improved by audio-visual interactions These investigations were encouraging and provide the first steps toward designing tools of rehabilitation in this musical disorder. To conclude, it is worth underlining that these studies also improve our understanding of music processing in general, which is the subject of an increasing research domain that is often making the parallel to language processing