Initier la marche vient naturellement pour tout être vivant qui se déplace. Malgré cette apparente facilité, cet acte nécessite une interaction complexe entre différentes régions du cerveau et la moelle épinière. Une de ces régions a été découverte dans le mésencéphale et a été identifiée il y a maintenant 50 ans comme la région locomotrice mésencéphalique. En effet, la stimulation électrique de cette région engendre de manière systématique l’initiation de la locomotion dans de nombreuses espèces animales. Malgré tout, la localisation anatomique précise et l’identification des populations neuronales de cette région sont un sujet de débat encore aujourd’hui. Dans notre projet, nous avons utilisé les outils optogénetiques accessibles chez la souris afin de stimuler spécifiquement les populations glutamatergiques ou cholinergiques des deux noyaux qui constituent la région locomotrice mésencéphalique, le noyau cunéiforme (CnF) et le noyau pedonculopontin (PPN). Nous avons découvert que nous ne pouvions initier la marche en stimulant seulement les neurones glutamatergiques du noyau cunéiforme, indiquant ainsi que ces neurones constituent le corrélat anatomique de la région locomotrice mésencéphalique. Étant donné l’intérêt clinique de la stimulation profonde chez des patients parkinsoniens, épileptiques ou médullaires, il paraît d’autant plus urgent de définir la localisation et les fonctions précises des populations neuronales contribuant à cette région fonctionnelle. / The act of initiating locomotion comes naturally to every living and moving the animal. Despite this apparent easiness, this act relies upon a complex neuronal interaction between brain regions and the spinal cord. One of those regions was found in the brainstem and has been identified 50 years ago as the mesencephalic locomotor region. Indeed, electrical stimulation of this region consistently leads to the initiation of locomotion in many species. However, the precise anatomical location and neuronal composition responsible for this effect on locomotion remained a matter of debate for years. Here, using neuronal specific optogenetic stimulation in mice, we stimulated either the glutamatergic or the cholinergic population in the two proposed nuclei that form the MLR (cuneiform and pedunculopontine nuclei, CnF and PPN). We simultaneously recorded kinematics and EMG activity and found that we could only reliably induce locomotion when stimulating the glutamatergic neurons of the CnF, therefore establishing those neurons as the correlates of the MLR. Considering that the MLR is being tested as a deep brain stimulation target for disease ranging from Parkinson to epilepsy and spinal cord injury, it seems even more urgent to ascertain precisely its anatomical location and physiological role.

Résumé : Suite à une lésion de la moelle épinière, divers comportements moteurs invalidants, tels des spasmes peuvent apparaître. Les traitements actuels pour la spasticité causent divers effets secondaires, dont une réduction de la capacité locomotrice des patients. La recherche de traitements non invasifs et non pharmacologiques permettant de réduire la spasticité sans affecter la récupération fonctionnelle du patient s’avère donc un enjeu prioritaire. Par ailleurs, une réduction des spasmes rythmiques peut être observée lorsque la peau lombosacrée est pincée. Ce potentiel inhibiteur d’une stimulation cutanée tonique est également perçu chez l’animal comme le lapin et le chat suite à une perte des voies supraspinales. Par contre, bien que ce type de stimulation semble efficace pour réduire la spasticité, son effet sur la capacité locomotrice n’a toujours pas été évalué. L’objectif du projet était de déterminer l’effet d’un pincement de la peau à divers niveaux lombaires sur la locomotion du chat ayant une lésion de la moelle épinière. Six chats implantés chroniquement pour l’électromyographie (EMG) ont subi une lésion complète de la moelle épinière au niveau thoracique et ont été entraînés sur tapis roulant pour récupérer une fonction locomotrice des pattes postérieures. L’effet d’une stimulation de 6 sites cutanés sur la ligne médiane au niveau des vertèbres lombaires L2 à L7 a été évalué lors de marche à 0.4 m/s via des analyses cinématiques et EMG. Les résultats obtenus démontrent que la zone cutanée perturbant le plus l’activité locomotrice se trouve sur la ligne médiane au niveau lombaire L4. À ce niveau, une diminution de l’activité des extenseurs et des fléchisseurs est perçue au niveau de l’EMG. De plus, des modifications du patron locomoteur comme un positionnement plus caudal de la patte lors de son contact et de son décollage sont également visibles, tout comme une perte du support de poids (force de réaction au sol). La coordination spatiale entre les pattes postérieures est également perturbée. Ces résultats suggèrent que bien que la stimulation cutanée puisse être une alternative intéressante pour le traitement non pharmacologique de la spasticité, celle-ci altère la capacité locomotrice. || Abstract : After a spinal cord injury, multiple abnormal motor activities can occur, such as rhythmic spasms. These activities can be invalidating and are treated with different drugs that cause various side effects, including a reduction of locomotor ability in patients. Therefore, there is a need for novel non-invasive and non-pharmacological treatments for spasticity that will not affect the functional recovery of patients. A reduction of rhythmic spasms can be observed when the lumbosacral skin is pinched in a spinal cord-injured patient. This inhibition of rhythmic activity by a tonic cutaneous stimulation is also present in cats and rabbits after the loss of supraspinal input. Although this stimulation seems effective to reduce spasticity, its effects on real locomotion have not been evaluated. The goal of this project was to determine the effect of stimulating the skin at different lumbar levels on hindlimb locomotion of the spinal cord-transected (spinalized) cat. Six cats chronically implanted for electromyography (EMG) recording were spinalized at low thoracic levels and trained to recover hindlimb locomotion on a treadmill. The effect of stimulating the skin over the midline of lumbar vertebrae was evaluated during locomotion at 0.4 m/s and compared to control trials (without stimulation) with kinematic, kinetic and EMG analyses. Stimulating the lumbar skin disrupted hindlimb locomotion, with the largest effects observed at mid-lumbar levels. Cutaneous stimulation reduced extensor and flexor EMG activity. Moreover, position of the paw at contact and lift-off was more caudal and there was a loss of body weight support with cutaneous stimulation. Spatial coordination between the hindlimb was also perturbed by the cutaneous stimulation. Thus, results suggest that despite the fact that cutaneous stimulation appears to be an interesting approach to diminish rhythmic spasms in spinal cord-injured patients, it disrupts spinal-mediated locomotor capacity.

Résumé : Une coordination appropriée entre les pattes antérieures et postérieures chez les mammifères terrestres est essentielle pour maintenir une stabilité pendant la locomotion quadrupède. Il a été fortement suggéré que les voies propriospinales et le retour sensoriel pourraient jouer un rôle important dans la coordination antéropostérieure. Cependant, les mécanismes neurophysiologiques impliqués dans la coordination entre les membres antérieurs et les membres postérieurs pendant la marche demeurent méconnus. Suite à une lésion partielle de la moelle épinière, plusieurs déficits de la coordination antéropostérieure ont pu être dénotés chez l’animal non-humain et chez l’humain. Malgré tout, les effets d’une lésion partielle sur la coordination antéropostérieure n’ont pas encore été clairement caractérisés. Au regard du nombre considérable de blessés médullaires présentant des troubles de l’équilibre et de la coordination entre les bras et les jambes après avoir récupéré la marche, il semble essentiel de mieux comprendre ces mécanismes. L’objectif du projet était d’offrir une meilleure caractérisation de la coordination antéropostérieure chez le chat intact et suite à une hémisection latérale de la moelle épinière. Pour ce faire, un tapis roulant partitionné transverse permettant de dissocier les vitesses de locomotion entre les pattes antérieures et postérieures a été utilisé. Huit chats implantés chroniquement pour réaliser des enregistrements électromyographiques ont été entrainés dans diverses conditions de locomotion partitionnée et non-partitionnée. Parmi ces 8 chats, 6 ont subi une hémisection latérale du côté droit de la moelle épinière entre la 5ème et la 6ème vertèbre thoracique (T6). Des analyses cinématiques et électromyographiques ont été réalisées chez les chats intacts et 8 semaines après la lésion partielle de la moelle épinière. Les résultats obtenus démontrent que la coordination antéropostérieure est contrôlée par des influences bidirectionnelles et asymétriques entre les pattes antérieures et postérieures. De plus, lorsque la vitesse de locomotion des pattes antérieures était plus élevée que celle des pattes postérieures, une dissociation du rythme était observée avec les pattes antérieures réalisant davantage de pas chez le chat intact. Suite à la lésion, cette dissociation était également observée lors de la locomotion non-partitionnée. Cependant, que ce soit avant ou après la lésion, quand une telle dissociation apparaissait, une nouvelle forme stable de coordination antéropostérieure apparaissait consistant à réaliser deux pas des pattes antérieures pendant un pas des pattes postérieures (coordination 2-1). Finalement, la coordination antéropostérieure pouvait être modulée par l’utilisation du tapis roulant partitionné et une coordination 1-1 pouvait être restaurée suite à la lésion en faisant marcher les pattes postérieures à une vitesse plus élevée. À partir de ces résultats, nous avons proposé un nouveau modèle théorique du contrôle neurophysiologique de la coordination antéropostérieure. Qui plus est, un raffinement des échelles d’évaluation de la récupération locomotrice suite à des lésions de la moelle épinière s’avère indispensable afin d’inclure une caractérisation détaillée de la coordination antéropostérieure. Finalement, d’un point de vue clinique, ces résultats suggèrent que de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur la coordination antéropostérieure pourraient être envisagées afin de renforcer la récupération locomotrice suite à des lésions de la moelle épinière. / Abstract : An appropriate coordination between the forelimbs and the hindlimbs in terrestrial mammals is essential to maintain stability during quadrupedal locomotion. It is thought that propriospinal pathways and sensory feedback contribute to the control of forelimbhindlimb coordination. However, the neurophysiological mechanisms involved in this coordination during locomotion remain poorly defined. After a partial spinal cord injury, several impairments of interlimb coordination have been observed in non-human animal models and human patients. Despite this, the effects of a partial lesion on forelimb-hindlimb coordination have not been clearly characterised. Patients with spinal cord injury have pronounced deficits with their equilibrium and a deficient control of interlimb coordination could be a main contributor. The purpose of these studies was to better characterize forelimb-hindlimb coordination in intact cats and following a lateral hemisection of the spinal cord. A transverse split-belt treadmill was used to independently control the speed of the forelimbs and of the hindlimbs. Eight cats were chronically implanted for e;ectromyography and trained to perform various tied-belt and transverse split-belt locomotor conditions. Among these 8 cats, 6 were hemisected at the 6th thoracic segment of the spinal cord on the right side. Electromyographic and kinematic analyses were performed in the intact state and 8 weeks post-hemisection. The results demonstrate that interlimb coordination is controlled by bidirectional and asymmetrical influences between the forelimbs and the hindlimbs. Moreover, when the forelimbs stepped faster than the hindlimbs, dissociation of the forelimb and hindlimb rhythms occurred, with the forelimbs taking more steps. After the lesion, this dissociation was observed, even during tied-belt locomotion. However, in both intact and injured cats, when such dissociation occurred, a new stable form of forelimb-hindlimb coordination appeared, consisting of two forelimb steps for one hindlimb step (2-1 forelimb-hindlimb coordination). Finally, the transverse split-belt treadmill could modulate forelimb-hindlimb coordination and 1-1 coordination could be restored after the lesion during transverse split-belt locomotion with a faster hindlimb speed. From these results, we propose a theoretical model of the neurophysiological control of interlimb coordination. Moreover, a refinement of performance scales evaluating the locomotor recovery after spinal cord injury is necessary to include a detailed characterisation of interlimb coordination. Finally, from a clinical perspective, these results suggest that new therapeutic strategies based on interlimb coordination could be used to strengthen locomotor recovery after spinal cord injuries.

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée. / In hominoids, tensile and compressive forces generated by locomotion and upper-limb use are transmitted through the elbow joint. It has been noticed that the distal humerus of hominoid is morphologically very similar across species. However, some studies have suggested that articular shape varies in relation to size and locomotor modes. This project is an attempt to characterize more thoroughly distal humeral variation in hominoids. It considers the humeral trochlea not only as a structure by itself, as it has been done before, but as an articulation that varies in orientation relative to the diaphysis. Indeed, there is evidence that articulations have a minimum size and are generally oriented to better resist habitual loads. This project tested the hypothesis that predominantly arboreal species are expected to present joints that have a size, position and orientation of articular surfaces to better resist shear loads generated by the strong finger and wrist flexor muscles crossing the elbow obliquely. Consequently, predominantly terrestrial species should present articulations shape and orientation that are better to resist axial load generated by ground reaction forces. Ten landmarks and two linear measurements were taken from a skeletal sample including specimens from the Homo, Pan, Gorilla and Pongo genus. Results show that orientation and position of humeral trochlea joint surfaces correlate with locomotor modes and that length of the articular surfaces seems to be better correlated with size. The main hypothesis suggesting that stress related to locomotion in hominoids should influence the morphology of distal humeral joints is therefore supported.

La plasticité du système nerveux central face aux contraintes environnementales ou morphologiques est un processus fondamental mis en place afin de permettre à l’animal de maintenir des comportements adaptés. Parce que le comportement locomoteur est essentiel à la survie de l'animal, les mécanismes neuronaux permettant sa genèse doivent s’adapter aux modifications morphologiques de l’organisme pendant son développement. Pour aborder cette question, nous avons développé un nouveau modèle expérimental pour lequel les modifications morphologiques au cours du développement sont extrêmes et impliquent des reconfigurations à long terme du système nerveux. L'amphibien Xenopus laevis lors de sa métamorphose est, en effet, un modèle pertinent pour étudier (par des approches comportementales, neuroanatomiques, électro-physiologiques et pharmacologiques), les mécanismes impliqués dans la réorganisation des réseaux neuronaux locomoteurs de la moelle épinière face à des modifications extrêmes du schéma corporel. En effet, pendant sa métamorphose, l'animal passe d'un mode de locomotion ondulatoire mettant en jeu sa musculature axiale, à un mode de locomotion appendiculaire grâce aux membres néo-formés. Il existe de plus des stades intermédiaires où les deux modes de locomotion coexistent et expriment des relations fonctionnelles variables. Nos expériences d’électrophysiologie extracellulaire nous ont permis de dégager la dynamique temporelle de l’émergence du réseau de neurones commandant la locomotion appendiculaire adulte et de ses relations fonctionnelles avec le réseau locomoteur commandant la nage larvaire lorsque ces deux réseaux coexistent. D’après les résultats présentés, il apparaît un changement de l’équilibre fonctionnel et des interactions entre les commandes locomotrices ondulatoire et appendiculaire, faisant des stades intermédiaires de la métamorphose les témoins privilégiés du passage de relais progressif entre les deux systèmes locomoteurs. Nos travaux ont également démontré que l’activité de chaque réseau ainsi que leurs relations fonctionnelles sont sujettes à modulation glutamatergique et aminergique destinées à adapter la locomotion aux besoins de l'animal. Nous montrons que certains modulateurs (tels que le glutamate, la sérotonine et la noradrénaline) exercent des effets opposés sur les réseaux locomoteurs larvaires et adultes, alors qu'à l'inverse, la dopamine conserve les mêmes propriétés modulatrices sur ces réseaux malgré les profonds bouleversements subis pendant le développement. Outre leur rôle modulateur, nos résultats suggèrent aussi un rôle des afférences aminergiques dans la maturation des réseaux locomoteurs et ouvrent de nombreuses interrogations quant aux mécanismes impliqués dans la plasticité des afférences neuromodulatrices elles-mêmes au cours de la métamorphose. L’apparition et la disparition de neurones sérotoninergiques intraspinaux concomitantes avec la croissance des membres postérieurs, et précédant la régression de l'appendice caudal laissent envisager un rôle de la sérotonine dans la maturation du réseau locomoteur appendiculaire ou dans la chronologie de la régression du réseau axial. / Plasticity of the central nervous system is fundamental to an animal's capacity to adapt to continually changing biomechanical and environmental demands. Although the neuronal mechanisms underlying such essential behaviours as locomotion must adapt to an organism's morphological modifications during growth and development, the associated changes that occur in central nervous function remain poorly understood. To address this issue, we have developed a new experimental model - the amphibian Xenopus laevis during its metamorphosis - in which the extreme biomechanical modifications occurring during this critical period necessitate a correspondingly extensive and long-term reorganisation of locomotor neural circuitry within the animal's spinal cord. During metamorphosis, the locomotory strategy of Xenopus shifts from undulatory swimming involving axial tail-based movements, to appendicular propulsion that uses the newly formed limbs. At intermediate metamorphic stages, moreover, the two locomotor strategies coexist within the same animal as the secondary limb-based motor circuitry is progressively replaces the primary axial network as the limbs are added and the tail regresses. By making extracellular recordings of spontaneous "fictive" locomotor patterns generated by isolated brainstem/spinal cord preparations, we have charted the temporal dynamics of the emergence of the appendicular neuronal network and determined its functional relationship with larval axial locomotor circuitry through the metamorphic period. Our results have shown that the limb circuitry is initially present but not functional, functional but subordinate to the embryonic axial network, functionally independent from the axial network, and ultimately alone after axial circuitry disappears with tail resorption. Furthermore, the use of pharmacological approaches established that during the metamorphic transition, the coexisting spinal locomotory networks and their functional interactions are subject to glutamatergic and aminergic modulation in order to adapt locomotory performance to the immediate behavioural needs of the animal. Interestingly, the neuromodulators glutamate, serotonin and noradrenaline exert directly opposing influences on the larval and adult locomotor networks, while dopamine preserves a similar modulatory action on the two circuits in spite of their profound remodelling during metamorphic development. Finally, in addition to a short-term modulatory role, our immunocytochemical evidence suggested that descending aminergic systems may contribute to the long-term maturation of spinal locomotor circuitry during metamorphosis in parallel with their own developmental reconfiguration. Specifically, the appearance and disappearance of a population of intraspinal serotonergic neurons concomitant with hindlimb growth and preceding tail regression suggested a role of serotonin in the maturation of the appendicular locomotor network and/or in the chronology of axial network regression.

L’influence de la gravité sur le développement des capacités motrices a été étudiée chez la souris C57Bl/6J. Nous avons voulu savoir s’il existait des périodes critiques dans l’adaptation à la gravité. Nous avons utilisé pour cela l’hypergravité par centrifugation chronique, seul moyen de modifier la pesanteur durant l’embryogenèse des mammifères. Des groupes de souris ont été centrifugés (a) pendant le développement pré et périnatale (de la conception jusqu’à l’âge de 10 jours), (b) pendant le développement post-natal (du 10e jour au 30e) ou (c) sur l’ensemble de ces deux périodes. Nous avons étudié, à l’âge de 2 et 6 mois, (i) les mouvements compensateurs des yeux dans la stabilisation du regard par vidéo-oculographie et les réactions vestibulaires ; (ii) la dépense énergétiques par calorimétrie indirecte, et (iii) les paramètres cinématiques de la locomotion par vidéo-radiographie. Seules les souris centrifugées pendant l’ensemble du développement présentent, au moins transitoirement, des réactions otolithiques perturbées. Ce résultat nous conduit à rejeter l’hypothèse d’une période critique vestibulaire, mais l’observation de déficits dans certains tests de réactions vestibulaires des souris centrifugées à partir de P10 pourrait confirmer l’hypothèse d’une période critique dans l’établissement des connexions vestibulo-cérébelleuses et vestibulo-spinales. L’analyse du métabolisme a montré que seules les souris élevées prénatalement en hypergravité présentaient une dépense énergétique accrue à l’âge de 2 et 6 mois. L’analyse de la cinématique articulaire au cours de la locomotion a montré que l’ajustement du contrôle postural a lieu, en partie, avant que les animaux ne commencent à marcher. En revanche, l’ajustement des allures se fait après le 10e jours post-natal quand les animaux font l’expérience de la marche. L’ensemble de ces résultats démontrent l’existence d’une succession de périodes critiques dans l’ontogenèse des capacités motrices. / The influence of gravity on the development of motor skills was analysed on the mice C57Bl/6J. Our goal was to evaluate the hypothesis of critical periods in the adaptation to gravity. We used the chronic centrifugation that is the only available technique to modify the gravity during mammals embryogeny. Several groups of mice were centrifuged (a) during the early perinatal development (from conception to tenth postnatal day), (b) during the postnatal development (from day 10 to 30) or (c) during the whole periods. We analysed, at the age of 2 and 6 months, (i) the compensatory eye movements during the gaze stabilization by video-oculography, and the vestibular reactions; (ii) the energetic expanse by indirect calorimetry, and (iii) the kinematic parameters of locomotion by video-radiography. Only the mice centrifuged during their whole development showed at least transitory impairment of otolithic reactions. This result was inconsistent with a vestibular critical period, but the observation of impairments in some vestibular reactions of postnatally centrifuged mice could support the hypothesis of a critical period in the establishment of vestibulo-cerebellar or vestibulo-spinal connections. The metabolic analysis showed an increased energetic expense in mice exposed to hypergravity when 2 or 6 months old. The kinematic analysis of joints during locomotion showed that postural adjustment occurred, at least partly, before the mice started walking. On the other hand, the gait adjustment occured after tenth postnatal day, when the mice experiment walking. As a whole these results show the existence of several critical periods in the ontogenesis of motor capabilities.

Un robot bipède doit pouvoir marcher en toute sécurité dans une foule. Pour cela, il faut prendre en compte deux aspects : l’équilibre et l'évitement des collisions. Maintenir l’équilibre implique d'éviter les défaillances dynamiques et cinématiques de la dynamique instable du robot. Pour ce qui est de l’évitement des collisions, il s’agit d’éviter le contact entre le robot et des individus. Nous voulons être capables de satisfaire ces deux contraintes simultanément, à l’instant présent mais aussi dans le futur. Nous pouvons assurer l’équilibre du robot indéfiniment en le faisant entrer dans un cycle limite de marche ou en le faisant s’arrêter après quelques pas. Néanmoins, une telle garantie pour l’évitement d’obstacle n’est pas possible pour plusieurs raisons : impossibilité de connaître de manière absolue la direction vers laquelle les individus se dirigent, limitations cinématiques et dynamiques du robot, mouvement adverse de la foule, etc. Nous traitons ces limitations avec une stratégie standard de navigation dans une foule, appelée passive safety, qui nous permet de formuler une loi de commande prédictive avec laquelle nous assurons l’équilibre et l'évitement des collisions, de manière unifiée, en faisant s’arrêter le robot de manière sécurisée et en temps fini. De plus, nous définissons une nouvelle stratégie de navigation sûre basée sur le principe d’évitement des collisions aussi longtemps que possible, qui a la propriété de minimiser leur apparition et sévérité. Nous proposons une formulation lexicographique qui synthétise des mouvements conformes à ce principe. Nous augmentons les degrés de liberté de la locomotion d’un robot bipède en permettant la variation de l’orientation et de la durée des pas en ligne. Cependant, cela introduit des non-linéarités dans les contraintes de nos problèmes d’optimisation. Nous faisons des approximations de ces contraintes non-linéaires avec des contraintes linéaires sûres de sorte que la satisfaction des secondes implique la satisfaction des premières. Nous proposons une nouvelle méthode de résolution des problèmes non-linéaires (Optimisation Quadratique Successive Sûre) qui assure la faisabilité des itérations de Newton en utilisant cette redéfinition des contraintes. Nous simulons la marche d’un robot bipède dans une foule pour évaluer la performance de nos lois des commandes. D’une part, nous réussissons à réduire (statistiquement) la quantité et la sévérité des collisions en comparaison avec la méthode de passive safety, spécialement dans les conditions d’incertitude de la marche du robot dans une foule. D’autre part, nous montrons des exemples de comportements typiques du robot, qui découlent de la liberté de choisir l’orientation et la durée des pas. Nous rapportons le coût de calcul de notre méthode de résolution des problèmes non-linéaires en comparaison avec une méthode standard. Nous montrons qu’une seule itération de Newton est nécessaire pour arriver à une solution faisable, mais que le coût de calcul dépend du nombre de factorisations de l’active set dont nous avons besoin pour arriver à l’active set optimal. / We want a biped robot to walk safely in a crowd. This involves two aspects: balance and collision avoidance. The first implies avoiding kinematic and dynamical failures of the unstable walking dynamics of the robot; the second refers to avoiding collisions with people. We want to be able to solve both problems not only now but also in the future. We can ensure balance indefinitely by entering in a cyclic walk or by making the robot stop after a couple of steps. Nonetheless, we cannot give a comparable guarantee in collision avoidance for many reasons: impossibility of having absolute knowledge of where people are moving, kinematic/dynamical limitations of the robot, adversarial crowd motion, etc. We address this limitation with a standard strategy for crowd navigation, known as passive safety, that allows us to formulate a unified Model Predictive Control approach for balance and collision avoidance in which we require the robot to stop safely in finite time. In addition, we define a novel safe navigation strategy based on the premise of avoiding collisions for as long as possible that minimizes their occurrence and severity. We propose a lexicographic formulation that produces motions that comply with such premise.We increase the degrees of freedom of the locomotion of a biped robot by allowing the duration and orientation of its steps to vary online. This introduces nonlinearities in the constraints of the optimization problems we solve. We approximate these nonlinear constraints with safe linear constraints so that satisfying the latter implies satisfying the former. We propose a novel method (Safe Sequential Quadratic Programming) that ensures feasible Newton iterates in the solution of nonlinear problems based on this redefinition of constraints.We make a series of simulations of a biped robot walking in a crowd to evaluate the performance of our proposed controllers. We are able to attest the reduction in the number and in the severity of collisions with our proposed navigation strategy in comparison with passive safety, specially when there is uncertainty in the motion of people. We show typical behaviors of the robot that arise when we allow the online variation of the duration and orientation of the steps and how it further improves collision avoidance. We report the computational cost of our proposed numerical method for nonlinear problems in comparison with a standard method. We show that we only need one Newton iteration to arrive to a feasible solution but that the CPU time is dependent on the amount of active set factorizations needed to arrive to the optimal active set.

Lors de la locomotion, la commande rythmique envoyée aux muscles des membres est organisée de manière spatiale et temporelle par les générateurs centraux du patron locomoteur (CPGs) localisés dans la moelle épinière. Ces derniers sont sous le contrôle des centres supraspinaux impliqués dans l'aspect motivationnel du comportement locomoteur dont l’activité est constamment modulée par des afférences sensorielles afin de permettre d'adapter les mouvements aux changements environnementaux. L’objectif majeur de mon travail doctoral était d’explorer les mécanismes des interactions dynamiques entre (1) les centres supraspinaux, (2) les CPGs et (3) les afférences sensorielles dans le contrôle de la locomotion chez le rat nouveau-né intact et spino-lésé. En nous appuyant sur le modèle de préparation de tronc cérébral / moelle épinière isolée in vitro, nous avons montré que la manipulation de l’organisation temporelle de la commande locomotrice en provenance de la formation réticulée (située dans le tronc cérébral) est efficace pour ajuster finement l’activité des CPGs locomoteurs. Nous avons ensuite mis en lumière l’importance des voies descendantes sérotonergiques dans l’intégration de l’information sensorielle par les CPGs locomoteurs durant la première semaine postnatale. Enfin, en combinant des approches comportementales, neurochimiques et électrophysiologiques, nous avons mis en évidence des effets différents mais complémentaires des neuromodulateurs monoaminergiques (sérotonine, dopamine et noradrénaline) dans la réexpression du comportement locomoteur après une lésion spinale. Notre travail ouvre de belles perspectives pour la compréhension du contrôle afférent de la moelle épinière, à la fois dans un contexte non-pathologique et après un traumatisme médullaire. / Located within the spinal cord, the locomotor central pattern generators (CPGs) organize the rhythmical activation of limb muscles according to specific gait pattern requirements. These CPGs are under the control of supraspinal centers that are involved in the motivational aspect of locomotor behavior, and their activity is constantly modulated by sensory inputs to adapt the locomotor activities to environmental changes. The aim of my doctoral work was to further understand the dynamic interactions between (1) the supraspinal centers, (2) the CPGs and (3) the sensory inputs in both healthy and spinalized newborn rats. Using the isolated brainstem / spinal cord preparation as an in vitro experimental model, we first showed that manipulating the periodicity and the relative durations of left and right descending reticulospinal commands at the brainstem level is efficient to set the locomotor speed and sustain directional changes. We next established the interaction between the descending serotonergic pathways and sensory feedback to shape the spinal locomotor outputs during the first postnatal week. Finally, by combining behavioral, neurochemical and electrophysiological techniques, we showed different but complementary effects of monoaminergic neuromodulators (serotonin, dopamine and norepinephrine) in the expression of locomotor behavior after a spinal cord injury. Our work brings additional data to better understand the afferent control of locomotor spinal CPGs in healthy and spinalized newborn rats.

本論文以表面肌電（Surface Electromypgraphy, SEMG）信號中動態信號能被獲取為前提，把被處理過的表面肌電信號轉變成步態參數 (gait parameters). 我們利用一些便攜式步態測量裝置，如加速度計，陀螺儀和腳踏開關和表面肌電圖測量裝置去採集步態參數。信號的處理和生物信息（身體的動態特性）轉換都加以討論和解釋，如濾波和預測肌肉的收縮等。 / 我們利用被採集步態參數作步態分析，並發現表面肌電信號內的動態信號的頻率特性能夠代表運動過程中的非恆久步態參數，如行走時的足部擺動的期間 (period of swing phase)、行走時的足部站立的期間 (period of stance phase) 和行走時的步幅期間 (period of stride)。 / 最後，我們發現可以利用線性預測 (linear prediction) 和閾值分析 (threshold analysis) 處理表面肌電信號以便獲得三種非恆久步態參數。根據我們的觀察，行走時足部擺動的期間可以被股直肌（rectus femoris, RF）的表面肌電信號捕獲，行走時的步幅期間可以被二頭肌股（bicep femoris, BF）的表面肌電信號捕獲，而行走時的足部站立的期間則可由BF和RF輸出的結果的平均值所捕獲。因此，表面肌電信號是可以作為一種獲取非恆久步態參數的工具。 / Electromyography (EMG) signal is an important quantity for describing the muscle’s activities and provides additional information in describing movement and locomotion in gait analysis. Surface electromyography (SEMG) measurement is a non-vivo technology for acquiring EMG signal. During the measurement of SEMG signals, the motion artifact is captured. Filters are applied to eliminate the frequency characteristics of motion artifact. However, this unwanted signal could be useful for obtaining the temporal gait parameters during the movement, such as the period of swing phase, the period of stance phase, and the period of stride of free walking. / In this study, accelerometers, gyroscopes and foot switches are used for the acquisition of kinematics and surface electromyography is used for measuring muscle’s activities. These measurement devices are evaluated in a gait study on lower extremity. The signal processing and conversion of bio-information (the dynamic characteristics of body) are discussed, such as filtering, and the prediction of muscle’s contraction. / Lastly, temporal gait parameters could be captured by SEMG measurement with the linear prediction process and threshold analysis. From the results, it is observed that the swing period can be captured through the SEMG measurement for rectus femoris (RF), the stride period can be captured by the SEMG measurement for bicep femoris (BF), and the stance period can be captured by the averaged result of the outputs of BF and RF. Thus, SEMG measurement could be a tool for capturing temporal gait parameters. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Chan, Chi Chong. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2012. / Includes bibliographical references (leaves 67-69). / Abstracts also in Chinese. / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Literature Review --- p.1 / Chapter 1.2 --- Objectives --- p.5 / Chapter 1.3 --- Thesis Description --- p.5 / Chapter 2 --- Description for Wearable Gait Measurement --- p.7 / Chapter 2.1 --- Wearable Sensors --- p.8 / Chapter 2.2 --- Surface Electromyography (SEMG) --- p.12 / Chapter 2.3 --- Processing Unit --- p.15 / Chapter 2.4 --- Hardware Connection and Communication --- p.16 / Chapter 2.5 --- Summary --- p.20 / Chapter 3 --- Gait Analysis for Lower Extremity during Walking --- p.21 / Chapter 3.1 --- Gait Parameters Captured by Wearable Sensors --- p.21 / Chapter 3.1.1 --- Foot Switch: Walking Phase Detection --- p.22 / Chapter 3.1.2 --- Gyroscope: Frequency Response of Lower Limbs during Walking --- p.24 / Chapter 3.1.3 --- Accelerometer: Knee Joint Angle Estimation during Walking --- p.30 / Chapter 3.2 --- Analysis of Muscle Activities by SEMG signals --- p.36 / Chapter 3.3 --- Summary --- p.42 / Chapter 4 --- Temporal Gait Parameters during Walking by SEMG Measurement --- p.43 / Chapter 4.1 --- Motion Event and SEMG Signals --- p.43 / Chapter 4.2 --- Walking Phase Detection by SEMG Signals --- p.49 / Chapter 4.3 --- Temporal Gait Parameters --- p.53 / Chapter 4.4 --- Summary --- p.62 / Chapter 5 --- Conclusions, Contributions and Future Work --- p.63 / Chapter 5.1 --- Conclusions --- p.63 / Chapter 5.2 --- Contributions --- p.64 / Chapter 5.3 --- Future Work --- p.65 / Bibliography --- p.67

La radiculopathie cervicale caudale a été identifiée comme cause de boiterie affectant le membre antérieur chez le cheval. Les affections dégénératives des articulations intervertébrales des processus articulaires entraînent un remodelage périarticulaire pouvant comprimer les racines du nerf spinal ou leur rameau ventral. Les objectifs de l’étude étaient de décrire la réalisation d’injections échoguidées périneurales du rameau ventral des nerfs spinaux cervicaux 7 et 8 (RV7 et RV8), d’évaluer sur des cadavres de chevaux par dissection la diffusion péri-nerveuse d’une solution colorée ainsi que de décrire chez des chevaux sains les signes cliniques associés à une anesthésie périneurale échoguidée du RV7 et RV8 individuellement. Dans l’étude post-mortem, 5 RV7 et 5 RV8 ont été visualisés échographiquement et colorés par une injection de 7 ou 14 ml de solution colorée. Une portion du tronc nerveux a été trouvée coloré pour chaque injection. La coloration était uniforme transversalement sur toute la largeur du nerf et couvrait une longueur supérieure à 2 cm pour 8 RV alors qu’une coloration de la moitié crâniale du RV sur une longueur de moins de 2 cm pour un RV7 et un RV8. L’étude sur cheval sain portait sur 4 chevaux sains sans image radiographique anormale de la colonne cervicale. Six RV7 et 8 RV8 ont été anesthésiés de la Lidocaïne 2% mélangés à du iohexol. Toutes les injections ont entraîné boiterie antérieure ipsilatérale de l’injection. Les boiteries les plus sévères correspondaient à une parésie du nerf suprascapulaire pour RV7 et à une parésie radiale pour RV8. Cette étude a montré qu’il était possible de réaliser une injection périneurale des RV 7 et RV8 chez le cheval et que l’anesthésie tronculaire des deux racines provoque une atteinte motrice essentiellement de la fonction nerveuse. Ces résultats contribuent à mieux comprendre la symptomatologie des compressions nerveuses cervicales chez le cheval. / Caudal cervical radiculopathy has been identified as a cause of frontlimb lameness in horses. Degenerative conditions of articular process joint result in periarticular remodeling responsible for compression of spinal nerve roots or their ramus ventralis (RV). The objectives of the study were to describe how to perform perineural RV injection under ultrasonographic guidance, to evaluate on cadaver perineural RV staining after a dye solution injection, as well as describe clinical signs associated with a perineural ultranosonography-guided anesthesia of RV7 and RV8 respectively. In the post-mortem study, the RV of the spinal cervical nerves was visualized in all cadavers. Eight RV had a uniform transversal staining of the nerve trunk that covered longitudinally a distance greater than 2 cm. One C7 and one C8 RV showed incomplete transversal staining with a more concentrated color on its half cranial aspect and a longitudinal coverage of less than 2 cm. The in vivo study included 6 RV7 and 8 RV8 perineural injections of a local anesthetic agent, performed on 4 horses that had no abnormal finding on cervical radiographs. All anesthetic injections (lidocaine 2% and iohexol) resulted in modifications of the locomotion with variable degree of lameness on the ipsilateral frontlimb. Severe lameness was characteristic of a suprascapular paresis for RV7 and a radial paresis for RV8. Mild to moderate lameness on the ipsilateral frontlimb included decreased anterior phase of the stride, intern circumduction of the limb and sometimes stumbling for that same frontlimb. Signs of ataxia on the hindlimbs were encountered for 3 injections. This study showed that it is possible to perform perineural injections of RV7 and RV8 in horses and that perineural anesthesia of RV7 and RV8 results in motor dysfunction. These findings constitute a contribution to understanding clinical signs associated with cervical nerve compression in horses.