Les environnements virtuels sont des outils de plus en plus fréquemment utilisés dans le domaine de la formation sans que leur conception soit systématiquement guidée par des préconisations ergonomiques. Ce travail de thèse propose d’élaborer et d’évaluer des recommandations ergonomiques relatives au guidage de l’apprenant au cours de son apprentissage en EVAH (Environnement Virtuel pour l'Apprentissage Humain). Après avoir évalué l’utilité pour l’apprentissage d’un EVAH destiné à des techniciens de laboratoire, deux expériences ont été menées afin de déterminer un guidage optimal de l’apprenant lors de sa formation au lancement de tests de coagulation. La première expérience analysait l’impact d’une organisation hiérarchique d’instructions sonores sur l’apprentissage. La deuxième évaluait les modalités de présentation d’un guidage visuel et leurs conséquences sur l’acquisition de la procédure. Les résultats obtenus à l’issue de ces deux expériences ont permis de proposer des recommandations ergonomiques quant à la conception d’un guidage sonore et d’un guidage visuel de l’apprenant lors de l’acquisition d’une procédure. Enfin, ces recommandations ont été implémentées dans l’EVAH. Ainsi « amélioré », il a été confronté à l’environnement virtuel de référence dans le but d’évaluer l’efficacité des préconisations. Les résultats montrent que la prise en compte des recommandations ergonomiques proposées améliore les performances des apprenants. / Virtual environments are tools that are becoming more frequently used in the field of training, however their design is not systematically guided by ergonomic considerations. This thesis presents the development and evaluation of ergonomic recommendations to guide the learner during VET (Virtual Environment for Training) training. After evaluating the usefulness of STA-R Virtuel, a VET for laboratory technicians, two experiments were conducted to determine optimal ways of cueing the learner during their training in the execution of coagulation tests. The first experiment analyzed the impact on learning of a hierarchical organization of auditory instructions. The second evaluated different ways of presenting a visual guide and their impact on learned proficiency in the procedure. The results obtained at the end of these two experiments were then used to develop ergonomic recommendations for the design of auditory and visual cues to enhance learner performance. Finally, these recommendations were implemented in the VET. The improved version was compared with the reference virtual environment in order to assess the effectiveness of the recommendations. The results show that the inclusion of the proposed ergonomic recommendations improves the learners' performance.

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie dégénérative la plus répandue au Canada. Elle se caractérise par des symptômes moteurs importants tels le tremblement de repos, la rigidité musculaire, l’instabilité posturale, la lenteur dans les mouvements ainsi que par des symptômes non moteurs, notamment une diminution du fonctionnement cognitif. Conséquemment, la nature hétérogène des symptômes de la MP dirige bien souvent l’individu atteint vers une sédentarité physique et mentale involontaire. Les traitements pharmacologiques et neurochirurgicaux demeurent les approches thérapeutiques majoritairement choisies. Toutefois, de plus en plus d’études visant à examiner les impacts de l’exercice physique aérobique (EPA) ont démontré des bénéfices de ce traitement non pharmaceutique, entre autres, en améliorant les symptômes moteurs de la maladie. Néanmoins, l’effet de l’exercice sur la cognition et l’apprentissage moteur à travers la MP est encore méconnu. Ainsi, ce projet de thèse vise à étudier les changements cognitifs et moteurs suite à un entrainement cardiovasculaire. Une première étude visait à mesurer les changements comportementaux au niveau de la capacité aérobique, des fonctions cognitives dites exécutives et de l’apprentissage procédural moteur suite à l’EPA. Une deuxième étude utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permettait ensuite d’identifier les corrélats neuronaux associés à l’effet de l’EPA sur l’apprentissage moteur. 20 participants en santé et 19 atteintes de la MP, âgées entre 40-80 ans, ont participé à un programme d’entrainement de 3 mois (3 fois/semaine) à une intensité élevée, débutant à 20 minutes (+5 minutes/semaine) pour atteindre 40 minutes d’EPA. Le niveau d’intensité de base a été prescrit selon la capacité aérobique initiale du participant en réponse au test à l’effort effectué (pré et post entraînement). Plusieurs mesures d’évaluation physiques (VO2peak, pression artérielle, fréquence cardiaque) et neuropsychologiques (« Stroop, trail making test » (TMT)) ont été prises en début et à la fin de l’entraînement. De plus, des sessions d’acquisition de données cérébrales fonctionnelles grâce à l’IRMf ont été administrées durant la passation d’une tâche d’apprentissage moteur implicite (tache : « Serial Reaction Time Task »(SRT)). Les résultats ont montré que l’entraînement en EPA fut efficace car une amélioration significative de la capacité aérobique fut observée chez tous les participants. Au niveau comportemental, l’EPA a eu pour effet d’améliorer les capacités d’inhibition (Stroop) et d’apprentissage moteur (SRT), mais pas celle associée à la flexibilité mentale (TMT). Pour leur part, les données de neuroimagerie ont révélé une augmentation de l’activité fonctionnelle liée à l’amélioration de l’apprentissage moteur au niveau de l’hippocampe, du striatum et du cervelet, et ce en comparaison avec les sujets contrôles. De plus, les changements fonctionnels chez les individus atteints de la MP étaient corrélés au changement de la capacité aérobique : une relation positive fut liée à l’augmentation de l’activité de l’hippocampe et du striatum, tandis qu’une relation négative fut observée au niveau du cervelet. Ce projet est l’un des premiers à mettre en lumière l’impact clinique d’un traitement non pharmaceutique visant à améliorer la nature motrice et cognitive des symptômes de la MP, ainsi que de proposer les mécanismes neurofonctionnels pouvant expliquer l’amélioration observés au niveau de l’apprentissage suivant l’entrainement en EPA. Ainsi, nous croyons que les résultats de cette étude serviront les milieux cliniques et la population de patients atteints de la maladie de Parkinson en proposant une solution thérapeutique efficace et économique afin d’améliorer la qualité de vie de ces derniers. / Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder in Canada. It is mainly characterized by important motor symptoms such as slow movement, tremor, rigidity and problems with locomotion, but non-motor symptoms (NMS) such as cognitive dysfunctions are also present early in the disease. Inadvertently, the heterogeneous nature of PD’s symptoms may lead to an unintentional sedentary behaviour both at the physical and mental level. To date, the most common forms of PD treatments remain pharmacological and neurosurgical in nature. Most recently, however, studies have demonstrated benefits of aerobic exercise training (AET) as a non-pharmaceutical treatment with significant effects on PD’s motor symptoms. Nevertheless, the effects of exercise on cognitive and motor learning function in PD remain unknown. Thus, this thesis project aims at studying cognitive and motor changes following AET. Most specifically, the first study intended to assess behavioural changes related to aerobic capacity, cognitive (executive) functions and procedural learning following three months of AET. The second article used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to identify the neural correlates associated with the effect of AET on motor learning. Twenty healthy controls (HC) and 19 early PD individuals, aged 40-80 years old, participated in a supervised high intensity stationary recumbent bike training program (3 times/week; 12 weeks). Exercise prescription started at 20 minutes (+5 minutes/week up to 40 minutes) based on participants’ maximal volume of oxygen uptake (pre and post training). Several physical (VO2peak, blood pressure, heart rate) and cognitive (Stroop and Trail making tests (TMT)) measures were used pre and post AET. Importantly, participants’ procedural learning skill (implicit motor learning) was evaluated using a version of the Serial Reaction Time Task (SRT) during the acquisition of functional neuroimaging data. AET program was effective as indicated by a significant improvement in aerobic capacity in all participants. At the behavioural level, AET improved inhibition (Stroop) and motor learning (SRT), but not flexibility (TMT). Brain imaging data revealed pre-post MSL-related increases in functional activity in the hippocampus, striatum and cerebellum in PD patients as compared to controls. Importantly, functional brain changes in PD individuals correlated with changes in aerobic capacity: a positive relationship was found with increased activity in the hippocampus and striatum, while a negative relationship was observed with the cerebellar activity. This project is one of the first to elucidate the clinical impact of such non-pharmaceutical treatment targeting motor and non-motor aspects of PD. Accordingly, it is believed that the results will be of use for clinical settings and for the population of patients with PD, as they give evidence in favour of an efficient and economical therapeutic solution for PD.

Notre but de comprendre les mécanismes constitutifs de la déficience intellectuelle et de la dyspraxie verbale, deux pathologies qui affectent les performances aux tests psychométriques. Nous avons sélectionné plusieurs processus pouvant contribuer à l’explication de ces troubles : la vitesse de traitement de l’information et la mémoire travail pour la déficience intellectuelle ; et l’apprentissage procédural pour la dyspraxie verbale. Dans une première étude, nous avons montré que dans la population « tout venant » d’enfants non déficients, la vitesse de traitement augmente avec l’âge. Notre seconde expérience a montré que des patients déficients intellectuels avaient la même vitesse de traitement que des enfants plus jeunes appariés sur l’âge mental. Par ailleurs, nous avons montré que ce ralentissement est similaire dans le syndrome de l’X-Fragile et dans la Trisomie 21. Inversement, la vitesse de traitement des enfants dyspraxiques verbaux est préservée. Ces résultats viennent discuter les deux modèles théoriques de l’intelligence que nous avons choisis comme référence, le modèle en cascade de Fry & Hale (1996) et le modèle d’Anderson (1992). Dans le second volet de nos recherches, nous avons mis en évidence un apprentissage procédural implicite comparable dans deux groupes d’enfants d’âges chronologiques différents malgré des temps de réaction plus importants chez les plus jeunes. La seconde étude montre une préservation de l’apprentissage procédural implicite dans le syndrome de l’X-Fragile et une altération spécifique dans la Trisomie 21. Cela démontre que ce processus est indépendant du QI et varie selon les syndromes. Notre dernière étude montre un trouble important de l’apprentissage procédural implicite dans la dyspraxie verbale, confortant notre hypothèse de départ. L’ensemble de ces résultats est discuté au regard des travaux antérieurs et des modèles théoriques afin de proposer des ouvertures tant théoriques que cliniques. / Our aim is to understand previous process in mental retardation and childhood apraxia of speech (CAS). There are both neurodevelopmental disorders which affect psychometric assessment. We have selected several processes which could explain these disorders such has speed of information processing, working memory for mental retardation and implicit procedural learning for childhood apraxia of speech. In our first study, we have demonstrated within two groups of typical children without disorders that speed of processing increased with chronological age. In the second study, our results have demonstrated the same speed of processing between a group with mental retardation and with mental age matched control group. Moreover, Down and Fragile X syndrome have the same speed of information processing. On the contrary, in our third study, children with CAS and chronological age matched control group have the same speed as process visual information. All results are important to discuss both theories of intelligence we have chosen: the cascade model (Fry and Hall, 1990) and the minimal cognitive architecture (Anderson, 1992). In the second experimental part, our first results have shown a different reaction time between the two groups of young children but both have learned the sequence in a serial reaction time task (implicit procedural learning test). The second study have demonstrated preserved implicit learning in Fragile X but altered learning in Down syndrome. The difference between to these two genetics syndromes is a proof of implicit sequence learning is independent of IQ. The latest results have shown severe implicit procedural learning impairment in CAS. We conclude that this is the cause of CAS.Our discussion is about all results and links between intelligence and disorders with regard to previous studies. Those results aim for both theorical and clinical openings.

Virtual Reality (VR) is valuable for educational purposes, particularly procedural learning. However, single-user applications lack the benefits of teacher guidance. Symmetrical VR systems, where both teacher and student use VR, have limitations in supervision and accessing external materials. Asymmetrical systems can solve this problem by allowing the teacher to use a different device. To investigate the potential of an asymmetrical VR system and the impact of embodiment on the learning experience, an asymmetrical VR system was developed using a tablet. The system was tested using an assembly task to explore the impact of embodiment (no avatar, avatar without hands, avatar with hands) and the teacher’s device, VR Head-Mounted Display (HMD) or tablet, on task difficulty, performance, social presence, communication quality, and preference. Results indicated that an avatar with hands yielded the best outcomes, and communication was similar to face-to-face interaction. The experience of the asymmetrical system, in which only the student used a VR HMD, was perceived alike compared to a similar symmetrical system, in which both student and teacher used a VR HMD. Therefore, an asymmetrical VR system can be a feasible option for Collaborative Virtual Environments, offering cost-effectiveness and easier set-up while not isolating the teacher from the physical environment. / Virtual Reality (VR) är värdefullt för utbildningsändamål, särskilt inom procedurellt lärande. Applikationer för enskilda användare saknar dock fördelarna med lärarhandledning. Symmetriska VR-system, där både lärare och student använder VR, har begränsningar när det gäller bevakning och tillgång till externa material. Asymmetriska system kan lösa detta problem genom att låta läraren använda en annan enhet. För att undersöka potentialen hos ett asymmetriskt VR-system och förkroppsligandets inverkan på lärandeupplevelsen utvecklades ett asymmetriskt VR-system med hjälp av en surfplatta. Systemet testades med en montageuppgift för att utforska hur förkroppsligandet (ingen avatar, avatar utan händer, avatar med händer) och lärarens enhet, VR Head-Mounted Display (HMD) eller surfplatta, påverkar uppgiftens svårighetsgrad, prestation, social närvaro, kommunikationskvalitet och preferenser. Resultaten visade att en avatar med händer gav bäst resultat och att kommunikationen var liknande ansikte mot ansikte-interaktion. Upplevelsen av det asymmetriska systemet, där bara studenten använde en VR HMD, uppfattades snarlik ett liknande symmetriskt system, där både studenten och läraren använde en VR HMD. Därför kan ett asymmetriskt VR-system vara ett användbart alternativ för virtuella miljöer för samarbete, eftersom det är kostnadseffektivt och enklare att installera samtidigt som det inte isolerar läraren från den fysiska miljön.

Das aktuelle Modell zur Pathophysiologie der Zwangserkrankung (OCD) geht von fronto-striatalen Dysfunktionen aus. Damit werden Beeinträchtigungen im prozeduralen Lernen, das anhand der Serial Reaction Time Task (SRTT) erfasst werden kann, in Verbindung gebracht. Die Befunde zu Defiziten von OCD-Patienten in der SRTT sind widersprüchlich, was auf Unterschiede im methodischen Vorgehen sowie die zusätzliche Auslastung des Arbeitsgedächtnisses durch die Vorgabe einer Gedächtnisaufgabe zurückgeführt wird. Weiterhin ist unklar, ob die vermutete fronto-striatale Dysfunktion und die Defizite im prozeduralen Lernen kennzeichnend für OCD sind oder auch bei anderen Störungsbildern auftreten. Die prozedurale Lernleistung von OCD-Patienten wurde mit der Lernleistung von gesunden Probanden, Patienten mit einer Angststörung und Patienten mit einer Depression verglichen. Weiterhin wurde die prozedurale Lernleistung unter der Vorgabe der SRTT alleine (single-task) und bei gleichzeitiger Vorgabe einer Gedächtnisaufgabe (dual-task) untersucht. OCD-Patienten zeigten im Vergleich zu gesunden Probanden Defizite im prozeduralen Lernen – sowohl unter der single-task als auch unter der dual-task Bedingung. Im Vergleich zu Patienten mit einer Angststörung zeigte sich lediglich in der dual-task Bedingung eine tendenzielle Beeinträchtigung der OCD-Patienten. Keine Unterschiede ergaben sich in der prozeduralen Lernleistung zwischen OCD-Patienten und Patienten mit einer Depression. Die stärkste Beeinträchtigung der prozeduralen Lernleistung in den verschiedenen Symptomdimensionen (Kontrolle, Waschen, Symmetrie, Horten) der OCD zeigte sich in der Dimension Horten. Außerdem waren die Defizite im prozeduralen Lernen stärker bei Patienten mit einem früheren Beginn der Zwangsstörung ausgeprägt. Die Befunde stehen im Einklang mit bisherigen Ergebnissen, wonach bei OCD eine Beeinträchtigung im prozeduralen Lernen vorliegt, was für die Annahme einer fronto-striatalen Dysfunktion bei OCD spricht. / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is seen as a disease that implicates fronto-striatal dysfunctions. These dysfunctions are hypothesized to be related to neuropsychological deficits. One of the putative deficits regards procedural learning, which can be assessed by using the serial reaction time task (SRTT). So far, the results regarding procedural learning in OCD patients are inconsistent, which is attributed to differences in methods, like the implementation of a secondary task (dual-task condition) using a concurrent working memory load. Moreover, it is still uncertain whether the fronto-striatal dysfunctions and the deficits in procedural learning are specific to OCD or if they can also be found in other mental illnesses. Procedural learning performance as measured with the SRTT was compared in OCD patients, healthy subjects, patients with anxiety disorder and depression. Additionally, procedural learning was examined under single- (SRTT) and dual-task (SRTT plus a secondary task) conditions. In comparison with healthy subjects, procedural learning was impaired in OCD patients – both in the single- and in the dual-task condition. Yet in the dual task condition, procedural learning was diminished in both groups. Compared to patients with anxiety disorder, OCD patients were impaired in procedural learning only in the dual-task condition, while there was no difference between OCD and depression in procedural learning. Regarding the different symptom dimensions of OCD (checking, washing, symmetry, hoarding), patients high on the dimension hoarding exhibited the most distinct impairment. Moreover, deficits in procedural learning were more pronounced in OCD patients with an earlier age at illness onset. The results confirm previous findings and add supportive evidence for performance deficits in procedural learning and the fronto-striatal dysfunction model of OCD.

The striatum represents the main input nucleus of the basal ganglia, a system of subcortical nuclei critically involved into motor control and motivational processes and altered in several conditions such as Parkinson’s diseases or drug addiction. The projection neurons of the striatum are GABAergic (γ-aminobutyric acid) medium-sized spiny neurons (MSNs), and account for the large majority of striatal neurons, while interneurons represent about 10% of striatal cells. The MSNs are subdivided into two subpopulations that form two main efferent pathways: the striatonigral and striatopallidal neurons. The striatonigral MSNs project to the entopeduncular nucleus (EP) and substancia nigra pars reticulata (SNr) (direct pathway) and co-express dopamine D1 receptors (D1R) and substance P neuropeptide (SP). On the other hand, striatopallidal MSNs project to the lateral globus pallidus (LGP) (indirect pathway) and co-express dopamine D2 receptor (D2R), adenosine A2A receptor (A2AR) and enkephalin (Enk). The D1R striatonigral and D2R striatopallidal MSNs are equal in number and shape and are mosaically distributed through all the striatum. The dorsal striatum is mainly involved in motor control and learning while the ventral striatum is crucial for motivational processes. In view of the still debating respective functions of projection D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons and striatal interneurons, both in motor control and learning of skills and habits but also in more cognitive processes such as motivation, we were interested in the development of models allowing the removal of selective striatum neuronal populations in adult animal brain. Because of the mosaical organisation of the striatum, a targeting of specific neuronal type, with techniques such as chemical lesions or surgery, is still impossible. Taking advantage of new transgenic approaches, the goal of the present work was to generate and/or to initiate the characterization of genetic models in which a selective subtype of striatal neuron can be ablated in an inducible way. We used a transgenic approach in which mice express a monkey diphtheria toxin (DT) receptor (DTR) in D2R-striatopallidal or D1R-striatonigral neurons. Local stereotactic injections of DT can then induce selective neuronal ablation in functionally different striatal areas.<p>We first investigated functions of D2R-striatopallidal neurons in motor control and drug reinforcement by their selective ablation in the entire striatum or restricted to the ventral striatum. This DTR strategy produced selective D2R striatopallidal MSN ablation with integrity of the other striatal neurons as well as the striatal dopaminergic function. D2R MSN ablation in the entire striatum induced permanent hyperlocomotion while ventral striatum-restricted ablation increased amphetamine place preference.<p>We next compared respective roles of D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons in motor control and skill learning in functionally different striatum subregions.<p>Finally, to target nitrergic interneurons of the striatum, we developed a bacterial artificial chromosome genetic strain in which the cre-recombinase expression is under the control of the neuronal nitric oxide gene promoter.<p><p>Altogether, those results show that DTR expression and DT local injections is an efficient and flexible strategy to ablate selective striatum neuronal types with spatial resolution. We provide the first direct experimental evidences that D2R striatopallidal neurons inhibit both locomotor and drug-reinforcement processes and that D2R and D1R MSNs in different striatum subregions have distinct functions in motor control and motor skill learning. Those results strongly support a cell-type and topographic functional organization of the striatum and underscore the need for characterization of the specific cellular and molecular modifications that are induced in D2R and D1R MSNs during drug-reinforcement or procedural learning.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished