La version intégrale de cette thèse est disponible uniquement pour consultation individuelle à la Bibliothèque de musique de l’Université de Montréal (http://www.bib.umontreal.ca/MU). / Cette thèse a pour objet l’étude interdisciplinaire et systématique de l’expression du timbre au piano par les pianistes de haut niveau, dans le contexte de l’interprétation et la pratique musicales. En premier lieu sont exposées la problématique générale et les différentes définitions et perspectives sur le timbre au piano, selon les points de vue scientifiques et musicaux. Suite à la présentation de la conception du timbre au piano telle qu’établie par les pianistes dans les traités pédagogiques, la perception et la verbalisation du timbre au piano sont examinées à l’aide de méthodes scientifiques expérimentales et quantitatives. Les mots dont usent les pianistes pour décrire et parler de différentes nuances de timbre sont étudiés de façon quantitative, en fonction de leurs relations sémantiques, et une carte sémantique des descripteurs de timbre communs est dressée. Dans deux différentes études, la perception du timbre au piano par les pianistes de haut niveau est examinée. Les résultats suggèrent que les pianistes peuvent identifier et nommer les nuances de timbre contrôlées par l’interprète dans des enregistrements audio, de façon consistante et convergente entre production et perception. Enfin, la production et le contrôle gestuel du timbre au piano en interprétation musicale est explorée à l’aide du système d’enregistrement d’interprétation Bösendorfer CEUS. La PianoTouch toolbox, développée spécialement sous MATLAB afin d’extraire des descripteurs d’interprétation à partir de données de clavier et pédales à haute résolution, est présentée puis mise en œuvre pour étudier la production expressive du timbre au piano par le toucher et le geste au sein d’interprétations par quatre pianistes exprimant cinq nuances de timbre et enregistrées avec le système CEUS. Les espaces et portraits gestuels des nuances de timbre ainsi obtenus présentent différents degrés d’intensité, attaque, équilibre entre les mains, articulation et usage des pédales. Ces résultats représentent des stratégies communément employées pour l’expression de chaque nuance de timbre en interprétation au piano. / This dissertation presents an interdisciplinary, systematic study of the expression of piano timbre by advanced-level pianists in the context of musical performance and practice. To begin, general issues and aims are introduced, as well as differing definitions and perspectives on piano timbre from scientific and musical points of view. After the conception of piano timbre is presented as documented by pianists in pedagogical treatises, the perception and verbalisation of piano timbre is investigated with experimental and quantitative scientific methods. The words that pianists use to describe and talk about different timbral nuances are studied quantitatively, according to their semantic relationships, and a semantic map of common piano timbre descriptors is drawn out. In two separate studies, the perception of piano timbre by highly skilled pianists is investigated. Results suggest that advanced pianists can identify and label performer-controlled timbral nuances in audio recordings with consistency and agreement from production to perception. Finally, the production and gestural control of piano timbre in musical performance is explored using the Bösendorfer CEUS piano performance recording system. The PianoTouch toolbox, specifically developed in MATLAB for extracting performance features from high-resolution keyboard and pedalling data, is presented and used to study the expressive production of piano timbre through touch and gesture in CEUS-recorded performances by four pianists in five timbral nuances. Gestural spaces and portraits of the timbral nuances are obtained with differing patterns in intensity, attack, balance between hands, articulation and pedalling. The data represents common strategies used for the expression of each timbral nuance in piano performance.

Nos entrées sensorielles, comme nos mouvements, sont entachés d’incertitudes. Pourtant, notre système nerveux central semble être aussi précis que possible compte tenu de ces incertitudes: il les gère de manière optimale, par exemple en pondérant des informations sensorielles redondantes en fonction de leur fiabilité, ou en prenant en compte ses incertitudes motrices lors de la réalisation de mouvements. Si les modalités des combinaisons d’informations redondantes sont bien connues lors de tâches statiques, elles le sont moins en conditions dynamiques, lors de mouvements. La partie expérimentale de cette thèse a permis de confirmer l’existence de mécanismes d’estimation et de contrôle optimaux des mouvements chez l’humain. En effet, nous avons mis en évidence l’intégration optimale d’information visuelle lors de la réalisation de saccades à la lumière: lors de séquences de saccades, le système visuomoteur est capable d’utiliser l’information visuelle pour mettre à jour ses estimations internes de la position de l’œil. Une étude complémentaire des sources de variabilité des saccades suggère un rôle similaire pour la proprioception extra-oculaire. Par une troisième expérience, novatrice, nous avons montré que le toucher est pris en compte en temps réel lors de mouvements de la main en contact avec une surface. Nous avons également inféré une mesure de la variance de l'information tactile. Enfin, à partir des connaissances sur la représentation des variables sensorimotrices dans le système nerveux, nous avons construit plusieurs réseaux de neurones qui implémentent de manière proche de l'optimum statistique la planification et le contrôle de mouvements / Our sensory inputs, as well as our movements, are uncertain. Nevertheless, our central nervous systems appears to be as accurate as possible: these uncertainties are handled in an optimal fashion. For example, redundant sensory signals are weighted according to their accuracy, and motor uncertainties are taken in account when movements are made. The characteristics of the combination of redundant sensory signals are well known for static tasks. However, they are less known in dynamic conditions. The experimental part of this thesis allowed to confirm the use of statistically optimal sensorimotor processes during movements. We showed that visual information can be integrated during sequences of saccades, the oculomotor system being able to use visual information to update its internal estimate of eye position. A complementary study on the sources of variability for saccadic eye movements suggests a similar role for extra-ocular proprioception. In a third original experiment, we showed that tactile input is optimally taken in account for the on-line control of arm movements during which fingertips are in contact with a textured surface. Last, we built several neuronal networks models simulating optimal movement planning. These networks were based on current knowledge about probabilistic representations in the nervous system

Ce travail vise à décrire la réponse mécanique de matériaux divisés tels que les mousses aqueuses et les matériaux granulaires. Ces systèmes ont un comportement de type élastique à faible déformation et plastique au-delà d'une déformation seuil. Le caractère localisé des événements de plasticité et la longue portée des interactions élastiques conduisent à des phénomènes comparables de localisation d'écoulement, d'intermittence et de vieillissement induit par le cisaillement. Nous avons cherché à les étudier au moyen d'approches expérimentales et numériques variées associant des mesures aux échelles locales et globales. Nous avons par ailleurs développé des mesures, résolues spatialement, des déformations et contraintes mécaniques aux interfaces de frottement. Nous avons notamment développé un capteur tribologique, utilisant des micro-capteurs de force de type MEMS, qui permet une mesure dynamique des contraintes à la base d'un film élastique en frottement. Ce senseur, qui constitue un analogue rudimentaire du système mécanorécepteur/peau, a été mis à profit dans le cadre d'une étude de la transduction de l'information tactile dans le toucher humain par une approche de type bio-mimétique.

Ce travail de thèse présente la conception, la caractérisation et l'utilisation d'un système de toucher artificiel pour l'étude de la reconnaissance tactile de textures. Le système de toucher artificiel se compose d'un doigt artificiel et d'un dispositif d'exploration permettant un déplacement automatisé du doigt sur les échantillons. Le doigt artificiel fonctionne grâce à un micro-capteur d'efforts tri-axes MEMS recouvert d'une peau artificielle (ou enrobage) en polyuréthane. Le MEMS mesure ainsi les trois composantes spatiales des efforts transmis par l'enrobage lorsque celui-ci est sollicité. Afin de déplacer le doigt artificiel et ainsi d'explorer des surfaces, deux dispositifs motorisés ont été successivement conçus. Grâce au premier dispositif, nous avons rapidement mis en place des expériences d'exploration de surfaces, afin d'évaluer les possibilités de discrimination de textures de notre doigt artificiel. Le second dispositif, permet une meilleure maitrise des différents paramètres de l'exploration comme la vitesse de déplacement ou la force appliquée. Il permet également de caractériser le doigt artificiel, lors d'une simple mise en contact ou pendant la friction du doigt sur une surface. Une étude de ce type a notamment permis une meilleure compréhension du comportement du doigt artificiel et des phénomènes mis en jeu lors de l'exploration tactile de textures. Les premières expériences d'exploration de surfaces montrent une bonne sensibilité du doigt artificiel pour la détection de la périodicité de l'armure d'un tissu, ou pour la discrimination de deux textures de différentes natures (papier v.s. tissu). Le doigt artificiel est ensuite évalué avec une expérience de discrimination de 10 textures de papiers. Les signaux d'exploration obtenus de cette expérience mettent en évidence certains problèmes de reproductibilité des mesures. Toutefois, associé à plusieurs algorithmes de classification mis en place, le doigt artificiel montre de bonnes performances à la discrimination des 10 textures, particulièrement grâce aux caractéristiques spectrales extraites du signal. Plusieurs réalisations de cette expérience, avec différents protocoles de mesures, permettent de valider les résultats de classification, et d'étayer certaines hypothèses sur le comportement de notre système de toucher artificiel et plus généralement à propos de la reconnaissance tactile de textures.

Après la transmission de l'image et du son à travers les réseaux télécoms, il était logique de s'intéresser à la transmission du geste. Le « toucher 3D » est en train de révolutionner la façon de travailler des utilisateurs de la 3D sur ordinateur. Il permet aux gens de manipuler directement des objets et des données numériques de la même façon que dans la réalité en utilisant leur sens du toucher. Il existe des systèmes à retour d'effort, représentés par des manches munis de moteurs pilotés par des logiciels. Ils renvoient dans la main de l'utilisateur des sensations de forces, de vibrations, ils sont programmables en fonction d'une certaine tâche à effectuer dans le monde virtuel. Lors d'un toucher distant, d'un télégeste, nous sommes confrontés au problème de l'instabilité de la boucle haptique (homme-système à retour d'effort-réseau-retour de la force dans la main du manipulateur). Cette instabilité est provoquée par le retard introduit par la latence incompressible du réseau de télécommunication. Idéalement on désirerait obtenir une réponse instantanée (inférieure à la milliseconde), or l'élaboration d'une telle réponse est irréalisable car elle est non causale. Afin de contrer le retard introduit par le réseau nous avons utilisé des prédicteurs dans le but d'obtenir une réponse simultanée à la sollicitation du manipulateur du système à retour d'effort. Cette amélioration d'ergonomie du télégeste est réalisée grâce à la pertinence statistique du modèle de l'algorithme de prédiction.

Nos entrées sensorielles, comme nos mouvements, sont entachés d'incertitudes. Pourtant, notre système nerveux central semble être aussi précis que possible compte tenu de ces incertitudes: il les gère de manière optimale, par exemple en pondérant des informations sensorielles redondantes en fonction de leur fiabilité, ou en prenant en compte ses incertitudes motrices lors de la réalisation de mouvements. Si les modalités des combinaisons d'informations redondantes sont bien connues lors de tâches statiques, elles le sont moins en conditions dynamiques, lors de mouvements. La partie expérimentale de cette thèse a permis de confirmer l'existence de mécanismes d'estimation et de contrôle optimaux des mouvements chez l'humain. En effet, nous avons mis en évidence l'intégration optimale d'information visuelle lors de la réalisation de saccades à la lumière: lors de séquences de saccades, le système visuomoteur est capable d'utiliser l'information visuelle pour mettre à jour ses estimations internes de la position de l'œil. Une étude complémentaire des sources de variabilité des saccades suggère un rôle similaire pour la proprioception extra-oculaire. Par une troisième expérience, novatrice, nous avons montré que le toucher est pris en compte en temps réel lors de mouvements de la main en contact avec une surface. Nous avons également inféré une mesure de la variance de l'information tactile. Enfin, à partir des connaissances sur la représentation des variables sensorimotrices dans le système nerveux, nous avons construit plusieurs réseaux de neurones qui implémentent de manière proche de l'optimum statistique la planification et le contrôle de mouvements

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente. / Abstract Early anatomical and single-unit recording studies established a crucial role for the primary and secondary somatosensory cortices (SI & SII) in processing somatosensory information. However, recent advances in brain imaging and analysis techniques have called into question their role in somatosensation. Findings from this recent research are relevant to the study of the reorganizational changes occurring in the somatosensory cortices that have been causally linked to the genesis of pain in amputee patients. These patients continue to perceive and experience pain in the absent limb, which is usually referred to as phantom-limb pain; but little research on this phenomenon has focused on other regions outside SI, and further study is needed. The present series of experiments involve an exploration of the roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous tactile stimuli in healthy volunteers and patients with phantom-limb pain. The first experimental study in Chapter 3 is a meta-analytic review of neuroimaging studies examining noxious stimuli evoked activation in healthy volunteers. In comparison to previous reviews that have merely reported the prevalence of pain-related activation, the present study yields quantitative probabilistic maps that permit localization of the likelihood of obtaining activation in response to noxious stimuli within any brain region. The role of the somatosensory cortices in the conscious perception of brief warm stimuli was explored in Chapter 4 using functional magnetic resonance imaging, where noxious and innocuous thermal stimuli were counterbalanced within the experimental protocol. This procedure allowed a gating of the somatosensory system in which the perception of warm stimuli was attenuated by painful stimuli, thus permitting the comparison of detected with undetected stimuli. Results showed that detected warm stimuli significantly activated SI and SII. It is also possible to draw insight regarding which cortical regions subserve somatosensory processing and its organization by clinical assessment of amputee patients, who demonstrate altered somatosensation. To date, few studies have explored the relationship between referred sensations to the phantom and cortical reorganization. In Chapter 5 we hypothesized that referred sensations to phantom limbs are a perceptual correlates of a somatotopic reorganization of sensory representations. Derangements in referred sensations can give clues to the regions involved in referred sensations genesis. Thus, a quantitative sensory testing protocol was administered to a group of phantom-limb pain patients. Results showed that, contrary to previous reports, referred sensations to the phantom differed greatly based on the type and intensity of the tactile stimuli applied to the body, with no evidence of a spatially localized pattern. Previous reports of referred sensations have solely focused on plastic changes in SI. However, the present results suggest that other cortical regions with bilateral receptive fields also undergo reorganizational changes in response to deafferentation. These studies present an emerging picture of the cortical regions involved in the perception of somatosensory stimuli, which include SI and SII, as well as the insula. Findings are relevant to our understanding of the neural correlates of conscious perception of somatosensation and the formation of the mental representation of stimuli applied to the body.

Notre recherche vise à explorer les bases cérébrales de l'interaction sociale, par le biais notamment de l'électro-encéphalographie synchrone de plusieurs individus (hyperscanning-EEG). Cette thèse s'articule autour de trois volets théoriques, méthodologiques et expérimentaux complémentaires dans leur fonction. En premier lieu, nous proposons deux cadres conceptuels éclairant l'analyse des synchronies interindividuelles (couplage) chez l'humain. Le premier cadre s'intéresse aux conditions d'apparition du couplage, que l'on présente en considérant les principes fondamentaux qui semblent prédisposer à son émergence. Le second cadre théorique a pour but d'appréhender les rôles fonctionnels possibles du couplage. On y propose une taxonomie des processus de cognition sociale explorés au cours d'expériences sur le couplage entre sujets en interaction. En second lieu, des travaux en traitement du signal visent à développer des méthodes d'analyse adéquates pour les données produites au cours d'expérimentations en hyperscanning. On s'intéresse en particulier aux approches de séparation de source conjointe (JBSS) permettant de prendre en compte l'information inter-sujet dans la séparation. L'avantage de ces développements récents sur les méthodes classiques est démontré par une étude comparative de leurs performances sur données réelles acquises en hyperscanning-EEG. En dernier lieu, on contribue au champ des neurosciences sociales à travers une étude hyperscanning-EEG qui porte sur les effets du toucher affectif sur le couplage des activités cérébrales et physiologiques entre individus en interaction. Nous montrons que, chez des partenaires en couple, le toucher peut accroitre la dépendance des activités physiologiques, un résultat qui appuie son rôle particulier pour la communication et le support affectif au sein des relations intimes.

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Cette thèse porte sur la question de la perception des systèmes d’appuis situés à l’intérieur des transports publics urbains, premières interfaces entre l’usager et le matériel roulant, en vue d’améliorer leur confort. Une exploration a été effectuée afin d’objectiver le toucher des surfaces et tenter de caractériser instrumentalement l’interaction entre le voyageur et la surface d’appui, réduit à un toucher tangentiel et à un contact plan/plan. L’étude, liant tribologie et évaluation sensorielle, montre la difficulté inhérente à la mesure des sensations. Des tendances ont été observées entre les données tribologiques et sensorielles et encouragent à poursuivre dans cette voie. En outre, la question du confort est abordée de manière globale et un nouveau cadre d’étude est proposé. Les réflexions initiées ici souhaitent ouvrir la voie vers une nouvelle approche de la conception, l’approche anthropocentrée, venant compléter la vision actuelle très technocentrée du milieu ferroviaire. / This thesis aims to improve passenger comfort in urban public transports by focusing on the perception of supports in the passenger compartment, which are the primary interfaces between the traveler and the rolling stock. An exploration was carried out in order to objectify the touch of surfaces and try to characterize instrumentally the interaction between the passenger and the support, reduced to a tangential touch and a planar contact surface. The study, linking tribology and sensory evaluation, shows the inherent difficulty of the measure of sensations. Tendencies have been observed between tribological and sensory data and encourage to continue on this path. In addition, the notion of comfort is addressed in a comprehensive manner and a new framework is proposed. The reflections initiated in this research wish to pave the way for a human-centered approach for conception, completing the current vision that is very technocentric in the rail environment.