Dans le contexte de l'énaction et dans une approche globale de la perception, nous nous sommes intéressés à étudier calcul neuronal permettant de comprendre les relations entre les structures dans le cerveau et leurs fonctions. Nous avons d'abord examiné les problèmes calculatoires liés à la discrétisation des équations différentielles qui régissent les systèmes étudiés et aux schémas d'évaluation synchrones et asynchrones. Nous nous sommes, ensuite, intéressés à un niveau fonctionnel élémentaire: la transformation de représentations sensorielles spatiales en actes moteurs temporels dans le cadre du système visuo-moteur. Nous avons proposé un modèle minimaliste d'encodage automatique des cibles visuelles de saccades qui se concentre sur le le flux visuel de la rétine vers le colliculus supérieur. Ce modèle, basé sur sur des règles locales simples au sein d'une population homogène, permet de reproduire et d'expliquer plusieurs résultats d'expériences biologiques ce qui en fait un modèle de base efficace et robuste. Enfin, nous avons abordé un niveau fonctionnel plus global en proposant un modèle de la boucle motrice des ganglions de la base permettant d'intégrer des flux sensoriels, moteurs et motivationnels en vue d'une décision globale reposant sur des évaluations locales. Ce modèle met en exergue un processus adaptatif de sélection de l'action et d'encodage de contexte via des mécanismes originaux lui permettant en particulier de constituer la brique de base pour les autres boucles cortico-basales. Les deux modèles présentent des dynamiques intéressantes à étudier que ce soit d'un point de vue biologique ou d'un point de vue informatique computationnel / Within the context of enaction and a global approach to perception, we focused on the characteristics of neural computation necessary to understand the relationship between structures in the brain and their functions. We first considered computational problems related to the discretization of differential equations that govern the studied systems and the synchronous and asynchronous evaluation schemes. Then, we investigated a basic functional level : the transformation of spatial sensory representations into temporal motor actions within the visual-motor system. We focused on the visual flow from the retina to the superior colliculus to propose a minimalist model of automatic encoding of saccades to visual targets. This model, based on simple local rules (CNFT and logarithmic projection) in a homogeneous population and using a sequential processing, reproduces and explains several results of biological experiments. It is then considered as a robust and efficient basic model. Finally, we investigated a more general functional level by proposing a computational model of the basal ganglia motor loop. This model integrates sensory, motor and motivational flows to perform a global decision based on local assessments. We implemented an adaptive process for action selection and context encoding through an innovative mechanism that allows to form the basic circuit for other cortico-basal loops. This mechanism allows to create internal representations according to the enactive approach that opposes the computer metaphor of the brain. Both models have interesting dynamics to study from whether a biological point of view or a computational numerical one

Dans le contexte de l'énaction et dans une approche globale de la perception, nous nous sommes intéressés à étudier calcul neuronal permettant de comprendre les relations entre les structures dans le cerveau et leurs fonctions. Nous avons d'abord examiné les problèmes calculatoires liés à la discrétisation des équations différentielles qui régissent les systèmes étudiés et aux schémas d'évaluation synchrones et asynchrones. Nous nous sommes, ensuite, intéressés à un niveau fonctionnel élémentaire: la transformation de représentations sensorielles spatiales en actes moteurs temporels dans le cadre du système visuo-moteur. Nous avons proposé un modèle minimaliste d'encodage automatique des cibles visuelles de saccades qui se concentre sur le le flux visuel de la rétine vers le colliculus supérieur. Ce modèle, basé sur sur des règles locales simples au sein d'une population homogène, permet de reproduire et d'expliquer plusieurs résultats d'expériences biologiques ce qui en fait un modèle de base efficace et robuste. Enfin, nous avons abordé un niveau fonctionnel plus global en proposant un modèle de la boucle motrice des ganglions de la base permettant d'intégrer des flux sensoriels, moteurs et motivationnels en vue d'une décision globale reposant sur des évaluations locales. Ce modèle met en exergue un processus adaptatif de sélection de l'action et d'encodage de contexte via des mécanismes originaux lui permettant en particulier de constituer la brique de base pour les autres boucles cortico-basales. Les deux modèles présentent des dynamiques intéressantes à étudier que ce soit d'un point de vue biologique ou d'un point de vue informatique computationnel.

Le Dynamic Vision Sensor (DVS) est un prototype de la rétine silicium qui n'enregistre que des changements de contraste de la scène sous la forme de flux d'événements, excluant donc naturellement les niveaux de gris absolus redondants. Dans ce contexte, de nombreux algorithmes de vision asynchrones à grande vitesse basées sur l'événement ont été développés et leurs avantages par rapport aux méthodes de traitement traditionnel basé sur l'image ont été comparés. En retour haptique pour la micromanipulation, la vision est un candidat qualifié pour l'estimation de la force si le modèle position-force est bien établi. La fréquence d'échantillonnage doit toutefois atteindre 1 kHz pour permettre une sensation tactile transparente et fiable et assurer la stabilité du système. La vision basée sur l'événement a donc été appliquée pour fournir le retour d'effort nécessaire sur deux applications de micromanipulation: Le retour haptique sur la pince optique; Assistance virtuelle haptique sur micro-outil mécanique. Les résultats montrent que l'exigence de fréquence haptique de 1 kHz a été réalisée avec succès. Pour la première application, les algorithmes de détection de la position d'une microsphère à haute vitesse ont été développés. Un système de retour haptique tridimensionnel capable de manipuler plusieurs pièges optiques a été réalisé. Dans la deuxième application, un nouvel algorithme d'enregistrement de forme basé sur l'événement capable de suivre objet de forme arbitraire a été développé pour suivre une micropince piézoélectrique. La stabilité du système a été considérablement renforcée pour aider les opérateurs à effectuer des tâches de micromanipulation complexes.

La micromanipulation a un grand potentiel pour révolutionner la recherche biologique et les soins médicaux. À petite échelle, microrobots peuvent effectuer des tâches médicales avec peu invasive, et d'explorer la vie à un niveau fondamental. Pinces optiques sont l'une des techniques les plus populaires pour la manipulation biologique. La production de petits lots qui exige une grande flexibilité repose principalement sur le processus de téléopération. Cependant, le niveau limité d'intuitivité rend de plus en plus difficile de conduire efficacement les tâches de manipulation et d'exploration dans le micromonde complexe. Dans de telles circonstances, des chercheurs pionniers ont proposé d'incorporer l'haptique dans la boucle de contrôle du système OTs, qui vise à gérer les tâches de micromanipulation de manière plus flexible et plus efficace. Cependant, la solution n'est pas encore complète, et il ya deux défis principaux à résoudre dans cette thèse: Détection de force 3D, qui doit être précis, rapide et robuste dans un espace de travail suffisamment grand; Haute vitesse jusqu'à 1 kHz force de rétroaction, ce qui est indispensable pour permettre une sensation tactile fidèle et d'assurer la stabilité du système. Dans la micromanipulation des pinceaux optiques, la vision est un bon candidat pour l'estimation de la force puisque le modèle force-position est bien établi. Cependant, le suivi de 1 kHz dépasse la vitesse des procédés de traitement classiques. La discipline émergente de l'ingénierie biomorphe visant à intégrer les comportements de vie dans le matériel informatique ou le logiciel à grande échelle rompt le goulot d'étranglement. Le capteur d'image asynchrone basé sur le temps (ATIS) est la dernière génération de prototype de rétine de silicium neuromorphique qui enregistre seulement les changements de contraste de scène sous la forme d'un flux d'événements. Cette propriété exclut le fond redondant et permet la détection et le traitement des mouvements à grande vitesse. La vision événementielle a donc été appliquée pour répondre à l'exigence de la rétroaction de force 3D à grande vitesse. Le résultat montre que les premières pinces optiques haptiques 3D à grande vitesse pour une application biologique ont été obtenues. La réalisation optique et les algorithmes de suivi événementiel pour la détection de force 3D à grande vitesse ont été développés et validés. L'exploration reproductible de la surface biologique 3D a été démontrée pour la première fois. En tant que puissant capteur de force 3D à grande vitesse, le système de pinces optiques développé présente un potentiel important pour diverses applications. / Micromanipulation has a great potential to revolutionize the biological research and medical care. At small scales, microrobots can perform medical tasks with minimally invasive, and explore life at a fundamental level. Optical Tweezers are one of the most popular techniques for biological manipulation. The small-batch production which demands high flexibilities mainly relies on teleoperation process. However, the limited level of intuitiveness makes it more and more difficult to effectively conduct the manipulation and exploration tasks in the complex microworld. Under such circumstances, pioneer researchers have proposed to incorporate haptics into the control loop of OTs system, which aims to handle the micromanipulation tasks in a more flexible and effective way. However, the solution is not yet complete, and there are two main challenges to resolve in this thesis: 3D force detection, which should be accurate, fast, and robust in large enough working space; High-speed up to 1 kHz force feedback, which is indispensable to allow a faithful tactile sensation and to ensure system stability. In optical tweezers micromanipulation, vision is a sound candidate for force estimation since the position-force model is well established. However, the 1 kHz tracking is beyond the speed of the conventional processing methods. The emerging discipline of biomorphic engineering aiming to integrate the behaviors of livings into large-scale computer hardware or software breaks the bottleneck. The Asynchronous Time-Based Image Sensor (ATIS) is the latest generation of neuromorphic silicon retina prototype which records only scene contrast changes in the form of a stream of events. This property excludes the redundant background and allows high-speed motion detection and processing. The event-based vision has thus been applied to address the requirement of 3D high-speed force feedback. The result shows that the first 3D high-speed haptic optical tweezers for biological application have been achieved. The optical realization and event-based tracking algorithms for 3D high-speed force detection have been developed and validated. Reproducible exploration of the 3D biological surface has been demonstrated for the first time. As a powerful 3D high-speed force sensor, the developed optical tweezers system poses significant potential for various applications.