Comme d'autres mouvements humains, les gestes de la parole sont vraisemblablement planifiés selon des stratégies optimales. Cependant, il est probable que la planification de ces gestes soit aussi contrainte par des critères de nature linguistique. De telles contraintes pourraient porter notamment sur la structure phonologique et la longueur des séquences prises en compte dans la planification. Le but de cette thèse a été d'approfondir cette hypothèse à partir de l'analyse de données expérimentales et de simulations avec un modèle. <br />Pour cela, la coarticulation anticipante a été étudiée expérimentalement dans des séquences Voyelle1-Consonne-Voyelle2 (V1CV2) pour deux langues différentes, le français et le chinois, à partir de données articulatoires et acoustiques. Les résultats de nos analyses montrent que les locuteurs français et chinois ont adopté des stratégies de planification différentes : en français l'anticipation s'étend au delà des frontières de la syllabe CV, alors qu'en chinois ce n'est pas le cas. Pour valider cette interprétation sur le rôle de la syllabe, un modèle de contrôle moteur a été élaboré exploitant une stratégie de planification qui minimise un critère combinant effort articulatoire et contraintes perceptives, et il a été testé sur un modèle biomécanique de la langue. Différentes hypothèses sur la structure phonologique de la séquence planifiée ainsi que sur l'exécution du mouvement ont été testées dans ce cadre. Les simulations ont été comparées aux données. Nos résultats soutiennent l'hypothèse selon laquelle les influences de la syllabe seraient plus fortes en mandarin qu'en français.

L’objectif de cette thèse vise à identifier les principes sous-tendant la planification des mouvements 3D du membre supérieur tout en tenant compte des différences inter-individuelles régulièrement observées dans ce domaine. Dans cette optique, l’approche choisie combine des expériences originales précisément des tâches de pointage laissant le choix du point final libre) avec des techniques de calcul avancées (ici des méthodes de contrôle optimal inverse numérique). Des mouvements de pointage du bras sans position finale précisément prescrite sont examinés dans différentes conditions de vitesse et/ou de masse afin de laisser émerger des stratégies motrices variées et d’évaluer les éventuels principes de planification motrice sous-jacents. L’idée centrale est de s’écarter du paradigme classique consistant à étudier des mouvements point-à-point (où la cible est généralement indiquée par un point dans l’espace, par exemple une cible lumineuse) et porte sur l’étude d’une tâche dans laquelle le choix du point final du mouvement est laissé libre aux participants afin de faire surgir les différences interindividuelles ainsi que le processus de sélection ou de décision motrice qui a conduit aux stratégies observées. Ce type de tâche permet de mieux décoder les caractéristiques du contrôleur moteur humain. Les résultats empiriques sont ensuite modélisés et interprétés grâce au contrôle optimal inverse dont l’hypothèse associée estque les trajectoires expérimentales découlent de la minimisation d’une certaine fonction de coût qui est éventuellement composite. Cette approche combinée vise à révéler les principes ou règles qui gouvernent le processus de planification de ce type de mouvement des membres supérieurs et d’établir un lien entre les paramètres pertinents du geste, les fonctions de coûts et les caractéristiques individuelles.Les résultats montrent que les sujets produisent des stratégies motrices différentes aux niveaux cinématique et dynamique en fonction de la façon dont ils s’adaptent aux changements de vitesse et/ou de masse. Dans l’ensemble, ces changements ont des effets significatifs sur les trajectoires de la main (par exemple l’emplacement des points finaux choisis par les sujets) et les commandes motrices (notamment sur l’utilisation des couples d’interaction). Pourtant, certains sujets présentaient des dépendances plus exacerbées que d’autres qui ne variaient que peu leur stratégie de pointage par rapport aux changements de vitesse ou de masse induits par la tâche. L’investigation par contrôle optimal inverse a montré que ces résultats pouvaient être expliqués par une optimisation d’un coût composite mélangeant essentiellement des variables cinématique et dynamique durant la phase de planification motrice. Un tel modèle composite surpassait les prédictions des modèles séparés soit cinématique soit dynamique dans la prédiction de l’évolution des caractéristiques importantes du mouvement et des différences interindividuelles. En outre, il a permis de réconcilier des résultats controversés débattus dans des études antérieures en montrant que des comportements adaptatifs divergents peuvent émerger en fonction du poids des fonctions de coût élémentaires qui composent la fonction de coût totale. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que la planification motrice des mouvements 3D non-contraints du bras mêle nécessairement des variables cinématiques et cinétiques, et que ce compromis semble être idiosyncrasique et ainsi conduire à des différences interindividuelles subtiles. / The purpose of this thesis is to identify principles that could guide the planning of 3D upper-limb movements for different individuals. To this aim, the chosen approach combines novel experiments (namely, a “free reach-endpoint" motor task) with advanced computational techniques (here numerical inverse optimal control). Arm pointing movements without a prescribed final hand position are examined under different conditions of speed or load in order to let emerge various motor control strategies and assess the possible underlying motor planning principles. A core idea is to depart from classical point-to-point reaching paradigms (where the target is generally a dot, e.g. a spotlight target) to study a task in which the endpoint is left free to theparticipants in order to emphasize inter-individual differences as well as the selection process and motor decision that led to the observed strategies. This paradigm thus allows to better decipher the characteristics of the human motor controller. Empirical results are then modeled and interpreted in the inverse optimal control framework, hypothesizing that empirical arm trajectories derive from the minimization of a certain, possibly composite, cost function. This combined approach aims at revealing which principle or rule conceivably drives the planning process of these unrestrained upper-limb movements and to stablish a link between relevant motion parameters, cost functions and inter-individual peculiarities.The results show that subjects produced different motor strategies at both kinematic and dynamic levels depending on how they adapted to speed and/or load variations. Overall, significant motor adaptation of hand trajectories (e.g. location of reach endpoints) and motor commands (e.g. use of interaction torque) were found. Yet, some subjects exhibited stronger dependences than others who varied only little their reach strategies with respect to task-induced speed or load changes. When investigated from the optimal control viewpoint, these results could be accounted for by a composite cost essentially weighting kinematic and dynamic variables differentially at the motor planning stage. Such a composite model outperformed separate kinematic and dynamic ones in predicting the evolution of many important motion features and in explaining inter individual differences. Moreover, it allowed reconciling controversial findings of previous studies by showing that divergent adaptive behaviors can emerge depending on the weights of the elementary cost that may compose the total cost function. In sum, the present results suggest that motor planningof unrestrained3D arm movements necessarily mixes kinematic and kinetic variables and that this trade-off may be idiosyncratic and lead to subtle inter individual differences.

Au cours de la métamorphose, les amphibiens subissent une réorganisation complète de leur anatomie et de leur physiologie. Chez Xenopus laevis le système locomoteur est un des plus affecté au cours de cette phase développementale, l’animal passant d’une nage ondulatoire à une nage appendiculaire. Cette transformation du mode locomoteur implique une réorganisation du réseau locomoteur central. Dans une première étude, nous avons mis en évidence que les muscles axiaux s’activent de manière bilatéralement alternée chez le têtard alors que les muscles équivalents chez l’adulte s’activent de manière synchrone au cours de la nage. Nous avons montré que ce nouveau patron d’activation musculaire, accompagné d’une synchronisation avec les muscles appendiculaires extenseurs, reposent principalement sur la mise en place de nouvelles projections propriospinales lombo-thoraciques. Ces résultats suggèrent l’existence d’un contrôle postural proactif au cours de la locomotion, reposant directement sur le CPG des membres postérieurs. Dans une deuxième étude, nous nous sommes intéressés à l’influence d’un déséquilibre des afférences vestibulaires sur le développement du réseau locomoteur spinal au cours de la métamorphose. Pour cela nous avons réalisé une suppression unilatérale des organes vestibulaires avant ou après la métamorphose. Dans les deux cas, cette lésion aigue génère d’importants troubles locomoteurs et posturaux. Nous avons montré que la lésion chronique au cours de la métamorphose entraîne une modification ipsi-lésionnelle du développement du réseau locomoteur lombo-thoracique, de manière concomitante à une compensation comportementale. De façon intéressante, cette plasticité développementale ainsi que la compensation des troubles locomoteurs sont absentes chez les animaux lésés au stade adulte. Ces résultats suggèrent que les informations sensorielles sont un facteur déterminant pour le développement du réseau locomoteur spinal. Enfin, dans une troisième étude, nous avons analysé le développement du réseau locomoteur supra-spinal et en particulier les propriétés de déclenchement et de contrôle de la région locomotrice mésencéphalique (MLR). Nous avons mis en évidence l’existence fonctionnelle des deux noyaux de cette structure, le noyau pédonculopontin (PPN) et le noyau latérodorsal du tegmentum (LDT) tout au long de la métamorphose du xénope, ainsi qu’une fréquence d’activation optimale de 10-20 Hz pour le PPN. / Throughout the course of metamorphosis, amphibians undergo a complete anatomical and physiological reorganization. In Xenopus laevis, the locomotor system is one of the most affected during this developmental phase where the animal passes from undulatory swimming to limb-based propulsion. This transformation implies a parallel reorganization of the central locomotor network. In an initial study we showed that axial muscles which are activated in bilateral alternation in tadpoles mature to dorsal muscles that are synchronously active during adult locomotion. We found that this new pattern, accompanied by coordination of dorsal and hindlimb muscle activities, is principally sustained by the development of new propriospinal lumbo-thoracic projections, suggesting proactive postural control coming from the hindlimb CPG during ongoing locomotion. In a second study, we examined the influence of disequilibrium in vestibular inputs on the metamorphic development of the spinal locomotor network. To induce this sensory asymmetry we performed unilateral removal of vestibular end organs either before or after metamorphosis. Acutely, in both cases, the lesion induced dramatic postural and locomotor changes. Chronically, the lesion altered the metamorphic development of the lumbo-thoracic network on the lesioned side, concomitantly with compensation for locomotor defects. Interestingly, animals lesioned after metamorphosis neither compensated nor expressed this developmental spinal plasticity. Altogether, these results suggest that descending sensory inputs are crucial cues for the development of the spinal locomotor network. Finally, we studied the metamorphic development of the supra-spinal network, focusing our attention on the locomotor triggering and control properties of the mesencephalic locomotor region (MLR). We showed that both subparts of this structure, the laterodorsal tegmentum (LDT) and the pedunculopontine (PPN) nuclei, are present and functional during the entire period of metamorphosis and that the PPN has an optimal activation frequency of 10-20 Hz.

La faiblesse des muscles périphériques, définie par une diminution de la force maximale volontaire en dehors de tout état de fatigue neuromusculaire, est une complication fréquente de la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). La force maximale volontaire dépend à la fois des propriétés musculaires périphériques (i.e. volume et architecture musculaire, qualités contractiles) et de la capacité du système nerveux à activer le muscle maximalement. Dans la BPCO, plusieurs travaux ont souligné l'existence paradoxale d'une perte de force maximale volontaire sans altérations musculaires périphériques et sans qu'un déficit d'activation volontaire n'ait clairement été identifié. Pourtant, les patients atteints de BPCO présentent de nombreuses altérations du système nerveux, compatibles avec une capacité d'activation volontaire altérée.L'objectif de ce travail de thèse était donc de tester l'implication du système nerveux dans la faiblesse musculaire de la BPCO et d'en déterminer les mécanismes sous-jacents. Au cours de nos travaux, nous avons mis en évidence une activité corticale diminuée dans la BPCO lors de contractions maximales et sous-maximales volontaires. Nous avons par ailleurs rapporté une perte d'excitabilité du cortex moteur et un déficit d'activation volontaire spécifique aux patients atteints de faiblesse musculaire. Ces résultats sont en accord avec une implication des altérations cérébrales dans la faiblesse musculaire périphérique de la BPCO. Nous sommes ensuite parvenus à identifier une origine potentielle des altérations cérébrales : les désaturations en O2 au cours du sommeil avec mouvements non-rapides des yeux (NREM). Cette hypothèse a été corroborée par l'observation d'un niveau d'activation volontaire réduit chez les patients désatureurs en sommeil NREM. En revanche, aucune répercussion significative n'a pu être observée sur la force maximale volontaire de ces patients, suggérant l'existence d'un mécanisme compensatoire. In fine, nos résultats constituent une avancée importante dans la compréhension du phénomène de faiblesse musculaire, classiquement attribué à la seule perte de masse musculaire. L'implication du système nerveux central dans la faiblesse musculaire ouvre notamment la voie à de nouvelles modalités de prise en charge par des approches spécifiques, dans l'optique de lutter contre la faiblesse musculaire et ses multiples répercussions négatives dans la vie du patient atteint de BPCO. / Peripheral muscle weakness, as defined by a reduced voluntary strength outside any state of neuromuscular fatigue, is a common complication of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Maximal voluntary strength is determined by both peripheral muscle properties (i.e. muscle volume and architecture, contractile quality) and the nervous system's ability to activate the muscle maximally. In COPD, many studies highlighted the paradoxical existence of maximal voluntary strength loss without any peripheral muscle impairment, and without a clearly identified voluntary activation deficit. However, patients with COPD exhibited several nervous system alterations compatible with a reduced maximal voluntary activation capacity. The aim of this thesis was to test the nervous system implication in COPD muscle weakness and to determine the involved mechanisms. As major results, we found a reduced cortical activity in COPD during maximal and sub-maximal voluntary contractions. Furthermore, we reported reduced motor cortex excitability and voluntary activation deficit, specifically in patients with muscle weakness. These results are in accordance with an involvement of cortical alterations in COPD muscle weakness. Then, we indentified a potential origin for cortical alterations: O2 desaturation during non-rapid eye movement (NREM) sleep. This hypothesis has been corroborated by the observation of a reduced voluntary activation in patients with NREM sleep desaturation. However, no significant repercussion could have been observed on maximal voluntary strength in these patients, suggesting a compensatory mechanism.Our results are an important step forward in understanding the COPD muscle weakness that was classically attributed to loss of muscle mass only. The involvement of the central nervous system in COPD muscle weakness also brings about new patient care opportunities via tailored approaches, in order to fight against muscle weakness and its deleterious consequences on a patient's life.