Les signaux électromyographiques de surface (sEMG) correspondent aux signaux électriques composés par les potentiels d’action produits par les unités motrices d’un muscle actif et enregistrés par des électrodes de surface. Les signaux sEMG sont largement utilisés dans la médicine, le contrôle des prothèses et plus généralement dans les études biomécaniques portant sur l’analyse du mouvement humain. Les signaux sEMG sont très souvent utilisés comme un indicateur d’activation musculaire.Bien que présentant un intérêt évident, l’utilisation de ces signaux reste difficile compte tenu qu’ils sont souvent susceptibles d’interférence (diaphonie, ou plus communément « crosstalk ») entre les muscles contigus, parfois même éloignés. Cette contamination croisée est particulièrement présente pour des muscles présents dans un volume restreint, ce qui est le cas des muscles extenseur de l’index et du petit doigt, extensor indicis et extensor digiti minimi. L’interférence induit la réduction de la précision de l’estimation des activations musculaires et reste, à ce titre, un problème important et récurrent de la biomécanique. Afin que les signaux sEMG puissent être utilisés de manière plus robuste en biomécanique, il convient de réduire cette interférence avant de procéder à l’estimation des activations musculaires. Les activations individuelles des muscles participant au mouvement correctement estimées peuvent être utilisées comme données d’entrées d’un modèle biomécanique. Cette démarche, nommée dynamique directe, permet notamment d’estimer la force externe produite par le système et dans un second temps de comparer cette dernière avec la mesure réalisée grâce à un système dynamométrique. En ce sens cette démarche permet une validation indirecte des estimations réalisées à partir des signaux sEMG. Dans le cadre de cette thèse, nous avons modélisé le doigt et plus particulièrement le mécanisme extenseur qui est une structure qui transmet les forces des muscles-extenseurs aux articulations digitales. Cette structure est très mal connue du point de vue biomécanique et le plus souvent représentée par un ensemble des coefficients établis sur l’analyse de mains de cadavres dans des situations très particulières et standardisées (doigts en extension). Ainsi, l’objectif de ce travail de thèse était double : (1) améliorer l’estimation de la force au bout du doigt à partir des mélanges des sEMG sur la base d’extraction des activations des signaux sEMG des muscles extensor indicis et extensor digiti minimi, et (2) modélisation biomécanique du mécanisme extenseur du doigt. Pour cela, les signaux sEMG ont été enregistrés avec une matrice d’électrodes de surface haute densité à 64 capteurs. Ensuite, l’extraction des activations musculaires a été réalisée sur la base d’une procédure de classification des potentiels détectés en utilisant les invariants musculaires que sont la direction de propagation et la profondeur de l’unité motrice à l’origine du signal.Dans un deuxième temps, un modèle biomécanique précis du mécanisme extenseur du doigt a été créé, qui contient les tendons et les principaux ligaments représentés par des bandes et des surfaces élastiques. Un algorithme de paramétrage du modèle a été proposé. Ce type d ‘approche est nécessaire pour mieux décrire les déformations du système anatomique dans des situations de mouvement sain ou pathologique.Cette démarche a montré qu’elle était pertinente pour l’étude biomécanique du doigt. Elle présente des utilisations judicieuses pour les études biomécaniques portant sur l’évaluation clinique, la réhabilitation et le contrôle des prothèses myoélectriques. / The surface electromyographic signals (SEMG) are the electric signals, composed of electric potentials. These potentials are produced by the recruited motor units of an active muscle and captured by the surface electrodes. The SEMG signals are widely used in medicine, prosthesis control and biomechanical studies as an indicator of muscle activity.However, SEMG measurements are usually subjects of crosstalk or interference from nearby muscles. It appears when two or more muscles situated close to each other are active during a SEMG recording. An example of such muscles are the extensors of index and little finger, extensor indicis and extensor digiti minimi, situated close to each other and creating a significant amount of mutual crosstalk when simultaneously active. The crosstalk causes precision decrease of SEMG-based estimation of muscle activations. Hence, the crosstalk-reducing problem must be preliminary solved before muscle activation evaluation.Once the activations of individual muscles are estimated from the mixture, they may be used as an input of a finger biomechanical model to calculate a fingertip force. These models usually contain an extensor mechanism of the finger, which is a structure, transmitting the force from the extensor muscles to the finger joints. This structure is often taken into account as a set of coefficients. However, there is a lack of study about how these coefficients vary with posture, applied force, and subject variability.The purpose of this work is to improve the finger force estimation from the crosstalk-contaminated signals for isometric tasks by extracting the activations of individual muscles and improving the finger biomechanical model.Firstly, the SEMG signals were recorded with high-density surface electromyographic (HD-EMG) electrode matrix. The extraction was based on classifying the detected potentials according their propagation direction and depth of originating motor unit.Secondly, a precise biomechanical model of the finger extensor mechanism was created, containing the principal tendons and ligaments. The algorithm of the model parametrization was proposed as well.The proposed methods of muscle activation estimation along with the created extensor mechanism model may be used for calculating the fingertip force and internal tissues deformations for normal or pathological fingers.

Dans un environnement imprévisible, l'homme n'est pas toujours capable d'adapter son comportement à une situation donnée et commet alors des erreurs. Dans environ 95% des cas, ces erreurs sont commises consciemment. Cependant, le traitement de l'erreur par le cerveau ne s'opère pas de façon binaire. En effet, l'enregistrement de l'activité électromyographique (EMG) des muscles effecteurs des réponses, révèle, dans environ 15% des essais, une amorce de réponse incorrecte, une ébauche d'erreur. Dans ces essais, les sujets ont été capables de détecter, d'inhiber et de corriger leurs ébauches d'erreurs avant de produire la réponse correcte. Ces processus nécessitent-ils l'intervention de la conscience ? Quels en sont les marqueurs ?Nous montrons dans une première étude que les sujets sont capables d'une détection consciente de leurs ébauches d'erreurs dans un faible nombre de cas seulement (environ 30%). Nous mettons en évidence deux prédicteurs d'une telle détection : la taille de la bouffée EMG associée à l'ébauche d'erreur ainsi que le temps mis par les sujets, depuis le début de cette bouffée, pour la corriger et fournir la réponse correcte. Dans une deuxième étude, nous montrons qu'un indice électroencéphalographique (EEG), la Négativité d'erreur (Ne), pourrait servir de stimulus interne pour le cerveau, à la détection consciente des ébauches d'erreurs et des erreurs. Leur accès conscient interviendrait plus tardivement dans les ébauches d'erreurs que dans les erreurs, mais serait reflété dans les deux cas par des activités EEG similaires, la Positivité d'erreur (Pe). Ainsi, la correction des ébauches d'erreurs interfère avec leur accès conscient en le ralentissant. / In an unpredictable environment, man is not always able to adapt its behavior to a given situation and then makes mistakes. In about 95% of cases, these mistakes are made consciously. However, error processing in the brain does not occur in binary mode . Indeed, the recording of the electromyographic (EMG) activity of muscles involved in responses, reveals that, in about 15 % of the trials, there is a subthreshold incorrect EMG activity, called partial error, that precede the correct one. In these trials, the subjects were able to detect, inhibit their partial errors and correct them to produce the correct response.Does these processes require intervention of consciousness? What are the related markers ?We show in a first study that subjects are capable of conscious detection of their partial errors in a small number of cases (about 30 %).We highlight two predictors of such detection : the size of the EMG burst associated with the partial error and the time taken by the subjects, since EMG onset , to correct and to provide the correct response.In a second study , we show that an electroencephalographic (EEG) index, the error negativity (Ne) , could serve as an internal stimulus to the brain, for conscious detection of errors and partial errors. Their conscious access would occur later in partial errors than errors but would be reflected in both cases by similar a similar EEG activity, the error positivity (Pe). Thus, correction of partial errors interfere with their conscious access by slowing it.

La recherche de méthodes permettant de lutter contre le déconditionnement neuromusculaire à la suite par exemple d’une opération chirurgicale ou d’une immobilisation prolongée intéresse la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Ce projet visait à proposer la technique de vibration locale (LV) comme une méthode alternative aux méthodes classiquement utilisées (e.g. vibration corps entier, stimulation électrique neuromusculaire) pour lutter contre ce déconditionnement neuromusculaire. Le premier objectif de ce travail de thèse était de déterminer les effets d’une application aigüe de LV sur la fonction neuromusculaire des muscles fléchisseurs dorsaux et extenseurs du genou de sujets sains. Nos résultats montrent une modulation de l’excitabilité du système nerveux central en réponse à l’application aigüe de LV, ce qui nous a permis d’envisager de potentielles adaptations si cette technique était utilisée de façon répétée sur plusieurs semaines. Ainsi, la seconde orientation de ce travail était d’évaluer les effets d’une application chronique (entraînement) de LV sur les propriétés fonctionnelles (force, hauteur de saut) et nerveuses (mesurées par stimulation magnétique transcrânienne) de sujets sains, jeunes et âgés. Nos résultats ont montré qu’un entraînement par LV était efficace pour améliorer les capacités fonctionnelles de ces deux populations, ces gains s’accompagnant d’adaptations nerveuses. Ces travaux nous ont alors conduits à la mise en place d’une dernière étude (en cours) à visée clinique, qui évaluait l’efficacité de LV en rééducation post-ligamentoplastie du ligament croisé antérieur du genou. / There is a need to find new methods to limit neuromuscular deconditioning that occurs after a surgery or prolonged immobilization. This thesis aimed to assess local vibration (LV) training as an alternative to methods classically used (e.g. whole body vibration, neuromuscular electrical stimulation) to fight against neuromuscular deconditioning. The first aim of this project was to determine the effects of a 30-min acute exposure to LV on the neuromuscular function of dorsiflexor and knee extensor muscles in a healthy population. Our results showed that acute LV intervention changed central nervous system excitability, allowing us to consider long-term adaptations to prolonged LV. Thus, the second aim of this thesis was to assess the effects of a chronic application (training) of LV on functional (maximal strength, squat jump performance) and neural (assessed with transcranial magnetic stimulation) properties of healthy young and old subjects. Our results showed that 4 to 8 weeks of LV increase functional capacities that were due to neural adaptations. Based on these results, an on-going study assessing the effectiveness of LV during a rehabilitation program for subjects who suffered from anterior cruciate ligament lesion has been proposed.

L'évaluation des tensions musculaires chez l'Homme dans les sciences du mouvement et les études posturales présente un grand intérêt pour le sport, la santé ou encore l'ergonomie. La biomécanique s'intéresse tout particulièrement à ces problèmes utilise la cinématique inverse pour recalculer, à partir de mesures physiques externes, les tensions musculaires internes. Le verrou scientifique principal de cette technique est la redondance musculaire, propre au vivant. En effet les actionneurs (muscles) sont plus nombreux que les degrés de liberté à contrôler. Les problèmes de cinématique inverse sont sous-déterminés, ils présentent plus d'inconnues que d'équations, et nécessitent l'usage de procédures d'optimisation. Dans ce contexte l'usage de l'électromyographie (EMG), signal électro-physiologique mesurable à la surface de la peau et témoin de l'activité musculaire, peut donner une idée de l'activité des muscles sous-jacents. La connaissance de l'activité des muscles permettrait d'introduire de l'information supplémentaire dans cette méthodologie inverse afin d'améliorer l'estimation des tensions musculaires réelles au cours de mouvements ou dans une posture donnée. De plus certaines applications ne permettent pas ou peu l'enregistrement de forces ou positions articulaires externes qui nécessitent un appareillage conséquent et rendent difficile l'étude de situations de la vie courante. L'électromyographie est dans un tel contexte une mesure non-invasive et peu encombrante, facilement réalisable. Elle a cependant elle aussi ses propres verrous scientifiques. L'EMG de surface sur de petits muscles très rapprochés comme les nombreux muscles des avant-bras peut être sujette à ce qui est communément appelé « cross-talk » ; la contamination croisée des voies. Ce cross-talk est le résultat de la propagation des signaux musculaires sur plusieurs voies simultanément, si bien qu'il est compliqué d'associer l'activité d'un muscle à une unique voie EMG. Le traitement numérique du signal dispose d'outils permettant, dans certaines conditions, de retrouver des sources inconnues mélangées sur plusieurs capteurs. Ainsi la séparation de sources peut être utilisée sur des signaux EMG afin de retrouver de meilleures estimations des signaux sources reflétant plus fidèlement l'activité de muscles sans l'effet du cross-talk. Ce travail de thèse montre dans un premier temps l'intérêt de l'EMG dans l'étude de l'utilisation d'un prototype d'interface homme-machine novateur. L'EMG permet en particulier de mettre en évidence la présence forte de cocontraction musculaire permettant de stabiliser les articulations pour permettre un contrôle précis du dispositif. En outre des perspectives d'analyse plus fines seraient envisageables en utilisant des techniques de séparation de sources performantes en électromyographie. Dans un second temps l'accent est mis sur l'étude des conditions expérimentales précises permettant l'utilisation des techniques de séparation de sources en contexte linéaire instantané en électromyographie de surface. L'hypothèse d'instantanéité du mélange des sources en particulier est étudiée et sa validité est vérifiée sur des signaux réels. Enfin une solution d'amélioration de la robustesse de la séparation de sources à l'hypothèse de l'instantanéité est proposée. Celle-ci repose sur la factorisation en matrices non-négatives (NMF) des enveloppes des signaux EMG. / Evaluation of muscle tensions in movement and gait sciences is of great interest in the fields of sports, health or ergonomics. Biomechanics in particular has been looking forward to solving these problems and developed the use of inverse kinematics to compute internal muscle tensions from external physical measures. Muscular redundancy remains however a complex issue, there are more muscles than degrees of freedom and thus more unknown variables which makes inverse kinematics an under-determined problem needing optimization techniques to be solved. In this context using electromyography (EMG), an electro-physiological signal that can be measured on the skin surface, gives an idea of underlying muscle activities. Knowing muscle activities could be additional information to feed the optimization procedures with and could help improving accuracy of estimated muscle tensions during real gestures or gait situation. There are even situations in which measuring external physical variables like forces, positions or accelerations is not feasible because it might require equipment incompatible with the object of the study. It is often the case in ergonomics when equipping the object of the study with sensors is either too expensive or physically too cumbersome. In such cases EMG can become very handy as a non-invasive measure that does not require the environment to be equipped with other sensors. EMG however has its own limits, surface EMG on small and closely located muscles like muscles of the forearm can be subject to “cross-talk”. Cross-talk is the cross contamination of several sensors it is the result of signal propagation of more than one muscle on one sensor. In presence of cross-talk it is not possible to associate an EMG sensor with a given muscle. There are signal processing techniques dealing with this kind of problem. Source separation techniques allow estimation of unknown sources from several sensors recording mixtures of these sources. Applying source separation techniques on EMG can provide EMG source estimations reflecting individual muscle activities without the effect of cross-talk. First the benefits of using surface EMG during an ergonomics study of an innovative human-computer interface are shown. EMG pointed out a relatively high level of muscle co-contraction that can be explained by the need to stabilize the joints for a more accurate control of the device. It seems legitimate to think that using source separation techniques would provide signals that better represent single muscle activities and these would improve the quality of this study. Then the precise experimental conditions for linear instantaneous source separation techniques to work are studied. Validity of the instantaneity hypothesis in particular is tested on real surface EMG signals and its strong dependency on relative sensor locations is shown. Finally a method to improve robustness of linear instantaneous source separation versus instantaneity hypothesis is proposed. This method relies on non-negative matrix factorization of EMG signal envelopes.

Les orthèses de propulsion mandibulaire sont fréquemment utilisées en orthopédie-dento-faciale pour stimuler le développement de ce maxillaire. Le déplacement antérieur de son centre de gravité et les tensions musculaires et viscérales (appareil aéro-digestif) qui apparaissent alors sont susceptibles d’influer sur la posture du sujet debout. Pour le déterminer, une étude stabilométrique a été menée. Elle permet de mettre en évidence les variations de position de la projection au sol du centre de gravité du corps (PGv). Les effets du port de trois orthèses imposant une quantité de propulsion différente ont été analysés, comparés entre eux et à la situation sans orthèse portée. Ces résultats ont été complétés par ceux issus d’une étude électromyographique, menée pour détecter les muscles mis en jeu dans le contrôle de l'équilibre. L’ensemble de ces expérimentations montre principalement une perte du contrôle postural (augmentation des oscillations de PGv) et un repositionnement plus postérieur du centre de gravité corporel lors d’avancement mandibulaire important, et ce d’autant plus que l’orthèse portée provoque peu de désocclusion inter-maxillaire. Une activité accrue des muscles fléchisseurs dorsaux du pied, de la hanche, du cou et extenseurs du rachis lombaire accompagne ces variations de position de PGv. Une hypothèse d'adaptation posturale en réaction à l'avancement de la mandibule est formulée ainsi qu’une critique et une évolution du protocole d’étude. / Mandibular propulsion splints are frequently used in dento-facial orthopedics so as to stimulate the development of this maxilla. Consequently, we can notice that its centre of gravity moves forward but also that visceral (the aerodigestive apparatus) and muscle tensions appear. These elements are likely to have an influence on the position of a person standing. A stabilometric study was carried out to highlight the changes in the projection onto the ground of the body centre of gravity (PGv). We analysed and compared the effects of the wearing of three different splints (each of which required a different level of propulsion). But a comparison between these results and the normal situation (no splint worn) was also drawn. Moreover, an electromyographic study was carried out to find out which muscles were stimulated in the balance control. Its results were then added to those of the stabilometric study. These experiments mainly show that we lose control of the postural equilibrium (increase of the PGv oscillations). It also shows that when the mandible is significantly moved forward, the body center of gravity goes back into a more posterior position. This is all the more true as the splint worn does not cause much inter-maxillar disocclusion. The back flexor muscle of the foot, of the hip, of the neck and the extensor muscle of the lumbar rachis are greatly stimulated in the variations of the PGv. A postural adaptation to the mandibular advancement is hypothetically expressed, together with a criticism and an evolution of the study procedure.

Nous avons étudié les effets de la baisse de la vigilance sur les mécanismes de contrôle de l'erreur lors d'une tâche de temps de réaction de choix (TR). Lors de la première expérience, la baisse de vigilance a été obtenue par un éveil prolongé de 26 heures. Dans les expériences deux et trois, on a diminué le niveau de vigilance par voie pharmacologique en choisissant de n'affecter qu'une des voies neurochimiques impliquées dans l'éveil (voie histaminergique puis voie dopaminergique) pour déterminer si les indices du contrôle de l'erreur seraient ou non affectés de la même façon qu'après un éveil prolongé. Si oui, cela supposerait un effet redondant des systèmes neurochimiques impliqués dans l'éveil sur le contrôle de l'erreur, dans le cas contraire, cela supposerait une influence spécifique de ces différents systèmes sur le contrôle de l'erreur. Le contrôle de l'erreur peut être décomposé en contrôle proactif et contrôle réactif. Ce contrôle de l'erreur est dit en ligne s'il opère au cours d'un essai, hors-ligne s'il s'opère d'un essai sur l'autre.La privation de sommeil affecte le contrôle de l'erreur proactif en ligne et le contrôle de l'erreur réactif. La baisse de l'activité histaminergique n'affecte que le contrôle de l'erreur réactif et on n'a pas mis en évidence d'effets de la déplétion dopaminergique sur le contrôle de l'erreur. Les effets observés sur le contrôle de l'erreur par la baisse de vigilance induite par la privation de sommeil n'étaient pas reproduits par la baisse de vigilance induite par les déplétions des activités dopaminergiques et histaminergiques, suggérant des influences spécifiques de ces deux voies sur le contrôle de l'erreur. / To study the impact of a vigilance decrease on error monitoring mechanisms in healthy participants, electromyogram and electroencephalogram were recorded during a choice reaction time task. The aim of experiment one was to decipher which indices of error monitoring at the behavioral and electrophysiological levels, were altered by sleep deprivation. In experiments two and three, decreases in vigilance were obtained through pharmacological treatments. We attempted to selectively inhibit one arousal system (either by acting on the histaminergic or on the dopaminergic pathway), so as to determine whether indices of error monitoring would be affected in the same way than after extended wakefulness. Proactive (implemented before an error execution) and reactive modes (implemented after an error execution) of error monitoring were distinguished. Within each mode, we further distinguished on-line (implemented within-trial) and off-line (between-trials) processes.Proactive off-line monitoring was unaffected by the decrease in vigilance, whether this caused by extended wakefulness, histaminergic depeltion or dopaminergic depletion). Sleep deprivation affected proactive on-line and off-line monitoring and reactive control. Histaminergic depletion affected only reactive control and reactive control seemed insensitive to dopaminergic depletion.As sleep deprivation, both histaminergic and dopaminergic depletion induced decrease in vigilance. However, effects of sleep deprivation on error monitoring were entirely reproduced neither by histaminergic nor by dopaminergic depletion, suggesting specific influences of the corresponding systems on error monitoring.

La capacité résiduelle fonctionnelle (CRF), volume pulmonaire en fin d'expiration normale, est un paramètre essentiel des échanges gazeux. Chez le nourrisson, le maintien du niveau de CRF dépend de l'interaction de différents mécanismes, contrairement à l'équilibre passif observé chez l'adulte. Nous avons essayé d'améliorer la compréhension de ces mécanismes. Dans un premier temps, nous avons confirmé la persistance d'une activité tonique du diaphragme jusqu'en fin d'expiration chez des nourrissons intubés. Cette activité augmente en l'absence de pression expiratoire positive, renforçant l'hypothèse de son implication dans le maintien de la CRF. Nous avons ensuite adapté une méthode de pléthysmographie par inductance pour une utilisation chez le prématuré, y compris en présence d'asynchronisme thoraco-abdominal ou d'assistance ventilatoire. Cette méthode a permis de montrer que chez les prématurés, la variabilité de la CRF est élevée, n'est pas purement aléatoire, et contient une part significative d'autocorrélation. En cas de pathologie respiratoire, le profil de variabilité est différent, avec une autocorrélation plus importante. Cela suggère des retours à l'état antérieur plus lents après perturbation du niveau de CRF. Chez les nourrissons sous assistance respiratoire, l'autocorrélation est encore plus élevée. <br />La caractérisation de la variabilité de la CRF, reflet du degré de liberté du système de contrôle, et la mesure de l'activité tonique du diaphragme, reflet des efforts du nourrisson pour augmenter la CRF, devraient permettre d'améliorer encore la compréhension de la régulation de la CRF, et d'améliorer la prise en charge ventilatoire de ces patients.

La stimulation électrique fonctionnelle (SEF) a le potentiel de fournir une amélioration active aux blessés médullaires en termes de mobilité, de stabilité et de prévention des effets secondaires.Dans le domaine des système SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire adéquat doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu et maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle tels que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médullaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponible à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients.Afin de prédire le couple articulaire induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisé pour corréler l'activité musculaire électrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articulaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été évaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médulaires.Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basé sur les performances de précision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande basée sur le retour EMG, «EMG-Feedback Predictive Control» (EFPC), est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires. / Functional electrical stimulation (FES) has the potential to provide active improvement to spinal cord injured (SCI) patients in terms of mobility, stability and side-effect prevention. In the domain of lower limb FES system, elicited muscle force must be provided appropriately to perform intended movement and the torque generation by FES should be accurate not to lose the posture balance. However, muscle state changes such as muscle fatigue is a major cause which degrades its performance. In addition, most of the complete SCI patients don't have sensory feedback to detect the fatigue and in-vivo joint torque sensor is not available yet. Conventional FES control systems are either in open-loop or not robust to muscle state changes. This thesis aims at a development of joint torque prediction and feedback control in order to enhance the FES performance in terms of accuracy, robustness, and safety to the patients.In order to predict FES-induced joint torque, evoked-Electromyography (eEMG) has been applied to correlate muscle electrical activity and mechanical activity. Although muscle fatigue represents time-variant, subject-specific and protocol-specific characteristics, the proposed Kalman filter-based adaptive identification was able to predict the time-variant torque systematically. The robustness of the torque prediction has been investigated in a fatigue tracking task in experiment with SCI subjects. The results demonstrated good tracking performance for muscle variations and against some disturbances.Based on accurate predictive performance of the proposed method, a new control strategy, EMG-Feedback Predictive Control (EFPC), was proposed to adaptively control stimulation pattern compensating to time-varying muscle state changes. In addition, this control strategy was able to explicitly avoid overstimulation to the patients, and conveniently generate appropriate stimulation pattern for desired torque trajectory.

Jusqu’à 93% des musiciens sont affectés par des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique instrumentale, dont particulièrement les violonistes qui combinent les facteurs de risque principaux : une posture asymétrique et contraignante, le maintien d’une charge (le violon et le membre supérieur gauche) dans une position quasi-statique, la répétition de mouvements à haute vitesse et la pression des doigts (sur le manche de l’instrument), tous entrainant l’accumulation de fatigue musculaire. Il est crucial d’aménager leur environnement de travail afin de réduire l’accumulation de la fatigue. Les dispositifs d’assistance au mouvement sont utilisés dans le milieu industriel pour réduire les activations musculaires et potentiellement ralentir le développement de la fatigue musculaire. La modification de la dynamique de l’environnement des violonistes via l’application d’une force antigravitationnelle nécessaire au maintien du membre supérieur gauche et de l’instrument pourrait cependant perturber leurs mouvements et affecter leur performance musicale. L’objectif de ce projet de maîtrise est donc d’évaluer l’adaptation motrice à un dispositif d’assistance au mouvement en comparant (O1) la cinématique et (O2) l’électromyographie des membres supérieurs et du cou ainsi que (O3) la performance musicale avec et sans assistance. Quinze violonistes issus d’orchestres professionnels et de programmes de cycles supérieurs en interprétation musicale ont été recrutés. Les participants ont été équipés de 61 marqueurs réfléchissants et de 11 capteurs électromyographiques pour enregistrer leurs mouvements et activations musculaires. Afin de quantifier l’adaptation motrice, les violonistes ont répété une séquence musicale de 13 secondes sans (contrôle), avec (adaptation), et sans (post-adaptation) assistance par un dispositif passif (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) exerçant une force antigravitationnelle au niveau du coude gauche. Les conditions ont été répétées une semaine plus tard pour évaluer la réadaptation. Neuf à douze mois plus tard, les participants ont écouté des enregistrements audio de leur performance avec et sans assistance et ont évalué leur performance musicale en aveugle. Des modèles linéaires mixtes ont été utilisés afin de comparer la cinématique, l’électromyographie et la performance musicale des conditions avec et sans assistance. L’augmentation de l’erreur angulaire de tous les degrés de liberté du membre supérieur gauche suggère que l’utilisation d’un dispositif d’assistance au mouvement a perturbé la cinématique des violonistes. L’adaptation très sélective de la cinématique articulaire observée au cours de la condition d’adaptation était probablement due à l’absence d’erreur de prédiction de la performance musicale nécessaire pour guider l’adaptation motrice. En effet, la comparaison de la performance musicale avec et sans dispositif n’a montré aucune différence significative, indiquant que les violonistes experts peuvent maintenir un haut niveau de performance malgré la modification de leur patron moteur. En outre, la similarité des angles articulaires et des activations musculaires entre les conditions avec et sans dispositif est restée forte. Enfin, la réduction des activations du deltoïde médian et du trapèze supérieur gauches avec l’assistance est prometteuse quant à l’utilisation des dispositifs pour limiter l’accumulation de fatigue musculaire et réduire la prévalence des troubles musculo-squelettiques liés à la pratique du violon. / Up to 93% of musicians are affected by playing-related musculoskeletal disorders, and particularly violinists who combine the major factors leading to these disorders: an asymmetrical and constrained posture, quasi-static weight (violin and left upper-limb) holding, quick repetitive movements, and finger pressure (onto the instrument’s neck), all leading to muscle fatigue accumulation. It is crucial to adjust violinists’ working environments to prevent muscle fatigue accumulation. Dynamic assistive support (DAS) is used in industrial settings to reduce muscle activations and thus potentially slow down fatigue development. Modifying violinists’ environmental dynamics by introducing the anti-gravitational force needed to support their left upper-limbs and instruments may perturb their movements and impair musical performance. The objective of this Masters’ project is thus to investigate motor adaptation to DAS by comparing upper-limb and neck (O1) kinematics, (O2) electromyography, and (O3) musical performance with and without DAS. Fifteen violinists were recruited from professional orchestras and graduate programs in music performance. Participants were equipped with 61 reflective markers and 11 electromyography electrodes to record kinematics and muscle activity, respectively. To quantify motor adaptation, violinists played a looped 13-second excerpt without (control), with (adaptation), and without (washout) DAS provided by a passive device (Kinova O110, Boisbriand, QC, Canada) applying an anti-gravitational force at the left elbow. All conditions were repeated one week later to test for potential savings. Nine to twelve months later, participants listened to their own audio recordings playing with and without DAS and blindly assessed their performances. Linear mixed models were used to compare DAS and no-DAS conditions’ kinematic, electromyography and musical performance data. The increase in angular error for all left degrees of freedom suggests that DAS perturbed violinists’ kinematics. The highly selective kinematic adaptation observed during the adaptation condition might have been due to the absence of auditory feedback prediction errors needed to drive motor adaptation. Indeed, musical performance with and without DAS showed no significant difference, indicating that expert violinists can maintain a high level of performance despite changes in motor output. Additionally, similarity of joint angles and muscle activities between DAS and no-DAS conditions remained strong. Finally, reduced activations of left medial deltoid and superior trapezius in assisted conditions make DAS a promising tool to limit violinists’ muscle fatigue accumulation and prevent playing-related musculoskeletal disorders.

Le sommeil constitue une activité indispensable à l’adaptation et à la survie des organismes supérieurs. Chez l’être humain, il aurait un rôle dans l’intégration des expériences diurnes, de manière à préparer l’individu à la période de veille consécutive. Du fait de la pertinence adaptative des émotions, il a récemment été proposé que les émotions pré-hypniques pourraient influencer le déroulement du sommeil lequel modulerait la réactivité émotionnelle au réveil. Toutefois, ce lien bi-directionnel entre émotion et sommeil demeure peu caractérisé, notamment de par sa complexité et la difficulté à concilier les diverses approches méthodologiques. Dans ce contexte, l’objectif de la présente thèse était double : d’une part, déterminer l’impact de l’induction d’états émotionnels diurnes sur les caractéristiques du sommeil ; d’autre part, évaluer l’influence de ces états sur la réactivité émotionnelle au réveil. La programmation expérimentale a conduit à la mise en place de trois types de séquences vidéos émotionnelles, négatives, neutres ou positives, de manière à induire un état émotionnel diurne chez des participants, français ou japonais. Deux expérimentations ont eu lieu : l’une, testait l’impact des séquences émotionnelles sur l’état émotionnel des participants ; l’autre, visait à déterminer l’influence d’états émotionnels pré-hypniques sur les paramètres du sommeil et sur la réactivité à des expressions émotionnelles faciales, présentées peu après le réveil consécutif. Ces expérimentations ont permis d’obtenir plusieurs résultats novateurs. En premier lieu, il a pu être montré que les séquences vidéos induisaient des états émotionnels congruents en phase pré-hypnique. En deuxième lieu, ces états émotionnels pré-hypniques modifiaient la distribution des stades du sommeil consécutif ainsi que l’activité neurovégétative associée. En troisième lieu, nous avons pu observer que l’induction émotionnelle pré-hypnique entrainait des modifications de la réactivité émotionnelle après la période de sommeil consécutive, lors de la présentation de visages exprimant des intensités émotionnelles variables. L’interprétation des principaux résultats conduit à supposer que l’augmentation du temps passé en stade REM (Rapid Eye Movement) notamment, suite aux stimulations pré-hypniques, pourrait être l’indice d’un traitement particulier des expériences émotionnelles diurnes. Prenant appui sur cette hypothèse, il n’est pas exclu que ce traitement puisse constituer un médiateur des modifications de la réactivité émotionnelle observées lors du réveil.En conclusion, les recherches présentées dans cette thèse, fondées sur une méthodologie d’induction émotionnelle, nouvelle et standardisée, apportent des informations originales sur les liens bi-directionnels entre les émotions de la période de veille et le déroulement du sommeil. Sous réserve d’expérimentations supplémentaires, ces travaux suggèrent des questionnements nouveaux sur le rôle des émotions, notamment positives, sur le sommeil et les états émotionnels consécutifs. D’un point de vue prospectif, l’idée de l’utilisation du sommeil comme un levier efficace dans la régulation des émotions se trouve renforcée. / Sleep constitutes a major component of adaptation and survival in evolved organisms. In humans, sleep could have a role in the integration of daytime experiences, preparing by this way individuals for consecutive wake period. Due to the adaptive relevance of emotions, it has recently been proposed that pre-hypnic emotions could influence the sleep course, which could modulate emotional reactivity at awakening. However, the bi-directional link between emotion and sleep remains unclear, this being explained by the complexity of such link and by the difficulty of reconciling the diversity of methodological approaches. In this context, the aim of this thesis was twofold: first, determine the impact of induced daytime emotional states on sleep characteristics; second, assess the influence of these states on the emotional reactivity at the awakening.The experimental program led to the presentation of three types of emotional movies, negative, neutral or positive, in order to induce a diurnal emotional state, in French or Japanese participants. Two experiments were carried out: one tested the impact of the emotional movies on the individual emotional states; the other determined the influence of pre-hypnic induced emotional states on sleep parameters and responsiveness to emotional facial expressions, presented to the participant at the subsequent awakening.These experiments allowed to obtain several new results. Firstly, it was shown that emotional movies induced congruent emotional states during the pre-hypnic period. Secondly, these pre-hypnic emotional states influenced the distribution of sleep stages and associated autonomic activity during the consecutive night of sleep. Thirdly, we observed that the pre-hypnic emotional induction modulated the emotional reactivity after the sleep period, during the presentation of faces expressing emotions at different intensities. The interpretation of main results can lead to the speculation that the increase of time spent in REM (Rapid Eye Movement) stage, following the pre-hypnic emotional stimulations, can be a marker of central processes related to daytime emotional experiences. Based on this assumption, such processes could be a required mediator for emotional reactivity changes observed upon awakening.In conclusion, researches presented in this thesis, subtended by a new and standardized methodology of emotional induction, provide original information about the bi-directional links between diurnal emotions and sleep course. Subject to additional experimentations, this work brings new questions about the role of emotions, particularly positive ones, on sleep and subsequent emotional states. From a prospective point of view, reported data reinforces the idea that considers the sleep as an efficient lever to regulate emotions.