Bien que l’utilisation précoce de gestes communicatifs par de jeunes enfants soit reconnue comme étant étroitement liée au développement du langage (e.g., Colonnesi et al., 2010), la nature des liens gestes–langage doit encore être clarifiée. Cette thèse a pour but d’étudier la production de gestes de pointage au cours du développement afin de déterminer si la relation prédictive et facilitatrice entre les gestes et l’acquisition du langage implique des fonctions spécifiques du pointage, en association avec des caractéristiques spécifiques en terme de forme de mains, regard et vocalisations. De plus, une attention particulière a été apportée à l’étude des préférences manuelles dans le but de mieux comprendre le développement de la spécialisation hémisphérique gauche pour les comportements communicatifs. Nos résultats ont révélé des relations complexes entre le langage, les gestes communicatifs et les activités de manipulation, qui dépendent de la fonction des gestes (i.e., pointage impératif versus déclaratif) et des étapes spécifiques de l’acquisition du langage. Les gestes déclaratifs sont plus étroitement associés au développement de la parole que les gestes impératifs, au-moins avant la période d’explosion lexicale. De plus, la comparaison des patterns de préférence manuelle chez l’enfant et l’adulte a montré une plus grande proximité pour les gestes que pour la manipulation d’objet. L’asymétrie manuelle droite pour les gestes communicatifs est ainsi établie à des stades précoces, ce qui suggère un rôle primordial des gestes dans la spécialisation hémisphérique.Finalement, nos résultats ont mis en évidence l’existence d’un système de communication dans l’hémisphère cérébral gauche contrôlant à la fois la communication gestuelle et verbale, qui pourrait avoir une origine phylogénétique ancienne (e.g., Corballis, 2010). Par conséquent, le présent travail peut améliorer notre compréhension des origines du langage, y compris des mécanismes de la spécialisation cérébrale pour les comportements communicatifs. / Even though children’s early use of communicative gestures is recognized as being closely related to language development (e.g., Colonnesi et al., 2010), the nature of speech–gestures links still needs to be clarified. This dissertation aims to investigate the production of pointing gestures during development to determine whether the predictive and facilitative relationship between gestures and language acquisition involves specific functions of pointing, in association with specific features in terms of hand shape, gaze and accompanying vocalizations. Moreover, special attention was paid to the study of hand preferences in order to better understand the development of left hemisphere specialization for communicative behaviors. Our results revealed complex relationships between language, communicative gestures and manipulative activities depending on the function of gestures (i.e., imperative versus declarative pointing) as well as on specific stages of language acquisition. Declarative gestures were found to be more closely associated with speech development than imperative gestures, at least before the lexical spurt period. In addition, the comparison of hand-preference patterns in adults and infants showed stronger similarity for gestures than for object manipulation. The right-sided asymmetry for communicative gestures is thus established in early stages, which suggests a primary role of gestures in hemispheric specialization.Finally, our findings have highlighted the existence of a left-lateralized communication system controlling both gestural and vocal communication, which has been suggested to have a deep phylogenetic origin (e.g., Corballis, 2010). Therefore, the present work may improve current understanding of the evolutionary roots of language, including the mechanisms of cerebral specialization for communicative behaviors.

La dextérité manuelle est au centre de notre interaction physique avec le monde. La sophistication des mouvements des doigts chez l’homme nécessite le contrôle de plusieurs composants clés comme la force, l’indépendance, le timing et le séquençage des mouvements des doigts. La dextérité est souvent affectée dans de nombreuses pathologies impactant l’indépendance et la vie quotidienne des patients. Le but global de cette thèse est d’améliorer la rééducation de la dextérité chez ces patients par une meilleure mesure et compréhension de la dextérité et de ses composants. Nous avons développé le Finger Force Manipulandum (FFM), un outil permettant de quantifier les principaux composants de la dextérité chez des sujets sains et des patients. Afin de valider cet appareil, nous avons testé la faisabilité de son utilisation chez des patients souffrant d’un important déficit de dextérité après un accident vasculaire cérébral. Le FFM permet, chez ces patients (N= 10 vs N= 10 sujets sains), de quantifier les différents composants de la dextérité et d’identifier des déficits dans chacun d’entre eux (exemple : les patients font trois fois plus d’erreur que les témoins pour le contrôle de force ; P=0,0002). Les mesures sont plus sensibles que certains tests cliniques comme l’ARAT : elles permettent de détecter des déficits de la dextérité même chez des patients atteignant le score maximum de l’ARAT. Le FFM permet également de créer un profil de dextérité affectée chez chaque patient permettant ainsi de détecter quel composant est significativement affecté et permet aussi de suivre la récupération. Dans une maladie affectant légèrement la dextérité, comme la schizophrénie, lorsque l’on compare les scores FFM des patients stabilisés (N= 35) avec ceux des témoins (N= 20) on constate que les patients ont une performance diminuée de façon significative dans chacun des quatre composants de la dextérité. Certaines des mesures du FFM corrèlent avec des échelles cliniques comme la PANSS (R=0,53, P=0,0019) mais aussi avec des échelles neuropsychologiques. Ces mesures FFM sont également assez sensibles pour détecter une évolution au cours du temps : certains composants restent stables après une remédiation cognitive alors que d’autres s’améliorent. En conclusion, le FFM est un nouvel outil qui permet de quantifier les différents composants de la dextérité. Il est utilisable même chez des patients avec un important déficit manuel et permet d’identifier des profils individuels de dextérité affectée. Il est également assez sensible pour détecter de faibles diminutions de performances motrices comme celles retrouvées chez des patients schizophrènes et pourrait permettre d’identifier certains marqueurs moteurs ayant trait au background neuro-développemental des patients schizophrènes (détection précoce) et à l’évolution de la maladie. / Manual dexterity is essential for our physical interaction with the world. The high degree of dexterity in humans requires sophisticated control of several key components such as the control of force, of independence, timing and sequencing of finger movements. Manual dexterity is affected in various pathologies, impacting activities of daily living and leading to loss of independence. The main purpose of this thesis is to improve rehabilitation of dexterity in these patients by a better behavioral quantification and a clearer understanding of manual dexterity and its components of control. We developed the Finger Force Manipulandum (FFM), a new tool allowing for the quantification of the main components of the dexterity in healthy subjects and in patients. To validate this device, we tested the feasibility of its use with stroke patients suffering from moderate-to-severe deficits of dexterity. In these patients, the FFM allowed for quantification of four components of dexterity and for identification of deficits in each of them (example: patients (N=10) made three times more error than controls (N=10) in force control; P=0.0002). These measures (components) are more sensitive than clinical tests, such as the ARAT: patients reaching the maximum ARAT score still showed deficits of dexterity with the FFM. Based on the four FFM scores, individual profiles of affected dexterity were calculated, highlighting the individual deficit of each patient. This allowed for quantitative longitudinal follow up during recovery. In a disease affecting dexterity mildly, such as schizophrenia, the FFM scores of stabilized patients (N = 35) indicated a significantly lower performance compared to control subjects (N = 20) in each of the four dexterity components. Some of the FFM measures correlated with clinical scales, such as the PANSS (R=0.53, P=0.0019), and also with some neuropsychological scales. These FFM measures also provide indicators for the evolution of dexterity over time: certain components remained stable after cognitive remediation, while others improved. In conclusion, the FFM is a new tool, which allows for quantification of manual dexterity (by measuring various underlying components). It is suitable for patients with moderate-to-sever manual deficits and allows for identification of individual profiles of affected dexterity. It also detects minor manual deficits in schizophrenic patients, and may allow for identification of potential behavioral markers related to the neurodevelopmental background of schizophrenic patients (early detection) and to the evolution of the disease.

Dans un environnement en constant changement, les fonctions exécutives (FRE) nous permettent d'organiser l'information en provenance de sources multiples, de s'adapter à des situations sociales complexes et d'inhiber les comportements inappropriés. Les recherches sur le fonctionnement exécutif ont été initiées en neuropsychologie, après avoir observé chez des patients frontaux, des difficultés à organiser leurs comportements quotidiens sans pour autant présenter de difficultés de langage ou de mémoire. Un grand nombre de tests neuropsychologiques sont disponibles afin d'évaluer les FE. Cependant, ces tests sont souvent critiqués pour leur complexité et leur manque de validité de construction. Le champ des FE manque en réalité de modèles théoriques précis qui permettraient de décrire ces fonctions et leurs potentielles interactions pour le contrôle des comportements complexes. En conséquence, les tâches sont souvent construites de manière intuitive, dans le présent travail de thèse, après revue d'un état de l'art sur les FE (Ch1), je propose une nouvelle tâche, le spatial-tapping, qui pourrait être utilisée en remplacement des tâches classiques complexes (Ch2). Je promeus également le potentiel de cette tâche à être utilisée dans des contextes cliniques (Ch3). Je présente finalement comment les analyses réalisées pour le spatial-tapping afin d'étudier les FE peuvent être transférées à des situations motrices plus complexes, comme la coordination bi-manuelle (Ch4). En conclusion, les résultats présentés dans ce travail de thèse sont en faveur de l'idée selon laquelle notre organisation mentale reflète la manière dont on organise nos mouvements. / In a constant changing environment, executive abilities allow us to organize sensory information of multiple sources and to adapt to diverse stuations while at the same time inhibiting inappropriate behaviors. research on the executive functions (EFS) have historical roots on neuropsychology, with the description of frontal patients that were showing disruptions in organizing their daily behaviors independently of any impairment in memory, language or general intelligence. A wide range of neuropsychological tools is used today to evaluate executive abilities : tower of London for planning, go-no-go for inhibition, etc. However, the classical tasks often present methodological limitations and they lack of correpondence between process and behavior. Furthermore, the field lacks of a compelling theory that make links between the EFS themselves. The present PHD work was an attempt to propose a novel task to assess the EFS in the place of the classical batteries of neuropsychological tasks. After offering an overview of the EF literature and presenting simple motor tasks that seem to target similar EFS than those described in neuropsychology (Ch1), I present the spatial-tapping task as a challenging paradigm to understand the relationships between the different EFS (Ch2), and its potential to be used in clinical settings (Ch3). The I present how a similar approach can be used to investigate how EFS intervenes in the control of more complex motor sequences, E.G. bi-manual tasks (Ch4). Overall, the results presented here support an emboided perspective of cognition with mental organization reflecting the way one plans motor sequences for adaptive behavior.

Mit der Automatisierung geht stets erneut die Frage nach der Funktionsallokation einher. Diese lässt sich vereinfacht wie folgt formulieren: Welche Aufgaben bzw. Funktionen soll die Automation und welche der Mensch ausführen? Abwendend von traditionellen Ansätzen maximaler Automatisierung und statischer Aufgabenteilungen haben sich heute dynamische Ansätze der Funktionsallokation bzw. kooperativen Automation durchgesetzt, bei denen sich Operateur und Automation die Kontrolle für bestimmte Aufgaben während des Prozesses teilen oder übergeben können. Die Ausgestaltung dieser kooperativen Automation wirft insbesondere zwei Fragen auf: Wer hat (wann wieviel) Kontrolle? Und wer entscheidet darüber? Diese Fragen nach Kontrolle und Autorität bilden die Grundlage für das theoretische und empirische Anliegen dieser Arbeit. Auf Basis einer umfangreichen literaturbasierten Diskussion der Fragen wird ein eigenes Rahmenmodell vorgeschlagen. Dieses erlaubt, anhand der Aspekte Authorität und Kontrolle, konkrete und trennscharfe Kooperationsformen zwischen Operateur und Automation zu beschreiben. Der einfachste Fall einer Zusammenarbeit zwischen Operateur und Automation wird sodann in einer Studie mit 81 Operateuren untersucht. Es interessiert, ob sich die Leistung von Operateuren, welche bei der Prozessüberwachung und -führung optional mit einer automatischen Unterstützung zusammen arbeiten können, im Vergleich zu Operateuren ohne eine solche automatische Unterstützung verbessert. Für bestimmte Leistungsindikatoren können in der Tat höchst positive Effekte der automatischen Unterstützung ermittelt und konkrete Interaktionsmuster der Operateure in der Kooperation mit der automatischen Unterstützung beschrieben werden. Die theoretischen und empirischen Ergebnisse der diesere Arbeit liefern eine Grundlage für differenzierte Bewertungen und somit auch Empfehlungen spezifischer Kooperationsformen, die gerade im Hinblick auf die Ausgestaltung kooperativer Automation noch rar sind. / Automation has always been accompanied by the question of function allocation, that is: which tasks and/or functions should be executed by the machine vs. by the human? Today, dynamic function allocation or cooperative automation has become the dominant approach, which allows for a more flexible sharing and trading of control between operator and automation. However, how cooperative automation is put into practice remains mainly an open question. Two central aspects have to be dealt with: Who should execute a certain function, i.e. have control (and when)? And who should decide about it? These questions of control and authority are central to this thesis. Based on an extensive literature review, a theoretical model is proposed. This model allows for a classification of specific forms of control between operator and automation based on authoriy and control. In an empirical study the effect of the most simple form of cooperation is investigated regarding its effect on performance of 81 operators. It is assumed that supervisory control performance of operators benefits from this form of cooperation with automation. Thereby supervisory control performance of operators cooperating with automation is compared to performance of operators who were not provided with such automation, i.e. had to supervise and control fully manually. Results show, that cooperation with automation has a positive effect on certain performance indicators. Also interaction patterns of operators cooperating with automation are investigated in detail. Both, the theoretical and empirical approach in this thesis provide a profound basis which allows for a more sophisticated evaluation and recommendation of forms of cooperation between operator and automation. So far, such recommendations are rare in Human Factors Research but they are desperately needed, especially when it comes to the implementation of forms of cooperative automation.

Etude en IRMf sur la réactivité visuo-manuelle intentionnelle et l'expertise sensorimotrice : la correction de trajectoire manuelle en cours de mouvement conduit à sur activer le réseau cérébral impliqué dans pointage direct (aires visuelles occipitales, associatives pariétales, frontales motrices, prémotrices et oculo-motrices, thalamus, ganglions de la base et cervelet). Les aires sensorielles et motrices primaires sont plus fortement sollicités chez les sujets contrôles, alors que les Escrimeurs activent plus fortement les aires d'intégration sensorimotrice de haut niveau (aires pariétales, prémotrices, sous-corticales et cérébelleuses). Le contrôle visuo-manuel semble donc reposer sur des boucles neuronales imbriquées, sous-tendant des modules opérationnels plus ou moins recrutés selon les contraintes d'exécution du mouvement. Il apparaît que l'expertise sensorimotrice liée à la pratique sportive peut conduire à des modifications des cartes fonctionnelles cérébrales.

L'homme ne perçoit pas l'espace de manière homogène : le cerveau code l'espace proche du corps différemment de l'espace lointain. Cette distinction joue un rôle primordial notre comportement social : l'espace proche du corps, appelé espace péripersonnel (EPP), serait une zone de protection du corps, où la présence d'un individu est perçue comme une menace. L'EPP a été initialement décrit par la psychologie sociale et l'anthropologie, comme un facteur de la communication humaine. L'EPP a été plus tard décrit chez le singe par des études de neurophysiologie comme un espace codé par des neurones multisensoriels. Ces neurones déchargent uniquement en réponse à des évènements sensoriels situés à une distance limitée du corps du singe (qu'ils soient tactiles, visuels ou auditifs). L'ensemble de ces neurones multisensoriels code ainsi l'EPP tout autour du corps. Ce codage exclusif de l'EPP est crucial pour interagir avec le monde extérieur, car c'est dans cet espace que sont réalisées les actions visant à protéger le corps ou visant à atteindre des objets autour de soi. Le codage mutlisensoriel de l'EPP pendant des interactions sociales est à ce jour peu étudié. Dans ce travail de recherche, nous avons réalisé plusieurs études en vu d'identifier des facteurs contribuant à la perméabilité de l'EPP et ses aspects adaptatifs. Une première étude a examiné les frontières latérales de l'EPP chez des individus seuls, en mesurant l'interaction d'une source sonore dynamique s'approchant du corps avec le temps de détection de stimulations tactiles. Cette étude a montré des différences dans la taille de l'EPP entre les deux hémi-espaces, qui seraient liées à la latéralité manuelle. Une seconde étude a exploré les modulations de l'EPP dans des contextes sociaux. Elle a montré que l'EPP est modifié lorsque des individus réalisent une tâche en collaboration. La troisième étude est une recherche méthodologique qui vise à dépasser les limitations des paradigmes comportementaux utilisés actuellement pour mesurer l'EPP. Elle propose de nouvelles pistes pour évaluer comment les stimuli approchant le corps sont intégrés en fonction de leur distance et du contexte multisensoriel dans lequel ils sont traités. L'ensemble de ces travaux montre l'intérêt d'étudier l'intégration multisensorielle autour du corps dans l'espace 3D pour comprendre pleinement l'EPP, et les impacts potentiels de facteurs sociaux sur les processus multisensoriels de bas-niveaux. De plus, ces études soulignent l'importance pour les neurosciences sociales de développer des protocoles expérimentaux réellement sociaux, à plusieurs participants. / The space near the body, called peripersonal space (PPS), was originally studied in social psychology and anthropology as an important factor in interpersonal communication. It was later described by neurophysiological studies in monkeys as a space mapped with multisensory neurons. Those neurons discharge only when events are occurring near the body (be it tactile, visual or audio information), delineating the space that people consider as belonging to them. The human brain also codes events that are near the body differently from those that are farther away. This dedicated brain function is critical to interact satisfactorily with the external world, be it for defending oneself or to reach objects of interest. However, little is known about how this function is impacted by real social interactions. In this work, we have conducted several studies aiming at understanding the factors that contribute to the permeability and adaptive aspects of PPS. A first study examined lateral PPS for individuals in isolation, by measuring reaction time to tactile stimuli when an irrelevant sound is looming towards the body of the individual. It revealed an anisotropy of reaction time across hemispaces, that we could link to handedness. A second study explored the modulations of PPS in social contexts. It was found that minimal social instructions could influence the shape of peripersonal space, with a complex modification of behaviors in collaborative tasks that outreaches the handedness effect. The third study is a methodological investigation attempting to go beyond the limitations of the behavioral methods measuring PPS, and proposing a new direction to assess how stimuli coming towards the body are integrated according to their distance and the multisensory context in which they are processed. Taken together, our work emphasizes the importance of investigating multisensory integration in 3D space around the body to fully capture PPS mechanisms, and the potential impacts of social factors on low-level multisensory processes. Moreover, this research provides evidence that neurocognitive social investigations, in particular on space perception, benefit from going beyond the traditional isolated individual protocols towards actual live social interactive paradigms.

L'étendue et les causes des déficits de coordination visuo-manuelle des enfants nés prématurés à bas risque ne sont pas vraiment connus. L'objectif principal de la thèse présentée ici était d'étudier le développement de la coordination visuo-manuelle chez douze prématurés à bas risque, nés après 33-36 semaines de gestation et examinés entre 5 et 23 mois d'âge chronologique. Au cours de la thèse, nous avons mené une série d'études avec des objectifs spécifiques. Dans l'étude 1, nous avons observé le développement de la coordination visuo-manuelle, la prise d'objets, le contrôle de la motricité bimanuelle et la latéralité chez ces enfants prématurés vus entre 6 et 12 mois et comparés à des enfants nés à terme à âge gestationnel équivalent. La perception visuelle des enfants a également été testée à 5 mois et mise en relation avec la coordination visuo-manuelle. Les résultats montrent une perception visuelle globalement normale chez les prématurés qui ne différent des enfants à terme que par une fixation visuelle plus faible. Par contre les enfants prématurés présentent un développement plus lent pour l'intégration visuo-manuelle, la prise d'objet, la coordination bimanuelle et la latéralité. L'hypotonicité et l'âge gestationnel sont les principaux facteurs responsables de ce retard. Aucun retard n'est observé pour le développement postural et locomoteur. Dans l'étude 2 nous avons recherché l'effet de la prématurité sur le développement de la compréhension qu'un objet dont toutes les parties ne sont pas à portée de main peut être saisi par n'importe quelle partie (principe de cohésion). Nous avons présenté aux mêmes enfants prématurés une condition « objet composite » dans laquelle une balle colorée est attachée au bout d'un manche blanc, seul le manche étant à portée de main. Dans une deuxième condition (« déconnection invisible »), la balle paraissait connectée au manche mais ne l'était pas. Les résultats montrent que, en tant que groupe, les bébés prématurés ne présentent pas de retard dans leur prise d'un objet composite. Cependant les enfants prématurés hypotoniques ou nés après 33-34 semaines étaient significativement en retard par rapport aux enfants prématurés hypertoniques. Ces résultats des deux premières études montrent que les nourrissons prématurés, même à bas risque, présentent un retard de développement visuo-manuel dans leur première année de vie et on peut se demander si ce retard se prolonge au-delà de la première année. La réponse à cette question est présentée dans l'étude 3. Nous avons comparé le développement de l'utilisation d'un outil chez les enfants prématurés, âgés alors de 15 à 23 mois, avec celui d'enfants nés à terme d'âge gestationnel équivalent. Comprendre l'affordance d'un outil est une étape importante dans la période sensorimotrice. L'utilisation d'un outil pour prendre un objet hors de portée, par exemple, se développe normalement au cours de la deuxième année. Nous avons présenté aux enfants prématurés un jouet coloré hors de portée et un râteau blanc à portée de main dans cinq conditions de relations spatiales entre le jouet et le râteau. En tant que groupe, les enfants prématurés ont présenté un développement normal de l'utilisation de l'outil. Cependant, ce développement normal n'apparaît pas chez tous les enfants prématurés. Les enfants prématurés hypotoniques ou nés après 33-34 semaines de gestation ont montré un retard significatif dans leur acquisition de l'utilisation de l'outil. Ces résultats montrent que les enfants nés prématurés à faible risque peuvent être retardés dans leur développement de nouvelles compétences manuelles au-delà de la première année. En suivant ces enfants au-delà de deux ans, il devrait être possible de déterminer quels sont les tests les plus prédictifs de déficits neuropsychologiques persistants parmi ceux que nous avons utilisés. Ces résultats devraient néanmoins être confirmés dans une population plus large. / The extent of and reasons for visual-manual coordination deficits in moderate and late low risk preterm born infants are not well known. The aim of the thesis presented here was to investigate the development of visual-manual coordination in twelve low risk preterm infants born after 33-36 weeks of gestation and examined from 5 to 23 months of age. We conducted a series of studies with specific goals. The goal of study 1 was to investigate the development of visual-manual and bimanual coordination as well as handedness in the preterm infants between the postnatal ages of 6 and 12 months, after having evaluated their visual functions at 5 months. Gross motor development was also evaluated every month. Preterm infants were compared to a control group of ten full-term infants according to corrected age. Results show that preterm infants had a visual perception close to normal, with only visual fixation being lower than in full-terms. Preterm infants had delayed development of visual-manual integration, grasping, bimanual coordination and handedness. Tonicity and gestational age at birth were the main variables associated to the delays. There was no delay for gross motor development. The goal of study 2 was to investigate at what age preterm infants integrate the notion of object cohesiveness into their action plan. The same preterm and full-term infants as in first study were presented with a composite object task at 6, 8, and 10 months in two conditions, "composite object" condition, in which a bright ball was attached to the end of a neutral handle, and "invisible disconnection" condition in which the ball seemed to be connected to the handle but was not. Only the handle was within reach. Corrected age comparisons between preterm infants and full-terms showed no significant difference between the two groups. However, the hypotonic preterm infants had a significantly lower performance than the hypertonic infants. Based on the results from studies 1 and 2 it seems that preterm infants, in particular the hypotonic infants, have a delayed development in their first year of life, and one can wonder if this delay remains at later stages. To answer this question, in study 3 we compared the development of tool use in the preterm infants, aged 15 to 23 months, with that of full-terms according to corrected age. Understanding the affordance of a tool is an important milestone in early sensorimotor period. Using a tool to bring within reach an out-of-reach object, for instance, has been shown to develop during the second year in full-term infants. Here we presented preterm infants with an attractive toy out of reach and with a rake-like tool within reach in five conditions of spatial relationships between the toy and the tool. As a group, preterm infants showed a normal development of tool use. However not all preterm infants developped tool use without delay. Hypotonic and moderate preterm infants were significantly delayed in their acquisition of tool use. These results, show that some low risk preterm infants can still be impaired for the development of new manual skills beyond the first year. By following these low risk preterm children, it should be possible to evaluate which of the delays observed in our studies are the best predictors of later neuropsychological deficits in childhood. These results should also be confirmed with a larger sample of preterm infants.

La recherche portant sur l'identification des principes neurobiologiques qui sous-tendent le contrôle moteur humain est actuellement très active. Les mouvements humains ont en effet un niveau de robustesse et de dextérité encore inégalé dans la réalisation robotique de tâches complexes. L'objectif est donc de mieux comprendre l'origine de cette performance et de la reproduire en robotique bio-inspirée. Il a déjà été démontré que des réseaux spinaux rythmiques sont présents dans la moelle épinière des vertébrés. Ils constituent des systèmes dynamiques non-linéaires composés de neurones en inhibition réciproque et seraient à l’origine de la génération des mouvements rythmiques comme la locomotion et la respiration. Les attracteurs de ces systèmes dynamiques seraient modulés de manière continue ou intermittente par des signaux sensoriels et des signaux descendant du cortex moteur, de manière à adapter le comportement de l’agent à la dynamique de l’environnement.La présente étude émet l'hypothèse que des informations visuelles sont également couplées aux réseaux spinaux rythmiques et que ces couplages sont responsables des synchronisations temporelles et spatiales observées lors de la réalisation de tâches visuomotrices rythmiques. Cette proposition est confrontée à des résultats expérimentaux de frappe cyclique de balle, un benchmark bien connu des neuroscientifiques et des dynamiciens en raison de ses propriétés dynamiques intrinsèques. Il rend possible à la fois l’étude de la génération de mouvements rythmiques par des réseaux spinaux, la synchronisation temporelle avec l’environnement, la correction en-ligne des erreurs spatiales et l’interception de projectiles balistiques.Cette thèse propose ainsi un modèle comportemental mathématique innovant reposant sur un modèle d’oscillateur neuronal dont l’attracteur, qui définit les trajectoires de la raquette, est modulé en ligne par les perceptions visuelles de la trajectoire de la balle. La pertinence du modèle est validée par comparaison aux données expérimentales et aux modèles précédemment proposés dans la littérature. La robustesse de cette stratégie de contrôle est également quantifiée par une analyse de stabilité asymptotique du système hybride défini par le couplage entre le système neuro-musculo-squelettique et la balle. Le correcteur bio-inspiré proposé dans cette thèse réunit de manière harmonieuse un contrôle prospectif de la synchronisation balle-raquette, un contrôle paramétrique intermittent dimensionnant le mouvement et un contrôle émergeant du cycle-limite du système couplé. Il reproduit efficacement les modulations des actions motrices et les performances des humains durant la tâche de frappe cyclique de balle, y compris en présence de perturbations, et ce sans avoir recours à une planification du mouvement ou à des représentations internes explicites de l’environnement. Les résultats de cette étude conduisent à l’affirmation réaliste que les mouvements humains sont directement structurés par l’information sensorielle disponible et par des stratégies correctives en-ligne, en accord avec la théorie des dynamiques comportementales. Cette architecture de contrôle pourrait offrir de nombreux avantages aux robots humanoïdes qui en seraient munis, en assurant stabilité et économie d’énergie, par l’intermédiaire de lois de commande de faible complexité et peu gourmandes en ressources computationnelles. / The identification of the neurbiological principles underlying human motor control is a very active reseach topic. Indeed, human movement has a level of robustness and dexterity still unmatched by robots. The objective is therefore to better understand the origin of this efficiency to replicate these performances in robotics. It has been shown that spinal rhythm generators, known as Central Pattern Generators (CPG), are responsible for the generation of rhythmic movements such as locomotion and respiration in vertebrates. These CPG constitute dynamic nonlinear systems modulated by sensory signals and descending signals from the cortex to adapt the behavior to the changing environment.The present study hypothesizes that visual information is also coupled to the CPG and that these couplings are responsible for the temporal and spatial synchronization observed during rhythmic visuomotor tasks. This assumption is confronted with experimental results from human participants performing ball bouncing, a well-known benchmark in neuroscience and robotics for its intrinsic dynamic properties. This task allows for the investigation of rhythmic movement generation by spinal networks, the temporal synchronization with the environment, the on-line correction of spatial errors and the interception of ballistic projectiles.This thesis proposes an innovative mathematical behavioral model based on a neuronal oscillator whose attractor, which defines the paddle trajectories, is modulated on-line by the visual perception of the ball trajectory. The relevance of the model is validated by comparison with experimental data and models previously proposed in the literature. The robustness of this control strategy is quantified by an asymptotic stability analysis. The bio-inspired controller presented in this thesis harmoniously combines a prospective control of the ball-paddle synchronization, an intermittent parametric control that scales the movement and a control emerging from the coupled system limit cycle. It efficiently reproduces the human modulation in motor action and performance during ball bouncing, without relying on movement planning or explicit internal representation of the environment. The results of this study lead to the realistic assumption that much part of the human behavior during ball bouncing is directly structured by sensory information and on-line error correction processes, in agreement with the behavioral dynamics theory. This control architecture holds promise for the control of humanoid robots as it is able to ensure stability and energy saving through control laws of reduced complexity and computational cost.

Dans de nombreuses disciplines sportives, la manipulation à deux mains d'un instrument conditionne le résultat final. Le baseball et le golf sont des sports impliquant une action bimanuelle asymétrique. La performance dans ces sports repose en partie sur la puissance de frappe. Il est possible que la préférence latérale, ainsi que la position des mains lors d'une action bimanuelle puissent influencer la puissance de frappe au golf et au baseball. La présente recherche examine d'abord la répartition des gauchers et droitiers manuels selon leur préférence latérale au baseball, au golf et au hockey. Les résultats indiquent que la préférence manuelle est prédictrice de la préférence latérale et qu'il existe une dépendance entre le côté adopté pour s'élancer au baseball et au golf, au golf et au hockey, au baseball et au hockey. Une étude expérimentale examine la performance de 227 hommes en fonction de leur préférence latérale et manuelle dans deux conditions (côté préféré et côté non-préféré). Les résultats indiquent qu'il n'y a aucun effet d'interaction de la préférence manuelle et de la préférence latérale sur la vitesse des élans au golf et au baseball et ce dans les deux conditions.

La thèse traite des problématiques de contrôle/commande liées aux groupes motopropulseurs complexes moyennant une approche de commande prédictive unifiée implémentable en temps réel grâce à une approche de contrôle paramétrique. L'étude concerne deux groupes motopropulseurs : un groupe motopropulseur hybride léger équipé d'une transmission manuelle robotisée, et un groupe motopropulseur fortement downsizé équipé d'une transmission manuelle. Dans la première application le contrôle pilote totalement la dynamique du groupe motopropulseur (moteur et transmission) en assurant une transparence vis-à-vis de la demande du conducteur. Par contre dans la seconde application, équipé d'une transmission manuelle, le contrôle assiste le conducteur en assurent un contrôle avancé du moteur en pilotant le couple thermique. Dans le cadre de la thèse, un modèle phénoménologique du couple embrayage a été mis également au point pour les besoins de la commande.