Parce que l’homme évolue dans un système en mouvement permanent, il a l’obligation de s’y adapter au mieux. Pour cela il dispose d’un ensemble de récepteurs lui permettant de s’adapter, de suivre et de prendre en compte l’évolution et la variation des différents éléments composant son environnement. La perception du monde traduit ainsi la capacité de l’individu à prendre conscience de la présence d’un évènement particulier à un moment donné. C’est dans ce contexte que se situe cette étude. En station droite érigée, l’ajout d’une modalité haptique permet-elle au sujet d’améliorer ses comportements posturaux ? Selon Matthews et Miles (1988) le sens haptique correspond au sens de la perception combinant les informations dynamiques issues à la fois des récepteurs cutanés, musculaires, articulaires et tendineux. De nombreux auteurs (Jeka et Lackner 1994, 1995 ; Jeka et coll., 1997, 1998 ; Lackner et coll., 1999 ; Rabin et coll., 1999, 2008) ont montré que les informations haptiques obtenues par un contact du bout du doigt avec une surface rigide inférieur à 1Newton, contact qui mécaniquement ne permet pas une augmentation de la base de sustentation, fournissent des informations essentielles au système nerveux central (SNC) lui permettant une diminution des oscillations posturales. Le but de ce travail est de comprendre et d’interpréter les effets d’un toucher léger du bout d’un doigt avec une surface rigide dans le maintien et le contrôle de la stabilité posturale d’un sujet en position droite érigée, au moyen d’outils stabilométriques classiques tels que l’amplitude, la surface, etc. Ainsi que les coordinations posturales mises en place au travers de l’analyse en composantes principales et des intercorrélations pour étudier les coordinations articulaires et l’analyse de la diffusion et de la récurrence du stabilogramme pour analyser le résultat net de ces coordinations (qualitatif et quantitatif). / Because human evolves in a system in permanent movement, he has the obligation to adapt itself to it at best. So, he has of a set of receptor allowing him to adapt itself, to follow and to take into account the evolution and the variation of the various elements composing his environment. The perception of the environment translates the capacity of the subject to become aware of the presence of a particular event at a given moment. It is in this context that is situated this study. According to Matthews and Miles (1988) the haptique sense corresponds to the perceptual sense combining the stemming dynamic information at the same time cutaneous, muscular, articular and tendinous receptors. Authors showed (Jeka et Lackner 1994, 1995 ; Jeka et coll., 1997, 1998 ; Lackner et coll., 1999 ; Rabin et coll., 1999, 2008) that the haptic information obtained by a fingertip contact with a rigid pad lower 1 Newton, a contact which mechanically does not allow an increase of the support base, provide essential information to the central nervous system (SNC) allowing him a decrease of the postural oscillations. The aim of this work is to understand and to interpret the effects of a light touch of the fingertip with a rigid pad in the preservation and the control of postural stability of a subject in upright posture, by means of stabilometrics classical tools such as the amplitude, the surface, etc. As well as the set up motor coordination through the analysis in main components and intercorrelations to study the articular coordination and the analysis of the diffusion and the recurrence of the stabilogramme to analyze the result of these coordinations (qualitative and quantitative).

Ce travail de thèse porte essentiellement sur le cervelet. Nous y suivons deux axes majeurs : en termes de fonctions cérébelleuses, nous nous intéressons à l’apprentissage et l’adaptation du contrôle moteur ; en termes de dysfonctions cérébelleuses, nous nous intéressons à la dyslexie développementale.Nous nous orientons vers l’apprentissage du contrôle moteur afin d’en proposer un modèle computationnel fonctionnel appliqué aux mouvements oculaires volontaires. Pour ce faire, la Logique Floue est un de nos outils précieux. Nous avons proposé deux modèles. Le premier, AFCMAC (Auto-adaptive Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller), le résultat de l’intégration de la Logique Floue dans l’architecture de CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller), est pourvu d’améliorer la vitesse/durée d’apprentissage et le besoin en termes de mémoire par rapport à CMAC. Le second modèle est CMORG (fuzzy logiC based Modeling for Oculomotor contRol LearninG), dont sa structure est également basée sur la Logique Floue, et dans lequel, le réseau de neurones est utilisé comme la mémoire pour gérer les règles Floues. Les résultats des évaluations des modèles proposés (AFCMAC et CMORG) et étudiés (CMAC et FCMAC – Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller), via les données oculomotrices des groupes d’enfants dyslexiques et contrôles lors de la lecture, montrent que CMORG est le plus performant à la fois, en termes de vitesse/durée d’apprentissage et également, de consommation de mémoire. Un autre avantage principal de CMORG par rapport aux autres modèles, est son interprétabilité par les experts.Concernant la dyslexie développementale, nous avons mené une étude expérimentale sur les déficits du contrôle moteur binoculaire lors des saccades des six enfants dyslexiques pendant les deux tâches différentes (la lecture d’un texte et la visualisation des chaînes de caractères) et dans les deux distances de vision (40 cm et 100 cm). Nous corroborons et adhérons à l’idée que la (mauvaise) qualité de la coordination binoculaire des saccades chez les enfants dyslexiques est indépendante des difficultés en lecture, associée peut-être aux hypothèses du déficit du magnosystème et du dysfonctionnement cérébelleux. / This thesis focuses on the cerebellum. We follow two main lines: in terms of cerebellar functions, we are interested in learning and adaptation motor control ; in terms of cerebellar dysfunctions, we are interested in developmental dyslexia.We focus on learning motor control in order to provide a functional computational model applied to voluntary eye movements. To this end, Fuzzy Logic is one of our valuable tools. We proposed two models. The former is AFCMAC (Auto-adaptive Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller), the result of the integration of Fuzzy Logic in CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) architecture, in order to improve learning speed/time and memory requirements compared to the CMAC. The latter is CMORG (fuzzy logiC based Modeling for Oculomotor contRol LearninG), whose structure is also based on Fuzzy Logic, and in which, the neural network is used as the memory to handle Fuzzy rules. The evaluation results of the proposed (AFCMAC and CMORG) and studied (CMAC and FCMAC – Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller) models via oculomotor data of dyslexic and control groups while reading show that CMORG is the most efficient both in terms of learning speed/time and also memory consumption. Another main advantage of CMORG over the other models is its interpretability by experts. Regarding the developmental dyslexia, we conducted an experimental study on binocular motor control deficits during saccades in six dyslexic children while two different tasks (text reading and character string scanning) and in two viewing distances (40 cm and 100 cm). We corroborate and adhere to the idea that the (bad) quality of binocular coordination of saccades in dyslexic children is independent of reading difficulties, maybe associated with magnosystem and cerebellar deficit hypothesis.

La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative secondaire à la mort des neurones dopaminergiques, entraînant un dysfonctionnement des ganglions de la base (GB), ensemble de noyaux sous corticaux impliqués dans le contrôle de la motricité. Les symptômes moteurs sont améliorés par le traitement dopaminergique et par la stimulation cérébrale profonde (SCP) du noyau subthalamique (NST). Il a été montré que le changement d’activité bêta est corrélé avec l’amélioration motrice des symptômes de bradykinésie et rigidité. L’hypothèse serait que les oscillations bêta pourraient être un physiomarqueur spécifique des symptômes moteurs de la MP. L’objectif de cette thèse est de comprendre l’activité du NST et de trouver un physiomarqueur de la MP : au repos et pendant un paradigme Go/Nogo.Dans une première partie, pour 55 patients, nous avons modélisé la puissance avec un modèle linéaire à effets mixtes dans six bandes de fréquences selon la position des électrodes, la présence de complications liées au traitement dopaminergique, de la sévérité des symptômes, et du changement de ces symptômes suite à la prise du traitement dopaminergique. Le changement le plus important entre OFF- et ON-DOPA est observé dans la bande low-bêta. Cependant, nous n’avons pas trouvé de corrélation entre la sévérité de la bradykinésie, rigidité, ou du score axial avec l’activité low-bêta. Mais, nous avons trouvé que la sévérité de la rigidité était associée aux fréquences supérieures à 20Hz. Nous avons également trouvé une corrélation positive entre la sévérité du tremblement dans toutes les bandes de fréquences, qui est très importante pour la bande thêta. Etonnement, nous avons trouvé que les complications liées au traitement dopaminergique pouvaient induire des informations dans toutes les bandes. Cet effet est très important pour la bande thêta. Nos résultats au repos suggèrent que l’activité bêta n’est pas le physiomarqueur idéal de la MP.Pendant le paradigme Go/Nogo, pour 15 patients, nous avons modélisé la puissance avec un modèle linéaire à effets mixtes pour toutes les fréquences selon la position des électrodes, la sévérité des symptômes, les données comportementales et cinétiques. Nous avons trouvé une spécificité temporelle et spatiale des activités du NST au cours du paradigme. Nos résultats montrent que le NST est impliqué dans le contrôle des différentes étapes du mouvement volontaire du membre supérieur et que le défaut de dopamine dans le circuit sensorimoteur des GB génère une série de changements oscillatoires au sein du NST lors du mouvement. Cependant, l'activité thêta est apparue comme une activité caractéristique en OFF-DOPA fortement corrélée aux paramètres comportementaux et cinétiques. Cette activité pourrait être le physiomarqueur de la MP pendant l'exécution d'un mouvement, son augmentation pourrait induire une réponse motrice et un mouvement rapide. / The Parkinson's disease is a secondary neurodegenerative disease in the death of the dopaminergic neurons, pulling a dysfunction of the ganglions of the base (GB), the set pits under cortical implied in the control of the motricity...

Although upper limb motor impairments are common, the primary tools for assessing and tracking these impairments in a clinical setting are subjective, qualitative rating scales that lack resolution and repeatability. Markerless motion capture technology has the potential to greatly improve clinical assessment by providing quick, low-cost, and accurate tools to objectively quantify motor deficits. Here we lay some of the groundwork necessary to enable markerless motion capture systems to be used in clinical settings. First, we adapted five motor tests common in clinical assessments so they can be administered via markerless motion capture. We implemented these modified tests using a particular motion capture sensor (Leap MotionTM Controller, hereafter referred to as the Leap Motion sensor) and administered the tests to 100 healthy subjects to evaluate the feasibility of administrating these tests via markerless motion capture. Second, to determine the ability of the Leap Motion sensor to accurately measure tremor, we characterized the frequency response of the Leap Motion sensor. During the administration of the five modified motor tests on 100 healthy subjects, the subjects had little trouble interfacing with the Leap Motion sensor and graphical user interface, performing the tasks with ease. The Leap Motion sensor maintained an average sampling rate above 106 Hz across all subjects during each of the five tests. The rate of adverse events caused by the Leap Motion sensor (mainly jumps in time or space) was generally below 1%. In characterizing the frequency response of the Leap Motion sensor, we found its bandwidth to vary between 1.7 and 5.5 Hz for actual tremor amplitudes above 1.5 mm, with larger bandwidth for larger amplitudes. To improve the accuracy of tremor measurements, we provide the magnitude ratios that can be used to estimate the actual amplitude of the oscillations from the measurements by the Leap Motion sensor. These results suggest that markerless motion capture systems are on the verge of becoming suitable for routine clinical use, but more work is necessary to further improve the motor tests before they can be administered via markerless motion capture with sufficient robustness for clinical settings.

The observations made in brain-lesioned patients and the result of functional brain imaging studies converge to the hypothesis that the posterior parietal cortex (PPC) is involved in calculation and number processing. However, if numerical disorders generally result from a left parietal lesion, the results of some brain imaging studies suggest that the right PPC could also play a role in number magnitude processing. In order to clarify this question, we used transcranial magnetic stimulation to induce a virtual lesion of the left or right PPC in healthy subjects while they performed number comparison. Our results show that the integrity of the left PPC is a necessary condition for the precise discrimination required during close number comparison; whereas the comparison of far numbers can be performed by either hemisphere as suggested by the fact that this task is affected only by the simultaneous virtual lesion of both hemispheres. In order to better identify which processes underlie the numerical competence of the PPC, we then studied the possible interactions between number processing and visuo-motor functions. Indeed, a meta-analysis performed on functional imaging data revealed that number processing depends on parietal regions, but also on certain premotor areas, which are very close to those involved in the control of finger movements. In a first series of experiments, we thus observed an excitability increase in motor circuits during the enumeration of dots presented on a computer screen. Given that the counting task was performed with both hands at rest, this increase was interpreted as reflecting the mental simulation of pointing movements or sequential finger rising as counting goes on. In a second series of experiments, we showed that information related to number magnitude could interfere with the aperture of the finger grip required to grasp an object. These results suggest that the conformation of the hand to object size shares, with the representation of numbers, common processes for magnitude estimate. In conclusion, our thesis supports the hypothesis that our numerical capacities rely, at least partially, on visuo-motor functions involving the PPC; this could explain why the numerical capacities of the left hemisphere, which is dominant for motor activities, are more precise. / Les observations réalisées chez les patients cérébrolésés ainsi que le résultat des études d'imagerie cérébrale fonctionnelle convergent vers l'hypothèse selon laquelle le cortex pariétal postérieur (CPP) est impliqué dans le traitement des nombres et le calcul. Cependant, si les troubles du calcul résultent le plus souvent d'une lésion pariétale gauche, les résultats de certaines études d'imagerie fonctionnelle suggèrent que le CPP droit pourrait également jouer un rôle dans le traitement de la magnitude des nombres. Afin de clarifier cette question, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour induire une lésion virtuelle du CPP gauche ou droit chez des sujets sains réalisant une tâche de comparaison de nombres. Nos résultats montrent que l'intégrité du CPP gauche est une condition nécessaire à la discrimination précise requise lors de la comparaison de nombres proches; la comparaison de nombres éloignés peut, quant à elle, être réalisée par l'un ou l'autre hémisphère comme le suggère le fait que cette tâche n'est affectée que par lésion virtuelle simultanée des deux hémisphères. Afin de mieux appréhender les processus sur lesquels s'appuient les compétences numériques du CPP, nous avons ensuite étudié les interactions possibles entre le traitement des nombres et les fonctions visuo-motrices. En effet, une méta-analyse réalisée sur des données d'imagerie fonctionelle a révélé que le traitement des nombres dépend de régions pariétales, mais également de certaines aires prémotrices, proches de celles impliquées dans le contrôle des mouvements des doigts. Dans une première série d'expériences, nous avons ainsi observé une augmentation de l'excitabilité des circuits moteurs lors du comptage de points présentés sur l'écran d'un ordinateur. Etant donné que la tâche de comptage était réalisée avec les mains au repos, cette augmentation a été interprétée comme le reflet d'une simulation mentale de mouvements de pointage ou d'extension séquentielle des doigts pendant le comptage. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons montré que l'information relative à la magnitude des nombres pouvait interférer avec l'ouverture de la pince bidigitale requise pour saisir un objet. Ces résultats suggèrent que la conformation de la main adaptée à la taille des objets partage, avec la représentation des nombres, des processus communs d'estimation de la magnitude. En conclusion, notre travail supporte l'hypothèse selon laquelle nos capacités numériques pourraient, en partie du moins, reposer sur des fonctions visuo-motrices impliquant le CPP ; ceci pourrait expliquer pourquoi les capacités numériques de l'hémisphère gauche, dominant pour les activités motrices, sont plus précises.

The observations made in brain-lesioned patients and the result of functional brain imaging studies converge to the hypothesis that the posterior parietal cortex (PPC) is involved in calculation and number processing. However, if numerical disorders generally result from a left parietal lesion, the results of some brain imaging studies suggest that the right PPC could also play a role in number magnitude processing. In order to clarify this question, we used transcranial magnetic stimulation to induce a virtual lesion of the left or right PPC in healthy subjects while they performed number comparison. Our results show that the integrity of the left PPC is a necessary condition for the precise discrimination required during close number comparison; whereas the comparison of far numbers can be performed by either hemisphere as suggested by the fact that this task is affected only by the simultaneous virtual lesion of both hemispheres. In order to better identify which processes underlie the numerical competence of the PPC, we then studied the possible interactions between number processing and visuo-motor functions. Indeed, a meta-analysis performed on functional imaging data revealed that number processing depends on parietal regions, but also on certain premotor areas, which are very close to those involved in the control of finger movements. In a first series of experiments, we thus observed an excitability increase in motor circuits during the enumeration of dots presented on a computer screen. Given that the counting task was performed with both hands at rest, this increase was interpreted as reflecting the mental simulation of pointing movements or sequential finger rising as counting goes on. In a second series of experiments, we showed that information related to number magnitude could interfere with the aperture of the finger grip required to grasp an object. These results suggest that the conformation of the hand to object size shares, with the representation of numbers, common processes for magnitude estimate. In conclusion, our thesis supports the hypothesis that our numerical capacities rely, at least partially, on visuo-motor functions involving the PPC; this could explain why the numerical capacities of the left hemisphere, which is dominant for motor activities, are more precise. / Les observations réalisées chez les patients cérébrolésés ainsi que le résultat des études d'imagerie cérébrale fonctionnelle convergent vers l'hypothèse selon laquelle le cortex pariétal postérieur (CPP) est impliqué dans le traitement des nombres et le calcul. Cependant, si les troubles du calcul résultent le plus souvent d'une lésion pariétale gauche, les résultats de certaines études d'imagerie fonctionnelle suggèrent que le CPP droit pourrait également jouer un rôle dans le traitement de la magnitude des nombres. Afin de clarifier cette question, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour induire une lésion virtuelle du CPP gauche ou droit chez des sujets sains réalisant une tâche de comparaison de nombres. Nos résultats montrent que l'intégrité du CPP gauche est une condition nécessaire à la discrimination précise requise lors de la comparaison de nombres proches; la comparaison de nombres éloignés peut, quant à elle, être réalisée par l'un ou l'autre hémisphère comme le suggère le fait que cette tâche n'est affectée que par lésion virtuelle simultanée des deux hémisphères. Afin de mieux appréhender les processus sur lesquels s'appuient les compétences numériques du CPP, nous avons ensuite étudié les interactions possibles entre le traitement des nombres et les fonctions visuo-motrices. En effet, une méta-analyse réalisée sur des données d'imagerie fonctionelle a révélé que le traitement des nombres dépend de régions pariétales, mais également de certaines aires prémotrices, proches de celles impliquées dans le contrôle des mouvements des doigts. Dans une première série d'expériences, nous avons ainsi observé une augmentation de l'excitabilité des circuits moteurs lors du comptage de points présentés sur l'écran d'un ordinateur. Etant donné que la tâche de comptage était réalisée avec les mains au repos, cette augmentation a été interprétée comme le reflet d'une simulation mentale de mouvements de pointage ou d'extension séquentielle des doigts pendant le comptage. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons montré que l'information relative à la magnitude des nombres pouvait interférer avec l'ouverture de la pince bidigitale requise pour saisir un objet. Ces résultats suggèrent que la conformation de la main adaptée à la taille des objets partage, avec la représentation des nombres, des processus communs d'estimation de la magnitude. En conclusion, notre travail supporte l'hypothèse selon laquelle nos capacités numériques pourraient, en partie du moins, reposer sur des fonctions visuo-motrices impliquant le CPP ; ceci pourrait expliquer pourquoi les capacités numériques de l'hémisphère gauche, dominant pour les activités motrices, sont plus précises.

During muscle contraction, electrical signals are generated by the muscle cells. The analysis of those signals is called electromyography (EMG). The EMG signal is mainly determined by physiological factors including so called central factors (central nervous system origin) and peripheral factors (muscle tissue origin). In addition, during the acquisition of EMG signals, technical factors are introduced (measurement equipment origin). The aim of this dissertation was to develop and evaluate methods to estimate physiological properties of the muscles using multichannel surface EMG (MCsEMG) signals. In order to obtain accurate physiological estimates, a method for automatic signal quality estimation was developed. The method’s performance was evaluated using visually classified signals, and the results demonstrated high classification accuracy. A method for estimation of the muscle fibre conduction velocity (MFCV) and the muscle fibre orientation (MFO) was developed. The method was evaluated with synthetic signals and demonstrated high estimation precision at low contraction levels. In order to discriminate between the estimates of MFCV and MFO belonging to single or populations of motor units (MUs), density regions of so called spatial distributions were examined. This method was applied in a study of the trapezius muscle and demonstrated spatial separation of MFCV (as well as MFO) even at high contraction levels. In addition, a method for quantification of MU synchronisation was developed. The performance on synthetic sEMG signals showed high sensitivity on MU synchronisation and robustness to changes in MFCV. The method was applied in a study of the biceps brachii muscle and the relation to force tremor during fatigue. The results showed that MU synchronisation accounted for about 40 % of the force tremor. In conclusion, new sEMG methods were developed to study muscle function and motor control in terms of muscle architecture, muscle fibre characteristics, and processes within the central nervous system.

Uppsatsen är en litteraturstudie som syftar till att definiera begreppet dyspraxi och kartlägga de faktorer som ger upphov till dyspraktiska svårigheter. I arbetet framgår hur svårigheterna manifesteras i individens vardag samt hur man på bästa sätt kan möta och stödja individer med dyspraxi. Det som framkommit av vår studie är att dyspraxibegreppet är ett mångfacetterat begrepp med olika definitioner beroende på i vilket land man befinner sig. Det är i hjärnan och nervsystemet man kan finna de bakomliggande faktorer som ger upphov till svårigheter i främst tre specifika områden nämligen: perception, motorik och sensorisk integrering. Det har visat sig att det neuropedagogiska synsättet är ett ypperligt sätt att se på individens svårigheter men även att lyfta fram individens starka sidor och potentiella utvecklingsmöjligheter. Det neoropedagogiska förhållningssätt är brett och inkluderar flera olika sätt att tänka på, närma sig, se på utveckling och lärandet. Vi har funnit flera olika tips på övningar som kan utveckla individer med dyspraxi i olika avseenden som han/hon kanske inte fullt ut behärskar. För oss har det neuropedagogiska förhållningssättet blivit en självklar del i vårt arbete.

Every movement has a goal. For reaching, the goal is to move the hand to a specific location. For locomotion, however, goals for each step cycle are unclear and veiled by the automatic nature of lower limb control. What mechanical variables does the nervous system "care" about during locomotion? Abundant evidence from the biomechanics literature suggests that the force generated on the ground, or endpoint force, is an important task variable during hopping and running. Hopping and running are called bouncing gaits for the reason that the endpoint force trajectory is like that of bouncing on a pogo stick. In this work, I captured kinematics and kinetics of human bouncing gaits, and tested whether structure in the inherent step-to-step variability is consistent with control of endpoint force. I found that joint torques covary from step to step to stabilize only peak force. When two limbs are used to generate force on the ground at the same time, individual forces of the limbs are not stabilized, but the total peak force is stabilized. Moreover, passive dynamics may be exploited during forward progression. These results suggest that the number of kinetic goals is minimal, and this simple control scheme involves goals for discrete times during the gait cycle. Uncovering biomechanical goals of locomotion provides a functional context for understanding how complex joints, muscles, and neural circuits are coordinated.

In order to provide the means to set up a control theory lab experiment involving position control of a brushed DC motor with current feedback, a pulse-width modulated motor controller was designed. The output voltage is controlled by an analog reference signal and the magnitude of the output current and voltage are measured and output. These inputs and outputs are connected to a DAQ I/O-unit such that the lab experiment can be implemented digitally. In addition, defining equations for the whole system were derived. Comparison between measurements and model showed it possible to use the current as feedback if low-pass filtered and the angular displacement controlled over a small angular interval.