À ce jour, le rôle des oscillations bêta n’a pas encore été clairement établi. Des travaux récents ont montré que l’activité bêta pendant la préparation du mouvement et celle suivant son exécution sont différemment modulées par les erreurs de mouvements. L’objectif du présent travail a été double : premièrement, déterminer si les modulations de puissance bêta pré- et post-mouvement recrutent des substrats cérébraux différents, deuxièmement, mieux cerner la nature des processus neuronaux reflétés. Grâce à une approche par analyse en composantes indépendantes, nous suggérons fortement que les réponses oscillatoires, aux erreurs cinématiques, observées avant et après le mouvement sont sous-tendues par des structures distinctes, respectivement clairement latéralisées et médiales. De plus, en contrastant différentes tâches motrices, nous montrons que ni l’une ni l’autre des deux activités bêta ne reflètent des mécanismes en lien direct avec les sorties motrices. / The role of beta oscillations has not been clearly established yet. Recent work has shown that the beta activities observed during the preparation phase and after the movement are differently affected by movement errors. The aim of this thesis was twofold: first, to determine whether or not the pre- and post-movement beta power modulations recruit common neural substrates; second, to better understand the nature of the reflected neural processes. Using an independent component analysis approach, we strongly suggest that oscillatory responses to kinematic errors, observed before and after movement, are underpinned by distinct neural structures, respectively clearly lateralized and medial. Moreover, by contrasting different motor tasks, we show that neither of the two beta activities reflects mechanisms directly related to the output of the motor command.

Les gens produisent des mouvements spontanés pendant des tâches de raisonnement spatial. Ces mouvements aident-ils à la performance de la tâche? Nous avons étudié le rôle des mouvements spontanés dans l'orientation spatiale en utilisant des tâches de prise de perspective spatiale (PPS) dans lesquelles les participants devaient imaginer un point de vue différent de leur point de vue actuel. Nous nous sommes concentrés sur des perspectives exigeant des rotations mentales de soi - particulièrement difficiles, elles sont grandement facilitées par un mouvement actif, même en l'absence de vision. La contribution motrice à la performance de la tâche pourrait résulter d'un mécanisme prédictif, qui anticipe les conséquences d'une action avant son exécution, comme un modèle d'anticipation interne (Wolpert & Flanagan, 2001), inhibant par la suite l’exécution du mouvement si nécessaire. Les mouvements observés peuvent être des traces visibles de ce processus. En utilisant un système de capture de mouvements, nous avons montré que les rotations de la tête sont géométriquement liées à la PPS : leur direction et amplitude étaient liées à la direction et à l'angle entre les perspectives réelles et imaginée (Exp. 1). Chez les contrôleurs aériens, qualifiés ou apprentis, seule la direction de la rotation de la tête était liée à la PPS, reflétant probablement l'expertise spatiale ainsi que le rôle crucial de la direction dans la rotation mentale (Exp. 2). Dans un environnement virtuel, les rotations de tête spontanées étaient liées à une performance accrue. Cependant, les rotations volontaires, qui imitent celles qui sont produites spontanément, ne facilitent pas la performance de navigation (Exp. 3), mais l'empêchent lorsqu’elles sont contraires à la direction de la rotation virtuelle. Nos résultats suggèrent une contribution motrice spécifique à l'orientation spatiale, compatible avec la prédiction motrice. / People produce spontaneous movements during spatial reasoning tasks. Do they relate to task performance? We investigated the role of spontaneous movements in spatial orientation using spatial perspective-taking (SPT) tasks where participants adopted imaginary perspectives. We focused on imaginary perspectives requiring mental rotations of the self as they are particularly difficult and greatly facilitated by active movement in the absence of vision. Motor contribution to task performance could result from a predictive mechanism, which anticipates the consequences of an action before its execution, such as an internal forward model (Wolpert & Flanagan, 2001), further inhibiting full rotations of the head. Observed movements may be visible traces of this process. Using motion capture, we showed that head movements are geometrically related to SPT: both the direction and amplitude of head rotations were related to the direction and angle between the actual and imagined perspectives (Exp. 1). In air traffic controllers and apprentices, only the direction of head rotation was related to SPT, probably reflecting spatial expertise and its crucial role in mental rotation (Exp. 2). In a virtual environment, spontaneous head rotations were related to increased performance. However voluntary rotations, emulating the spontaneously produced ones, did not facilitate navigation performance (Exp. 3), but hindered it when inconsistent with the direction of virtual rotation. Overall, our findings suggest a specific motor contribution to spatial orientation consistent with motor prediction.

La survenue d’une incapacité motrice est un évènement majeur qui ne se limite pas à des dimensions corporelles, mais implique également des dimensions sociales. Elle provoque chez les personnes des perturbations biographiques qui se caractérisent par des ruptures et des bifurcations dans leurs trajectoires de vie ainsi que par la perte de place et de rôle dans la vie sociale. La survenue du handicap oblige à une réorganisation des conditions de vie et à une recomposition du quotidien lors du retour dans le milieu ordinaire après un séjour dans un centre de rééducation consécutif à la survenue de l’incapacité. L’expérience du handicap moteur permet ainsi de saisir la dynamique sociale des trajectoires de vie et les ressources sollicitées par la personne en incapacité motrice dans le processus de sa reconstruction sociale. À partir d’entretiens menés auprès des hommes et des femmes en incapacité motrice et vivant à domicile à Yaoundé (Cameroun), cette thèse a pour objectif d’analyser les interactions entre l’incapacité motrice et l’environnement social dans la réorganisation de leurs trajectoires de vie et dans leurs différentes activités suite à la survenue de l’incapacité. En adoptant un modèle social du handicap, elle met en relief les perturbations biographiques et les ressources sollicitées dans les différentes trajectoires pour maintenir et adapter leur identité. Cela permet une analyse située des mécanismes de construction du handicap à partir des expériences des individus / The occurrence of a motor disability is a major event that is not limited to corporal dimensions, but also involves social dimensions. Individuals are faced with biographical disruptions characterized by breaches and bifurcations in their lifetrajectories and by the loss of place and role in social life. The occurrence of disability calls for a reorganization of living conditions and of the day-to-day life when returning to their usual environment after a stay in a rehabilitation centre. Experiencing motor disability thus makes it possible to grasp the social dynamics of life trajectories and the resources solicited by persons with motor disability in the process of their social reconstruction.Based on interviews conducted with men and women with motor disabilities and living at home in Yaoundé (Cameroon), this thesis aims at analysing the interactions between motor disability and social environment in the reorganization of their life trajectories and in their different activities following the onset of disability. By adopting a social model of the handicap, it highlights the biographical disruptions and the resources needed in the different trajectories to maintain and adapt their identity. It allows a situated analysis of the mechanisms of production of disability from the experience of individuals.

Cette thèse a pour thème l'étude les mécanismes neurocognitifs impliqués dans la détermination de la latéralité intrinsèque d'objets. Dans une première étude, nous avons montré qu'une projection de son propre schéma corporel sur un objet est nécessaire pour en différencier la gauche de la droite. Cette inscription corporelle fut observée aussi bien pour des stimuli humains que non humains, suggérant que la présence d'axes intrinsèques à l'objet est suffisante pour y permettre la projection du corps. Une seconde étude nous a permis de mieux comprendre les mécanismes neuronaux de l'inscription corporelle, en utilisant une tâche de comparaison de formes identiques ou miroir différemment orientées. Les stimuli étaient soit des corps humains, soit des assemblages de cubes. La magnetoencephalographie (MEG) révéla une implication du lobe pariétal supérieur gauche dans l'incarnation et la transformation spatiale des deux stimuli. Par ailleurs, une contribution de l'aire motrice supplémentaire fut observée dans le cas des cubes. Ainsi, nous proposons de considérer le lobe pariétal supérieur comme le substrat neural d'un émulateur utilisant le schéma corporel afin d'encoder la latéralité d'un objet et de prédire les conséquences visuelles d'une transformation spatiale. La contribution additionnelle de l'aire motrice supplémentaire a probablement facilité la transformation de formes non familières, par l'envoi d'une commande motrice à l'émulateur visant à accroître la cohérence de l'objet tourné mentalement. Ces interprétations supportent l'idée d'une cognition incarnée dans les actions corporelles. / The aim of this thesis was to study the neurocognitive mechanisms implicated in the determination of objects intrinsic handedness. In a first study, we evidenced that distinguishing the left from the right of an object requires a mental projection of the body schema onto the stimulus. This embodiment process occured for human and non human stimuli as well, suggesting that the mere presence of intrinsic axes on stimulus enables the bodily projection. In a second study, we explored the neural mechanisms underlying embodiment in a handedness shape matching task, using human bodies and cubes assemblies as stimuli with different orientations. Magnetoencephalography (MEG) revealed that the left superior parietal lobe participated in the embodiment and spatial transformation of both stimuli. In addition, we observed a contribution of the supplementary motor area for cube assemblies specifically. Therefore, we consider the superior parietal lobe as the neural substrate of an emulator processing the body schema to encode handedness and to predict the visual consequences of a spatial transformation. Besides, the additional contribution of the supplementary motor area probably helped the spatial transformation of unfamiliar shapes by backpropagating a motor command to the emulator to increase cohesiveness of the mentally rotated object. These interpretations support the grounding of cognition in bodily actions.

L’objectif de cette thèse était de mettre en évidence les différentes stratégies adaptatives posturales et motrices face à une contrainte temporelle chez le jeune adulte et la personne âgée lors de la production d’un mouvement complexe mobilisant l’ensemble du corps. Le modèle de mouvement choisi est composé d’une flexion rapide de la cuisse dominante associée à une extension simultanée de l’index ipsilatéral. Les résultats de la première étude ont montré que le mode de déclenchement de la commande motrice modifiait l’organisation posturale du mouvement. La durée des APA associés à la flexion de la cuisse était plus courte en condition de pression temporelle forte (condition temps de réaction, TR) qu’en condition de pression temporelle faible (condition auto-initiée, AI). Cette diminution de la durée des APA était compensée par une augmentation du pic de déplacement anticipateur du centre des pressions (CP) vers la jambe oscillante. De cette façon, la stabilité dynamique ainsi que la performance motrice restaient inchangées. Les résultats de la deuxième étude ont montré que les sujets âgés étaient également capables de réduire la durée des APA en condition TR. Cependant, au contraire des sujets jeunes, ils ne compensaient pas cette diminution par une augmentation du déplacement anticipé du CP. La stabilité dynamique au moment du décollement du pied était dégradée dans cette population. Par ailleurs, l’effet de la pression temporelle sur la synchronisation motrice ne changeait pas avec l’avancée en âge. Cependant, l’erreur de synchronisation était plus importante chez les âgés que chez les jeunes, en condition AI uniquement. Enfin, l’étude 3 a montré que la modification transitoire des propriétés mécaniques des membres inférieurs (par l’addition d’une charge de 5 kg aux chevilles) affectait l’ordre de synchronisation du mouvement, en condition TR uniquement. En présence d’une charge, les sujets semblent basculer d’un mode de synchronisation de type « réactif » vers un mode « prédictif », ce qui leur permettait de maintenir une précision de synchronisation optimale. En revanche, le mode de contrôle des APA ne changeait pas. Il semble donc que le mode de contrôle des APA et de la synchronisation des mouvements puissent être dissociés selon les contraintes biomécaniques imposées par l’expérimentation. L’ensemble de ces résultats met en évidence la capacité du SNC à moduler l’ordre temporel de la synchronisation du mouvement ainsi que les paramètres spatio-temporels des APA dans le but d’assurer une coordination temporelle et une stabilité dynamique optimales. / This work aimed to investigate the adaptive postural and motor strategies developed by young and elderly healthy subjects during a complex task involving the whole body when facing a temporal pressure constraint. The motor task chosen was a simultaneous rapid leg flexion paired with ipsilateral finger index extension. Results of the first study showed that the mode of triggering of movement modifies the postural organization of the leg flexion. The APA duration associated with leg flexion was shorter in the reaction-time (RT, high temporal pressure) condition as compared to the self-initiated (SI, low temporal pressure) condition. This APA shortening was compensated by an increase of APA amplitude so that the mediolateral (ML) stability and the motor performance were both unchanged. Results of the second study showed that elderly subjects were unable to compensate this APA shortening by an increase of anticipatory ML centre-of-pressure displacement. Dynamic stability at foot-off was degraded in this population, with a consequent increased risk of ML imbalance and falling. Besides, the effect of temporal pressure on motor synchronization was not affected by ageing. Of particular importance, the synchronization error was greater in elderly than in young subjects, but in the SI condition only. Finally, the third study showed that transitory changes in the mechanical properties of the lower limbs (by ankle loading) affect the order of movement synchronization, but in the RT condition only. With ankle loading, subjects thus switched from a “reactive” to a “predictive” mode of synchronization allowing then to maintain an optimal synchronization. In contrast, ankle loading did not modify the mode of control of the APA. Therefore, it seems that the mode of control of APA and of movement synchronization can be decorrelated according to the biomechanical constraints. These results provide novel insights into the capacity of the CNS to modulate motor synchronization and APA spatio-temporal features to ensure optimal motor coordination and dynamic stability across ages.

Cette thèse concerne l'étude d'un conflit visuo-proprioceptif de la main appliqué à l'interaction 3D. Un cadre de travail générique est proposé afin de générer, contrôler et réduire le conflit sensoriel en cours d'interaction. Le système utilise un visiocasque semi-transparent vidéo permettant l'intégration de l'image de la main réelle dans la scène virtuelle ainsi que la manipulation visuelle de sa position 3D.<br />Deux nouvelles méthodes sont introduites: un paradigme d'interaction intuitif pour toucher des objets virtuels et une technique pseudo-haptique active basée sur le déplacement de la main. Ces méthodes sont étudiées en considérant leurs bénéfices, limitations, effets sur le comportement de l'utilisateur et les conséquences sur la conception d'applications en environnements virtuels. Ces travaux montre que de nouvelles formes d'interaction 3D sont possible en exploitant les conflits visuo-proprioceptifs de la main. Des perspectives prometteuses sont présentées.

L'étude des anomalies latéralisées dans le traitement de l'information visuo-spatiale des patients schizophrènes a été abordée selon deux approches : 1/ par analogie avec le syndrome de négligence spatiale unilatérale, trouble asymétrique de la cognition visuo-spatiale ; 2/ par analogie avec l'individu sain. Cette double approche a permis de montrer que dans la schizophrénie il existait une anomalie latéralisée se manifestant par un biais gauche accentué dans la bissection manuelle de lignes ; ce biais est indépendant de la perception, mais implique des processus attentionnels (caractérisés par une réponse accentuée à la présence d'un indice à l'extrémité droite de la ligne), et des processus représentationnels (caractérisés par un biais gauche dans la ligne mentale des nombres). Dans l'ensemble, ce profil de performances est qualitativement similaire à celui observé dans l'héminégligence. Toutefois, ce profil paraît quantitativement plus proche de celui observé chez l'individu sain, et pourrait donc correspondre à une accentuation de l'asymétrie hémisphérique naturelle. Enfin, l'implication du cortex pariétal dans la schizophrénie a été abordée du fait de son rôle primordial dans la cognition visuo-spatiale des individus sains et des patients héminégligents.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise les travaux que j'ai menés dans le domaine des neurosciences computationnelles. Ils traitent de trois thématiques principales en interaction: la sélection de l'action, la navigation et l'exécution motrice. Le substrat neural de ces fonctions, et principalement les ganglions de la base et le colliculus supérieur, ont été modélisés sous forme de réseaux de neurones contraints par les données issues de la neuro-anatomie et de l'électrophysiologie. Les résultats présentés résument mes contributions portant sur : les processus de sélection, d'apprentissage par renforcement et de modulation motivationnelle dans les ganglions de la base, le rôle de l'incertitude dans la sélection de l'action, la sélection de stratégies de navigation, l'intégration de chemin pour la stratégie de retour au point de départ, et la transformation spatio-temporelle pour la génération de saccades oculaires. Enfin, les liens reliant l'ensemble de ces études sont mis en exergue afin de délimiter le programme de recherche qui en découle.

La robotique humanoide arrive a maturité avec des robots plus rapides et plus précis. Pour faire face à la complexité mécanique, la recherche a commencé à regarder au-delà du cadre habituel de la robotique, vers les sciences de la vie, afin de mieux organiser le contrôle du mouvement. Cette thése explore le lien entre mouvement humain et le contrôle des systèmes anthropomorphes tels que les robots humanoides. Tout d'abord, en utilisant des méthodes classiques de la robotique, telles que l'optimisation, nous étudions les principes qui sont à la base de mouvements répétitifs humains, tels que ceux effectués lorsqu'on joue au yoyo. Nous nous concentrons ensuite sur la locomotion en nous inspirant de résultats en neurosciences qui mettent en évidence le rôle de la tête dans la marche humaine. En développant une interface permettant à un utilisateur de commander la tête du robot, nous proposons une méthode de contrôle du mouvement corps-complet d'un robot humanoide, incluant la production de pas et permettant au corps de suivre le mouvement de la tête. Cette idée est poursuivie dans l'étude finale dans laquelle nous analysons la locomotion de sujets humains, dirigée vers une cible, afin d'extraire des caractéristiques du mouvement sous forme invariants. En faisant le lien entre la notion "d'invariant" en neurosciences et celle de "tâche cinématique" en robotique humanoide, nous développons une méthode pour produire une locomotion réaliste pour d'autres systèmes anthropomorphes. Dans ce cas, les résultats sont illustrés sur le robot humanoide HRP2 du LAAS-CNRS. La contribution générale de cette thèse est de montrer que, bien que la planification de mouvement pour les robots humanoides peut être traitée par des méthodes classiques de robotique, la production de mouvements réalistes nécessite de combiner ces méthodes à l'observation systématique et formelle du comportement humain.

L'hétérogénéité inter-patients des altérations motrices consécutives aux lésions cérébrales rend nécessaire le besoin d'individualiser la prise en charge du patient après AVC. Afin d'apporter une thérapie adaptée aux besoins du patient au moment opportun, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs considérations théoriques afin de comprendre comment la rééducation influence la plasticité cérébrale. La récupération motrice est un phénomène complexe et non-linéaire, et identifier ses composantes caractéristiques est délicat. Au travers d'une étude observationnelle, nous avons investigué la récupération de la fonction motrice en condition unimanuelle (membre non-parétique, parétique) et bimanuelle chez des patients cérébro-lésés en phase subaigüe, sans interférer sur leur programme de rééducation classique. Nous avons d'abord validé l'analyse cinématique pour l'évaluation motrice des mouvements d'atteinte d'objets après AVC, en complément des tests cliniques. L'analyse cinématique permet de fournir des indicateurs de la récupération en temps réel de manière plus sensible que les échelles cliniques. En condition unimanuelle, la récupération du membre non-parétique progresse avant de se stabiliser après 9-10 semaines après AVC. En condition bimanuelle, la dynamique de récupération des coordinations bimanuelles change 6 semaines après AVC. Ces périodes pourraient être des fenêtres temporelles clés à prendre en compte en établissant des protocoles de rééducation. L'identification complète et précise de ces patterns naturels de récupération après AVC pourrait permettre de mieux comprendre les réseaux nerveux spécifiques qui sous-tendent les altérations du membre supérieur. A partir de ces indications cliniques prometteuses, proposer une rééducation adaptée au patient et au meilleur moment devient le challenge des travaux futurs. / Poststroke characteristics vary significantly between patients and over time, necessitating the introduction of individualized care. To provide to patients an appropriate and timely therapy, theoretical considerations must be taken into account to understand how a therapy may influence underlying neuroplasticity. Motor recovery is a nonlinear and complex function of time, and identifying its representative features remains intricate. Through observational analysis, we investigated in this thesis the time-related changes in unimanual (nonparetic, paretic upper-limb) and bimanual motor function in subacute poststroke patients, without interfering with standard rehabilitation. Overall, our results firstly validated the relevance of kinematics to assess recovery of reaching movements following stroke, in complement to clinical scores. Kinematics provides accurate real-time indicators of patients' recovery in a more sensitive way to current clinical scales. In unimanual reaching, motor function of nonparetic upper-limb recovered and then leveled off 9-10 weeks poststroke. In bimanual reaching, the dynamic of the recovery pattern of between-hands coordination changed after 6 weeks poststroke. These time-windows might be key periods to consider into designing rehabilitation protocols. Our results contribute to a better understanding of the natural pattern of motor recovery poststroke and could be of interest to understand specific neural network underlying upper-limb impairment. From these promising therapeutic guidelines, next challenge in future research includes tailoring rehabilitation training to patients at the most opportune time.