La sclérose latérale amyotrophique est une maladie neurodégénérative fatale caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones moteurs centraux et périphériques. L’un des premiers signes de la maladie est la dénervation de la jonction neuromusculaire (JNM). Les diverses unités motrices (UM) ne présentent toutefois pas la même vulnérabilité à la dénervation dans la SLA: les UM rapide fatigables sont en fait les plus vulnérables et les UM lentes sont les plus résistantes. Alors que des études précédentes ont démontré dans plusieurs modèles animaux de la SLA de nombreuses variations synaptiques, les découvertes ont été contradictoires. Par ailleurs, le type d’UM n’a pas été tenu en compte dans ces divers travaux. Nous avons donc émis l’hypothèse que la présence de la mutation SOD1 pourrait affecter différemment la transmission synaptique des UM, en accord avec leur vulnérabilité sélective. En effectuant des enregistrements électrophysiologiques et de l’immunohistochimie, nous avons étudié la transmission synaptique des différents types d’UM du muscle à contraction rapide Extensor Digitorum Longus (EDL; rapide fatigable (FF) MU) et du muscle à contraction lente Soleus (SOL; lente (S) and rapide fatigue-résistante (FR) MU) de la souris SOD1G37R et leur congénères WT. Pour identifier le type d’UM, un marquage par immunohistochimie des chaînes de myosine a été effectué. Un triple marquage de la JNM a également été effectué pour vérifier son intégrité aux différents stades de la maladie. À P160, dans la période asymptomatique de la maladie, alors qu’aucune altération morphologique n’était présente, l’activité évoquée était déjà altérée différemment en fonction des UM. Les JNMs FF mutantes ont démontré une diminution de l’amplitude des potentiels de plaque motrice (PPM) et du contenu quantique, alors que les JNMs lentes démontraient pratiquement le contraire. Les JNMs FR montraient quant à elles une force synaptique semblable au WT. À P380, dans la période présymtomatique, de nombreuses altérations morphologiques ont été observées dans le muscle EDL, incluant la dénervation complète, l’innervation partielle et les extensions du nerf. La transmission synaptique évoquée des UM FF étaient toujours réduites, de même que la fréquence des potentiels de plaque motrice miniatures. À P425, à l’apparition des premiers symptômes, l’activité synaptique des JNMs S était redevenue normale alors que les JNMs FR ont montré à ce moment une diminution du contenu quantique par rapport au contrôle. De manière surprenante, aucun changement du ratio de facilitation n’a été observé malgré les changements flagrants de la force synaptique. Ces résultats révèlent que la fonction de la JNM est modifiée différemment en fonction de la susceptibilité des UM dans l’ALS. Cette étude fournit des pistes pour une meilleure compréhension de la physiologie de la JNM durant la pathologie qui est cruciale au développement d’une thérapie adéquate ciblant la JNM dans la SLA. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal late-onset neurodegenerative disease characterized by the progressive loss of upper and lower motor neurons. Denervation of the neuromuscular junction (NMJ) is an early pathological event in various ALS models. Motor units (MU) appear unequally susceptible to denervation, the fast fatigable (FF) MU being the most vulnerable and the slow (S) MU the most resistant. While previous studies in several ALS models have consistently reported alterations in synaptic transmission, their findings have been contradictory. Interestingly, the MU types were not taken into account in these studies, which could explain these discrepancies. We hypothesized that the MU selective vulnerabilities observed in ALS will be associated with MU-specific NMJ alterations throughout the disease course. Using electrophysiology, we studied synaptic transmission of different types of MU in the fast-twitch Extensor Digitorum Longus (EDL; fast fatigable (FF) MU) and the slow-twitch Soleus (SOL; slow (S) and fast fatigue resistant (FR) MU) of the SOD1 mice and their WT littermates. MU types were identified using immunohistochemical labelling of the respective myosine heavy chains. Immunohistochemistry was also performed to assess NMJ integrity by using antibodies against main NMJ components. At a presymptomatic stage (P160), while no morphological alterations of NMJs were seen in both muscles, evoked activity was altered in a MU-specific manner in SOD1 mice. FF MU from SOD1 mice showed a decrease in EPP amplitude and quantal content whereas S MU showed the opposite. Mutant FR MU showed no difference in evoked activity compared to WT. At presymptomatic stage (P380), various morphological alterations were seen in the SOD1 EDL, including denervation, partial innervation and nerve sprouting. Evoked activity was still reduced in FF MU, as well as mEPP frequency. In contrast, at disease onset (P425), synaptic strength of the S MU was now similar to WT MU, whereas FR NMJs showed a decrease in EPP amplitude and quantal content. Surprisingly, paired-pulse facilitation was not altered in any MU type and at any age despite changes in synaptic strength. Taken together, these results reveal that NMJ function is differentially modified according to MU susceptibility in ALS. This study provides insights for a better understanding of NMJ physiology during the illness that is crucial to the development of a proper NMJ-targeted treatment in ALS.

Durant les dernières décennies, le système moteur a été largement étudié. Pourtant, bien des zones d'incertitudes persistent concernant d'une part la nature des circuits neuronaux de haut niveau impliqués dans l'émergence des sentiments d'intention ou de conscience motrice et d'autre part l'organisation des structures cérébrales de bas-niveau impliquées dans l'expression de ces sentiments. Il a été suggéré que le cortex pariétal et l'aire motrice supplémentaire pourraient jouer un rôle dans la génération des intentions motrices, alors que le cortex prémoteur pourrait plutôt sous-tendre la conscience du geste. Cela étant, les processus exacts implémentés dans chacune de ces régions, la façon dont elles interagissent fonctionnellement et la nature des signaux qu'elles échangent avec les structures sensorimotrices considérées de bas-niveau demeurent méconnus. Il est établi que ces structures bas-niveau, dont le cortex moteur primaire et le cervelet, contiennent des cartes sensorimotrices organisées de manière topographique. Cependant, l'organisation fine de cette topographie et la nature des interactions entre les différentes cartes restent à définir. Dans ce travail de thèse, j'ai utilisé la stimulation électrique directe chez des patients opérés de tumeurs et malformations cérébrales pour explorer la manière dont les multiples représentations motrices sont organisées et pour identifier les régions responsables de l'émergence des sentiments d'intention et de conscience motrice. J'ai alors pu montrer, en particulier, l'existence de cartes motrices multiples au sein des cortex moteur primaire et cérébelleux. Par ailleurs, j'ai pu identifier le rôle critique du cortex pariétal pour l'émergence du sentiment d'intention motrice et -sur la base de processus prédictifs- de la conscience d'agir. Par rapport à ce point, j'ai aussi pu mettre en évidence que le cortex prémoteur était impliqué, à travers un contrôle continu des prédictions pariétales, dans l'émergence d'une conscience d'agir non plus inférée mais véritable / During the last five decades, the motor system has been widely studied. Yet, little is known about the neural substrate of high-level aspects of movement such as intention and awareness and how these functions are related to low-level movement execution processes. It has been suggested that the parietal cortex and supplementary motor area are involved in generating motor intentions, while premotor cortex may play a role in the emergence of motor awareness. However, the precise mechanisms implemented within each of these areas, the way they interact functionally and the nature of the signals conveyed to primary sensory and motor regions is far from being understood. Furthermore, intention and awareness of movement are also influenced by peripheral information coming from the skin, muscles and joints, and this information must be integrated to produce smooth, accurate and coordinated motor actions. Cortical and subcortical structures such as the primary motor cortex and the cerebellum are known to contain motor maps thought to contribute to motor control, learning and plasticity, but the intrinsic organization of these maps and the nature of their reciprocal relations are still unknown. In this thesis I used Direct Electrical Stimulation in patients undergoing brain surgeries to investigate how multiple motor representations are organized and identify the regions responsible for the emergence of conscious motor intention and awareness. I showed, in particular, the existence of multiple efferent maps within the cerebellum and the precentral gyrus. Furthermore, I identified the critical role of the parietal cortex for the emergence of conscious intention and -based on predictive processes- motor awareness. I also provided evidence that the premotor cortex is involved in "checking" parietal estimations, thus leading to a sense of "veridical awareness"

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).

Comment les cellules eucaryotes remodèlent constamment leur espace intracellulaire est l'un des phénomènes auto-organisés les plus étonnants dans la nature. Pour ce faire, ces cellules exploitent la diffusion brownienne des macromolécules et cargos sur de petites échelles d’espace combinée avec des phénomènes de transport actif le long des filaments du cytosquelette entraînées par des protéines motrices.Malgré l'effort important de la communauté physico-mathématique sur ces problématiques biologiques, il est encore très difficile de rationaliser le mouvement des organites (et en général de la matière) à l'intérieur de la cellule.Dans cette thèse, nous abordons ce problème en généralisant l'analyse théorique d'un modèle physico-mathématique paradigmatique du transport hors-équilibre de protéines motrices (appelé TASEP) afin d'étudier l'impact d'un volume fini et d’une concentration finie de moteurs sur leur distribution dans le cytosol et le long du cytosquelette. En particulier, cela nécessite d'inventer une nouvelle méthodologie afin de résoudre ce problème où le mouvement de diffusion des moteurs dans le cytoplasme est couplé avec le transport collectif et dirigé de ces mêmes moteurs le long d'un ou plusieurs filaments du cytosquelette. De nouveaux phénomènes et régimes intéressants apparaissent par rapport aux études récentes apparus dans la littérature. En outre, la méthodologie développée ici, permet une analyse rapide et efficace des comportements de ces systèmes complexes pour lesquels la simulation numérique peut être longue en temps.La thèse est organisée comme suit. Le premier chapitre est consacré à l’introduction au sujet et à la définition des notions biologiques et physiques nécessaires pour le travail de recherche présenté ensuite.Le deuxième chapitre aborde une solution approchée pour le cas de transport réalisé sur un seul filament cytosquelettique plongé dans le cytosol, où le volume fini et la concentration finie de moteurs modifient qualitativement et quantitativement les diagrammes de phase décrivant la densité moyenne et le flux de moteurs le long du filament. Nous discutons ensuite les conditions physiques pour lesquels cette solution approchée n’est plus valable. Pour surmonter cette difficulté, dans le chapitre trois, nous décrivons une nouvelle méthode, inspirée par la « méthode des images » pour calculer les solutions de l'équation de Poisson en électrostatique, qui permet pour la première fois (à notre connaissance) de calculer analytiquement la distribution de moteurs qui diffusent en volume, c.à.d. le cytosol, sans aucune hypothèse d’approximation. En particulier, le procédé peut être facilement généralisé à tout type de distribution ou réseau de filaments et à plusieurs mécanismes de transport collectif le long des filaments. Cela permet d’explorer ainsi des régimes et des phénomènes nouveaux qui peuvent difficilement être étudiées par des simulations stochastiques en raison de la complexité des processus et de l'extension spatiale du système. Le chapitre quatre se concentre sur cette méthodologie innovante de calcul. Le chapitre cinq discute d’une variété de problèmes ouverts ainsi que d’ouvertures liées au thème étudié. Nous terminons cette thèse avec des conclusions générales se concentrant sur les implications physiques, biophysiques et biologiques de l’étude effectué.Les nombreux résultats obtenus ont un impact sur notre compréhension générale des processus de transport complexe, collectif et non-linéaire dans des phénomènes et situations où les moteurs peuvent se déplacer parmi des espaces avec des différentes dimensions physiques, avec des implications intéressantes pour la biologie, la mécanique statistique des systèmes hors-équilibre thermodynamique, de la théorie physico-mathématique du trafic et de la logistique. / How cells constantly remodel their intracellular space is one of the most astonishing self-organized phenomena in Nature. In order to do that, eukaryotic cells exploit the Brownian diffusion of macromolecules or organelles on small scales combined with active transport phenomena along cytoskeletal filament driven by motor proteins. Despite the important effort in the physico-mathematical community working on these biological issues, it is still very difficult to rationalize the motion of organelles (and in general of matter) inside the cell. In this thesis, we approach this problem by generalizing the theoretical analysis of a paradigmatic physico-mathematical model of non-equilibrium transport of motor proteins (called TASEP) to study the impact that a finite volume and a finite concentration of transporters have on their distribution in the cytosol and along the cytoskeleton. In particular, this requires inventing a new methodology in order to solve the problem where diffusive motion or transporters in the cytoplasm is coupled with directed collective transport along one or many cytoskeletal filaments. New interesting phenomena and regimes appear with respect to recent studies in literature. Moreover, the methodology developed so far, allow a fast and efficient investigation of complex systems behaviors for which numerical simulation can result very time consuming.The thesis is organized as follows. The first chapter is dedicated to an introduction on the topic and to the definition of biological and physical notions necessary for the research work presented. The second chapter tackles an approximate solution for the case of directed transport on a single cytoskeletal filament embedded in the cytosol, where the finite volume and the finite concentration of particles modify qualitatively and quantitatively the phase diagrams describing the average density and flux of transporters along the filament. We then discuss the physical conditions for which this approximated solution is no more valid. In order to overcome this difficulty, in chapter three we describe a novel method, inspired by the “images-method” to compute solutions of the Poisson equation in electrostatics, which allows for the first time (at our knowledge) to compute analytically the distribution of transporters in volume, i.e. the cytosol, without any approximated assumption. Importantly, the method can be easily generalized to any kind distribution or network of filaments and to other mechanisms of collective transport along the filaments. This makes possible to explore stationary regimes and new phenomena that can be hardly studied by stochastic simulations due to the complexity of the processes and the spatial extension of the system. Chapter four focuses on the innovative methodology of computation. Chapter five discusses miscellanea of problems and openings related to the topic studied. We end this thesis with general conclusions focusing on physical, biophysical and biological implications.The various results obtained have an impact on our general understanding on complex, collective and non-linear transport processes in situations and phenomena where transporters can move in spaces with different physical dimensions with interesting implications for biology, non-equilibrium statistical mechanics and the physico-mathematical theory of traffic and logistics.

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.

De nombreux travaux chez l'adulte attestent de l'implication des systèmes sensori-moteurs dans les activités conceptuelles. Ce travail interroge la pertinence d'une approche incarnée de la formation des concepts et vise à fournir des éléments de compréhension quant à l'influence des actions sur la formation de concepts d'objets, en adoptant une approche développementale. Les modèles classiques du développement conceptuel suggèrent des points de départ unitaire aux premières catégories. Le modèle de Nelson souligne l'importance des interactions entre individu et environnement, et celui de Quinn et Eimas au contraire met l'accent sur la similarité perceptive comme point de départ des premières catégories. Ces modèles unitaires sont pourtant remis en cause, notamment par la variabilité des informations prises en compte pour catégoriser les objets. En défendant une approche globale, différentielle et interactionniste, nous envisagerons dans un premier temps une distinction entre domaines d'appartenance des objets (objets naturels et fabriqués) pour lui préférer ensuite une distinction en termes de manipulabilité des objets. Considérant que les caractéristiques de manipulation des objets se reflètent dans l'organisation des catégories taxonomiques, nous proposerons que les activités conceptuelles des enfants puissent être relatives aux interactions sensorielles et motrices avec les objets. Chez l'adulte, certains des résultats attestent de la nature sensori-motrice des connaissances conceptuelles et du rôle de l'action dans leur acquisition, appuyant les théories de la cognition incarnée (i.e., embodied cognition). Une série de travaux chez l'enfant de 5 à 9 ans a été conduite afin d'étudier, d'un point de vue développemental, les hypothèses d'une cognition incarnée. Les premiers testent l'existence de simulations sensori-motrices lors du traitement conceptuel. Les suivants évaluent directement le rôle des actions sur la catégorisation. Sont opposés des gestes de saisie d'objets et des gestes d'utilisation. La saisie d'objets, à pleine main ou à 2-3 doigts, permet très clairement la prise en compte d'informations structurales, utilisées ensuite comme critère de catégorisation d'objets nouveaux. Les actions d'utilisation, faire rouler ou appuyer, ont une influence moindre, plus variable selon l'âge des enfants. L'analyse des mouvements oculaires lors de la recherche de cible parmi des distracteurs similaires quant à la saisie ou à l'utilisation permet finalement de distinguer l'influence des affordances à la saisie de celle des actions elles-mêmes. Du point de vue développemental, les affordances à la saisie seraient détectées automatiquement quelles que soient les actions effectuées, dès l'âge de 5 ans, tandis que les informations issues des actions seraient prises en compte peu à peu, celles issues des actions d'utilisation intervenant plus tardivement que celles issues des actions de saisie. En outre, les performances catégorielles semblent modulées par la concordance ou la discordance entre les informations issues des actions et celles issues des affordances à la saisie.

Alors que de nombreux exosquelettes destinés à la rééducation neuromotrice ont été développés ces dernières années, ces dispositifs n'ont pas encore permis de vrai progrès dans la prise en charge des patients cérébrolésés. Une des clés pour améliorer les faibles résultats thérapeutiques obtenus serait de constamment adapter la thérapie robotisée en fonction de l'évolution du patient et de sa récupération, en adaptant l'assistance fournie par le robot pour maximiser l'engagement du patient. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre les processus d'adaptations réciproques dans un contexte d'interaction physique Homme-Exosquelette. Dans un premier temps nous avons donc développé un nouveau type de contrôleur adaptatif qui assiste le sujet "au besoin", en modulant l'assistance fournie; et évalué différent signaux pour piloter cette adaptation afin de suivre au mieux la récupération du patient. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'adaptation de sujets sains à l'application de champs de forces distribués par un exosquelette sur leur bras durant la réalisation de mouvements dans l'espace. En effet, lors d'une interaction physique homme-robot, le sujet adapte aussi son comportement aux contraintes exercées par le robot. D'importantes différences inter-individuelles ont été observées, avec une adaptation à la contrainte imposée chez seulement 21% des sujets, mais avec des effets à-posteriori persistants mesurés chez 85% d'entre eux; ainsi qu'une généralisation dans l'espace de ces effets et un transfert à des contextes différents (hors du robot). Ces premiers résultats devraient permettre à terme d'améliorer la rééducation neuromotrice robotisée. / While many robotic exoskeletons have been developed for stroke rehabilitation in recent years, there were not yet improvements to the traditional therapy. A key to unleash the potentiality of robotics is to adapt the assistance provided by the robot in order to maximize the subject engagement and effort, by having the robotic therapy evolving with the patient recovery. For this reason, we aim at better understanding the process of reciprocal adaptation in a context of physical Human-Robot Interaction (pHRI). We first developed a new adaptive controller, which assists the subject "as-needed", by regulating its interaction to maximize the human involvement. We further compared different signals driving this adaptation, to better following the functional recovery level of the patients. While the control is performed by the robot, the subject is also adapting his movements, and this adaptation has not yet been studied when dealing with 3D movements and exoskeletons. Therefore, we exposed human motions to distributed force fields, generated by the exoskeleton at the joint level, to produce specific inter-joint coordination and to analyse the effects of this exposition. With healthy participants, we observed important inter-individual difference, with adaptation to the fields in 21% of the participants, but post-effects and persisting retention of these in time in 85% of the subjects, together with spatial generalization, and, preliminarily, transfer of the effects outside of the exoskeleton context. This work towards understanding pHRI could provide insights on innovative ways to develop new controllers for improving stroke motor recovery with exoskeletons.

Si la parole est une faculté dont l'usage nous semble parfaitement naturel,il reste toutefois beaucoup à comprendre sur la nature des représentations et des processus cognitifs qui la gouvernent. Au cœur de cette thèse se trouve la question des interactions entre perception et action dans la production et la perception de syllabes. Nous adoptons le cadre rigoureux de la programmation bayésienne au sein duquel nous définissons mathématiquement le modèle COSMO (pour "Communicating Objects using Sensori-Motor Operations"), qui permet de formaliser les théories motrice, auditive et perceptuo-motrice de la communication parlée et de les étudier quantitativement. Cette approche conduit à un premier résultat théorique fort : nous démontrons un théorème d'indistinguabilité d'après lequel, lorsque l'on pose certaines hypothèses de conditions idéales d'apprentissage, les théories auditive et motrice font des prédictions identiques pour des tâches de perception, et sont de ce fait indistinguables. Pour s'éloigner de ces conditions, nous proposons un algorithme original d'apprentissage sensori-moteur “par accommodation”, qui permet de s'adapter au bain acoustique ambiant tout en développant des idiosyncrasies. Cet algorithme d'apprentissage par imitation de ciblesacoustiques permet l'apprentissage de compétences motrices à partir d'entrées perceptives uniquement, avec la propriété remarquable de se focaliser sur les régions d'intérêt pour l'apprentissage. Nous utilisons des syllabes synthétisées grâce au modèle de conduit vocal VLAM pour analyser les dynamiques d'évolution des modèles appris ainsi que leur robustesse aux dégradations. / While speech communication is a faculty that seems natural, a lot remainsto be understood about the nature of the cognitive representations and processes that are involved. Central to this PhD research is the study of interactions between perception and action during production or perception of syllables. We choose Bayesian Programming as a rigorous framework within which we provide a mathematical definition of the COSMO model ("Communicating Objects using Sensori-Motor Operations"), which allows to formalize motor, auditory and perceptuo-motor theories of speech communication and to study them quantitatively. This approach first leads to a strong theoretical result:we prove an indistinguishability theorem, according to which, given some ideal learning conditions, motor and auditory theories make identical predictions for perception tasks, and therefore cannot be distinguished empirically. To depart from these conditions, we introduce an original “learning by accommodation” algorithm, which enables to adapt to the ambient acoustic environment as well as to develop idiosyncrasies. This algorithm, which learns by mimicking acoustic targets, allows to acquire motor skills from acoustic inputs only, with the remarkable property of focusing its learning on the adequate regions. We use syllables synthesized by a vocal tract model (VLAM ) to analyse how thedifferent models evolve through learning and how robust they are to degradations.

Les habiletés motrices des jeunes sont en déclin depuis plusieurs années au Canada. Plusieurs interventions ou programmes ont ainsi été développés, et ce, en vue d’améliorer la pratique d’activités physiques (AP) à long terme chez les enfants. Quelques études ont réalisé une évaluation des effets de ces programmes mais peu d'entre elles ont procédé à une évaluation de leur processus d'implantation. Or, l'évaluation de processus est importante pour comprendre les freins ou facteurs facilitants qui peuvent moduler les résultats. Cet aspect est d'autant plus important quand une intervention est déployée dans plusieurs milieux à la fois. Notre étude vise à évaluer le programme Bleu Blanc Bouge en Action (BBBEA) de la Fondation des Canadiens pour l’Enfance afin de rendre compte des facteurs qui ont pu faciliter ou nuire à son implantation. Trois composantes du processus d'implantation ont été évaluées : le « Reach », la « dose delivered » et la « dose received ». Les données ont été collectées au moyen d'une grille d’observation créée à partir de la grille SOFIT (McKenzie, Sallis et coll. 1991) ainsi qu'au moyen d'un questionnaire auprès des parents des jeunes (n=238) des six écoles participantes. Quatre des six séances de BBBEA ont fait l'objet d'observations auprès d'un échantillon de deux des six milieux ciblés par le programme. Les observations ont porté à la fois sur les interventions des animateurs et sur les activités d'un sous-échantillon de jeunes (Montréal-Nord : n = 35 et Verdun : n = 38). Nos résultats indiquent que la clientèle ciblée par BBBEA (des jeunes ne sachant pas patiner) compose près de 75 % des participants du programme. La part relative du temps d’engagement moteur est significativement plus élevée (50,5 % contre 41,0 %) dans le milieu comportant davantage de jeunes sachant patiner, ce qui suggère un effet d’entraînement du groupe sur les apprenants. Un constat positif du programme est que le temps d’engagement moteur dans les deux milieux étudiés est semblable ou supérieur à celui de programmes de promotion de l’activité physique comparables à BBBEA. Lors de jeux et d’activités libres, l’engagement moteur des jeunes est significativement plus faible dans le milieu où l’effet d’entraînement du groupe est moins manifeste. Ceci suggère que des activités plus structurées (éducatifs lors de la pratique d'une habileté motrice) seraient favorables à l’engagement moteur des jeunes lorsque ceux-ci semblent peu engagés ou autodidactes. / Canadian youth’s motor skills have been declining over the last few years. Many interventions or programs have been developed to enhance children’s long term physical activity practice. Some studies evaluated the effects of those interventions, but only a small number carried on a process evaluation of the implementation. A process evaluation is important to get a better understanding of barriers and facilitators of the intervention. These components of evaluation are some of the most important criteria to explain the divergent results of an intervention deployed in various environments. Our research was an evaluation of the Bleu Blanc Bouge en Action (BBBEA) program of the Montreal Canadiens Children’s Foundation aiming to reflect elements impairing or enabling its implementation. Three components of the implementation process have been evaluated: the Reach, the dose delivered and the dose received. Data was collected with an observational form adapted from the System for observing fitness instruction time (SOFIT) (McKenzie, Sallis et al. 1991) and with questionnaire distributed to the parents of the youth of the six targeted participant schools. A sub-sample of 35 children from Montréal Nord and 38 from Verdun were observed during 4 of the 6 skating lessons. Results show that targeted participants (children that do not know how to skate) compose almost 75 % of the program’s attendees. Physical engagement proportion was significantly higher (50.5 % vs 41.0 %) in the environment composed of a higher number of children knowing how to skate, suggesting a ripple effect on the learners. As a positive outcome, MVPA (moderate to vigorous physical activity) proportion in both neighborhoods was equal or higher than other programs comparable to BBBEA. During “game” or “free play” contexts, children’s physical activity levels were significantly lower in the context where the ripple effect was the weakest. This suggests that structured activities (drills during motor skills practice) favor youth’s physical engagement when they are disengaged or less autodidact.