L'interaction sociale représente l’une des difficultés majeures des patients atteints de troubles envahissants du développement (TED). Or, la perception des mouvements humains contribue à la mise en place des comportements sociaux et représenterait un « marqueur » du développement de la cognition sociale. Cette étude de suivi du regard et de pupillométrie visait à caractériser l’attention visuo-spatiale et la charge cognitive au cours de la perception de mouvements biologiques humains porteurs d'intention sociale (MHS) chez 139 participants typiques (PaTYP) et 62 patients atteints d’un TED (PaTED). Chez les PaTYP, l’exploration augmente pour les MHS. Chez les PaTED, un déficit d’exploration des MHS est corrélé à la sévérité de la symptomatologie autistique globale. Ces anomalies de l’attention visuo-spatiale des PaTED réduiraient leur accès à l’information sociale et pourraient participer au trouble de l’interaction sociale et de la communication. / Social interaction is one of the main difficulties for patients with pervasive developmental disorders (PDD). However, the perception of human movement contributes to the development of social behavior and represents a "marker" for the development of social cognition. This eye tracking and pupillometric study aims to characterize the visuospatial attention and cognitive load during perception of social human biological motion (SHM) in 139 typical participants (PaTYP) and 62 patients with ASD (PaTED). In PaTYP, exploration increases for SHM. In PaTED, deficit of the exploration of MHS is correlated with the severity of the global autistic symptomatology. These abnormalities of visuospatial attention in PaTED could reduce their access to social information and participate in social interaction and communication disorders.

Lorsque nous cherchons un ami dans une foule ou attendons un proche sur le quai d’une gare, l’identification de cette personne nous est souvent possible grâce à la reconnaissance de sa démarche. Plusieurs chercheurs se sont intéressés à la façon de se mouvoir de l’être humain en étudiant le mouvement biologique. Le mouvement biologique est la représentation, par un ensemble structuré de points lumineux animés, des gestes d’un individu en mouvement dans une situation particulière (marche, golf, tennis, etc.). Une des caractéristiques du patron de mouvement biologique peu étudiée et néanmoins essentielle est sa taille. La plupart des études concernées utilisent des patrons de petite taille correspondant à une personne située à 16 mètres de l’observateur. Or les distances d’interaction sociale, chez l’humain, sont généralement inférieures à 16 mètres. D’autre part, les résultats des études portant sur la perception des patrons de mouvement biologique et le vieillissement demeurent contradictoires. Nous avons donc, dans un premier temps, évalué, dans une voûte d’immersion en réalité virtuelle, l’importance de la distance entre l’observateur et le patron de mouvement biologique, chez des adultes jeunes et des personnes âgées. Cette étude a démontré que l’évaluation de la direction de mouvement d’un patron devient difficile pour les personnes âgées lorsque le patron est situé à moins de 4 mètres, alors que les résultats des jeunes sont comparables pour toutes distances, à partir d’un mètre et au-delà. Cela indique que les gens âgés peinent à intégrer l’information occupant une portion étendue de leur champ visuel, ce qui peut s’avérer problématique dans des espaces où les distances d’interaction sont inférieures à 4 mètres. Nombre de recherches indiquent aussi clairement que les gens âgés s’adaptent difficilement à des situations complexes. Nous avons donc cherché, dans un second temps, à minimiser ces altérations liées à l’âge de l’intégration des processus complexes, en utilisant une tâche adaptée à l’entraînement et à l’évaluation de l’intégration de ces processus : la poursuite multiple d’objets dans l’espace ou 3D-MOT (3 Dimensions Multiple Object Tracking). Le 3D-MOT consiste à suivre simultanément plusieurs objets d’intérêt en mouvement parmi des distracteurs également en mouvement. Nous avons évalué les habiletés de participants jeunes et âgés à une telle tâche dans un environnement virtuel en 3D en déterminant la vitesse maximale de déplacement des objets à laquelle la tâche pouvait être exécutée. Les résultats des participants âgés étaient initialement inférieurs à ceux des jeunes. Cependant, après plusieurs semaines d’entraînement, les personnes âgées ont obtenu des résultats comparables à ceux des sujets jeunes non entraînés. Nous avons enfin évalué, pour ces mêmes participants, l’impact de cet entraînement sur la perception de patrons de mouvement biologique présentés à 4 et 16 mètres dans l’espace virtuel : les habiletés des personnes âgées entraînées obtenues à 4 mètres ont augmenté de façon significative pour atteindre le niveau de celles obtenues à 16 mètres. Ces résultats suggèrent que l’entraînement à certaines tâches peut réduire les déclins cognitivo-perceptifs liés à l’âge et possiblement aider les personnes âgées dans leurs déplacements quotidiens. / When searching for a friend in a crowd or waiting for a loved one at the train station, we often rely heavily on their gait to identify them. The movements of the human body have generated much research interest, and biological motion has been used to study these displacements. Biological motion is described by points at each joint and provides a representation of an individual during a particular action (walking, playing golf, tennis, etc.). Size is one of the defining characteristics of biological motion patterns, and yet, has been overlooked. Most work has used small patterns, corresponding to a person moving at a distance of 16 m from the observer, but much of our social interactions occur at distances closer than this. Furthermore, our representations of the environment can change as we age, but studies assessing the effects of age on the perception of biological motion have yielded inconsistent results. Therefore, using a fully immersive virtual-reality environment, our first goal was to evaluate the impact of distance between observer and pattern, on biological motion perception in both young and older adults. Results indicate that identifying walking direction becomes difficult at distances closer than 4 m for older observers, whereas performance is maintained in younger participants at all distances further away than 1m. This suggests that older participants exhibit difficulty when information must be integrated across a large expanse of their visual field, which could impede them in any situation where interactions occur within a distance of 4m. Much work has suggested further, that older participants adapt to complex environments with greater difficulty. The second goal was to minimize this age-related change to the integration of complex scenes, by using a task devised to both train and assess such integration processes: Multiple Object Tracking in 3-dimentional space, or 3D-MOT. 3D-MOT consists of tracking several moving objects of interest, among similarly moving distractors. In a 3-D virtual-reality environment, we measured the maximum speed at which the objects could travel, for younger and older observers to complete the task with no errors. Initial results indicated that older observers’ performance was worse than that of younger observers. However, after several weeks of training, older observers’ performance improved and became similar to that of untrained younger observers. Finally, our third goal was to evaluate, for these 3D-MOT-trained older observers, the effect of training on biological motion perception at distances of 16 and 4m in virtual space. Findings indicate that performance at 4 m, for older observers who received 3D-MOT training, improved significantly to reach 16 m levels. This suggests that training of this type can reduce age-related perceptuo-cognitive deficits and can possibly aid the elderly in their daily travels.

L'efficacité du système visuel est permise par un complexe réseau d'élaboration, qui s'appuie sur des structures corticales, sous-corticales et périphériques. Le but de la présente recherche est de mieux comprendre le processus de perception visuelle du mouvement, et réaliser un modèle computationnel capable de reproduire les fonctionnalités humaines du tracking (suivi) d'un objet en mouvement. Ce travail de thèse comprend une ample recherche bibliographique, ainsi qu'une série d'expérimentations ; la thèse se compose de deux parties :La première partie a pour objet la détermination des performances dans l'inférence " vers le passé ", d'un mouvement partiellement visible. Il s'agit de définir l'implication des informations exogènes (les signaux rétiniens) et endogènes (les modèles internes de l'action observée) dans la reconstruction de la cinématique d'une cible en mouvement et partiellement occultée. Nos résultats supportent l'hypothèse que le Système Nerveux Central adopte un mécanisme basé sur le recours aux modèles internes dans la reconstruction du passé de cinématiques biologiques. La deuxième partie complémente la première, et vise à identifier la structure et les caractéristiques fonctionnelles du système de poursuite, ainsi que à comprendre l'origine des erreurs systématiques présentes dans la localisation d'une cible chez l'homme. Nous avons développé un modèle computationnel en langage Matlab, basé sur le mécanisme d'extrapolation du mouvement, qui est capable de reproduire les données expérimentales dans la tâche de localisation

Lorsque nous cherchons un ami dans une foule ou attendons un proche sur le quai d’une gare, l’identification de cette personne nous est souvent possible grâce à la reconnaissance de sa démarche. Plusieurs chercheurs se sont intéressés à la façon de se mouvoir de l’être humain en étudiant le mouvement biologique. Le mouvement biologique est la représentation, par un ensemble structuré de points lumineux animés, des gestes d’un individu en mouvement dans une situation particulière (marche, golf, tennis, etc.). Une des caractéristiques du patron de mouvement biologique peu étudiée et néanmoins essentielle est sa taille. La plupart des études concernées utilisent des patrons de petite taille correspondant à une personne située à 16 mètres de l’observateur. Or les distances d’interaction sociale, chez l’humain, sont généralement inférieures à 16 mètres. D’autre part, les résultats des études portant sur la perception des patrons de mouvement biologique et le vieillissement demeurent contradictoires. Nous avons donc, dans un premier temps, évalué, dans une voûte d’immersion en réalité virtuelle, l’importance de la distance entre l’observateur et le patron de mouvement biologique, chez des adultes jeunes et des personnes âgées. Cette étude a démontré que l’évaluation de la direction de mouvement d’un patron devient difficile pour les personnes âgées lorsque le patron est situé à moins de 4 mètres, alors que les résultats des jeunes sont comparables pour toutes distances, à partir d’un mètre et au-delà. Cela indique que les gens âgés peinent à intégrer l’information occupant une portion étendue de leur champ visuel, ce qui peut s’avérer problématique dans des espaces où les distances d’interaction sont inférieures à 4 mètres. Nombre de recherches indiquent aussi clairement que les gens âgés s’adaptent difficilement à des situations complexes. Nous avons donc cherché, dans un second temps, à minimiser ces altérations liées à l’âge de l’intégration des processus complexes, en utilisant une tâche adaptée à l’entraînement et à l’évaluation de l’intégration de ces processus : la poursuite multiple d’objets dans l’espace ou 3D-MOT (3 Dimensions Multiple Object Tracking). Le 3D-MOT consiste à suivre simultanément plusieurs objets d’intérêt en mouvement parmi des distracteurs également en mouvement. Nous avons évalué les habiletés de participants jeunes et âgés à une telle tâche dans un environnement virtuel en 3D en déterminant la vitesse maximale de déplacement des objets à laquelle la tâche pouvait être exécutée. Les résultats des participants âgés étaient initialement inférieurs à ceux des jeunes. Cependant, après plusieurs semaines d’entraînement, les personnes âgées ont obtenu des résultats comparables à ceux des sujets jeunes non entraînés. Nous avons enfin évalué, pour ces mêmes participants, l’impact de cet entraînement sur la perception de patrons de mouvement biologique présentés à 4 et 16 mètres dans l’espace virtuel : les habiletés des personnes âgées entraînées obtenues à 4 mètres ont augmenté de façon significative pour atteindre le niveau de celles obtenues à 16 mètres. Ces résultats suggèrent que l’entraînement à certaines tâches peut réduire les déclins cognitivo-perceptifs liés à l’âge et possiblement aider les personnes âgées dans leurs déplacements quotidiens. / When searching for a friend in a crowd or waiting for a loved one at the train station, we often rely heavily on their gait to identify them. The movements of the human body have generated much research interest, and biological motion has been used to study these displacements. Biological motion is described by points at each joint and provides a representation of an individual during a particular action (walking, playing golf, tennis, etc.). Size is one of the defining characteristics of biological motion patterns, and yet, has been overlooked. Most work has used small patterns, corresponding to a person moving at a distance of 16 m from the observer, but much of our social interactions occur at distances closer than this. Furthermore, our representations of the environment can change as we age, but studies assessing the effects of age on the perception of biological motion have yielded inconsistent results. Therefore, using a fully immersive virtual-reality environment, our first goal was to evaluate the impact of distance between observer and pattern, on biological motion perception in both young and older adults. Results indicate that identifying walking direction becomes difficult at distances closer than 4 m for older observers, whereas performance is maintained in younger participants at all distances further away than 1m. This suggests that older participants exhibit difficulty when information must be integrated across a large expanse of their visual field, which could impede them in any situation where interactions occur within a distance of 4m. Much work has suggested further, that older participants adapt to complex environments with greater difficulty. The second goal was to minimize this age-related change to the integration of complex scenes, by using a task devised to both train and assess such integration processes: Multiple Object Tracking in 3-dimentional space, or 3D-MOT. 3D-MOT consists of tracking several moving objects of interest, among similarly moving distractors. In a 3-D virtual-reality environment, we measured the maximum speed at which the objects could travel, for younger and older observers to complete the task with no errors. Initial results indicated that older observers’ performance was worse than that of younger observers. However, after several weeks of training, older observers’ performance improved and became similar to that of untrained younger observers. Finally, our third goal was to evaluate, for these 3D-MOT-trained older observers, the effect of training on biological motion perception at distances of 16 and 4m in virtual space. Findings indicate that performance at 4 m, for older observers who received 3D-MOT training, improved significantly to reach 16 m levels. This suggests that training of this type can reduce age-related perceptuo-cognitive deficits and can possibly aid the elderly in their daily travels.

L’efficacité du système visuel est permise par un complexe réseau d’élaboration, qui s’appuie sur des structures corticales, sous-corticales et périphériques. Le but de la présente recherche est de mieux comprendre le processus de perception visuelle du mouvement, et réaliser un modèle computationnel capable de reproduire les fonctionnalités humaines du tracking (suivi) d'un objet en mouvement. Ce travail de thèse comprend une ample recherche bibliographique, ainsi qu’une série d’expérimentations ; la thèse se compose de deux parties :La première partie a pour objet la détermination des performances dans l’inférence « vers le passé », d’un mouvement partiellement visible. Il s’agit de définir l’implication des informations exogènes (les signaux rétiniens) et endogènes (les modèles internes de l’action observée) dans la reconstruction de la cinématique d’une cible en mouvement et partiellement occultée. Nos résultats supportent l’hypothèse que le Système Nerveux Central adopte un mécanisme basé sur le recours aux modèles internes dans la reconstruction du passé de cinématiques biologiques. La deuxième partie complémente la première, et vise à identifier la structure et les caractéristiques fonctionnelles du système de poursuite, ainsi que à comprendre l’origine des erreurs systématiques présentes dans la localisation d’une cible chez l’homme. Nous avons développé un modèle computationnel en langage Matlab, basé sur le mécanisme d’extrapolation du mouvement, qui est capable de reproduire les données expérimentales dans la tâche de localisation / The effectiveness of the visual system is permitted by a complex processing network, which relies on cortical, sub-cortical and peripheral structures. The purpose of this research is to improve the knowledge of the process sustaining the visual perception of motion, and to produce a computational model able to reproduce the features of human visual tracking of a moving object.This work includes an extensive bibliographic research, and a series of experiments. The thesis consists of two parts:The first part pertains to the determination of performance in the "backward" inference of a partially visible movement. It consist of defining the involvement of exogenous information (retinal signals) and endogenous information (internal models of observed action) in the kinematic reconstruction of a partially hidden trajectory of a moving target. Our results support the hypothesis that the CNS adopts a mechanism based on the use of internal models in the reconstruction of past biological kinematics.The second part complements the first one, and aims to identify the structure and the functional characteristics of the tracking system; it also aims to understand the origin of systematic errors present in the location of a target, in humans.We developed a computational model in Matlab, based on the extrapolation mechanism of movement, which is capable of reproducing the experimental data for the localization task

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement. / It has been suggested that physical similarity with an observed model facilitates action perception and understanding. For example, increased corticospinal excitability is found in participants observing actors of their own ethnicity performing culture-specific hand movements (Molnar-Szakacs et al., 2007). Tactile perception is also said to be increased when individuals watch a model of the same race being touched (Serino et al., 2009). Moreover, imaging data suggest that stronger activations are observed in the cingulate cortex when a subject observes a person of their own race feeling pain (Xu et al., 2009). Some studies have linked these findings with a motor resonance mechanism, possibly associated with the mirror neuron system (MNS), suggesting that action representation in motor areas is facilitated by physical similarity. However, most of the observed stimuli in those studies include emotional or cultural components, which may blur the link between physical similarity and motor resonance per se. The present thesis is comprised of three studies that aimed at evaluating the effect of physical similarity on motor resonance using stimuli that are purely motor in nature. The effect of physical similarity on motor responses during action observation was assessed with behavioral and electrophysiological measures. To this end, imitation of simple finger movements, as well as corticospinal excitability and mu rhythm desynchronization during passive observation of simple finger movements was evaluated, using stimuli that were similar or dissimilar to the participant in terms of skin color. In line with previous results, observation of biological movement resulted in faster reaction times and greater mu desynchronization compared to non-biological movement. Physical similarity with the imitated or observed hand did not affect imitation speed or mu desynchronization. It did, however, have a surprising effect on corticospinal excitability, where the amplitude of transcranial magnetic stimulation-induced motor evoked potentials was greater in the right hemisphere of female participants observing hand movement executed by hands of a different color. These data suggest that physical similarity with an observed action in terms of skin color does not modulate MNS activity in sensorimotor cortex when cultural and emotional components are absent. The present results also strengthen the notion that the motor cortex node of the MNS is tuned to the biological nature of an observed action.

Pour être performant au plus haut niveau, les athlètes doivent posséder une capacité perceptivo-cognitive supérieure à la moyenne. Cette faculté, reflétée sur le terrain par la vision et l’intelligence de jeu des sportifs, permet d’extraire l’information clé de la scène visuelle. La science du sport a depuis longtemps observé l’expertise perceptivo-cognitive au sein de l’environnement sportif propre aux athlètes. Récemment, des études ont rapporté que l’expertise pouvait également se refléter hors de ce contexte, lors d’activités du quotidien par exemple. De plus, les récentes théories entourant la capacité plastique du cerveau ont amené les chercheurs à développer des outils pour entraîner les capacités perceptivo-cognitives des athlètes afin de les rendre plus performants sur le terrain. Ces méthodes sont la plupart du temps contextuelles à la discipline visée. Cependant, un nouvel outil d’entraînement perceptivo-cognitif, nommé 3-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT) et dénué de contexte sportif, a récemment vu le jour et a fait l’objet de nos recherches. Un de nos objectifs visait à mettre en évidence l’expertise perceptivo-cognitive spécifique et non-spécifique chez des athlètes lors d’une même étude. Nous avons évalué la perception du mouvement biologique chez des joueurs de soccer et des non-athlètes dans une salle de réalité virtuelle. Les sportifs étaient systématiquement plus performants en termes d’efficacité et de temps de réaction que les novices pour discriminer la direction du mouvement biologique lors d’un exercice spécifique de soccer (tir) mais également lors d’une action issue du quotidien (marche). Ces résultats signifient que les athlètes possèdent une meilleure capacité à percevoir les mouvements biologiques humains effectués par les autres. La pratique du soccer semble donc conférer un avantage fondamental qui va au-delà des fonctions spécifiques à la pratique d’un sport. Ces découvertes sont à mettre en parallèle avec la performance exceptionnelle des athlètes dans le traitement de scènes visuelles dynamiques et également dénuées de contexte sportif. Des joueurs de soccer ont surpassé des novices dans le test de 3D-MOT qui consiste à suivre des cibles en mouvement et stimule les capacités perceptivo-cognitives. Leur vitesse de suivi visuel ainsi que leur faculté d’apprentissage étaient supérieures. Ces résultats confirmaient des données obtenues précédemment chez des sportifs. Le 3D-MOT est un test de poursuite attentionnelle qui stimule le traitement actif de l’information visuelle dynamique. En particulier, l’attention sélective, dynamique et soutenue ainsi que la mémoire de travail. Cet outil peut être utilisé pour entraîner les fonctions perceptivo-cognitives des athlètes. Des joueurs de soccer entraînés au 3D-MOT durant 30 sessions ont montré une amélioration de la prise de décision dans les passes de 15% sur le terrain comparés à des joueurs de groupes contrôles. Ces données démontrent pour la première fois un transfert perceptivo-cognitif du laboratoire au terrain suivant un entraînement perceptivo-cognitif non-contextuel au sport de l’athlète ciblé. Nos recherches aident à comprendre l’expertise des athlètes par l’approche spécifique et non-spécifique et présentent également les outils d’entraînements perceptivo-cognitifs, en particulier le 3D-MOT, pour améliorer la performance dans le sport de haut-niveau. / To perform at the top, athletes must possess a special perceptual-cognitive ability. This talent is the capacity to extract key information from a visual scene and is reflected by sportsmen’s vision and intelligence of play. For a long time, sport science has reported perceptual-cognitive expertise inside the domain-specific sport environment of athletes. But more recently, evidence has shown that expertise could also been reflected outside of this context, in daily activities for instance. Moreover, recent theories surrounding brain plasticity have driven researchers to develop new tools to train perceptual-cognitive skills of athletes in order to increase performance on the field. Those methods are mostly contextual to the athlete’s discipline. However, a new perceptual-cognitive training methodology, called 3-Dimensional Multiple Object Tracking (3D-MOT), which is deprived of sport context, has recently been developed and took a center part in our researches. One of the main objectives was to observe athletes’ specific and non-specific expertise during the same study. We evaluated biological motion perception in soccer players and non-athletes in a virtual reality environment. Sportsmen were systematically more efficient and faster compared to novices when discriminating the direction of the biological motion during a soccer specific exercise (shot) but also during a daily action (walk). The results suggest that athletes are better capable in perceiving human biological motions performed by others. Soccer activity seems to confer a fundamental advantage that goes beyond sport specific functions. Concurrent with those discoveries, we observed the amazing ability of an athlete’s performance to process dynamic and neutral visual scenes. Soccer players outperformed novices throughout the 3D-MOT test which consists in tracking moving targets and simulates perceptual-cognitive skills. Their visual tracking speed and their learning ability were superior. The results confirm previous data obtained by sport experts. The 3D-MOT is an attentional tracking paradigm that stimulates active processing of dynamic visual information. In particular, it targets selective, dynamic and sustained attention, as well as working memory. This tool can be used to train perceptual-cognitive functions of athletes. Soccer players trained with the 3D-MOT throughout 30 sessions have shown an increase in passing decision making (15%) on the field compared to control groups. For the first time, the results demonstrate a perceptual-cognitive transfer from the laboratory to the field following a non-contextual perceptual-cognitive training program. Our research helps to understand athletes’ expertise by using both specific and non-specific approaches and also present perceptual-cognitive training tools, in particular the 3D-MOT technique, to improve performance in sport.

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement. / It has been suggested that physical similarity with an observed model facilitates action perception and understanding. For example, increased corticospinal excitability is found in participants observing actors of their own ethnicity performing culture-specific hand movements (Molnar-Szakacs et al., 2007). Tactile perception is also said to be increased when individuals watch a model of the same race being touched (Serino et al., 2009). Moreover, imaging data suggest that stronger activations are observed in the cingulate cortex when a subject observes a person of their own race feeling pain (Xu et al., 2009). Some studies have linked these findings with a motor resonance mechanism, possibly associated with the mirror neuron system (MNS), suggesting that action representation in motor areas is facilitated by physical similarity. However, most of the observed stimuli in those studies include emotional or cultural components, which may blur the link between physical similarity and motor resonance per se. The present thesis is comprised of three studies that aimed at evaluating the effect of physical similarity on motor resonance using stimuli that are purely motor in nature. The effect of physical similarity on motor responses during action observation was assessed with behavioral and electrophysiological measures. To this end, imitation of simple finger movements, as well as corticospinal excitability and mu rhythm desynchronization during passive observation of simple finger movements was evaluated, using stimuli that were similar or dissimilar to the participant in terms of skin color. In line with previous results, observation of biological movement resulted in faster reaction times and greater mu desynchronization compared to non-biological movement. Physical similarity with the imitated or observed hand did not affect imitation speed or mu desynchronization. It did, however, have a surprising effect on corticospinal excitability, where the amplitude of transcranial magnetic stimulation-induced motor evoked potentials was greater in the right hemisphere of female participants observing hand movement executed by hands of a different color. These data suggest that physical similarity with an observed action in terms of skin color does not modulate MNS activity in sensorimotor cortex when cultural and emotional components are absent. The present results also strengthen the notion that the motor cortex node of the MNS is tuned to the biological nature of an observed action.

Le travail présenté dans cette thèse propose des modèles de calcul pour l'extraction du mouvement et la reconnaissance de formes dynamiques à partir du flux d'informations visuelles, en s'inspirant des mécanismes correspondants mis en jeu dans le cerveau. Plus précisément, nous proposons des hypothèses sur la façon dont le mécanisme cérébral de ces tâches peut fonctionner et nous nous efforçons de déterminer comment des neurones avec un petit champ récepteur sont en mesure de fournir des réponses cohérentes et de coder des formes dynamiques complexes. Nous étudions chaque aspect du traitement réalisé dans le cerveau que nous avons modélisé dans un cadre connexionniste, en montrant comment ces systèmes distribués peuvent être utilisés pour des tâches complexes telles que la détection de mouvement et la reconnaissance de formes dynamiques. Du point de vue informatique ces modèles offrent de nouveaux algorithmes, avec des propriétés intéressantes telles que l'utilisation de mémoire distribuée et la robustesse. La détection de mouvement et la discrimination de motifs visuels complexes à partir de ce signal (ou "vision cognitive") structurent les deux parties dans lesquelles le manuscrit se divise. La première partie porte sur la détection de mouvement en étudiant la façon dont l'extraction de caractéristiques visuelles est effectuée à partir du flux d'information visuel, et en particulier la façon dont les problèmes dus à la petite taille et la gamme de détection réduite des détecteurs de mouvement locaux peuvent être résolus. Dans la deuxième partie nous étudions la façon dont la classification des motifs visuels dynamiques complexes est réalisée à partir du traitement fourni par le système primaire de vision pour réaliser ce que nous appelons la vision cognitive, en évaluant au passage différentes techniques d'extraction de caractéristiques visuelles.

La perception d’un mouvement biologique correspond à l’aptitude à recueillir des informations (comme par exemple, le type d’activité) issues d’un objet animé en mouvement à partir d’indices visuels restreints. Cette méthode a été élaborée et instaurée par Johansson en 1973, à l’aide de simples points lumineux placés sur des individus, à des endroits stratégiques de leurs articulations. Il a été démontré que la perception, ou reconnaissance, du mouvement biologique joue un rôle déterminant dans des activités cruciales pour la survie et la vie sociale des humains et des primates. Par conséquent, l’étude de l’analyse visuelle de l’action chez l’Homme a retenu l’attention des scientifiques pendant plusieurs décennies. Ces études sont essentiellement axées sur informations cinématiques en provenance de différents mouvements (comme le type d’activité ou les états émotionnels), le rôle moteur dans la perception des actions ainsi que les mécanismes sous-jacents et les substrats neurobiologiques associés. Ces derniers constituent le principal centre d’intérêt de la présente étude, dans laquelle nous proposons un nouveau modèle descriptif de simulation bayésienne avec minimisation du risque. Ce modèle est capable de distinguer la direction d’un ballon à partir d’un mouvement biologique complexe correspondant à un tir de soccer. Ce modèle de simulation est inspiré de précédents modèles, neurophysiologiquement possibles, de la perception du mouvement biologique ainsi que de récentes études. De ce fait, le modèle présenté ici ne s’intéresse qu’à la voie dorsale qui traite les informations visuelles relatives au mouvement, conformément à la théorie des deux voies visuelles. Les stimuli visuels utilisés, quant à eux, proviennent d’une précédente étude psychophysique menée dans notre laboratoire chez des athlètes. En utilisant les données psychophysiques de cette étude antérieure 3 et en ajustant une série de paramètres, le modèle proposé a été capable de simuler la fonction psychométrique ainsi que le temps de réaction moyen mesurés expérimentalement chez les athlètes. Bien qu’il ait été établi que le système visuel intègre de manière optimale l’ensemble des indices visuels pendant le processus de prise de décision, les résultats obtenus sont en lien avec l’hypothèse selon laquelle les indices de mouvement sont plus importants que la forme dynamique dans le traitement des informations relatives au mouvement. Les simulations étant concluantes, le présent modèle permet non seulement de mieux comprendre le sujet en question, mais s’avère également prometteur pour le secteur de l’industrie. Il permettrait, par exemple, de prédire l’impact des distorsions optiques, induites par la conception de verres progressifs, sur la prise de décision chez l’Homme. Mots-clés : Mouvement biologique, Bayésien, Voie dorsale, Modèle de simulation hiérarchique, Fonction psychométrique, Temps de réaction / The ability to recover information (e.g., identity or type of activity) about a moving living object from a sparse input is known as Biological Motion perception. This sparse input has been created and introduced by Johansson in 1973, using only light points placed on an individual's strategic joints. Biological motion perception/recognition proves to play a significant role in activities that are critical to the survival and social life of humans and primates. In this regard, the study of visual analysis of human action had the attention of scientists for decades. These studies are mainly focused on: kinematics information of the different movements (such as type of activity, emotional states), motor role in the perception of actions and underlying mechanisms, and associated neurobiological substrates. The latter being the main focus of the present study, a new descriptive risk-averse Bayesian simulation model, capable of discerning the ball’s direction from a set of complex biological motion soccer-kick stimuli is proposed. Inspired by the previous, neurophysiologically plausible, biological motion perception models and recent studies, the simulation model only represents the dorsal pathway as a motion information processing section of the visual system according to the two-stream theory, while the stimuli used have been obtained from a previous psychophysical study on athletes. Moreover, using the psychophysical data from the same study and tuning a set of parameters, the model could successfully simulate the psychometric function and average reaction time of the athlete participants of the aforementioned study. 5 Although it is established that the visual system optimally integrates all available visual cues in the decision-making process, the results conform to the speculations favouring motion cue importance over dynamic form by only depending on motion information processing. As a functioning simulator, the present simulation model not only introduces some insight into the subject at hand but also shows promise for industry use. For example, predicting the impact of the lens-induced distortions, caused by various lens designs, on human decision-making. Keywords: Biological motion, Bayesian, Dorsal pathway, Hierarchical simulation model, Psychometric function, Reaction time