Lors d’une tâche de pointage manuel, la présence de corrections rapides, adaptées, automatiques et même réflexes (Franklin et Wolpert, 2008) suite à une perturbation par saut de curseur a pu être observée dans de nombreuses études. Ici, nous avons souhaité déterminer si ces corrections étaient purement réflexes où si elles étaient amorcées seulement lorsque la perturbation mettait en péril l’atteinte de la cible ; ces corrections ont-elles aussi un aspect fonctionnel ? Dans une première expérience nous avons fait varier la taille des cibles (5 ou 30 mm de diamètre) et des sauts du curseur (5, 15 ou 25 mm) de manière à obtenir certaines combinaisons où la cible pourrait être atteinte sans qu’aucune correction du mouvement pour contrecarrer l’effet du saut du curseur ne soit nécessaire. Des corrections réduisant l’erreur d’environ 65% ont été observées dans toutes les conditions. Dans une seconde expérience, les participants devaient atteindre une très grande cible (arc de 30°) et un saut de curseur de 15 mm était introduit pour certains essais peu de temps après l’amorce du mouvement. Les participants ont modifié leur mouvement dans le sens opposé à celui de la perturbation, et cela même s’ils n’avaient pas détecté consciemment le saut. Cependant, ces corrections étaient moins rapides et plus petites (42% de l’amplitude du saut de curseur) que celles observées lors de la première expérience. Nos résultats supportent le fait que l’amorce des corrections pour des erreurs de trajectoire induites expérimentalement soit de nature réflexe. Un deuxième processus serait alors responsable du déroulement de ces corrections ; ce deuxième processus est basé, entre autres, sur les caractéristiques de la cible. / Cursor-jump experiments have suggested the existence of quick, efficient, automatic and even reflexive (Franklin and Wolpert, 2008) online correction processes in manual aiming movements. In the present study, we wanted to determine whether corrections for a cursor jump are purely automatic/reflexive or whether they are functional in that they occur only when they are required for the target to be reached. In a first experiment, we used different target sizes (5 mm to 30 mm) and cursor-jump amplitudes (5 mm to 25 mm) so that for some target size/cursor-jump combinations, no correction would be needed to reach the target. In all cases, we observed a correction for the cursor-jump. This correction reduced the error induced by the cursor jump by 60-70%, regardless of target size. In a second experiment, we asked participants to point at a large wedge (30° of circular arc). For some trials, a cursor-jump translated the location of the cursor laterally by 15 mm soon after movement initiation. Participants never consciously detected the cursor-jump but clearly modified the trajectory of their movement in the direction opposite to that of the cursor-jump. These corrections were smaller than those observed in the first experiment (42% of the cursor-jump). Our results indicate that the initiation of a correction for a cursor-jump is more reflexive than it is functional. A second correction process would tailor the movement's initial impulse based on the target characteristics.

Nos entrées sensorielles, comme nos mouvements, sont entachés d’incertitudes. Pourtant, notre système nerveux central semble être aussi précis que possible compte tenu de ces incertitudes: il les gère de manière optimale, par exemple en pondérant des informations sensorielles redondantes en fonction de leur fiabilité, ou en prenant en compte ses incertitudes motrices lors de la réalisation de mouvements. Si les modalités des combinaisons d’informations redondantes sont bien connues lors de tâches statiques, elles le sont moins en conditions dynamiques, lors de mouvements. La partie expérimentale de cette thèse a permis de confirmer l’existence de mécanismes d’estimation et de contrôle optimaux des mouvements chez l’humain. En effet, nous avons mis en évidence l’intégration optimale d’information visuelle lors de la réalisation de saccades à la lumière: lors de séquences de saccades, le système visuomoteur est capable d’utiliser l’information visuelle pour mettre à jour ses estimations internes de la position de l’œil. Une étude complémentaire des sources de variabilité des saccades suggère un rôle similaire pour la proprioception extra-oculaire. Par une troisième expérience, novatrice, nous avons montré que le toucher est pris en compte en temps réel lors de mouvements de la main en contact avec une surface. Nous avons également inféré une mesure de la variance de l'information tactile. Enfin, à partir des connaissances sur la représentation des variables sensorimotrices dans le système nerveux, nous avons construit plusieurs réseaux de neurones qui implémentent de manière proche de l'optimum statistique la planification et le contrôle de mouvements / Our sensory inputs, as well as our movements, are uncertain. Nevertheless, our central nervous systems appears to be as accurate as possible: these uncertainties are handled in an optimal fashion. For example, redundant sensory signals are weighted according to their accuracy, and motor uncertainties are taken in account when movements are made. The characteristics of the combination of redundant sensory signals are well known for static tasks. However, they are less known in dynamic conditions. The experimental part of this thesis allowed to confirm the use of statistically optimal sensorimotor processes during movements. We showed that visual information can be integrated during sequences of saccades, the oculomotor system being able to use visual information to update its internal estimate of eye position. A complementary study on the sources of variability for saccadic eye movements suggests a similar role for extra-ocular proprioception. In a third original experiment, we showed that tactile input is optimally taken in account for the on-line control of arm movements during which fingertips are in contact with a textured surface. Last, we built several neuronal networks models simulating optimal movement planning. These networks were based on current knowledge about probabilistic representations in the nervous system

De nombreuses situations modifient les coordinations sensorimotrices (e.g., croissance, pathologie, interfaces optiques ou mécaniques). Le système nerveux doit alors s’adapter afin de préserver la précision de ses interactions avec l’environnement. Si l’adaptation visuomotrice à une altération de la direction visuelle par prismes latéraux a été largement étudiée, les mécanismes de l’adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes sont en revanche peu connus. Ce travail regroupe une série d’études de psychophysique explorant les mécanismes de l’adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes, lors d’une exposition à court terme dans l’espace de préhension. L’altération des distances apparentes a été réalisée par modification de la vergence à l’aide de prismes à bases externes. La manipulation des retours visuels a permis de mettre en évidence trois niveaux d’adaptation. Le premier niveau concerne la modification des distances perçues liée à l’augmentation de la vergence tonique. Cette modification résulte de la potentiation musculaire extra-oculaire (EMP) induite par une convergence soutenue. Le second niveau implique la recalibration du signal altéré de distance dérivé de la vergence par les signaux proprioceptivo-moteurs du membre supérieur exposé. Le troisième niveau résulte d’une réorganisation des commandes motrices du membre exposé. Aucune adaptation proprioceptive du membre exposé n’a été retrouvée. La nature des composantes adaptatives à une altération des distances apparentes diffère de celle classiquement décrite pour l’altération de la direction visuelle impliquant essentiellement des composantes proprioceptive et motrice. La contribution des composantes adaptatives sensorielles est déterminée par la précision respective de la localisation spatiale fondée sur la vision et sur la proprioception, qui diffère en latéral et en profondeur. D’autre part, les aspects géométriques de la perception des distances fondée sur la vergence ont été explorés par comparaison de l’adaptation visuelle aux prismes à bases externes (augmentant la demande en vergence d’un angle constant pour toutes les distances de fixation) et au téléstéréoscope (multipliant la demande en vergence pour toutes les distances de fixation). Quel que soit le dispositif optique utilisé, l’adaptation visuelle a consisté en un effet consécutif ne dépendant pas de la distance d’observation, contrairement aux résultats prédits sur la base du signal de vergence. / There are numerous situations in which sensorimotor coordination is altered (e.g., growth, pathology, optical or mechanical interfaces). In such situations, the nervous system must adapt so that the organism continues to interact successfully with the environment. While visuomotor adaptation to visual direction alteration by lateral prisms has been widely studied, the mechanisms underlying visuomotor adaptation to alteration of apparent distance remain poorly known. We performed a series of psychophysical studies to explore the various components of adaptation to alteration of apparent distance. Base-out prisms were used to alter apparent distance by modifying vergence demand. By manipulating visual feedback, we were able to demonstrate three adaptation levels. The first level corresponds to changes in perceived distance related to tonic vergence. These changes result from eye muscle potentiation (EMP) induced by sustained vergence. The second level involves a recalibration of the altered distance signal derived from vergence by limb proprioceptive-motor signals. The third level results from a reorganization of motor commands of the upper limb used. No limb proprioceptive component was identified. The nature of adaptive components to apparent distance alteration differs from that described for visual direction alteration, which involves essentially proprioceptive and motor components. This difference can be attributed to differences in accuracy between proprioception and vision for localization in depth or in lateral directions. The geometrical aspects of distance perception based on vergence were also explored by comparing visual adaptation to base-out prisms (introducing an offset in vergence demand) and to a telestereoscope (multiplying vergence demand for all fixation distances). Regardless of which optic device was used, the recalibration of the relationship between the vergence signal and perceived distance consisted in a constant bias over distances.

Dans cette thèse, je traite la question de la Deixis sur trois niveaux du langage : Syntaxique, phonétique et gestuel. L’idée principale, c’est que la Deixis ne s’arrête pas sur le fait de pointer un objet présent et peut aller plus loin avec des caractéristiques beaucoup plus abstraites. Cette thèse est accomplie sur trois parties fondamentales. La première partie contient un chapitre définitoire et dans le deuxième chapitre je présente les trois processus fondamentaux de la Deixis : la catégorisation, la nomination et la mémorisation. Dans la deuxième partie, j’étudie les processus cognitifs de la Deixis d’un point de vue dynamique et se servir des théories et concepts pour éclaircir la méthodologie utilisée. J’explique la dynamique de la Deixis Ad Oculos et la Deixis Am Phantasma en montrant comment cette dynamique est complètement dépendante des représentations personnelles du sujet. Les concepts de partage et d’égocentrage nous donnent un sens aux analyses que nous pourrons utiliser comme critères pour décider si un tel sujet a une bonne gestuelle communicative pour passer clairement son message à l’autrui. Ces concepts pourront être bien intéressantes en ce qui concerne des recherches étudiant le comportement des acteurs et les études de détection. Ainsi, avec quelques recherches plus profondes nous pourrons créer des listes de critères et de caractéristiques qui nous aideront à distinguer et détecter un comportement correct d’un autre qui est incorrecte. De même, nous pourrons définir un comportement normal d’un autre anormal et appliquer ces indices et critères sur des enfants souffrant d’incapacité pour s’exprimer tels que des enfants dyslexiques et autistes. / In this thesis, I treat with the question of Deixis on three levels of language: Syntax, phonetic and gestural. The main idea is that the Deixis does not end on pointing out a present object and can go further with more abstract features. This thesis has three basic parts. The first contains a definitional chapter and in the second chapter I present the three basic processes of Deixis: categorization, nomination and memorization. In the second part, I study the cognitive process of Deixis from a dynamic point of view and use theories and concepts to clarify its methodology. I explain the dynamics of Deixis Ad Oculos and Deixis Am Phantasm showing how this dynamic is completely dependent on the personal representations of the subject. The concepts share and egocentrage give us a sense of analysis that we can use as criteria to decide whether such subject has good communicative gesture to clarify his message to others. These concepts can be very interesting in terms of research regarding actor’s behavior and detection studies. Thus, with some deeper research we can create lists of criteria and characteristics that will help us to distinguish and detect the appropriate behavior from the inappropriate one. Similarly, we can define normal behavior from the abnormal one and apply these criteria and indicators on children with disabilities, such as dyslexia and autism, to help them to express themselves in the future.

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

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

Nos entrées sensorielles, comme nos mouvements, sont entachés d'incertitudes. Pourtant, notre système nerveux central semble être aussi précis que possible compte tenu de ces incertitudes: il les gère de manière optimale, par exemple en pondérant des informations sensorielles redondantes en fonction de leur fiabilité, ou en prenant en compte ses incertitudes motrices lors de la réalisation de mouvements. Si les modalités des combinaisons d'informations redondantes sont bien connues lors de tâches statiques, elles le sont moins en conditions dynamiques, lors de mouvements. La partie expérimentale de cette thèse a permis de confirmer l'existence de mécanismes d'estimation et de contrôle optimaux des mouvements chez l'humain. En effet, nous avons mis en évidence l'intégration optimale d'information visuelle lors de la réalisation de saccades à la lumière: lors de séquences de saccades, le système visuomoteur est capable d'utiliser l'information visuelle pour mettre à jour ses estimations internes de la position de l'œil. Une étude complémentaire des sources de variabilité des saccades suggère un rôle similaire pour la proprioception extra-oculaire. Par une troisième expérience, novatrice, nous avons montré que le toucher est pris en compte en temps réel lors de mouvements de la main en contact avec une surface. Nous avons également inféré une mesure de la variance de l'information tactile. Enfin, à partir des connaissances sur la représentation des variables sensorimotrices dans le système nerveux, nous avons construit plusieurs réseaux de neurones qui implémentent de manière proche de l'optimum statistique la planification et le contrôle de mouvements

Lors d’une tâche de pointage manuel, la présence de corrections rapides, adaptées, automatiques et même réflexes (Franklin et Wolpert, 2008) suite à une perturbation par saut de curseur a pu être observée dans de nombreuses études. Ici, nous avons souhaité déterminer si ces corrections étaient purement réflexes où si elles étaient amorcées seulement lorsque la perturbation mettait en péril l’atteinte de la cible ; ces corrections ont-elles aussi un aspect fonctionnel ? Dans une première expérience nous avons fait varier la taille des cibles (5 ou 30 mm de diamètre) et des sauts du curseur (5, 15 ou 25 mm) de manière à obtenir certaines combinaisons où la cible pourrait être atteinte sans qu’aucune correction du mouvement pour contrecarrer l’effet du saut du curseur ne soit nécessaire. Des corrections réduisant l’erreur d’environ 65% ont été observées dans toutes les conditions. Dans une seconde expérience, les participants devaient atteindre une très grande cible (arc de 30°) et un saut de curseur de 15 mm était introduit pour certains essais peu de temps après l’amorce du mouvement. Les participants ont modifié leur mouvement dans le sens opposé à celui de la perturbation, et cela même s’ils n’avaient pas détecté consciemment le saut. Cependant, ces corrections étaient moins rapides et plus petites (42% de l’amplitude du saut de curseur) que celles observées lors de la première expérience. Nos résultats supportent le fait que l’amorce des corrections pour des erreurs de trajectoire induites expérimentalement soit de nature réflexe. Un deuxième processus serait alors responsable du déroulement de ces corrections ; ce deuxième processus est basé, entre autres, sur les caractéristiques de la cible. / Cursor-jump experiments have suggested the existence of quick, efficient, automatic and even reflexive (Franklin and Wolpert, 2008) online correction processes in manual aiming movements. In the present study, we wanted to determine whether corrections for a cursor jump are purely automatic/reflexive or whether they are functional in that they occur only when they are required for the target to be reached. In a first experiment, we used different target sizes (5 mm to 30 mm) and cursor-jump amplitudes (5 mm to 25 mm) so that for some target size/cursor-jump combinations, no correction would be needed to reach the target. In all cases, we observed a correction for the cursor-jump. This correction reduced the error induced by the cursor jump by 60-70%, regardless of target size. In a second experiment, we asked participants to point at a large wedge (30° of circular arc). For some trials, a cursor-jump translated the location of the cursor laterally by 15 mm soon after movement initiation. Participants never consciously detected the cursor-jump but clearly modified the trajectory of their movement in the direction opposite to that of the cursor-jump. These corrections were smaller than those observed in the first experiment (42% of the cursor-jump). Our results indicate that the initiation of a correction for a cursor-jump is more reflexive than it is functional. A second correction process would tailor the movement's initial impulse based on the target characteristics.

De nombreuses situations modifient les coordinations sensorimotrices (e.g., croissance, pathologie, interfaces optiques ou mécaniques). Le système nerveux doit alors s'adapter afin de préserver la précision de ses interactions avec l'environnement. Si l'adaptation visuomotrice à une altération de la direction visuelle par prismes latéraux a été largement étudiée, les mécanismes de l'adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes sont en revanche peu connus. Ce travail regroupe une série d'études de psychophysique explorant les mécanismes de l'adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes, lors d'une exposition à court terme dans l'espace de préhension. L'altération des distances apparentes a été réalisée par modification de la vergence à l'aide de prismes à bases externes. La manipulation des retours visuels a permis de mettre en évidence trois niveaux d'adaptation. Le premier niveau concerne la modification des distances perçues liée à l'augmentation de la vergence tonique. Cette modification résulte de la potentiation musculaire extra-oculaire (EMP) induite par une convergence soutenue. Le second niveau implique la recalibration du signal altéré de distance dérivé de la vergence par les signaux proprioceptivo-moteurs du membre supérieur exposé. Le troisième niveau résulte d'une réorganisation des commandes motrices du membre exposé. Aucune adaptation proprioceptive du membre exposé n'a été retrouvée. La nature des composantes adaptatives à une altération des distances apparentes diffère de celle classiquement décrite pour l'altération de la direction visuelle impliquant essentiellement des composantes proprioceptive et motrice. La contribution des composantes adaptatives sensorielles est déterminée par la précision respective de la localisation spatiale fondée sur la vision et sur la proprioception, qui diffère en latéral et en profondeur. D'autre part, les aspects géométriques de la perception des distances fondée sur la vergence ont été explorés par comparaison de l'adaptation visuelle aux prismes à bases externes (augmentant la demande en vergence d'un angle constant pour toutes les distances de fixation) et au téléstéréoscope (multipliant la demande en vergence pour toutes les distances de fixation). Quel que soit le dispositif optique utilisé, l'adaptation visuelle a consisté en un effet consécutif ne dépendant pas de la distance d'observation, contrairement aux résultats prédits sur la base du signal de vergence.

Nous nous intéressons à l'interaction dans le contexte d'environnements physiques augmentés, plus précisément avec les objets physiques qui les composent. Bien que l'augmentation de ces objets offre de nouvelles possibilités d'interaction, notamment celle d'interagir à distance, le monde physique possède des caractéristiques propres rendant difficile l'adaptation de techniques d'interaction existantes en environnements virtuels. Il convient alors d'identifier ces caractéristiques afin de concevoir des techniques d'interaction à la fois efficaces et plaisantes dédiées à ces environnements physiques augmentés. Dans nos travaux, nous décomposons cette interaction à distance avec des objets physiques augmentés en deux étapes complémentaires : la sélection et le contrôle. Nous apportons deux contributions à chacun de ces champs de recherche. Ces contributions sont à la fois conceptuelles, avec la création d'espaces de conception, et pratiques, avec la conception, la réalisation logicielle et l'évaluation expérimentale de techniques d'interaction :- Pour l'étape de sélection, nous explorons la désambiguïsation potentielle après un geste de pointage à distance définissant un volume de sélection comme avec une télécommande infrarouge par exemple. En effet, bien que ce type de pointage sollicite moins de précision de la part de l'utilisateur, il peut néanmoins impliquer la sélection de plusieurs objets dans le volume de sélection et donc nécessiter une phase de désambiguïsation. Nous définissons et utilisons un espace de conception afin de concevoir et évaluer expérimentalement deux techniques de désambiguïsation visant à maintenir l'attention visuelle de l'utilisateur sur les objets physiques.- Pour l'étape de contrôle, nous explorons le guidage de gestes 3D lors d'une interaction gestuelle afin de spécifier des commandes à distance. Ce guidage est nécessaire afin d'indiquer à l'utilisateur les commandes disponibles ainsi que les gestes associés. Nous définissons un espace de conception capturant les caractéristiques comportementales d'un large ensemble de guides ainsi qu'un outil en ligne facilitant son utilisation. Nous explorons ensuite plusieurs options de conception afin d'étudier expérimentalement leurs impacts sur la qualité du guidage de gestes 3D. / We explore interaction with augmented physical objects within physical environments. Augmented physical objects allow new ways of interaction, including distant interaction. However, the physical world has specificities making difficult the adaptation of interaction techniques already existing in virtual environments. These specificities need to be identified in order to design efficient and enjoyable interaction techniques dedicated to augmented physical environments. In our work, we split up distant interaction into two complementary stages: the selection and the control of augmented physical objects. For each of these stages, our contribution is two-fold. These contributions are both theoretical, with the establishment of design spaces, and practical, with the design, the implementation and the experimental evaluation of interaction techniques:- For the selection stage, we study the disambiguation potentially needed after a distal pointing gesture using a volume selection such as an infrared remote controller. Indeed, although the volume selection can facilitate the aiming action, several objects can fall into the selected volume. Thus, users should disambiguate this coarse pointing selection. We define and use a design space in order to design and experimentally evaluate two disambiguation techniques that maintain the user's focus on the physical objects.- For the control stage, we study the guidance of 3D hand gestures in order to trigger commands at a distance. Such guidance is essential in order to reveal available commands and the associated gestures. We define a design space capturing specificities of a wide range of guiding systems. We also provide an online tool, easing the use of such a large design space. We then explore the impact of several design options on the quality of 3D gestures guidance.