Les estimations des mouvements de soi provenant des signaux vestibulaires contribuent à la planification et l’exécution des mouvements volontaires du bras lorsque le corps se déplace. Cependant, comme les senseurs vestibulaires sont fixés à la tête alors que le bras est fixé au corps, les signaux vestibulaires doivent être transformés d’un système de référence centré sur la tête à un système centré sur le corps pour pouvoir contribuer de façon appropriée au contrôle moteur du bras. Le but premier de ce travail était d’étudier l’évidence d’une telle transformation. La stimulation galvanique vestibulaire (SGV) a été utilisée pour activer les afférences vestibulaires et simuler une rotation autour d’un axe naso-occipital fixe pendant que des sujets humains faisaient des mouvements du bras dans le plan horizontal, avec la tête dans différentes orientations. Une transformation des signaux vestibulaires implique que la SVG devrait simuler une rotation autour d’un axe horizontal lorsque la tête est droite et autour d’un axe vertical lorsque la tête est en flexion antérieure. La SGV devrait ainsi perturber les mouvements du bras en fonction de l’orientation de la tête. Nos résultats démontrent que les signaux vestibulaires contribuant aux mouvements d’atteinte sont effectivement transformés en un système de référence centrée sur le corps. Le deuxième but de ce travail était d’explorer les mécanismes utilisant ces signaux vestibulaires transformés. En comparant les effets de la SGV appliquée avant ou pendant les mouvements d’atteinte nous avons montré que les signaux vestibulaires transformés contribuent à des mécanismes de compensation distincts durant la planification des mouvements d’atteinte comparativement à l’exécution. / Vestibular signals provide self-motion estimates that contribute to the planning and execution of voluntary reaching movements during body motion. However, because the vestibular sensors are fixed in the head whereas the arm is fixed to the trunk vestibular signals must be transformed from a head-centered to a body-centered reference frame to contribute appropriately to limb motor control. The first goal of the current work was to investigate the evidence for such a transformation. To do so we used galvanic vestibular stimulation (GVS) to selectively activate vestibular afferents and simulate rotation about a fixed roughly naso-occipital axis as human subjects performed reaching movements with the head in different orientations. If vestibular signals that contribute to reaching are transformed to body-centered coordinates, then with the head upright GVS should simulate mainly tilt about an earth-horizontal axis (roll), whereas with the head pitched forward the same stimulus should simulate rotation about an earth-vertical axis (yaw). We therefore predicted that GVS should perturb horizontal-plane reach trajectories in a head-orientation dependent manner. Our results demonstrate that vestibular signals which contribute to reaching are indeed transformed to a body-centered reference frame. The second goal of this work was to explore the mechanisms that use these transformed vestibular signals. By comparing the effect of GVS applied during versus prior to reaching we also provide evidence that transformed vestibular signals contribute to distinct compensation mechanisms for body motion during reach planning versus execution.

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.

Human sensorimotor control is remarkably adept at utilising contextual information to learn and recall systematic sensorimotor transformations. Here, we investigate the motor representations that underlie such learning, and examine how motor memories acquired based on different contextual information interact. Using a novel three-dimensional robotic manipulandum, the 3BOT, we examined the spatial transfer of learning across various movement directions in a 3D environment, while human subjects performed reaching movements under velocity-dependent force field. The obtained pattern of generalisation suggested that the representation of dynamic learning was most likely defined in a target-based, rather than an extrinsic, coordinate system. We further examined how motor memories interact when subjects adapt to force fields applied in orthogonal dimensions. We found that, unlike opposing fields, learning two spatially orthogonal force fields led to the formation of separate motor memories, which neither interfered with nor facilitated each other. Moreover, we demonstrated a novel, more general aspect of the spontaneous recovery phenomenon using a two-dimensional force field task: when subjects learned two orthogonal force fields consecutively, in the following phase of clamped error feedback, the expression of adaptation spontaneously rotated from the direction of the second force field, towards the direction of the first force field. Finally, we examined the interaction of sensorimotor memories formed based on separate contextual information. Subjects performed reciprocating reaching and object manipulation tasks under two alternating contexts (movement directions), while we manipulated the dynamics of the task in each context separately. The results suggested that separate motor memories were formed for the dynamics of the task in different contexts, and that these motor memories interacted by sharing error signals to enhance learning. Importantly, the extent of interaction was not fixed between the context-dependent motor memories, but adaptively changed according to the task dynamics to potentially improve overall performance. Together, our experimental and theoretical results add to the understanding of mechanisms that underlie sensorimotor learning, and the way these mechanisms interact under various tasks and different dynamics.

La simulation du geste humain est une thématique de recherche importante et trouve notamment une application dans l'analyse ergonomique pour l'aide à la conception de postes de travail. Le sujet de cette thèse concerne la génération automatique de tâches d'atteinte dans le plan horizontal pour un humanoïde. Ces dernières, à partir d'un objectif exprimé dans l'espace de la tâche, requièrent une coordination de l'ensemble des liaisons. L'une des principales difficultés rencontrées lors de la simulation de gestes réalistes est liée à la redondance naturelle de l'humain. Notre démarche est focalisée principalement sur deux aspects : - le mouvement de la main dans l'espace opérationnel (trajectoire spatiale et profil temporel), - la coordination des différentes sous-chaînes cinématiques. Afin de caractériser le mouvement humain, nous avons mené une campagne de capture de mouvements pour des gestes d'atteinte contraignant la position et l'orientation de la main dans le plan horizontal. Ces acquisitions nous ont permis de connaître l'évolution spatiale et temporelle de la main dans l'espace de la tâche, en translation et en rotation. Ces données acquises couplées à une méthode de rejeu ont également permis d'analyser les relations intrinsèques qui lient l'espace de la tâche à l'espace articulaire du mannequin. Le schéma de génération automatique de mouvements réalistes est basé sur une pile de tâche avec une approche cinématique. L'hypothèse retenue pour simuler le geste est de suivre le chemin le plus court dans l'espace de la tâche tout en bornant le coût dans l'espace articulaire. Un ensemble de paramètres permet de régler le schéma. Il en résulte une cartographie de réglages qui permet de simuler une classe de mouvements réalistes. Enfin, ce schéma de génération automatique de mouvements réalistes est validé par une comparaison quantitative et qualitative entre la simulation et le geste humain. / The simulation of human movement is an active theme of research, particularly in ergonomic analysis to aid in the design of workstations. The aim of this thesis concerns the automatic generation of reaching tasks in the horizontal plane for a virtual humanoid. An objective expressed in the task space, requires coordination of all joints of the mannequin. The main difficulties encountered in the simulation of realistic movements is related to the natural redundancy of the human. Our approach is focused mainly on two aspects: - Motion of the hand's operator in the task space (spatial and temporal aspect), - Coordination of all kinematic chains. To characterize human movement, we conducted a set of motion capture with position and orientation constraints of the hand in the horizontal plane. These acquisitions allowed to know the spatial and temporal evolution of the hand in the task space, for translation and rotation aspects. These acquired data were coupled with a playback method to analyze the intrinsic relations that link the task space to joint space of the model. The automatic generation scheme of realistic motion is based on a stack of task with a kinematic approach. The assumption used to simulate the action is to follow the shortest path in the task space while limiting the cost in the joint space. The scheme is characterized by a set of parameters. A global map of parameter adjustment enables the simulation of a class of realistic movements. Finally, this scheme is validated quantitatively and qualitatively with comparison between the simulation and the human gesture.

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Les microprocesseurs et les architectures parallèles d'aujourd'hui lancent de nouveaux défis aux techniques de compilation. En présence de parallélisme, les optimisations deviennent trop spécifiques et complexes pour être laissées au soin du programmeur. Les techniques de parallélisation automatique dépassent le cadre traditionnel des applications numériques et abordent de nouveaux modèles de programmes, tels que les nids de boucles non affines, les appels récursifs et les structures de données dynamiques. Des analyses précises sont au c{\oe}ur de la détection du parallélisme, elles rassemblent des informations à la compilation sur les propriétés des programmes à l'exécution. Ces informations valident des transformations utiles pour l'extraction du parallélisme et la génération de code parallèle. Cette thèse aborde principalement des analyses et des transformations avec une vision par instances, c'est-à-dire considérant les propriétés individuelles de chaque instance d'une instruction à l'exécution. Une nouvelle formalisation à l'aide de langages formels nous permet tout d'abord d'étudier une analyse de dépendances et de définitions visibles par instances pour programmes récursifs. L'application de cette analyse à l'expansion et la parallélisation de programmes récursifs dévoile des résultats encourageants. Les nids de boucles quelconques font l'objet de la deuxième partie de ce travail. Une nouvelle étude des techniques de parallélisation fondées sur l'expansion nous permet de proposer des solutions à des problèmes d'optimisation cruciaux.

As wireless communication services get more and more pervasively available, mobile people can easily interact with service providers and handily communicate with each other through mobile devices. In the mobile environment, mobile users can plan their activity schedules and run their schedules with the assistance of mobile devices. When mobile users are engaged in their activities, they can instantly perceive contextual information and their activity schedules therefore tend to be context dependent, i.e., mobile users may alter their objectives and decision makings as soon as the environmental context varies. Besides, for a mobile user, once any exception happens, he/she is apt to adapt his/her activity schedule to reduce the impact of the exception. In the mobile environment, since the environmental resources are limited and can¡¦t satisfy all mobile users¡¦ demands, conflicts are likely to occur while mobile users plan, alter or adapt their personal activity schedules. This study concentrates itself on resolving the conflicts. This conflict problem is formulated as a multi-criteria context-dependent DCOP (distributed constraint optimization problem). This problem is complicated and highly dynamic, and the joint optimality to this problem might be time-variant. This study proposes an integrated agents system SPA and a novel problem solving approach 2S-DORA to enable mobile users to coordinate their activities to maintain optimality. The SPA, which integrates the Simulated and Physical Agents, is employed to enhance mobile users¡¦ sensory, analytic, reasoning and social abilities. The 2S-DORA takes advantage of the SPA abilities to help mobile users quickly and effectively adapt themselves to the context variations and to the exceptions. This study takes a traveling backpacker problem as an example to demonstrate how the proposed SPA and 2S-DORA contribute to solve the multi-criteria context-dependent DCOP. Five experiments finally are designed to evaluate the performance of the application of SPA and 2S-DORA.

Visual cues have previously been classified as visual exproprioceptive, when defining the relative position of the body within the environment and are continuously updated while moving (online), and visual exteroceptive when describing static features of the environment which are typically elaborated offline (feedforward). However peripheral visual cues involved in the control of movement have not previously been clearly defined using this classification. Hence the role played by peripheral visual cues in the planning and/or online control of movement remains unclear. The aim of this thesis was to provide a systematic understanding of the importance of peripheral visual cues in several types of movement, namely overground locomotion, adaptive gait, postural stability and reaching and grasping. 3D motion capture techniques were used to collect limb and whole body kinematics during such movements. Visual peripheral cues were manipulated by visual field occlusion conditions or by the employment of point-lights in a dark room. Results showed that the visual cues provided by different parts of the peripheral visual field are mainly used for online fine tuning of limb trajectory towards a target (either a floor-based obstacle or an object to grasp). The absence of peripheral visual cues while moving disrupted the spatio-temporal dynamic relationship between subject and target and resulted in increased margins of safety between body and target and increased time and variability of several dependent measures. These findings argue in favour of the classification of peripheral visual cues as visual exproprioceptive.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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