La crampe de l'écrivain est la forme la plus fréquente de dystonies de fonction. Elle se caractérise par l’apparition de contractions musculaires involontaires et soutenues aboutissant à une perturbation sévère de l’écriture. Cette dernière est une tâche motrice séquentielle complexe nécessitant un contrôle continu des informations proprioceptives afin d’adapter la position du membre supérieur et la pression des doigts sur le stylo au cours de l’activité motrice. Dans ce travail de thèse nous avons postulé que l’élément fondamental de la physiopathologie de la crampe de l’écrivain est un trouble de l’intégration sensori-motrice. Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé deux tâches comportementales n’induisant pas de symptôme dystonique. Le sujet devait exécuter une séquence motrice, soit de façon spontanée (tâche SGT), soit sur la base d’une séquence de stimulation tactile précédemment apprise (ST). Les modifications d’activité cérébrale au cours de ces deux tâches ont été étudiées par couplage des techniques d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et d’électroencéphalographie quantitative (EEGq). Nos résultats suggèrent qu’en l’absence de symptôme dystonique, les patients atteints de crampe de l’écrivain présentent une altération de leur performance motrice dans les deux tâches. Durant l’analyse des informations proprioceptives, l’IRMf montre qu’il existe une diminution du signal Bold au niveau du cortex somesthésique primaire, de l’aire motrice supplémentaire (AMS) et du cortex pariétal. Les données d’EEGq révèlent une diminution de la désynchronisation β (DLEβ) au niveau de l’AMS et celles de la cohérence intra-corticale des perturbations du fonctionnement des réseaux pariéto-prémoteurs. Durant la phase motrice, l’IRMf ne révèle aucune différence inter-groupe, mais l’EEGq montre une augmentation de la DLEβ dans les régions pariétales postérieures pour la situation SGT, associée à une augmentation de cohérence intra-corticale. Après l’exécution du mouvement, des anomalies de synchronisation β (SLEβ) sont également retrouvées dans les deux tâches. Ces données montrent qu’il existe chez les patients présentant une crampe de l’écrivain, des perturbations de l’analyse séquentielle des informations proprioceptives, ainsi que des anomalies de l’intégration sensori-motrice. Elles sont en rapport avec une altération des relations fonctionnelles entre les cortex pariétaux et prémoteurs. Ces éléments expliquent pourquoi ces patients au cours de l’écriture ont des difficultés à élaborer une réponse motrice adaptée sur la base d’information proprioceptive séquentielle. / Writer's cramp is the most frequent form of task-specific dystonia. It is characterized by excessive and inappropriate muscle activation resulting in severe disturbance of writing. Writing is a complex sequential motor task requiring the on-line continuous monitoring of proprioceptive information to adjust the position of the upper limb and finger pressure on the pen. In this experimental work, we postulated that the main feature in the pathophysiology of writer's cramp is a sensorimotor integration disorder. To test this hypothesis, we used two behavioral tasks that does not induce dystonic symptoms. The subject performed a motor sequence, either spontaneously (SGT task), or on the basis of a sequence of proprioceptive stimuli previously presented (ST). Changes in brain activity during both tasks were studied by coupling functional magnetic resonance imaging (fMRI) with quantitative electroencephalography (qEEG). Our results show that writer's cramp patients had impaired motor performances in both tasks whereas they did not exhibit any dystonic symptoms. During the analysis of proprioceptive information, fMRI shows a Bold signal decrease in the primary somatosensory cortex, the supplementary motor area (SMA) and parietal cortex. EEGq data revealed a decrease of β desynchronization (βERD) in SMA and intra-cortical coherence a disruption of the functional connectivity of parieto-premotor networks. During the motor phase, fMRI reveals no between-group difference, but EEGq showed an increase of βERD in the posterior parietal regions for the SGT task associated with an increased intra-cortical coherence. During the post-movement period, abnormal β synchronization (βERS) is also found in both tasks. This data shows that writer's cramp patient exhibited a disruption in the sequential analysis of proprioceptive information, as well as abnormalities in sensorymotor integration during motor planning. These features are related to an alteration of the functional relationships between the parietal and premotor cortices. These phenomenons explain why writer's cramp patient fail to develop an appropriate motor response on the basis of sequential proprioceptive information, as in writing.

Afin de comprendre la parole, les auditeurs ont besoin de transformer les signaux sensoriels en sens abstraits. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les processus perceptifs liés au système des sons du langage - le traitement phonologique, et examiné les mécanismes neurobiologiques sous-jacents.Dans la première partie de la thèse, nous avons examiné l'organisation temporelle du traitement phonologique dans le cerveau humain. En utilisant des enregistrements électroencéphalographiques (EEG), nous avons étudié le décours temporel pour le traitement perceptif de règles phonologiques spécifiques à la langue maternelle des auditeurs. Les résultats montre que les connaissances des auditeurs sur les règles phonologiques complexes de leur langue maternelle sont mise en oeuvre à un stade précoce de la perception de son de la parole.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié l'organisation spatiale du traitement phonologique dans le cortex humain. Nous avons effectué deux études pour étudier le rôle de l'interaction sensorimotrice dans le décodage phonologique à la fois pendant la perception de la parole et la lecture. Les résultats de la première étude démontrent que le système moteur est impliqué dans la catégorisation perceptive des sons de la parole non-natifs, tantdis que ceux de la deuxième étude montrent que la réparation perceptive des séquences de lettres illégale dans la langue maternelle des auditeurs est dépendante de la disponibilité du système moteur chez les participants.L'ensemble de cette thèse fournit de nouvelles perspectives sur les aspects temporels et spatiaux de mécanismes neuronaux qui sous-tendent le traitement phonologique. / In order to understand spoken language, listeners need to transform sensory signals into abstract meanings. In this thesis, we focused on perceptual processes that deal with the sound system of spoken language – phonological processing, and examined its neurobiological underpinnings. In the first part of the thesis, we investigated the temporal organization of phonological processing in the human brain. Using electroencephalographic (EEG) recordings, we studied the time course for perceptual processing of language-specific phonological rules. Findings of this study demonstrate that listeners’ knowledge of complex phonological rules of their native language is assessed at an early stage of speech sound perception. In the second part of the thesis, we investigated the spatial organization of phonological processing in the human cortex. In particular, we conducted two studies to investigate the role of sensorimotor interaction in phonological decoding during both speech perception and reading. Results from the first study showed that the motor system is involved in the perceptual categorization of non-native speech sounds, while those from the second study demonstrated that perceptual repair of phonotactically illegal letter sequences in reader’s native language is dependent to the availability of the their motor system. Together, findings from this thesis provide new insights into temporal and spatial aspects of neural mechanisms that underlie phonological processing.

Certaines observations suggèrent que les afférences méchano-sensorielles peuvent moduler l’activité des générateurs centraux du rythme locomoteur (ou Central Pattern Generators, CPGs). Cependant, il est impossible d’explorer les circuits neuronaux sous-jacents chez l’animal en mouvement à l’aide d’enregistrements électrophysiologiques lors d’expériences de locomotion dite « fictive ». Dans cette étude, nous avons enregistré de façon sélective et non-invasive les neurones moteurs et sensoriels dans la moelle épinière pendant la locomotion active en ciblant génétiquement le senseur bioluminescent GFP-Aequorin chez la larve de poisson zèbre. En utilisant l’imagerie calcique à l’échelle des neurones individuels, nous confirmons que les signaux de bioluminescence reflètent bien le recrutement différentiel des groupes de motoneurones spinaux durant la locomotion active. La diminution importante de ces signaux chez des animaux paralysés ou des mutants immobiles démontre que le retour méchano-sensoriel augmente le recrutement des motoneurones spinaux pendant la locomotion active. En accord avec cette observation, nous montrons que les neurones méchano-sensoriels spinaux sont en effet recrutés chez les animaux en mouvement, et que leur inhibition affecte les réflexes d’échappement chez des larves nageant librement. L’ensemble de ces résultats met en lumière la contribution du retour méchano-sensoriel sur la production locomotrice et les différences qui en résultent entre les locomotions active et fictive. / There is converging evidence that mechanosensory feedback modulates the activity of spinal central pattern generators underlying vertebrate locomotion. However, probing the underlying circuits in behaving animals is not possible in “fictive” locomotion electrophysiological recordings. Here, we achieve selective and non-invasive monitoring of spinal motor and sensory neurons during active locomotion by genetically targeting the bioluminescent sensor GFP-Aequorin in larval zebrafish. Using GCaMP imaging of individual neurons, we confirm that bioluminescence signals reflect the differential recruitment of motor pools during motion. Their significant reduction in paralyzed animals and immotile mutants demonstrates that mechanosensory feedback enhances the recruitment of spinal motor neurons during active locomotion. Accordingly, we show that spinal mechanosensory neurons are recruited in moving animals and that their silencing impairs escapes in freely behaving larvae. Altogether, these results shed light on the contribution of mechanosensory feedback to motor output and the resulting differences between active and fictive locomotion.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

L’objectif général de cette thèse est d’étudier dans les mouvements complexes, les propriétés psychophysiques de flexibilité d’un programme moteur suite à une perturbation inattendue et certaines de ses bases neurales. Pour ce faire, trois études comportementales et une étude en imagerie par résonance magnétique fonctionnelles ont été menées. (1)Les principaux résultats de notre première étude démontrent que lors de la réalisation de mouvements complexes, après un déplacement inattendu de la cible visuelle, des corrections motrices peuvent apparaître très rapidement en une centaine de millisecondes dans les muscles de la jambe et du bras. De telles latences pourraient indiquer que les corrections motrices rapides à partir des entrées visuelles pourraient être générées grâce à des boucles corticales de bas niveaux. (2) Lors d’un déplacement imprévu de la cible visuelle pendant l’exécution d’un mouvement complexe dirigé, les temps de correction sont significativement corrélés entre certaines paires de muscles, indépendamment de leur localisation anatomique ou de leur ordre d’apparition dans la séquence temporelle de recrutement musculaire. Ces résultats suggèrent que le système nerveux central est capable d’utiliser des synergies motrices fonctionnelles et complexes lors de la génération de corrections motrices. (3) Lorsque la taille de la cible est modifiée de manière imprévisible pendant l’exécution du plan moteur initial, la durée du mouvement augmente, indépendamment de la variabilité de la précision terminale du mouvement de pointage. Ce résultat suggère que les retours sensori-moteurs et une représentation en (quasi) temps réel de la vitesse de l’effecteur sont utilisés pour générer et contrôler le déplacement de la main. (4) Enfin, lors d’une tâche de rattrapés de balles répétitifs, en manipulant les conditions de prédiction a priori de la masse des balles utilisées, la dernière étude de ce travail expérimental démontre qu’un réseau cérébelleux bilatéral, impliquant les lobules IV, V et VI, est très majoritairement impliqué dans les processus de calcul de l’erreur sensori-motrice. Dans les boucles corticales classiques impliquées dans la flexibilité motrice, le cervelet est engagé dans la génération de l’erreur sensori-motrice. Néanmoins, il semblerait que d’autres boucles de plus bas niveaux puissent être également employées afin de générer des corrections motrices très rapides. La coordination entre ces différentes boucles reste à être étudiée plus précisément. / The main objective of this thesis is to study the motor flexibility in complex movements when an unexpected event makes the initial motor plan inefficient. In this way, three kinematic and electromyographic studies and a fourth with functional magnetic resonance imaging were realized. (1)The main result of the first study clearly demonstrate that during complex movements express motor corrections in the upper and lower limbs, with latency responses of less than 100 ms, were revealed by contrasting electromyographic activities in perturbed and unperturbed trials. Such findings could indicate that visual on-going movement corrections may be accomplished via fast loops at the level of the upper and lower limbs and may not require cortical involvement. (2) When an unexpected target jump occurred, correction times were strongly correlated together for some pairs of muscles independently of their occurrences during the motor sequence and independently of the location of the muscles at the anatomical level. This second study suggests that the CNS re-programs a new motor synergy after the target jumps in order to correct the on going reaching movement. (3) When the target size is varied during the initial motor plan execution, the movement duration can increase independently of the variability of the final endpoint. These results suggests that when the speed-accuracy trade-off is unexpectedly modified, terminal feedbacks based on intermediate representations of the endpoint velocity are used to monitor and control the hand displacement. (4) Finally, when catching a falling ball and the possibility of prediction about the ball weight was manipulated, the last study of this thesis showed that both the right and left cerebellum is engaged in processing sensory–motor errors, and more particularly the lobules IV, V and VI. For classical loops involved in motor flexibility, sensory-motor errors are processed within the cerebellum. However, some shorter sub-cortical loops seem also to be involved for faster motor corrections. The coordination between these different loops needs to be explained more precisely.

L'objectif général de cette thèse est d'étudier dans les mouvements complexes, les propriétés psychophysiques de flexibilité d'un programme moteur suite à une perturbation inattendue et certaines de ses bases neurales. Pour ce faire, trois études comportementales et une étude en imagerie par résonance magnétique fonctionnelles ont été menées. (1)Les principaux résultats de notre première étude démontrent que lors de la réalisation de mouvements complexes, après un déplacement inattendu de la cible visuelle, des corrections motrices peuvent apparaître très rapidement en une centaine de millisecondes dans les muscles de la jambe et du bras. De telles latences pourraient indiquer que les corrections motrices rapides à partir des entrées visuelles pourraient être générées grâce à des boucles corticales de bas niveaux. (2) Lors d'un déplacement imprévu de la cible visuelle pendant l'exécution d'un mouvement complexe dirigé, les temps de correction sont significativement corrélés entre certaines paires de muscles, indépendamment de leur localisation anatomique ou de leur ordre d'apparition dans la séquence temporelle de recrutement musculaire. Ces résultats suggèrent que le système nerveux central est capable d'utiliser des synergies motrices fonctionnelles et complexes lors de la génération de corrections motrices. (3) Lorsque la taille de la cible est modifiée de manière imprévisible pendant l'exécution du plan moteur initial, la durée du mouvement augmente, indépendamment de la variabilité de la précision terminale du mouvement de pointage. Ce résultat suggère que les retours sensori-moteurs et une représentation en (quasi) temps réel de la vitesse de l'effecteur sont utilisés pour générer et contrôler le déplacement de la main. (4) Enfin, lors d'une tâche de rattrapés de balles répétitifs, en manipulant les conditions de prédiction a priori de la masse des balles utilisées, la dernière étude de ce travail expérimental démontre qu'un réseau cérébelleux bilatéral, impliquant les lobules IV, V et VI, est très majoritairement impliqué dans les processus de calcul de l'erreur sensori-motrice. Dans les boucles corticales classiques impliquées dans la flexibilité motrice, le cervelet est engagé dans la génération de l'erreur sensori-motrice. Néanmoins, il semblerait que d'autres boucles de plus bas niveaux puissent être également employées afin de générer des corrections motrices très rapides. La coordination entre ces différentes boucles reste à être étudiée plus précisément.

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Suite à un accident vasculaire cérébral (AVC), des déficits au membre controlatéral et ipsilatéral à la lésion cérébrale sont observés chez les personnes avec un AVC. La performance du membre ipsilatéral est déterminée par l’importance de la sévérité clinique du membre controlatéral ainsi que par l’adéquation du traitement bihémisphérique des informations sensori-motrices. L’objectif de la présente étude est de comparer la performance motrice de la main ipsilatérale lors de diverses tâches nécessitant un niveau plus ou moins complexe de traitement de l’information chez une clientèle hémiplégique ayant une faible sévérité clinique. Les résultats démontrent que les forces de pinces entre le pouce et l’index du membre ipsilatéral sont modulées et anticipées adéquatement chez les personnes avec un AVC ayant une faible sévérité clinique tel que démontré par des scores de cinq ou plus au Chedoke-McMaster Stroke Assessment (modules bras et main). La performance motrice du membre ipsilatéral lors de l’exécution d’une tâche de coordination bilatérale est comparable à celle du membre dominant des sujets sains lorsque la tâche est réalisée sans interaction entre les membres supérieurs (deux objets) et elle est perturbée lorsqu’elle implique une action coordonnée et réciproque des membres supérieurs sur un même objet. Ces personnes, ayant une bonne récupération motrice, ont donc une problématique centrale d’intégration et de traitement de l’information sensori-motrice lorsqu’il y a une complexification de la tâche à réaliser. Ces résultats suggèrent donc que les cliniciens devraient porter une attention plus particulière aux activités unilatérales et de coordination bilatérales lors le l’exécution de tâches complexes nécessitant un niveau d’intégration sensori-motrice élevé. / As a result of a cerebrovascular accident (CVA), deficits in the controlateral and ipsilateral limb of the brain lesion are observed in person who had had a CVA. The performance of the ipsilateral limb is determined by the clinical severity of the contralateral limb and by the adequacy of bi-hemispheral processing of information. The objective of the present study is to compare the motor performance of the ipsilateral hand during tasks implying different level of sensori-motor integration in patients with low clinical impairments. The results demonstrated that the pinch strengths between the thumb and the index finger of the ipsilateral limb are modulated and anticipated adequately in stroke persons who have a good motor recovery such as demonstrated by scores of five or more in the Chedoke-McMaster Stroke Assessment (arm and hand parts). The motor performance of the ipsilateral limb of stroke persons during the execution of a bilateral coordination task is comparable to the motor performance of the dominant limb of healthy subjects when the task is realized without interaction between upper limbs (two objects) and it is perturbed when it implies a coordinated and reciprocal action of upper limbs on the same object. Consequently, these stroke persons with a good motor recovery have a central problem of integration and processing of sensori-motor informations when a more complex task has to be realized. These results suggest that the clinicians should pay more attention during unilateral tasks and during tasks with bilateral coordination that require a higher level of sensori-motor integration.

Cette thèse a pour objectif la conception d’une architecture de contrôle bio-inspirée permettant à un robot autonome de naviguer sur de grandes distances. Le modèle développé permet également d’améliorer la compréhension des mécanismes biologiques impliqués. De précédents travaux ont montré qu’un modèle de cellules de lieu, enregistrées chez le rat, permettait à un robot mobile d’apprendre des comportements de navigation robustes, tels qu’une ronde ou un retour au nid, à partir d’associations entre lieu et action. La reconnaissance d’un lieu ne reposait alors que sur des informations visuelles. L’ambiguïté de certaines situations (e.g. un long couloir) ne permettait pas de naviguer dans de grands environnements. L’ajout d’autres modalités constitue une solution efficace pour augmenter la robustesse dans des environnements complexes. Cette solution nous a permis d’identifier les briques minimales nécessaires à la fusion d’informations multimodales, d’abord par le biais d’un conditionnement simple entre 2 modalités sensorielles, puis par la formalisation d’un modèle, plus générique, de prédictions inter-modales. C’est un mécanisme bas niveau qui permet de générer une cohérence perceptive : l’ensemble des modalités sensorielles s’entraident pour ne renvoyer qu’une perception claire et cohérente aux mécanismes décisionnels de plus haut niveau. Les modalités les plus corrélées sont ainsi capables de combler les informations manquantes d’une modalité défaillante (cas pathologique). Ce modèle implique la mise en place d’un système de prédiction et donc une capacité à détecter de la nouveauté dans ses perceptions. Ainsi, le modèle est également capable de détecter une situation inattendue ou anormale et possède donc une capacité d’auto-évaluation : l’évaluation de ses propres perceptions. Nous nous sommes ensuite mis à la recherche des propriétés fondamentales à tout système d'auto-évaluation.La première propriété essentielle a été de constater qu’évaluer un comportement sensorimoteur revient à reconnaître une dynamique entre sensation et action, plutôt que la simple reconnaissance d’une forme sensorielle. La première brique encapsule donc un modèle interne minimaliste des interactions du robot avec son environnement, qui est la base sur laquelle le système fera des prédictions.La seconde propriété essentielle est la capacité à extraire l’information pertinente par le biais de calculs statistiques. Il est nécessaire que le robot apprenne à capturer les invariants statistiques en supprimant l’information incohérente. Nous avons donc montré qu’il était possible d’estimer une densité de probabilité par le biais d’un simple conditionnement. Cet apprentissage permet de réaliser l’équivalent d’une inférence bayésienne. Le système estime la probabilité de reconnaître un comportement à partir de la reconnaissance d’informations statistiques apprises. C’est donc par la mise en cascade de simples conditionnements que le système peut apprendre à estimer les moments statistiques d’une dynamique (moyenne, variance, asymétrie, etc...). La non-reconnaissance de cette dynamique lui permet de détecter qu’une situation est anormale.Mais détecter un comportement inhabituel ne nous renseigne pas pour autant sur son inefficacité. Le système doit également surveiller l’évolution de cette anomalie dans le temps pour pouvoir juger de la pertinence du comportement. Nous montrons comment un contrôleur émotionnel peut faire usage de cette détection de nouveauté pour réguler le comportement et ainsi permettre au robot d’utiliser la stratégie la plus adaptée à la situation rencontrée. Pour finir, nous avons mis en place une procédure de frustration permettant au robot de lancer un appel à l’aide lorsqu’il détecte qu’il se retrouve dans une impasse. Ce réseau de neurones permet au robot d’identifier les situations qu’il ne maîtrise pas dans le but d’affiner son apprentissage, à l’instar de certains processus développementaux. / The goal of this thesis is to build a bio-inspired architecture allowing a robot to autonomouslynavigate over large distances. In a cognitive science point of view, the model also aim at improv-ing the understanding of the underlying biological mechanisms. Previous works showed thata computational model of hippocampal place cells, based on neurobiological studies made onrodent, allows a robot to learn robust navigation behaviors. The robot can learn a round or ahoming behavior from a few associations between places and actions. The learning and recog-nition of a place were only defined by visual information and shows limitations for navigatinglarge environments.Adding other sensorial modalities is an effective solution for improving the robustness of placesrecognition in complex environments. This solution led us to the elementary blocks requiredwhen trying to perform multimodal information merging. Such merging has been done, first,by a simple conditioning between 2 modalities and next improved by a more generic model ofinter-modal prediction. In this model, each modality learns to predict the others in usual situa-tions, in order to be able to detect abnormal situations and to compensate missing informationof the others. Such a low level mechanism allows to keep a coherent perception even if onemodality is wrong. Moreover, the model can detect unexpected situations and thus exhibit someself-assessment capabilities: the assessment of its own perception. Following this model of self-assessment, we focus on the fundamental properties of a system for evaluating its behaviors.The first fundamental property that pops out is the statement that evaluating a behavior is anability to recognize a dynamics between sensations and actions, rather than recognizing a sim-ple sensorial pattern. A first step was thus to take into account the sensation/action couplingand build an internal minimalist model of the interaction between the agent and its environment.Such of model defines the basis on which the system will build predictions and expectations.The second fundamental property of self-assessment is the ability to extract relevant informa-tion by the use of statistical processes to perform predictions. We show how a neural networkcan estimate probability density functions through a simple conditioning rule. This probabilis-tic learning allows to achieve bayesian inferences since the system estimates the probability ofobserving a particular behavior from statistical information it recognizes about this behavior.The robot estimates the different statistical momentums (mean, variance, skewness, etc...) of abehavior dynamics by cascading few simple conditioning. Then, the non-recognition of such adynamics is interpreted as an abnormal behavior.But detecting an abnormal behavior is not sufficient to conclude to its inefficiency. The systemmust also monitor the temporal evolution of such an abnormality to judge the relevance of thebehavior. We show how an emotional meta-controller can use this novelty detection to regu-late behaviors and so select the best appropriate strategy in a given context. Finally, we showhow a simple frustration mechanism allows the robot to call for help when it detects potentialdeadlocks. Such a mechanism highlights situations where a skills improvement is possible, soas some developmental processes.