Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 66-73. Publié aussi en version électronique.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences et techniques des activités physiques et sportives : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 150 réf.

Thèses (M.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

La recherche portant sur la réactivité face à l'environnement s'intéresse à expliquer pourquoi certains individus traitent la nouveauté de façon à s'en approcher, alors que d'autres cherchent à s'en distancer (Zuckerman, 1994). En fonction des stratégies d'orientation face à la nouveauté, certains individus expérimenteraient davantage de difficultés attentionnelles. La sensibilité au traitement sensoriel (STS) constitue un trait de personnalité expliquant le traitement différentiel de l'information provenant des sens (Aron et Aron, 1997). Certains chercheurs suggèrent que la distraction jouerait un rôle important dans la compréhension du fonctionnement cognitif associé à la STS. Afin de déterminer l'existence d'une association entre la STS et la sensibilité à la distraction, le résultat au Highly Sensitive Person Scale, une mesure autorapportée de STS, a été utilisé afin de prédire la magnitude de la manifestation de deux formes de distraction auditive : l'effet de déviation et l'effet d'état constant. Un niveau de STS élevé devrait être associé à une distraction auditive accrue. Cent vingt-trois participants ont réalisé une tâche de rappel ordonné visuel dans un paradigme de stimuli auditifs non pertinents comportant une condition silencieuse, une condition comportant uniquement des sons répétés, et une autre comportant des sons répétés ainsi qu'un son qui dévie acoustiquement des autres. La différence de performance entre les diverses conditions a permis d'opérationnaliser un indice de distractibilité pour chacun des deux effets de distraction. Les résultats démontrent que le niveau de STS ne permet pas de prédire la magnitude d'aucun des effets de distraction auditive. La relation entre la STS et la distractibilité pourrait ainsi être remise en question. Ces résultats suggèrent que dans une ère où les stimulations sensorielles sont nombreuses, le fonctionnement des individus disposant d'un trait de STS élevé ne serait pas nécessairement affecté davantage par la présence de bruit ambiant. Différentes explications théoriques et méthodologiques sont discutées.

La respiration est une activité motrice autonome rythmique au cours de laquelle de nombreux muscles se contractent de manière coordonnée afin de produire des mouvements ventilatoires adaptés aux contraintes environnementales et aux exigences de l'organisme. Cette fonction vitale doit être fiable et adaptable à très court terme, c’est pourquoi elle est influencée, entre autres, par un grand nombre d’activités motrices. Par exemple, lors d’exercices physiques, le rythme respiratoire peut se coupler au rythme locomoteur. Les objectifs de ce travail doctoral sont centrés sur l’exploration des mécanismes neurogènes à la base du couplage entre ces deux fonctions motrices chez le rat nouveau-né. Pour une grande partie, cette étude a été réalisée sur préparation isolée in vitro de tronc cérébral-moelle épinière de rat nouveau-né (0 à 3 jours), ce modèle permettant de conserver dans leur intégrité les centres responsables des rythmes respiratoire et locomoteur. Compte tenu de l’accessibilité directe aux réseaux neuronaux, les mécanismes de couplage et d'entraînement respiratoire ont été abordés par des approches combinées électrophysiologique, neuroanatomique, pharmacologique et lésionnelle. Dans ce contexte, un des principaux résultats de ce travail doctoral est le rôle crucial joué par les informations sensorielles en provenance des membres antérieurs et postérieurs dans l'entraînement respiratoire observé lors de séquences locomotrices. Ainsi, les afférences proprioceptives spinales capables de réinitialiser et d'entraîner l’activité des centres respiratoires bulbaires via un relais pontique, établissent également des connexions sur l’ensemble des populations de motoneurones spinaux respiratoires phréniques, intercostaux et abdominaux. / Respiration is an autonomous rhythmic motor activity that requires the coordinated contractions of diverse muscles to produce ventilatory movements adapted to organismal needs. This crucial physiological function must be reliable and adaptable on a short-term basis, and requires coordianted movements with various other motor activities. For instance, respiratory rhythmicity becomes coupled to locomotion during physical exercise. My doctoral work aimed to explore the neurogenic mechanisms underlying the interactions between these two motor functions in the neonatal rat. This work was mainly conducted on isolated in vitro brain stem-spinal cord preparations of newborn rats (0-3 days), an experimental model that allows the maintenance of the still functional respiratory and locomotor CPGs in vitro. Due to the easy access to the neuronal networks in these preparations, locomotor-respiratory coupling and respiratory entrainment mechanisms were investigated by combined electrophysiological, neuroanatomical, pharmacological and lesional approaches. A major finding was the crucial played by sensory information from fore- and hindlimb in respiratory entrainment induced by locomotor rythmicity. Spinal sensory afferents can reset and entrain the activity of the medullary respiratory centres via a pontine relay, as well as making direct connections with the various spinal respiratory motoneuron (phrenic, intercostal and abdominal) populations.

La grande majorité des systèmes perceptifs proposés en robotique héritent d'une conception passive de la perception dans laquelle la génération d'une commande motrice est l'étape ultime d'une succession de traitements purement passifs. Dans le cadre de la localisation de sources sonores, qui est une tâche fondamentale du système auditif, cette approche passive offre de bons résultats lorsque les conditions environnementales sont bien connues et facilement modélisables. Cependant des difficultés apparaissent lorsque l'environnement se complexifie, a fortiori s'il est inconnu ou changeant. Ces difficultés constituent un enjeu important dans le domaine de l'audition artificielle. Cette thèse considère une approche radicalement différente de l'approche passive, inspirée de la psychologie de la perception et de la théorie des contingences sensorimotrices. Cette approche place l'action au coeur du processus de perception, qui est alors vu comme une interaction qu'un agent biologique ou robotique entretient avec son environnement. Alors que l'approche passive nécessite des connaissances sur l'environnement, implicement intégrées dans les traitements par le roboticien, l'approche sensorimotrice suggère au contraire que ces connaissances sont acquises par l'agent de manière autonome, à travers son expérience sensorimotrice. Ainsi cette thèse applique la théorie des contingences sensorimotrices à la localisation de sources sonores pour la robotique autonome. Sur la base d'un modèle bioinspiré du système auditif adapté au contexte robotique, cette thèse propose une redéfinition du problème de la localisation en termes sensorimoteurs. Un modèle de localisation sensorimotrice est alors proposé. Celui-ci se base sur des capacités de perception active bas-niveau pour construire une représentation de l'espace auditif qui est ensuite utilisée pour une localisation passive. En exploitant les capacités d'action du robot, ce modèle permet de s'affranchir des dépendances à l'environnement qui mettent en difficulté l'approche passive, en proposant ainsi un degré d'autonomie supérieur à celui des modèles actuels / The vast majority of perceptual systems proposed in robotics inherit apassive conception of perception, in which the generation of a motor command is the final stage of successive passive processes. In the field of sound sources localization, which is a fundamental task of the auditory system, this passive approach provides good results when the environment is well known and easily modeled. However, difficulties arise when the environment becomes more complex, unknown or changing. These difficulties are a major issue in the field of machine hearing. This thesis considers a radically different approach inspired by the psychology of perception and theory of sensorimotor contingencies. This approach places action at the heart of the process of perception, which is seen as an interaction of a biological or robotic agent with it's environment. While passive approach requires environmental knowledge, implicitly integrated into models by the robotisist, the sensorimotor approach suggests that this knowledge is acquired by the agent by itself, through its sensorimotor experience. Thus, this thesis applies the theory of sensorimotor contingencies to sound sources localization for autonomous robots. Based on a model of the auditory system adapted to robotics, this thesis proposes a redefinition of the localization problem in sensorimotor terms. A sensorimotor model of localization is then proposed. It is based on active and low-level perception skills which are used to learn a representation of the auditory space. This representation is then used for a passive localization of new sound sources. By exploiting the active capabilities of the robot, this model eliminates the environment dependencies that put difficulty in the passive approach, thus offering a degree of autonomy higher than current models

La robotique développementale a entrepris, au courant des quinze dernières années,d’étudier les processus développementaux, similaires à ceux des systèmes biologiques,chez les robots. Le but est de créer des robots qui ont une enfance—qui rampent avant d’essayer de courir, qui jouent avant de travailler—et qui basent leurs décisions sur l’expérience de toute une vie, incarnés dans le monde réel.Dans ce contexte, cette thèse étudie l’exploration sensorimotrice—la découverte pour un robot de son propre corps et de son environnement proche—pendant les premiers stage du développement, lorsque qu’aucune expérience préalable du monde n’est disponible. Plus spécifiquement, cette thèse se penche sur comment générer une diversité d’effets dans un environnement inconnu. Cette approche se distingue par son absence de fonction de récompense ou de fitness définie par un expert, la rendant particulièrement apte à être intégrée sur des robots auto-suffisants.Dans une première partie, l’approche est motivée et le problème de l’exploration est formalisé, avec la définition de mesures quantitatives pour évaluer le comportement des algorithmes et d’un cadre architectural pour la création de ces derniers. Via l’examen détaillé de l’exemple d’un bras robot à multiple degrés de liberté, la thèse explore quelques unes des problématiques fondamentales que l’exploration sensorimotrice pose, comme la haute dimensionnalité et la redondance sensorimotrice. Cela est fait en particulier via la comparaison entre deux stratégies d’exploration: le babillage moteur et le babillage dirigé par les objectifs. Plusieurs algorithmes sont proposés tour à tour et leur comportement est évalué empiriquement, étudiant les interactions qui naissent avec les contraintes développementales, les démonstrations externes et les synergies motrices. De plus, parce que même des algorithmes efficaces peuvent se révéler terriblement inefficaces lorsque leurs capacités d’apprentissage ne sont pas adaptés aux caractéristiques de leur environnement, une architecture est proposée qui peut dynamiquement choisir la stratégie d’exploration la plus adaptée parmi un ensemble de stratégies. Mais même avec de bons algorithmes, l’exploration sensorimotrice reste une entreprise coûteuse—un problème important, étant donné que les robots font face à des contraintes fortes sur la quantité de données qu’ils peuvent extraire de leur environnement;chaque observation prenant un temps non-négligeable à récupérer. [...] À travers cette thèse, les contributions les plus importantes sont les descriptions algorithmiques et les résultats expérimentaux. De manière à permettre la reproduction et la réexamination sans contrainte de tous les résultats, l’ensemble du code est mis à disposition. L’exploration sensorimotrice est un mécanisme fondamental du développement des systèmes biologiques. La séparer délibérément des mécanismes d’apprentissage et l’étudier pour elle-même dans cette thèse permet d’éclairer des problèmes importants que les robots se développant seuls seront amenés à affronter. / Developmental robotics has begun in the last fifteen years to study robots that havea childhood—crawling before trying to run, playing before being useful—and that are basing their decisions upon a lifelong and embodied experience of the real-world. In this context, this thesis studies sensorimotor exploration—the discovery of a robot’s own body and proximal environment—during the early developmental stages, when no prior experience of the world is available. Specifically, we investigate how to generate a diversity of effects in an unknown environment. This approach distinguishes itself by its lack of user-defined reward or fitness function, making it especially suited for integration in self-sufficient platforms. In a first part, we motivate our approach, formalize the exploration problem, define quantitative measures to assess performance, and propose an architectural framework to devise algorithms. through the extensive examination of a multi-joint arm example, we explore some of the fundamental challenges that sensorimotor exploration faces, such as high-dimensionality and sensorimotor redundancy, in particular through a comparison between motor and goal babbling exploration strategies. We propose several algorithms and empirically study their behaviour, investigating the interactions with developmental constraints, external demonstrations and biologicallyinspired motor synergies. Furthermore, because even efficient algorithms can provide disastrous performance when their learning abilities do not align with the environment’s characteristics, we propose an architecture that can dynamically discriminate among a set of exploration strategies. Even with good algorithms, sensorimotor exploration is still an expensive proposition— a problem since robots inherently face constraints on the amount of data they are able to gather; each observation takes a non-negligible time to collect. [...] Throughout this thesis, our core contributions are algorithms description and empirical results. In order to allow unrestricted examination and reproduction of all our results, the entire code is made available. Sensorimotor exploration is a fundamental developmental mechanism of biological systems. By decoupling it from learning and studying it in its own right in this thesis, we engage in an approach that casts light on important problems facing robots developing on their own.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / INTRODUCTION : Le syndrome d'abutement est une problématique qui touche plus 40% des personnes au courant de la vie. En clinique, les personnes souffrant d'un syndrome d'abutement présentent, entre autres, une altération du contrôle du trapèze supérieur et de la scapula lors de l'élévation de l'épaule. Toutefois, les mécanismes neurologiques qui sous-tendent ces altérations demeurent peu étudiés. MÉTHODOLOGIE : Quinze participants avec syndrome d'abutement et quinze participants contrôles en santé ont été recrutés. L'analyse de l'intégration des informations proprioceptives par la vibration tendineuse qui induit des illusions de mouvements, ainsi que l'excitabilité du cortex moteur primaire par la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) ont permis de collecter des données en lien avec le contrôle sensorimoteur de l'épaule. RÉSULTAT : Les résultats ont permis de constater une altération du traitement proprioceptif dans le groupe avec syndrome d'abutement. Les résultats avec la vibration tendineuse ont démontré une perception de la vitesse/amplitude plus lente (p = 0.035) du côté douloureux versus non-douloureux. Les données de la SMT furent limitées par des seuils moteurs au repos trop élevés, en particulier au sein du groupe avec syndrome d'abutement au niveau de l'hémisphère du côté de l'épaule douloureuse. CONCLUSION: Notre étude apporte de nouvelles évidences concernant l'intégrité du traitement des informations proprioceptives chez les personnes souffrant d'un syndrome d'abutement et encourage les prochaines recherches à déterminer de meilleures approches méthodologiques chez ce type de patients dans le but de collecter des données SMT sans en augmenter les symptômes douloureux. / BACKGROUND: The subacromial impingement syndrome (SIS) is among the most prevalent cause of shoulder pain and disability. Lacking sensorimotor control of the shoulder complex is likely contributing to subacromial impingement syndrome. To further understand neural mechanisms involved in these sensorimotor alterations, the present study tested the integrity of movement-processing and motor control networks in persons with subacromial impingement syndrome. METHODS: Fifteen participants with subacromial impingement syndrome and fifteen healthy counterparts were recruited. Proprioceptive processing was tested by tendon vibration (VIB) inducing kinesthetic illusions of shoulder abduction, and transcranial magnetic stimulation (TMS) to test corticospinal excitability for the control of shoulder. RESULTS: Participants in subacromial impingement syndrome and healthy groups had similar baseline characteristics, except for their level of shoulder pain and disability. They reported similar movement illusions in terms of clearness, direction and success rate. However, they were of significantly (p = 0.035) lower speed/amplitude on the painful side of participants with subacromial impingement syndrome versus the non-painful one. Collecting TMS data was challenged by the high motor thresholds, especially for the painful shoulder of SIS patients, that caused discomfort and fear of pain. CONCLUSION: Our study provided novel evidence on the integrity of proprioceptive coding in persons living with SIS and encourages future work to determine the best methodological procedures for increasing the relevance and success-rate of TMS in contexts of musculoskeletal disorders.

À ce jour, le rôle des oscillations bêta n’a pas encore été clairement établi. Des travaux récents ont montré que l’activité bêta pendant la préparation du mouvement et celle suivant son exécution sont différemment modulées par les erreurs de mouvements. L’objectif du présent travail a été double : premièrement, déterminer si les modulations de puissance bêta pré- et post-mouvement recrutent des substrats cérébraux différents, deuxièmement, mieux cerner la nature des processus neuronaux reflétés. Grâce à une approche par analyse en composantes indépendantes, nous suggérons fortement que les réponses oscillatoires, aux erreurs cinématiques, observées avant et après le mouvement sont sous-tendues par des structures distinctes, respectivement clairement latéralisées et médiales. De plus, en contrastant différentes tâches motrices, nous montrons que ni l’une ni l’autre des deux activités bêta ne reflètent des mécanismes en lien direct avec les sorties motrices. / The role of beta oscillations has not been clearly established yet. Recent work has shown that the beta activities observed during the preparation phase and after the movement are differently affected by movement errors. The aim of this thesis was twofold: first, to determine whether or not the pre- and post-movement beta power modulations recruit common neural substrates; second, to better understand the nature of the reflected neural processes. Using an independent component analysis approach, we strongly suggest that oscillatory responses to kinematic errors, observed before and after movement, are underpinned by distinct neural structures, respectively clearly lateralized and medial. Moreover, by contrasting different motor tasks, we show that neither of the two beta activities reflects mechanisms directly related to the output of the motor command.

Les gens produisent des mouvements spontanés pendant des tâches de raisonnement spatial. Ces mouvements aident-ils à la performance de la tâche? Nous avons étudié le rôle des mouvements spontanés dans l'orientation spatiale en utilisant des tâches de prise de perspective spatiale (PPS) dans lesquelles les participants devaient imaginer un point de vue différent de leur point de vue actuel. Nous nous sommes concentrés sur des perspectives exigeant des rotations mentales de soi - particulièrement difficiles, elles sont grandement facilitées par un mouvement actif, même en l'absence de vision. La contribution motrice à la performance de la tâche pourrait résulter d'un mécanisme prédictif, qui anticipe les conséquences d'une action avant son exécution, comme un modèle d'anticipation interne (Wolpert & Flanagan, 2001), inhibant par la suite l’exécution du mouvement si nécessaire. Les mouvements observés peuvent être des traces visibles de ce processus. En utilisant un système de capture de mouvements, nous avons montré que les rotations de la tête sont géométriquement liées à la PPS : leur direction et amplitude étaient liées à la direction et à l'angle entre les perspectives réelles et imaginée (Exp. 1). Chez les contrôleurs aériens, qualifiés ou apprentis, seule la direction de la rotation de la tête était liée à la PPS, reflétant probablement l'expertise spatiale ainsi que le rôle crucial de la direction dans la rotation mentale (Exp. 2). Dans un environnement virtuel, les rotations de tête spontanées étaient liées à une performance accrue. Cependant, les rotations volontaires, qui imitent celles qui sont produites spontanément, ne facilitent pas la performance de navigation (Exp. 3), mais l'empêchent lorsqu’elles sont contraires à la direction de la rotation virtuelle. Nos résultats suggèrent une contribution motrice spécifique à l'orientation spatiale, compatible avec la prédiction motrice. / People produce spontaneous movements during spatial reasoning tasks. Do they relate to task performance? We investigated the role of spontaneous movements in spatial orientation using spatial perspective-taking (SPT) tasks where participants adopted imaginary perspectives. We focused on imaginary perspectives requiring mental rotations of the self as they are particularly difficult and greatly facilitated by active movement in the absence of vision. Motor contribution to task performance could result from a predictive mechanism, which anticipates the consequences of an action before its execution, such as an internal forward model (Wolpert & Flanagan, 2001), further inhibiting full rotations of the head. Observed movements may be visible traces of this process. Using motion capture, we showed that head movements are geometrically related to SPT: both the direction and amplitude of head rotations were related to the direction and angle between the actual and imagined perspectives (Exp. 1). In air traffic controllers and apprentices, only the direction of head rotation was related to SPT, probably reflecting spatial expertise and its crucial role in mental rotation (Exp. 2). In a virtual environment, spontaneous head rotations were related to increased performance. However voluntary rotations, emulating the spontaneously produced ones, did not facilitate navigation performance (Exp. 3), but hindered it when inconsistent with the direction of virtual rotation. Overall, our findings suggest a specific motor contribution to spatial orientation consistent with motor prediction.