Academic literature on the topic 'Contrôle visuo-moteur'

Deux faits signent la nature profonde de l’être humain : (i) un cerveau d’une grande plasticité et (ii) la puissance impérieuse de la culture qui se manifeste non seulement par la diversité et l’intensité de son expression, mais aussi par la forte influence qu’elle exerce rétroactivement sur le développement de notre architecture cérébrale – qui l’a rendue possible. Cette plasticité développementale, résumée dans l’idée que « nous héritons notre cerveau ; nous acquérons notre esprit » (we inherit our brains ; we acquire our minds)(Goldschmidt 2000), relève d’un processus plus général appelé « altricialité » par les éthologues. Le terme est dérivé de l’anglais altricial, mot qui vient lui-même du latin altrix : « celle qui nourrit », « nourrice » (Gaffiot 1934). Dans son acception première, l’altricialité signifie qu’une espèce n’est pas immédiatement compétente à la naissance, contrairement aux espèces dites précoces. C’est le cas, par exemple, de la plupart des passereaux qui naissent les yeux fermés et dont la survie dépend entièrement de l’aide apportée par leur entourage. Il en va de même pour notre espèce. Dans le cas des nouveau-nés humains, toutefois, s’ajoute à l’altricialité primaire une altricialité secondaire. On désigne ainsi le fait que notre cerveau n’est pleinement compétent (sur les plans cognitif, émotionnel, sensoriel et moteur) que tardivement. La force et la durée de la croissance cérébrale post-natale caractérisent cette altricialité secondaire. Du point de vue de la force, le chimpanzé Pan troglodytes, espèce animale qui nous est phylogénétiquement la plus proche, a un coefficient de croissance cérébrale de 2,5 entre la naissance et l’âge adulte, contre 3,3 chez les humains (DeSilva et Lesnik 2008). Du point de vue de la durée, on a longtemps cru que la maturité du cerveau humain coïncidait avec la puberté, mais on sait aujourd’hui que la période de surproduction et d’élimination des épines dendritiques sur les neurones pyramidaux du cortex préfrontal court jusqu’à la trentaine (Petanjeket al. 2011). Outre des contraintes obstétriques, cette maturation prolongée est probablement due aux coûts métaboliques élevés du développement cérébral (Goyal et al. 2014), un processus de co-évolution ayant favorisé l’étalement dans le temps de la dépense énergétique (Kuzawa et al. 2014). Cette forte altricialité cérébrale est propre aux êtres humains, le contrôle génétique qui s’exerce sur l’organisation somatopique de notre cortex, sur la connectique cérébrale et sur les aires d’association étant plus faible que chez le chimpanzé commun. Par exemple, deux frères chimpanzés auront des sillons cérébraux davantage similaires que deux frères humains, parce que le cerveau des premiers est moins réceptif aux influences environnementales que celui des membres de notre espèce (Gómez-Robles et al. 2015). Cette spécificité du cerveau humain est tout aussi importante que son quotient d’encéphalisation (6,9 fois plus élevé que celui d’un autre mammifère du même poids, et 2,6 fois supérieur à celui d’un chimpanzé), le nombre élevé de ses neurones (86 milliards contre 28 milliards chez le chimpanzé), la complexité de sa connectique (environ 1014 synapses), les changements néoténiques lors de l’expression des gènes (Somel et al. 2009) et son architecture complexe. Chez le nouveau-né humain, la neurogenèse est achevée, excepté dans la zone sous-ventriculaire – connectée aux bulbes olfactifs – et la zone sous-granulaire, qui part du gyrus denté de l’hippocampe (Eriksson et al. 1998). Toutefois, si tous les neurones sont déjà présents, le cerveau néonatal représente moins de 30% de sa taille adulte. Immédiatement après la naissance, sa croissance se poursuit au même taux qu’au stade fœtal pour atteindre 50% de la taille adulte vers 1 an et 95% vers 10 ans. Cette croissance concerne essentiellement les connexions des neurones entre eux (synaptogenèse, mais aussi élagage de cette interconnectivité ou synaptose) et la myélinisation néocorticale. À chaque minute de la vie du bébé, rappelle Jean-Pierre Changeux (2002), « plus de deux millions de synapses se mettent en place ! » Au total, 50% de ces connexions se font après la naissance (Changeux 2003). Cette spécificité d’Homo sapiens a une portée anthropologique capitale. Elle expose si fortement les êtres humains aux influences de leur environnement qu’ils deviennent naturellement des êtres hyper-sociaux et hyper-culturels, ce qu’avait pressenti Malinowski (1922 : 79-80) quand il soutenait que nos « états mentaux sont façonnés d’une certaine manière » par les « institutions au sein desquelles ils se développent ». Le développement du cerveau dans la longue durée permet une « imprégnation » progressive du tissu cérébral par l’environnement physique et social (Changeux 1983), en particulier lors des phases de socialisation primaire et secondaire. L’être humain a ainsi des «dispositions épigénétiques à l’empreinte culturelle » (Changeux 2002). Les effets sociaux et les incidences évolutionnaires (Kuzawa et Bragg 2012) d’une telle aptitude sont immenses. L’entourage doit non seulement aider les nouveau-nés, mais aussi accompagner les enfants jusqu’à leur développement complet, l’immaturité du cerveau des adolescents étant à l’origine de leur caractère souvent impulsif. Cet accompagnement de l’enfant se traduit par des changements dans la structure sociale, au sein de la famille et de la société tout entière, notamment sous la forme d’institutions d’apprentissage social et culturel. Les êtres humains sont ainsi contraints de coopérer, d’abord à l’intérieur de leur groupe familial et d’appartenance, puis sous des formes plus ouvertes (voir Coopération). Née de processus évolutifs anciens d’au moins 200 000 ans (Neubaueret al. 2018), l’altricialité secondaire nous donne un avantage adaptatif : contrairement à d’autres espèces, nos comportements ne sont pas « mis sur des rails » à la naissance, ce qui les rend flexibles face à des environnements changeants, favorisant ainsi la diversité phénotypique et culturelle. Cette plasticité cérébrale peut produire le meilleur. Par exemple, 15 mois seulement d’éducation musicale avant l’âge de 7 ans peuvent renforcer les connexions entre les deux hémisphères cérébraux (Schlaug et al. 1995) et induire d’autres changements structuraux dans les régions assurant des fonctions motrices, auditives et visuo-spatiales (Hyde et al. 2009). Une formation musicale précoce prévient aussi la perte d’audition (White-Schwoch et al. 2013) et améliore la perception de la parole (Du et Zatorre 2017). Cependant, comme cela est souvent le cas en évolution, il y a un prix à payer pour cet avantage considérable qu’est l’altricialité secondaire. Il a pour contrepartie un appétit vorace en énergie de notre cerveau (Pontzer et al. 2016). Il nous rend plus vulnérables, non seulement jusqu’à l’adolescence mais tout au long de la vie où, suppose-t-on, des anomalies des reconfigurations neuronales contribuent au développement de certaines pathologies neurologiques (Greenhill et al. 2015). Enfin, un risque associé au « recyclage culturel des cartes corticales » (Dehaene et Cohen 2007) est rarement noté : si ce recyclage peut produire le meilleur, il peut aussi produire le pire, selon la nature de la matrice culturelle dans laquelle les individus sont pris (Candau 2017). Par exemple, le choix social et culturel consistant à développer des industries polluantes peut provoquer des maladies neurodégénératives et divers désordres mentaux (Underwood 2017), notamment chez les enfants (Bennett et al. 2016), phénomène qui est accentué quand il est associé à l’adversité sociale précoce (Stein et al. 2016). Toujours dans le registre économique, la mise en œuvre de politiques qui appauvrissent des populations peut affecter le développement intellectuel des enfants (Luby et al. 2013), un message clé du World Development Report 2015 étant que la pauvreté est une « taxe cognitive ». Un dernier exemple : Voigtländer et Voth (2015) ont montré que les Allemands nés dans les années 1920 et 1930 manifestent un degré d’antisémitisme deux à trois fois plus élevé que leurs compatriotes nés avant ou après cette période. Bien plus souvent que d’autres Allemands, ils se représentent les Juifs comme « une population qui a trop d’influence dans le monde » ou « qui est responsable de sa propre persécution ». Ceci est la conséquence de l’endoctrinement nazi qu’ils ont subi durant toute leur enfance, notamment à l’école, en pleine période d’altricialité secondaire. En résumé, l’altricialité secondaire est au fondement (i) de l’aptitude naturelle de notre cerveau à devenir une représentation du monde et (ii) d’une focalisation culturelle de cette représentation, sous l’influence de la diversité des matrices culturelles, cela pour le meilleur comme pour le pire. Cette hyperplasticité du cerveau pendant la période altricielle laisse la place à une plasticité plus modérée à l’âge adulte puis décroît à l’approche du grand âge, mais elle ne disparaît jamais complètement. Par conséquent, loin de voir dans les données neurobiologiques des contraintes qui auraient pour seule caractéristique de déterminer les limites de la variabilité culturelle – limitation qui est incontestable – il faut les considérer également comme la possibilité de cette variabilité.

Ce mémoire traite des mécanismes et des bases neurales de l'anticipation lors de l'interception d'un objet en mouvement chez l'homme. Cette anticipation s'établie à partir d'une estimation du temps restant avant l'impact et de la dynamique de l'interaction entre l'objet et la main. Elle implique aussi une série de traitements neuraux permettant la transformation de l'information visuelle en une activité motrice adéquate. Dans un premier chapitre, nous étudions la contribution respective sur ces estimations des informations visuelles et d'une connaissance (modèles internes) des lois de la gravité. Une revue bibliographique des notions présentées au-dessus est tout d'abord présentée. Une première expérience traite de l'utilisation des informations visuelles d'accélération de l'objet quand aucun a priori sur son accélération n'est disponible. A partir de données électromyographiques acquises lors de la capture d'un pendule, nous montrons que les sujets n'utilisent pas cette information. Puis à l'aide de simulations, nous présentons des stratégies d'estimation optimales en fonction des informations disponibles. Nous montrons que des estimations visuelles inexactes peuvent être modulées à l'aide d'a priori. Enfin, une expérience de capture de balle en réalité virtuelle traite de la nature des indices liés à ces modulations. Nous montrons que ces estimations peuvent être modulées quand la direction du mouvement est congruente avec celle de la gravité. Dans un second chapitre, les bases neurales du traitement du mouvement visuel et des transformations visuo-motrices sont passés en revue. Puis les techniques d'électro- et de magnétoencéphalographie sont présentées. La course temporelle des activités corticales au cours de la capture d'une balle en chute libre est ensuite étudiée. Nous décrivons un traitement rapides des informations visuelles de mouvement et le développement d'une activité motrice précoce. La nature et la latence des aires corticales activées sont discutées
This manuscript deals with the mechanisms and neural basis of anticipation for object interception in human. This anticipatory behaviour is built from estimates of time to contact and force of impact between the hand and the object. It also involves a series of neural processes to transform the visual information into a right motor command. In the first chapter, we study the respective contribution of visual information and empirical knowledge about law of gravity to generate these estimations. A review about notions of interest is presented. A first experiment deals with the use of visual acceleration information when no a priori about object acceleration is provided. From electromyographic data, we show that subjects does not use this information when asked to stop the course of a pendulum. Then, mathematical simulations are used to present optimal estimate strategies depending on available information. We show that inexact estimation based on visual information can be modulated with some a priori. Finally, a ball catching experiment in virtual reality provide some information on the nature of cues that lead to these modulations. We show that estimates can be corrected when the direction of the ball movement is congruent with gravity. In a second chapter, neural basis of visual motion processing and visuo-motor transformations are reviewed. Then, methodological aspects of electro- and magnétoencéphalography are provided. The time course of cortical activity elicited by the performance of catching or viewing a free falling ball is presented. We described fast responses in visual motion processing areas as well as fast parieto-frontal activations. Function and latencies of activated cortical areas are discussed

Les insectes volants dépendent de leur œil panoramique et du flux optique pour le guidage et l'évitement d'obstacles. La fusion des sens visuels, inertiels et aérodynamiques, est remarquable chez la mouche. L'étude comportementale et neurophysiologique de la mouche a inspiré la recherche en intelligence artificielle et la construction de robots autonomes. Les recherches sur le système visuo-moteur de la mouche de l'Équipe de neurocybernétique du Laboratoire de neurobiologie du CRNS à Marseille, ont mené au développement de deux robots mobiles possédant un système visuel en électronique analogique basé sur des Détecteurs Elementaires de Mouvement (DEM) s'inspirant de ceux de la mouche (. . . )
Previous research on the visuo-motor system of the fly within the Neurocybernetics Group of the Laboratory of Neurobiolgy, CNRS, Marseilles, France, has led to the development of two mobile robots which feature an analogue electronic vision system based on Elementary Motion Detectors (EMD) derived from thoseof the fly. A tethered Unmanned Air Vehicle (UAV), called Fania, was developed to study Nap-ofthe-Eart (NOE)flight (terrain following) and obstacle avoidance using a motion sensing visual system. After an aerodynamic study, Fania was custom-built as a miniature (35 cm, 0. 840kg), electrically-powered, thrust-vectoring rotorcraft. It is constrained by a whirling-arm to 3 degrees of freedom with pitch and thrust control. The robotic aircraft's 20-photoreceptor onboard eye senses moving contrasts with 19 ground-based neuromorphic EMDs

La recherche portant sur l'identification des principes neurobiologiques qui sous-tendent le contrôle moteur humain est actuellement très active. Les mouvements humains ont en effet un niveau de robustesse et de dextérité encore inégalé dans la réalisation robotique de tâches complexes. L'objectif est donc de mieux comprendre l'origine de cette performance et de la reproduire en robotique bio-inspirée. Il a déjà été démontré que des réseaux spinaux rythmiques sont présents dans la moelle épinière des vertébrés. Ils constituent des systèmes dynamiques non-linéaires composés de neurones en inhibition réciproque et seraient à l’origine de la génération des mouvements rythmiques comme la locomotion et la respiration. Les attracteurs de ces systèmes dynamiques seraient modulés de manière continue ou intermittente par des signaux sensoriels et des signaux descendant du cortex moteur, de manière à adapter le comportement de l’agent à la dynamique de l’environnement.La présente étude émet l'hypothèse que des informations visuelles sont également couplées aux réseaux spinaux rythmiques et que ces couplages sont responsables des synchronisations temporelles et spatiales observées lors de la réalisation de tâches visuomotrices rythmiques. Cette proposition est confrontée à des résultats expérimentaux de frappe cyclique de balle, un benchmark bien connu des neuroscientifiques et des dynamiciens en raison de ses propriétés dynamiques intrinsèques. Il rend possible à la fois l’étude de la génération de mouvements rythmiques par des réseaux spinaux, la synchronisation temporelle avec l’environnement, la correction en-ligne des erreurs spatiales et l’interception de projectiles balistiques.Cette thèse propose ainsi un modèle comportemental mathématique innovant reposant sur un modèle d’oscillateur neuronal dont l’attracteur, qui définit les trajectoires de la raquette, est modulé en ligne par les perceptions visuelles de la trajectoire de la balle. La pertinence du modèle est validée par comparaison aux données expérimentales et aux modèles précédemment proposés dans la littérature. La robustesse de cette stratégie de contrôle est également quantifiée par une analyse de stabilité asymptotique du système hybride défini par le couplage entre le système neuro-musculo-squelettique et la balle. Le correcteur bio-inspiré proposé dans cette thèse réunit de manière harmonieuse un contrôle prospectif de la synchronisation balle-raquette, un contrôle paramétrique intermittent dimensionnant le mouvement et un contrôle émergeant du cycle-limite du système couplé. Il reproduit efficacement les modulations des actions motrices et les performances des humains durant la tâche de frappe cyclique de balle, y compris en présence de perturbations, et ce sans avoir recours à une planification du mouvement ou à des représentations internes explicites de l’environnement. Les résultats de cette étude conduisent à l’affirmation réaliste que les mouvements humains sont directement structurés par l’information sensorielle disponible et par des stratégies correctives en-ligne, en accord avec la théorie des dynamiques comportementales. Cette architecture de contrôle pourrait offrir de nombreux avantages aux robots humanoïdes qui en seraient munis, en assurant stabilité et économie d’énergie, par l’intermédiaire de lois de commande de faible complexité et peu gourmandes en ressources computationnelles
The identification of the neurbiological principles underlying human motor control is a very active reseach topic. Indeed, human movement has a level of robustness and dexterity still unmatched by robots. The objective is therefore to better understand the origin of this efficiency to replicate these performances in robotics. It has been shown that spinal rhythm generators, known as Central Pattern Generators (CPG), are responsible for the generation of rhythmic movements such as locomotion and respiration in vertebrates. These CPG constitute dynamic nonlinear systems modulated by sensory signals and descending signals from the cortex to adapt the behavior to the changing environment.The present study hypothesizes that visual information is also coupled to the CPG and that these couplings are responsible for the temporal and spatial synchronization observed during rhythmic visuomotor tasks. This assumption is confronted with experimental results from human participants performing ball bouncing, a well-known benchmark in neuroscience and robotics for its intrinsic dynamic properties. This task allows for the investigation of rhythmic movement generation by spinal networks, the temporal synchronization with the environment, the on-line correction of spatial errors and the interception of ballistic projectiles.This thesis proposes an innovative mathematical behavioral model based on a neuronal oscillator whose attractor, which defines the paddle trajectories, is modulated on-line by the visual perception of the ball trajectory. The relevance of the model is validated by comparison with experimental data and models previously proposed in the literature. The robustness of this control strategy is quantified by an asymptotic stability analysis. The bio-inspired controller presented in this thesis harmoniously combines a prospective control of the ball-paddle synchronization, an intermittent parametric control that scales the movement and a control emerging from the coupled system limit cycle. It efficiently reproduces the human modulation in motor action and performance during ball bouncing, without relying on movement planning or explicit internal representation of the environment. The results of this study lead to the realistic assumption that much part of the human behavior during ball bouncing is directly structured by sensory information and on-line error correction processes, in agreement with the behavioral dynamics theory. This control architecture holds promise for the control of humanoid robots as it is able to ensure stability and energy saving through control laws of reduced complexity and computational cost

Le principal objectif de cette thèse était d'étudier les stratégies d'anticipation durant deux types de tâches visuo-motrices. Navigation. Nous avons montré que les mouvements d'orientation anticipés de la tête semblaient faire partie intégrante du patron moteur de la locomotion curvilinéaire: c'est un invariant des tâhces de navigation. Donc, la stratégie d'anticipation peut être considérée comme une caractéristique invariante de la locomotion humaine. Nous avons fait l'hypothèse qu'elle devait refléter le besoin de préparer un référentiel de navigation stable, centré sur l'acteur. Cette stratégie d' " aller-là-où-l'on-regarde" est initiée à une distance constante, ce qui est en opposition avec une stratégie à temps-constant. Nos résultats mettent en évidence le rôle des indices spatiaux et/ou de la direction égocentrique dans le comportement d'orientation anticipé. Ce comportement est immature puisqu'il ne devient aussi efficace que celui de l'adulte qu'à partir de l'âge de 7 ans environ. Capture d'objet en chute libre. L'analyse des EMG du biceps brachii et de la cinématique de la main durant l'attraper d'objet en chute libre nous a permis de démontrer la présence de plusieurs stratégies d'anticipation qui semblent être choisies en fonction des contraintes imposées au sujet en vue de réussir la tâche. Ce choix pourrait être fait en utilisant des informations en temps réel (vitesse) et a priori (hauteur de lâcher, connaissance intuitive des lois de la physique comme par exemple le fait que les objets sont accélérés vers le bas en 1g). Ces informations aideraient le SNC à estimer de façon précise le temps avant le contact. Conclusion. Nous avons démontré que les informations visuelles ne sont pas suffisantes pour guider toutes les tâches visuo-motrices. Afin de palier aux délais des informations sensorielles, le SNC utilise de façon concomittante des informations a priori qui sont qualitativement différentes de celles obtenues en temps réel. Le SNC pourrait ainsi prédire précisément les conséquences de ses actions et pourrait choisir à l'avance la meilleure stratégie pour maximiser ces chances de réussite dans les tâches de navigation ou les tâches prédictives d'interception
The main objective of this thesis is to study anticipatory strategies during two types of visuo-motor tasks. Navigation. We showed that anticipatory head orienting movements seem to be imbedded in the motor pattern for curvilinear locomotion: it is an invariant of navigation tasks. Thus, this anticipatory strategy can be considered as an invariant characteristic of human locomotion. We hypothesis that it may reflect the need to prepare a stable viewer-centred reference frame for navigation. This "go where we look" strategy is initiated at a constant distance, which is in opposition with a time-constant strategy. Our results highlighted the role of spatial cues and/or egocentric direction in anticipatory orienting behaviour. This behaviour is immature since it is not as accurate as adults before 7 year of age. Free-falling object capture. The analysis of EMG biceps brachii and band kinematics during free-falling object catching allowed us to demonstrate the presence of several anticipatory strategies which may be chosen according to the constraints placed on the actor in order to complete the task. This choice might be done using on-line (velocity) and a priori information (height of drop, effects of gravity on free-falling object). Those informations might help the SNC to estimate accurately the time-to-arrival. Conclusion. We demonstrated that visual information were not sufficient to guide all visuo-motor tasks. In order to preclude time delay from sensory information, the CNS uses concomitantly a priori information that are qualitatively different from that obtained in real time. Thus, CNS could predict more precisely the consequences of its action and might choose in advance the best strategy to maximize the chances of success in navigational or catching tasks

Nous avons developpe deux modeles de performance attentionnelle et de controle sensori-moteur chez le babouin, afin d'etudier les effets de la manipulation pharmacologique du systeme cholinergique. Les effets de la scopolamine, de la physostigmine et de leur association ont ete etudies d'une part dans un paradigme de discrimination visuelle continue ou la detection du signal visuel, le temps de reaction et le temps de mouvement etaient mesures, d'autre part, dans un paradigme de poursuite visuo-manuelle ou la precision et la vitesse de poursuite etaient evaluees. L'importance des effets de differentes doses de chaque substance a ete determine a l'aide de methodes d'analyse bayesienne. Contrairement aux hypotheses initiales, les effets observes dans le paradigme de discrimination continue ne semblent pas lies a un deficit des capacites d'attention et de prediction. Par contre, les resultats obtenus dans la tache de poursuite peuvent etre au moins partiellement attribuables a une alteration de la prediction