Oral de thèse – Pascal Prévost

Oral de thèse – Pascal Prévost
06/12/ :29 Stratégies d’anticipation et rôle du contexte dans les tâches visuo-motrices M. Le président, MM les membres du jury, Le travail que nous allons vous présenter à pour thème l’étude des « stratégies d’anticipation et rôle du contexte dans les tâches visuo-motrices ». Il a été réalisé sous la direction de M. Alain Berthoz et en collaboration avec M. Joe McIntyre au sein du Laboratoire de Physiologie de la Perception et de l’Action au Collège de France. Le plan que nous vous proposons de suivre est le suivant : Pascal Prévost Sous la direction : M. Alain Berthoz En collaboration avec : M. Joe McIntyre

06/12/ :29 Plan Introduction Anticipation et navigation Anticipation et capture d’objet Conclusion En guise d’introduction, nous exposerons les idées théoriques qui nous ont guidé tout au long de notre travail. Puis, deux parties seront consacrées aux expériences que nous avons menées. A la fin de chacune d’entre elles, nous ferons un résumé des points les plus importants. Enfin, nous concluerons notre présentation en replacçant nos résultats dans le cadre général du contrôle moteur.

06/12/ :29 Introduction Quelles sont les solutions adoptées par le système nerveux central pour faire face à des situations que l’on peut rencontrer dans la vie de tous les jours ? L’objectif de notre travail était de mettre en évidence les solutions adoptées par le SNC pour faire face à des situations que l’on peut rencontrer dans la vie de tous les jours.

06/12/ :29 Au commencement… « La sensation que possède notre esprit du but à atteindre est le critère avec lequel on évalue. » (Alexander Bain, The Senses and the Intellect, 1855) Généralement, lorsque nous faisons une action, celle-ci est toujours réalisée en vue d’atteindre un but précis. Ce but est en quelque sorte à l’origine de nos actions motrices. Le philosophe et psychologue écossais, Alexander Bain, fut l’un des premiers à le suggérer, vers la fin du XIXe siècle comme l’atteste cette citation tirée de son ouvrage « The senses and the intellect ». Le but à atteindre va aider le SNC à faire le bon choix parmi les solutions possibles qui s’offrent à lui. Il va donc avoir une influence sur la planification de nos actions et sur la sélection du programme moteur le mieux adapté à la réalisation de la tâche. C’est la raison pour laquelle nous avons utilisé le terme de « stratégie ». Une stratégie est l’ensemble des actions coordonnées et menées pour atteindre un but. Le choix d’une stratégie est aussi fonction du contexte de la situation. Ce contexte est lui-même lié aux circonstances et aux éléments présents au moment de l’action. Il peut imposer certaines contraintes au SNC et ces contraintes peuvent, à leur tour, infléchir le choix d’une stratégie plutôt qu’une autre. But à atteindre  choix de la solution la plus appropriée  planification et programmation motrices STRATEGIE Contexte  circonstances et éléments présents  contraintes influençant le choix de la stratégie

Informations sur « ce qui est »
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Informations sur « ce qui est » Parmi les éléments présents au moment de l’action, il y a les informations sensorielles qui informent le cerveau sur l’état du système. Néanmoins, à l’instar de Bernstein (1957), on peut considérer que ces informations ne renseignent le cerveau que sur « ce qui est » et non sur « ce qui peut être fait ». C’est à ce second niveau que d’autres facteurs vont entrer en ligne de compte. Par exemple, on peut décider de refaire une même action lorsque les circonstances s’avèrent être similaires à celles que l’on a déjà rencontré. On peut également faire des hypothèses sur « ce qui peut être fait » en s’appuyant à la fois sur l’état actuel du système et sur ses expériences antérieures. On peut ainsi entreprendre une action que l’on n’avait jamais faite auparavant. Dans ce cas, l’anticipation peut constituer une stratégie intéressante pour optimiser nos actions. Pour l’étudier, nous avons choisi deux types de tâches visuo-motrices : la navigation et la capture d’objet, qui présentent l’intérêt de faire interagir le sujet avec son environnement. Dans chacune de ces tâches, nous avons voulu savoir comment les différents types d’informations, disponibles avant l’action, pouvaient influencer les choix faits par le SNC pour atteindre son but. Berthoz (1998, p. 33)

06/12/ :29 Plan Introduction Anticipation et navigation Anticipation et capture d’objet Conclusion Nous commencerons par la navigation.

06/12/ :29 Introduction La tête anticipe les changements de direction durant les trajets triangulaires et circulaires (Glasauer et coll., , 1996 ; Grasso et coll., 1996) La navigation consiste à se déplacer d’un point à un autre de notre environnement en prenant en compte sa configuration spatiale. Glasauer et coll. (1995) ainsi que Grasso et coll. (1996) ont montré que la tête tournait avant le reste du corps à chaque changement de direction lors de trajets triangulaires ou circulaires. Nous nous sommes alors posés plusieurs questions : Est-ce que ce mouvement de la tête est influencé par les conditions dans lesquelles se déroule la navigation ? Quel est le rôle du regard dans cette anticipation ? Pourquoi le SNC utilise-t-il cette stratégie ? La maturation a-t-elle un effet sur cette anticipation ? Est-ce que ce mouvement de la tête est influencé par les conditions dans lesquelles se déroule la navigation ? Quel est le rôle du regard dans cette anticipation ? Pourquoi le SNC utilise-t-il cette stratégie ? La maturation a-t-elle un effet sur cette anticipation ?

Expérience 1: Méthodologie
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Expérience 1: Méthodologie A) obstacle point du virage tête trajectoire 1 m B) Pour répondre à ces questions : Figure A : Nous avons demandé à des sujets de réaliser une tâche qui consistait à partir d’une position initiale pour rejoindre une position finale, en suivant une trajectoire à angle droit, contournant un obstacle représenté par le cercle hachuré. Pour identifier les événements anticipés, nous avons choisi de prendre comme point de référence, le maximum de courbure de la trajectoire produite par le sujet. Ce point (en rouge sur la trajectoire) est ce que nous avons appelé le point du virage. Sur la Figure A, on voit clairement que : 1°) la tête est d’abord alignée sur la trajectoire locomotrice ; 2°) puis elle tourne en direction d’une position future de la trajectoire et non vers la position finale elle-même ; 3°) enfin, la tête reste orientée vers la position finale pendant que la trajectoire se réaligne sur la direction donnée par le segment céphalique. Figure B : Les mouvements de la tête et du tronc ont été enregistrés dans le plan horizontal à l’aide d’un système ELITE® à 4 caméras. Des marqueurs passifs ont été placés respectivement sur les tiges d’un casque et sur une tige fixée à un harnais semi-rigide. Ils nous ont permis de mesurer l’axe antéro-postérieur de chacun des segments. Figure C : Nous avons utilisé les formules usuelles de trigonométrie pour mesurer différentes orientations : l’orientation instantanée de la tête dans l’espace obtenue à partir des deux marqueurs de la tête (, en jaune) l’orientation instantanée de la trajectoire locomotrice obtenue à partir de deux positions successives du point médian (, en bleu) la déviation entre l’orientation de la tête par rapport à celle de la trajectoire correspondant à la différence entre les deux orientations précédentes (, en rouge). Figure D : Une fois connu le décours temporel de cette déviation, nous avons analysé plusieurs paramètres : le maximum de déviation de la tête par rapport à la trajectoire le moment où apparaît ce maximum le moment où la tête commence à dévier par rapport à la trajectoire (à partir d’un seuil de 9°) la distance à laquelle est initiée la déviation de la tête. La première question à laquelle nous allons répondre est de savoir si cette anticipation de la tête est influencée par la direction du virage. Nous n’avons pas trouvé de différences significatives des paramètres de  entre le virage gauche et le virage droit. L’anticipation de la tête est présente quel que soit le sens du virage. Cette observation a été confirmée récemment par Hollands et coll. (2002). Maintenant, que se passe-t-il si l’on demande aux sujets de marcher à différentes vitesses ? D) délai pic C) initiation

06/12/ :29 Effet de la vitesse On note qu’il n’y a aucune différence au niveau du maximum de déviation de  qui pourrait être lié à la vitesse de locomotion. Pas d’effet significatif de la vitesse sur le maximum de 

Spécificité de l’effet de la vitesse
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Spécificité de l’effet de la vitesse A) B) Par contre, la vitesse de marche a des effets différents sur l’initiation du mouvement de la tête. D’un point de vue temporel, plus la vitesse est lente et plus la tête commence à tourner de façon précoce. D’un point de vue spatial, cette initiation se fait à une distance similaire pour les trois vitesses de marche par rapport au point du virage. Ce dernier point est important car il est en opposition avec les stratégies d’initiation à temps constant proposées par exemple par Lee (1974, 1980), ou plus récemment par Fajen (2001). Par ailleurs, nos résultat corroborent ceux obtenus en réalité virtuelle par Grasso et coll. (2000). Certes, ces deux tâches diffèrent par leur contexte sensoriel tant proprioceptif que vestibulaires. Mais, elles ont en point commun d’utiliser toutes d’eux la vision. Cette modalité sensorielle semble donc importante pour contrôler de façon proactive les changements de direction lors de la navigation. Une nouvelle question se pose maintenant : que se passerait-t-il si on supprime la vision ? Effet de la vitesse sur l’initiation du mouvement de la tête : A) initiation d’autant plus précoce que la vitesse est lente B) initiation à une distance fixe

06/12/ :29 Effet de la vision La réponse apparaît de façon évidente sur cette figure qui reprend chacun des paramètres de . Nous n’avons observé aucune différence significative qui serait liée à l’absence de vision. Il semble raisonnable d’en conclure que les sujets peuvent utiliser des informations autres que visuelles dans ce genre de tâche. Les résultats récents de Glasauer et coll. (2002) ainsi que les travaux de Loomis et coll. (1992, 1997) suggèrent qu’il est possible d’utiliser conjointement les informations vestibulaires et une représentation spatiale de notre environnement pour atteindre l’objectif locomoteur en l’absence de vision, une fois celle-ci mémorisée. D’aucun pourrait avancer que ces mouvements anticipés de la tête ne sont en fait qu’une manifestation liée au patron générale de la locomotion curvilinéaire. Pour nous en assurer, nous avons analysé les mouvements du regard (yeux dans tête + tête par rapport à la trajectoire) durant la marche en avant et la marche en arrière avec et sans vision. Si l’hypothèse avancée est vraie, alors le décours temporel des mouvements de la tête et des yeux dans la marche à reculons devrait être une copie inverse de celui de la marche avant : c’est-à-dire que ces mouvements devraient être orientés vers la courbure interne de la trajectoire lors de la marche en arrière. Pas d’effet significatif de la vision sur les paramètres de 

Effet sur la direction du regard
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Effet sur la direction du regard Yeux ouverts Yeux fermés temps marche en avant La figure montre les courbes moyennes pour chacune des condtiions. A gauche, nous avons le mouvement du regard, à droite et de haut en bas nous avons successivement les mouvement des yeux, de la tête, et la vitesse angulaire de la tête. Les mouvements des yeux et de la tête sont similaires durant la locomotion en avant quelles que soit les conditions de vision. On note également que les mouvements des yeux précèdent ceux de la tête. Ces mouvements constituent une synergie permettant d’orienter le regard durant la navigation « naturelle ». Le regard est toujours orienté dans une position future de la trajectoire et non de la position finale elle-même. Cependant, ces mouvements ne peuvent pas être considérés comme faisant partie intégrante du patron général de la locomotion curvilinéaire puisqu’ils ne sont pas maintenus durant la marche en arrière. En effet, on note que les yeux et la tête sont synchronisés dans la locomotion en arrière et surtout que les mouvements de la tête sont plus petits (yeux ouverts) voire sont inexistants (yeux fermés). Nous pouvons donc conclure que les mouvements des yeux et de la tête font bien partie d’une stratégie d’orientation anticipée principalement dans la navigation « naturelle ». marche en arrière

06/12/ :29 Influence de l’objectif de la tâche et des contraintes biomécaniques sur le mouvement anticipé de la tête Objectif de la tâche A) Focalisation sur la position finale B) Focalisation sur la trajectoire Deux arguments appuient notre conclusion. Le premier est que les mouvements d’orientation anticipée de la tête varient en fonction l’objectif de la tâche. Par exemple, si l’on demande aux sujets de se focaliser non pas sur la position finale à atteindre mais sur le trajet à angle droit qu’il leur faut faire pour y arriver, alors l’anticipation de la tête diminue voire disparaît. Le second est que le tronc qui anticipe les changement de direction lorsque la tête est fixée au tronc à l’aide d’une minerve comme l’on montré Hollands et coll. (2001). Par conséquent, le mouvement proactif de la tête est important pour le contrôle des changements de direction dans la navigation. Il nous reste, dans cette première partie, à aborder la question de la maturation de cette anticipation. Immobilisation de la tête rotation plus précoce du tronc pour compenser l’absence du mouvement anticipé de la tête (Hollands et coll., 2001)

Maturation et anticipation
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Maturation et anticipation Nous avons demandé à deux groupes d’enfants de faire la même expérience que les adultes. Le premier était composé d’enfants âgés de moins de 7 ans et le second regroupait des enfants âgés de sept ans et plus. Cette dichotomie est similaire à celle utilisée dans les études s’intéressant à l’effet de la maturation comme par exemple dans l’initiation de la marche (Ledebt et coll., 1998) ou le contrôle dynamique de l’équilibre (Assaiante et Amblard, 1995 ; Assaiante 1998). Ce découpage semble le mieux refléter les différentes phases de développement du processus de maturation de ces actions motrices. Aucune différence significative n’a pu être mise en évidence au niveau des amplitudes maximales de . Par contre, le moment où apparaît ce maximum d’amplitude se fait de plus en plus précocement par rapport au point du virage au cours de la maturation. Par conséquent, les mécanismes prédictifs mis en jeu lors des mouvements d’anticipation de la tête ne sont pas encore suffisamment développés chez les plus jeunes pour leur permettre de tourner leur tête de façon anticipée en direction de la trajectoire future. amplitude de  occurrence de 

Maturation et anticipation
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Maturation et anticipation Néanmoins, cette figure montre que l’anticipation de la tête était présente dans certains essais chez les plus jeunes enfants. Adulte Enfant 3.5 ans

06/12/ :29 Résumé invariant de la navigation humaine naturelle composante de la synergie œil-tête : participe l’orientation anticipée du regard construction d’un référentiel centré sur le regard  contrôle des changements de direction  contrôle des trajectoires caractérisée par une apparition précoce mais sujette à maturation En résumé… Nous pensons que les mouvements anticipés de la tête sont un invariant de la navigation humaine naturelle. Cette stratégie d’orientation anticipée de la tête peut utiliser conjointement différentes types d’informations sensorielles. Elle serait uilisée par le SNC pour construire un référentiel centré sur le regard et orienté vers la nouvelle direction locomotrice. Ce référentiel pourrait à son tour servir : à contrôler de façon prédictive nos changements de direction et, par là même, à construire notre trajectoire locomotrice vers le but à atteindre. Cette hypothèse a été récemment complété par Hollands et coll. (2002). Ils ont proposé que deux référentiels seraient construits successivement : le premier centré sur l’œil et le second sur la tête. Cette hypothèse est conforme aux observations : les mouvements des yeux précèdent ceux de la tête. Ces résultats remettent en question la validité des théories écologiques concernant la façon dont sont utilisées les informations visuelles pour contrôler la direction de la locomotion. Enfin, le contrôle proactif sous-jacent à cette anticipation suit un processus de maturation caractérisé par une anticipation de plus en plus tôt par rapport au point du virage à mesure que l’enfant grandit. Néanmoins, cette stratégie est déjà présente au plus jeune âge ce qui dénote l’apparition précoce de mécanismes proactifs pouvant servir à contrôler les changements de direction durant la navigation chez l’enfant..

06/12/ :29 Plan Introduction Anticipation et navigation Anticipation et capture d’objet Conclusion Nous allons aborder maintenant les tâches de capture d’objet.

06/12/ :29 Introduction Quels problèmes doivent être résolus par le SNC pour attraper un objet en mouvement ? Perception Où va l’objet ? A quel moment y arrive-t-il ? Quelle sera la force de l’impact ? Action Où faut-il positionner la main pour l’interception ? Comment y aller (quelle trajectoire) ? Comment amortir le choc de l’impact ? Les problèmes auxquels doit faire face le SNC dans ce genre de tâches sont multiples et relèvent à la fois du domaine de la perception et du domaine de l’action. Nous allons d’abord nous intéresser au problème de l’estimation du moment où l’objet va entrer en contact avec la main, communément appelé temps avant le contact ou tc. Son estimation permet au SNC de coordonner les actions motrices nécessaires à la capture de l’objet.

Comment le SNC estime-t-il tc pour attraper un balle en approche ?
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Comment le SNC estime-t-il tc pour attraper un balle en approche ? Sens du déplacement OBJET Pour faire cette estimation, on peut considérer, en première approche, qu’il suffit de connaître la distance et la vitesse de l’objet et de diviser l’une par l’autre pour obtenir tc. Cela suppose que l’on soit capable de détecter simultanément ces deux paramètres cinématiques et surtout que le vitesse de déplacement soit constante. L’astronome et mathématicien, Fred Hoyle, a fait, en 1957, une autre proposition. Il a montré qu’il est possible de déterminer le tc sans connaître ni la distance, ni la vitesse de l’objet. Mais, pour cela, il faut que que l’objet soit en approche directe et en mouvement rectiligne uniforme. tc est alors donné par le rapport entre l’angle sous-tendu à l’objet () et sa vitesse de dilatation (d  /dt) : tc =  / (d  /dt). Point du contact Z(t)  D’après Hoyle (1957)

Comment le SNC estime-t-il tc pour attraper un balle en approche ?
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Comment le SNC estime-t-il tc pour attraper un balle en approche ? OEIL BALLE Sens du déplacement f Ligne de visée En s’inspirant de cette équation et en utilisant l’approche écologique de Gibson (1966), Lee (1974, 1976) a fait l’hypothèse que le cerveau était capable d’estimer directement tc à partir des informations contenues dans le flux optique. En supposant que l’objet suit un mouvement linéaire à vitesse constante sur la ligne de visée, tc est donné par le rapport entre le diamètre de l’image rétinienne de l’objet et la vitesse à laquelle ce diamètre augmente. Lee a appelé  cette variable optique. Il a également suggéré (1980) que cette variable optique pourrait aider à synchroniser les réposnes des tâches visuo-motrices. Leur déclenchement se ferait alors à partir d’un seuil prédéterminé de , appelée marge de  (m ). L’avantage de l’hypothèse  est qu’elle ne nécessite aucun calcul concernant la distance et la vitesse de l’objet puisque ces informations sont déjà contenues dans le flux optique. Ce dernier spécifie de façon directe la valeur de  . r (t) R φ(t) Z(t) rétine cristallin D’après Lee (1980)

 et une accélération constante
Oral de thèse – Pascal Prévost  et une accélération constante 06/12/ :29 Le problème est que, lorsque l’objet subit une accélération, les prédictions faites avec l’hypothèse  introduisent une erreur par rapport au vrai tc. Cependant, cette erreur diminue progressivement à mesure que l’on déclenche plus tardivement les réponses visuo-motrices. C’est pour cela que Lee a considéré que, pour des durées de chute brèves, l’estimation de tc à partir de  était suffisante pour gérer la synchronisation des réponses. La quantité t surestime le vrai TTC.

Estimation de tc en chute libre avec t
Oral de thèse – Pascal Prévost Estimation de tc en chute libre avec t 06/12/ :29 Lee et coll. (1983) ont testé cette hypothèse. FIGURE A : Ils ont demandé à des sujets de frapper du poing une balle lâchée à différentes hauteurs au-dessus de leur tête et ont mesuré le décours temporel des angles du coude et du genou. FIGURE B : montre la variation des angles articulaires normalisés par rapport à tc . FIGURE C : montre ces mêmes variations normalisés par rapport à m. Ils ont noté que les mouvements articulaires étaient mieux synchronisés avec m qu’avec le tc. L’équation permettant d’estimer tc à partir de  en fonction de la durée de chute (d) est donnée par (Lee et Reddish, 1981) la formule ci-dessous où m est la valeur prédéterminée de la variable optique ,  est le délai visuo-moteur (estimé à 100 ms environ). En utilisant plusieurs hauteurs de lâchers (d), il est possible de montrer que les réponses visuo-motrices déclenchées à partir de m seront d’autant plus précoces que la hauteur de lâcher est élevée. Lee et al. (1983) Lee et Reddish (1981)

Contre-exemple 06/12/ :29 temps de chute EMG hauteur EMG anticipés moyens Quantité de mouvement (kg.m/s-1) Un contre-exemple à cette approche écologique est donné par les résultats de Lacquaniti et Maioli (1989). Contrairement aux prédictions faites avec l’hypothèse , ils ont montré que les activités musculaires étaient synchronisées avec le vrai tc, quelle que soit la hauteur de lâcher. Ils ont également montré que ces activités étaient proportionnelles à la quantité de mouvement théorique (c’est-à-dire le produit de la masse par la vitesse) juste avant l’impact. Or, dans la chute libre, tc est donné par l’équation : d – v(t) / g. Pour le connaître de façon instantanée et pouvoir anticiper les réponses musculaires, il faut donc faire l’hypothèse que le SNC a accès à la fois à la distance, la vitesse instantanée de l’objet et à la gravité. Le SNC serait donc capable d’utiliser des informations en temps réel et des informations a priori pour son estimation de tc. Comme par exemple : une connaissance intuitive des effets de la gravité sur les objets en chute libre (Hubbard, 1990 ; Lacquaniti et Maioli 1993) ; une estimation de la distance entre l’objet et la main grâce aux informations visuelles ; une mesure de la vitesse de l’objet en couplant la copie efférente des muscles oculomoteurs avec l’erreur de vitesse rétinienne (Robinson 1973) on pourrait également invoquer un effet de chronométrie puisque les sujets voyait la hauteur de la balle avant le lâcher. La question que nous nous sommes posés était de savoir si, effectivement, le SNC était capable d’utiliser des informations a priori pour estimer tc et optimiser son estimation de la quantité de mouvement finale théorique. Lacquaniti and Maioli (1989)

Expérience 1 : Méthodologie
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Expérience 1 : Méthodologie 6 hommes hauteur fixe 3 vitesses initiales : 0.7, 1.7 et 2.7 m/s 3 vitesses finales : 5.6, 5.9 et 6.3 m/s 3 temps de chute : 500, 430 et 370 ms 10 essais par vitesse Répétitions : aléatoire vs. bloc EMG50ms : biceps Accéléromètre  impact Pour cela, nous avons demandé à 6 sujets d’attraper une balle projetée par un canon (donc avec un hauteur fixe). En fonction de la compression du ressort du canon, il était possible de projeter la balle avec 3 vitesses initiales. Nous avons analysé l’activité électromyographique du muscle biceps brachii . Pour détecter l’impact de façon précise, nous avons placé un accéléromètre sur la face dorsale de la main. Nous avons utilisé la même méthodologie que Lacquaniti et Maioli pour quantifier l’intensité des EMG ms avant impact et les délais anticipés de ces activités.

06/12/ :29 Résultats Exp. 1 La figure de gauche montre que l’initiation des activités musculaire s’est faite environ 100 ms avant impact quelle que soit le mode de présentation des essais adopté (ALEA ou BLOC) et quelle que soit la vitesse initiale. Par contre, il y a eu un effet de la vitesse sur la relation entre EMG et quantité de mouvement théorique (QDM). Plus QDM était importante et plus l’activité EMG avant l’impact était élevée. La pente de notre relation était plus forte que celle obtenue par Lacquaniti et Maioli (1989). Ceci pourrait être liée au fait que les sujets ne possédaient pas les mêmes informations avant le lâcher de la balle, entraînant ainsi une différence qualitative entre nos données et celle de Lacquaniti et Maioli.

06/12/ :29 Résultats Exp. 1 Nous avons trouvé un effet de la session sur les EMG50s: EMG BLOC était significativement inférieure à EMG ALEA.. Il semblerait que l’ajustement de l’EMG50s soit plus rapide dans la condition BLOC que dans la condition ALEA mais cela n’a pu être démontré pour toutes les vitesses. La QDM de l’essai précédent pourrait servir à pour ajuster l’activité EMG avant l’impact dans l’essai suivant. Ce phénomène a déjà été montré dans les mouvements de poursuites oculaires par Krauzlis et Adler (2001). Ils ont montré que la connaissance a priori de la direction du mouvement pouvaient également accélérer les premières étapes du processus visuel de la perception du mouvement. Or, cette connaissance n’étant accessible qu’après un certain nombre d’essais dans la condition ALEA, les erreurs d’estimation qui sont faites entraînent un ajustement moins bon, mais malgré tout suffisant, pour réussir la tâche. Cette différence nous a amené à vérifier l’hypothèse selon laquelle l’information a priori relative à la hauteur de lâcher était l’un des facteurs pouvant affecter les estimations de la QDM théorique finale, et par là même l’ajustement des activées musculaires avant l’impact.

06/12/ :29 Résultats Exp. 2 Nous avons demandé à 6 autres sujets d’attraper une balle lâchée à 3 hauteurs différentes dans deux conditions : l’une où ils pouvaient voir la hauteur de lâcher (vitesse initiale = 0) et l’autre où la trajectoire initiale était masquée par un tube, ce qui correspondait aux conditions de l’expérience réalisée avec le Kinelite®. Nous avons analysé les mêmes paramètres temporels et musculaire. Les initiations n’ont pas été influencées par les conditions de lâcher. Par contre, les activités EMG anticipées étaient significativement différentes selon que les sujets voyaient ou non la hauteur de lâcher. Les pentes des deux relations SANS et AVEC tube étaient significativement différentes l’une de l’autre. Celle de la condition SANS est beaucoup plus proche de la pente optimale d’ajustement de l’EMG par rapport à la force d’impact. Ces résultats montrent à l’évidence que le SNC est capable d’utiliser simultanément des informations en temps réel et des informations a priori pour faire des estimations les plus proches possibles de tc et de QDM, qui lui permettront d’activer plus efficacement les muscles responsables de l’amortissement de l’impact de l’objet dans la main.

06/12/ :29 Résumé Calibration temporelle : estimation du vrai tc initiation des activités EMG anticipées indépendante des conditions initiales Calibration dynamique Relation linéaire entre EMG et QMD MAIS sensible aux conditions initiales Informations a priori  influence sur l’ajustement de la calibration dynamique En résumé… Nous avons démontré qu’il existait : une calibration temporelle consistant en une synchronisation des activités musculaires de façon anticipées par raport à l’impact, indépendante des conditions initiales de l’action ; une calibration dynamique sensible aux conditions initiales et dont le rôle est de contre-carrer les effets liés à l’impact de la balle dans la main. Ce dernier point met l’accent sur le fait que des informations a priori sont utilisées conjointement aux informations en temps réel par le SNC pour optimiser les EMG avant l’impact. Cela va à l’encontre des théories écologiques qui stimulent que seuls des informations visuels sont utilisés pour gérer les réponses visuo-motrices. Par ailleurs, dans nos deux expériences, la balle n’arrive pas sur la ligne de visée. Or, Schiff et Oldak (1990) ont montré que cela pouvait présenter un certain avantage dans l’estimation de tc. Cela permet d’utiliser une information supplémentaire liée aux mouvements oculaires.

Expérience 3 : Introduction
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Expérience 3 : Introduction stratégie pour attraper un objet lâché à différentes hauteurs choix du point d’interception forme de la trajectoire de la main pendant la phase de transport gestion de l’impact de l’objet avec la main Pour terminer, nous avons voulu savoir si les informations a priori pouvait affecter aussi la cinématique de la main lors de l’attraper d’objet en chute libre. Plus précisément, nous avons voulu répondre aux questions suivantes.

Expérience 3 : Introduction
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Expérience 3 : Introduction A1 Plusieurs possibilités sont envisageables : cas A1 : on choisit de saisir l’objet au moment où sa vitesse est la plus faible ; dans ces conditions, les facteurs limitants seront la vitesse maximale à laquelle peut être déplacée la main et la longueur du bras ; cas A2 : on fait le choix d’attraper l’objet à la distance la plus petite possible de nous. Ce choix permet de minimiser la distance de transport de la main et de limiter, par là même, les mouvements des autres segments corporels qui ne feraient qu’ajouter de la complexité à la tâche ; cas A3 : c’est un choix où l’on privilégie le temps de transport mais aussi une situation où l’on minimise la vitesse relative entre l’objet et la main. Ceci a pour effet de diminuer la force d’impact au moment de l’attraper. cas B : il s’agit d’une stratégie hybride. La main est d’abord déplacée vers la trajectoire pour s’en rapprocher le plus possible et , en même temps, la main est déplacée dans le sens du mouvement de l’objet afin de bénéficier des avantages liés à la diminution de la vitesse relative. Hong et Slotine (1991) ont appris à un robot à attraper un objet en vol. Ils ont fait le choix d’une stratégie de poursuite basée sur un algorithme prédisant la trajectoire de l’objet à partir d’un modèle parabolique de la celle-ci. Une fois identifiée la position de la balle et détecté le moment du lancer, le programme calcule la trajectoire. Ensuite, un point et un moment d’interception sont choisis sur cette trajectoire prédite qui prend en compte des contraintes spatiales (espace de saisie) et mécaniques (vitesse maximale de déplacement de la pince). Puis, c’est la phase de transport où le mouvement du bras manipulateur est déplacé le plus rapidement possible vers le point d’interception. La saisie peut alors être initiée en faisant en sorte que le moment d’arrivée de la main corresponde à celui qu’il faut pour arriver au point d’interception. Enfin, pour augmenter la probabilité de réussite de la capture, la pince du robot est ouverte perpendiculairement à la trajectoire de l’objet, et, juste avant l’attraper, elle adopte une direction de mouvement et une vitesse de déplacement qui sont similaires à celle de l’objet. Si la vitesse de la pince est égale à celle de l’objet, cela revient à saisir l’objet comme s’il était immobile. B A2 A3 Stratégies de capture d’objet en chute libre

Expérience 3 : méthodologie
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Expérience 3 : méthodologie 2 conditions de lâcher : soit par le sujet lui-même (S) soit par l’expérimentateur (E) 2 conditions d’attraper : main droite (D) main gauche (G) 2 hauteurs de lâcher : épaule (N) 2,5 m du sol (H) Nous avons demandé aux sujets d’attraper une barre dans différentes conditions (liste) Les mouvements de la barre et de la main ont été mesurés à l’aide d’un système ELITE® (figure).

06/12/ :29 Résultats Exp. 3 SDN EDN EDH main 0.1 m barre Cette figure montre que la cinématique de la main est différente selon que la barre est lâchée à hauteur d’épaule ou à hauteur élevée. D’un point de vue qualitatif, on voit que la main (cercle blanc) fait une trajectoire rectiligne lorsque la barre (cerce bleu) est lâchée à hauteur d’épaule par le sujet lui-même. Par contre, lorsque la barre est lâchée de plus haut, la main fait une trajectoire curviligne dont la direction de la partie initiale est fonction de la hauteur de lâcher, alors que la direction finale est toujours orientée vers le bas. S = seul - E = expérimentateur N = hauteur épaule – H = 2.5 m du sol

06/12/ :29 Résultats Exp. 3 A B d D Index de linéarité : Distance/déplacement Nous avons voulu quantifier ces variations qualitatives des trajectoires de la main avec un index de linéarité. Il permet de savoir si le sujet a dirigé sa main directement vers le point d’interception. Il correspond au rapport entre le déplacement que la main aurait fait si elle s’était diriger en ligne droite entre sa position initiale et le point d’interception et la distance que la main a réellement parcouru durant la phase de transport. Plus le pourcentage est élevé et plus les deux trajectoires sont similaires. On notera que l’index est proche de 75% pour la condition de lâcher à hauteur normale alors qu’il est beaucoup plus faible pour la condition de lâcher à hauteur élevée. Cela signifie que les trajectoires de la main étaient plus rectilignes lorsque la barre était lâchée de haut d’épaule. ***

06/12/ :29 Résultats Exp. 3 sol Hauteur Angle trajectoire de la main barre point d’interception Les sujets attrapaient la barre à une hauteur variant avec la hauteur initiale au moment du lâcher. La mesure de l’angle d’attraper montre que la main était toujours orientée vers le bas dans la phase finale de transport. Elle se déplaçait donc dans la même direction que la barre. Ces résultats suggèrent que la hauteur d’interception était déterminée par la hauteur absolue de lâcher de la barre plutôt que par les positions et les vitesses instantanées de la barre par rapport à la main. Cela entraîne une variation de l’angle d’attraper. Les sujets semblent avoir sélectionner à l’avance un point d’interception et déplacer ensuite leur main pour qu’elle arrive au bon moment. +90° -90° 0°

06/12/ :29 Résultats Exp. 3 Vitesses relatives entre la barre et la main à l’attraper Pour vérifier si les sujets ajustaient également leur vitesse de leur main sur celle de la barre, nous avons calculé les vitesses relatives dans chacune des conditions. Les vitesses relatives moyennes (tangentielle ou verticale) entre la main et la barre étaient très proches lorsque la barre était lâchée à hauteur normale alors que des différentes significatives apparaissaient lorsque la barre était lâchée à hauteur élevée. *** N.S. N.S. *** Vitesses tangentielles Vitesses verticales

06/12/ :29 Résultats Exp. 3 Vitesses tangentielles Vitesses verticales Par contre, nous n’avons pas trouvé de corrélations entre les vitesses tangentielles et verticales et la barre et de la main.

06/12/ :29 Résumé Stratégie de poursuite trajectoire en fonction des contraintes temporelles et spatiales main toujours dirigée vers le bas au moment de l’impact Points communs entre humains et robots : direction de l’effecteur avant l’attraper réduction de la vitesse relative Stratégie entraînant  augmentation de la marge d’erreur diminue la quantité de mouvement relative à l’impact. Stratégie approximative  vitesse relative de la main par rapport la barre toujours différente de zéro En résumé… Nous avons démontré que : les sujets semblent avoir choisi un point d’interception non pas par rapport aux positions et vitesses instantanées de la barre mais par rapport à sa hauteur initiale. les sujets ont adopté une stratégie de poursuite dans laquelle ils dirigeaient rapidement leur main vers la trajectoire en fonction de la hauteur de lâcher pour ensuite la déplacer vers le bas juste avant le moment de l’impact. Tout se passe comme si le déplacement de leur main devançait celui de la barre en visant une position future. Cette stratégie ressemble à celle implémentée dans les robots à qui Hong et Slotine (1991) ont appris à attraper un objet en vol. Les points communs entre les humains et les robots concernent : la direction de l’effecteur avant l’attraper (déplacement de la main dans le sens du mouvement de l’objet ; la minimisation de la vitesse relative, de façon moins efficace chez les humains. L’adoption de cette stratégie augmente la marge d’erreur (vitesse relative plus petite) et diminue la quantité de mouvement relative à l’impact. Ces deux facteurs augmentent les chances de réussite de l’attraper

06/12/ :29 Plan Introduction Anticipation et navigation Anticipation et capture d’objet Conclusion

06/12/ :29 Pour conclure… Stratégies d’anticipation présentes dans la plupart des tâches visuo-motrices Choix des stratégies fonction des conditions initiales (contexte) et du but atteindre En conclusion…

06/12/ :29 Pour conclure… Deux problèmes : événement imprévisible par essence incompressibilité des délais sensoriels ANTICIPATION  Prévoir : « ce qui peut être fait » (futur) à partir de « ce qui est » (passé-présent) Ces stratégies sont vraisemblablement liées à deux problèmes inhérents à l’interaction avec notre environnement et aux propriétés physiques du monde dans lequel nous évoluons. [… lire pb ici …] D’où la nécessité d’anticiper (lat. : anticipare, devancer) les événements pour mieux gérer nos actions motrices. Prévoir […]

06/12/ :29 Pour conclure… Cerveau : Simulateur fonctionnement probabiliste Informations a priori : « catalyseurs » permettant d’accélérer les processus de choix des stratégies et d’optimisation du contrôle moteur Nos résultats vont dans le sens de l’hypothèse récente selon laquelle le cerveau est un simulateur. Mais, nous pensons également qu’ils vont dans le sens des idées de Berstein concernant son fonctionnement probabiliste.

Merci de votre attention…
FIN Merci de votre attention…

Effet de la direction du virage
Oral de thèse – Pascal Prévost 06/12/ :29 Effet de la direction du virage Les paramètres de  ne sont pas significativement différents entre le virage gauche et le virage droit. L’anticipation de la tête est présente quel que soit le sens du virage. Cette observation a été confirmée récemment par Hollands et coll. (2002). Maintenant, que se passe-t-il si l’on demande aux sujets de marcher à différentes vitesses ? Pas d’effet significatif de la direction du virage sur les paramètres de 

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