Effet de la maladie de Parkinson et de la médication dopaminergique sur les mécanismes de traitement et d'intégration sensorielle et l'adaptation visuomotrice

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices.

How real is movement in virtual environments ?

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

Impacts fonctionnels du traumatisme craniocérébral léger sur la vision et l'équilibre postural chez l'adulte

Le traumatisme craniocérébral léger (TCCL) a des effets complexes sur plusieurs fonctions cérébrales, dont l’évaluation et le suivi peuvent être difficiles. Les problèmes visuels et les troubles de l’équilibre font partie des plaintes fréquemment rencontrées après un TCCL. En outre, ces problèmes peuvent continuer à affecter les personnes ayant eu un TCCL longtemps après la phase aiguë du traumatisme. Cependant, les évaluations cliniques conventionnelles de la vision et de l’équilibre ne permettent pas, la plupart du temps, d’objectiver ces symptômes, surtout lorsqu’ils s’installent durablement. De plus, il n’existe pas, à notre connaissance, d’étude longitudinale ayant étudié les déficits visuels perceptifs, en tant que tels, ni les troubles de l’équilibre secondaires à un TCCL, chez l’adulte. L’objectif de ce projet était donc de déterminer la nature et la durée des effets d’un tel traumatisme sur la perception visuelle et sur la stabilité posturale, en évaluant des adultes TCCL et contrôles sur une période d’un an. Les mêmes sujets, exactement, ont participé aux deux expériences, qui ont été menées les mêmes jours pour chacun des sujets. L’impact du TCCL sur la perception visuelle de réseaux sinusoïdaux définis par des attributs de premier et de second ordre a d’abord été étudié. Quinze adultes diagnostiqués TCCL ont été évalués 15 jours, 3 mois et 12 mois après leur traumatisme. Quinze adultes contrôles appariés ont été évalués à des périodes identiques. Des temps de réaction (TR) de détection de clignotement et de discrimination de direction de mouvement ont été mesurés. Les niveaux de contraste des stimuli de premier et de second ordre ont été ajustés pour qu’ils aient une visibilité comparable, et les moyennes, médianes, écarts-types (ET) et écarts interquartiles (EIQ) des TR correspondant aux bonnes réponses ont été calculés. Le niveau de symptômes a également été évalué pour le comparer aux données de TR. De façon générale, les TR des TCCL étaient plus longs et plus variables (plus grands ET et EIQ) que ceux des contrôles. De plus, les TR des TCCL étaient plus courts pour les stimuli de premier ordre que pour ceux de second ordre, et plus variables pour les stimuli de premier ordre que pour ceux de second ordre, dans la condition de discrimination de mouvement. Ces observations se sont répétées au cours des trois sessions. Le niveau de symptômes des TCCL était supérieur à celui des participants contrôles, et malgré une amélioration, cet écart est resté significatif sur la période d’un an qui a suivi le traumatisme. La seconde expérience, elle, était destinée à évaluer l’impact du TCCL sur le contrôle postural. Pour cela, nous avons mesuré l’amplitude d’oscillation posturale dans l’axe antéropostérieur et l’instabilité posturale (au moyen de la vitesse quadratique moyenne (VQM) des oscillations posturales) en position debout, les pieds joints, sur une surface ferme, dans cinq conditions différentes : les yeux fermés, et dans un tunnel virtuel tridimensionnel soit statique, soit oscillant de façon sinusoïdale dans la direction antéropostérieure à trois vitesses différentes. Des mesures d’équilibre dérivées de tests cliniques, le Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency 2nd edition (BOT-2) et le Balance Error Scoring System (BESS) ont également été utilisées. Les participants diagnostiqués TCCL présentaient une plus grande instabilité posturale (une plus grande VQM des oscillations posturales) que les participants contrôles 2 semaines et 3 mois après le traumatisme, toutes conditions confondues. Ces troubles de l’équilibre secondaires au TCCL n’étaient plus présents un an après le traumatisme. Ces résultats suggèrent également que les déficits affectant les processus d’intégration visuelle mis en évidence dans la première expérience ont pu contribuer aux troubles de l’équilibre secondaires au TCCL. L’amplitude d’oscillation posturale dans l’axe antéropostérieur de même que les mesures dérivées des tests cliniques d’évaluation de l’équilibre (BOT-2 et BESS) ne se sont pas révélées être des mesures sensibles pour quantifier le déficit postural chez les sujets TCCL. L’association des mesures de TR à la perception des propriétés spécifiques des stimuli s’est révélée être à la fois une méthode de mesure particulièrement sensible aux anomalies visuomotrices secondaires à un TCCL, et un outil précis d’investigation des mécanismes sous-jacents à ces anomalies qui surviennent lorsque le cerveau est exposé à un traumatisme léger. De la même façon, les mesures d’instabilité posturale se sont révélées suffisamment sensibles pour permettre de mesurer les troubles de l’équilibre secondaires à un TCCL. Ainsi, le développement de tests de dépistage basés sur ces résultats et destinés à l’évaluation du TCCL dès ses premières étapes apparaît particulièrement intéressant. Il semble également primordial d’examiner les relations entre de tels déficits et la réalisation d’activités de la vie quotidienne, telles que les activités scolaires, professionnelles ou sportives, pour déterminer les impacts fonctionnels que peuvent avoir ces troubles des fonctions visuomotrice et du contrôle de l’équilibre.

El pensamiento sublime en 3D. Proyecto experimental de Instalación Museográfica Virtual

Entre los años 2005 y 2006, se realizaron en Madrid dos interesantes encuentros internacionales denominados Tecnologías para una Museografía Avanzada, promovidos por el Consejo Internacional de Museos (ICOM), donde representantes de diversas instituciones culturales explicaban las influencias enriquecedoras que han aportado a sus exposiciones los nuevos medios tecnológicos en conjunto con la didáctica y la Museografía Interactiva como elementos mediadores de discurso. Representantes y Directores de instituciones como el Museo de Historia de Valencia (MHV), el Museo Arqueológico Provincial de Alicante (MARQ) o el Museo de la Cultura Bizantina de Grecia por ejemplo, han presentado las propuestas que en este contexto les ha permitido comunicar ideas refrescantes y nuevas estrategias para la compresión de diversos tipos de patrimonios. La premisa expuesta por ellos enfatizaba el pensamiento de que las nuevas tecnologías aunadas a la Museografía Interactiva, constituyen un apoyo didáctico a la hora de transmitir significados provenientes de los objetos patrimoniales para desarrollar y ampliar la comprensión del visitante en relación a los contenidos de las exposiciones. A este respecto, llama la atención la ausencia de museos especializados en Arte ante este tipo de discursos innovadores que suelen provocar en los visitantes soluciones educativas in situ, otorgando nuevos enfoques de las cosas, de la historia, de los objetos y de las generaciones pasadas.

Konzept und Prototyp eines interoperablen und offenen Simulationssystems

Simulation hat sich in der Vergangenheit als unterstützendes Planungsinstrument und Prognosemethode zur Untersuchung von Materialflusssystemen in verschiedenen Branchen etabliert. Dafür werden neben Simulationswerkzeugen auch zunehmend Virtual Reality (VR), insbesondere mit dem Ansatz Digitale Fabrik, eingesetzt. Ein Materialflusssimulator, der für den VR–Einsatz geeignet ist,existiert noch nicht, so dass Anwender gegenwärtig mit verschiedenen Systemen arbeiten müssen, um Untersuchungen eines Simulationsmodells in einem VR–Umfeld wie beispielsweise in einem CAVE zu ermöglichen. Zeitlicher Aufwand ist dadurch vorprogrammiert und das Auftreten von Fehlern bei der Konvertierung des Simulationsmodells möglich. Da auch der hauseigene Materialflusssimulator SIMFLEX/3D nicht für beide Anwendungsgebiete genutzt werden kann und für einen solchen Einsatz mit sehr hohem Aufwand angepasst werden müsste, wurde stattdessen ein neues Simulationssystem entworfen. Das Simulationssystem wird in der vorliegenden Arbeit als ein interoperables und offenes System beschrieben, das über eine flexible Softwarearchitektur verfügt und in einem vernetzten Umfeld mit anderen Werkzeugen Daten austauschen kann. Die grundlegende Idee besteht darin, eine flexible Softwarearchitektur zu entwerfen, die zunächst interaktive und ereignisorientierte 3D–Simulation erlaubt, aber zusätzlich für andere Anwendungszwecke offen gehalten wird. Durch den offenen Ansatz können Erweiterungen, die in Form von Plugins entwickelt werden, mit geringem Aufwand in das System integriert werden, wodurch eine hohe Flexibilität des Systems erreicht wird. Für interoperable Zwecke werden Softwaremodule vorgestellt, die optional eingesetzt werden können und standardisierte Formate wie bspw. XML benutzen. Mit dem neuen Simulationssystem wird die Lücke zwischen Desktop– und VR–Einsatz geschlossen und aus diesem Grund der Zeitaufwand und Fehlerquellen reduziert. Darüber hinaus ermöglicht der offene Ansatz, das Simulationssystem rollen- und aufgabenspezifisch anzupassen, indem die erforderlichen Plugins bereitgestellt werden. Aus diesem Grund kann das Simulationssystem mit sehr geringem Aufwand um weitere Untersuchungsschwerpunkte wie beispielsweise Avatare ergänzt werden. Erste Untersuchungen in einem CAVE wurden erfolgreich durchgeführt. Für die Digitale Fabrik kann der Prototyp eingesetzt werden, um die Produktionsplanung mit Hilfe der Simulation und die Entwicklung mit Hilfe der entwickelten Viewer zu unterstützen. Letzteres ist möglich, da die Viewer zahlreiche CAD–Formate lesen und um weitere Formate ergänzt werden können. Das entwickelte System ist für den Einsatz in verschiedenen Prozessen einer Wertschöpfungskette geeignet,um es als Untersuchungs-, Kommunikations- und Steuerungswerkzeug einzusetzen.

A distributed environment for virtual and/or real experiments for underwater robots

This paper presents the distributed environment for virtual and/or real experiments for underwater robots (DEVRE). This environment is composed of a set of processes running on a local area network composed of three sites: 1) the onboard AUV computer; 2) a surface computer used as human-machine interface (HMI); and 3) a computer used for simulating the vehicle dynamics and representing the virtual world. The HMI can be transparently linked to the real sensors and actuators dealing with a real mission. It can also be linked with virtual sensors and virtual actuators, dealing with a virtual mission. The aim of DEVRE is to assist engineers during the software development and testing in the lab prior to real experiments

Cozinha Virtual : uma prova de avaliação Neuropsicológica em Realidade Virtual

Esta dissertação surgiu com o intuito de criar uma prova neuropsicológica com todas as características das tradicionais provas de papel e lápis, com o acréscimo de vantagens que as novas tecnologias lhe podem trazer. Desta forma, desenvolveu-se um ambiente virtual com um propósito avaliativo, semelhante ao da prova em papel Trail Making Test e posteriormente ao seu desenvolvimento elaborou-se uma aplicação que foi testada em dois grupos. Compostas por um total de 47 elementos, estas amostras abrangeram população com e sem diagnóstico de problemas de alcoolismo (Síndrome de Dependência Alcoólica), que foram submetidas à execução das provas Cozinha Virtual e Trail Making Test. Os dados daí resultantes comprovam a capacidade desta prova avaliar os défices cognitivos ao nível da flexibilidade cognitiva, da capacidade de sequenciação, de procura visual, velocidade motora e capacidades atencionais e confirmam também a sua correlação com a prova que lhe deu origem.

Humans ignore motion and stereo cues in favor of a fictional stable world

As we move through the world, our eyes acquire a sequence of images. The information from this sequence is sufficient to determine the structure of a three-dimensional scene, up to a scale factor determined by the distance that the eyes have moved [1, 2]. Previous evidence shows that the human visual system accounts for the distance the observer has walked [3,4] and the separation of the eyes [5-8] when judging the scale, shape, and distance of objects. However, in an immersive virtual-reality environment, observers failed to notice when a scene expanded or contracted, despite having consistent information about scale from both distance walked and binocular vision. This failure led to large errors in judging the size of objects. The pattern of errors cannot be explained by assuming a visual reconstruction of the scene with an incorrect estimate of interocular separation or distance walked. Instead, it is consistent with a Bayesian model of cue integration in which the efficacy of motion and disparity cues is greater at near viewing distances. Our results imply that observers are more willing to adjust their estimate of interocular separation or distance walked than to accept that the scene has changed in size.

An automated calibration method for non-see-through head mounted displays

Accurate calibration of a head mounted display (HMD) is essential both for research on the visual system and for realistic interaction with virtual objects. Yet, existing calibration methods are time consuming and depend on human judgements, making them error prone. The methods are also limited to optical see-through HMDs. Building on our existing HMD calibration method [1], we show here how it is possible to calibrate a non-see-through HMD. A camera is placed inside an HMD displaying an image of a regular grid, which is captured by the camera. The HMD is then removed and the camera, which remains fixed in position, is used to capture images of a tracked calibration object in various positions. The locations of image features on the calibration object are then re-expressed in relation to the HMD grid. This allows established camera calibration techniques to be used to recover estimates of the display’s intrinsic parameters (width, height, focal length) and extrinsic parameters (optic centre and orientation of the principal ray). We calibrated a HMD in this manner in both see-through and in non-see-through modes and report the magnitude of the errors between real image features and reprojected features. Our calibration method produces low reprojection errors and involves no error-prone human measurements.

Case Study: Interacting with Volumetric Medical Datasets in Networked CAVE Environments

Virtual Reality (VR) is widely used in visualizing medical datasets. This interest has emerged due to the usefulness of its techniques and features. Such features include immersion, collaboration, and interactivity. In a medical visualization context, immersion is important, because it allows users to interact directly and closelywith detailed structures in medical datasets. Collaboration on the other hand is beneficial, because it gives medical practitioners the chance to share their expertise and offer feedback and advice in a more effective and intuitive approach. Interactivity is crucial in medical visualization and simulation systems, because responsiveand instantaneous actions are key attributes in applications, such as surgical simulations. In this paper we present a case study that investigates the use of VR in a collaborative networked CAVE environment from a medical volumetric visualization perspective. The study will present a networked CAVE application, which has been built to visualize and interact with volumetric datasets. We will summarize the advantages of such an application and the potential benefits of our system. We also will describe the aspects related to this application area and the relevant issues of such implementations.

Dynamic virtual environments using really simple syndication

This paper investigates the use of really simple syndication (RSS) to dynamically change virtual environments. The case study presented here uses meteorological data downloaded from the Internet in the form of an RSS feed, this data is used to simulate current weather patterns in a virtual environment. The downloaded data is aggregated and interpreted in conjunction with a configuration file, used to associate relevant weather information to the rendering engine. The engine is able to animate a wide range of basic weather patterns. Virtual reality is a way of immersing a user into a different environment, the amount of immersion the user experiences is important. Collaborative virtual reality will benefit from this work by gaining a simple way to incorporate up-to-date RSS feed data into any environment scenario. Instead of simulating weather conditions in training scenarios, actual weather conditions can be incorporated, improving the scenario and immersion.

Human-machine symbiosis overview

The interface between humans and technology is a rapidly changing field. In particular as technological methods have improved dramatically so interaction has become possible that could only be speculated about even a decade earlier. This interaction can though take on a wide range of forms. Indeed standard buttons and dials with televisual feedback are perhaps a common example. But now virtual reality systems, wearable computers and most of all, implant technology are throwing up a completely new concept, namely a symbiosis of human and machine. No longer is it sensible simply to consider how a human interacts with a machine, but rather how the human-machine symbiotic combination interacts with the outside world. In this paper we take a look at some of the recent approaches, putting implant technology in context. We also consider some specific practical examples which may well alter the way we look at this symbiosis in the future. The main area of interest as far as symbiotic studies are concerned is clearly the use of implant technology, particularly where a connection is made between technology and the human brain and/or nervous system. Often pilot tests and experimentation has been carried out apriori to investigate the eventual possibilities before human subjects are themselves involved. Some of the more pertinent animal studies are discussed briefly here. The paper however concentrates on human experimentation, in particular that carried out by the authors themselves, firstly to indicate what possibilities exist as of now with available technology, but perhaps more importantly to also show what might be possible with such technology in the future and how this may well have extensive social effects. The driving force behind the integration of technology with humans on a neural level has historically been to restore lost functionality in individuals who have suffered neurological trauma such as spinal cord damage, or who suffer from a debilitating disease such as lateral amyotrophic sclerosis. Very few would argue against the development of implants to enable such people to control their environment, or some aspect of their own body functions. Indeed this technology in the short term has applications for amelioration of symptoms for the physically impaired, such as alternative senses being bestowed on a blind or deaf individual. However the issue becomes distinctly more complex when it is proposed that such technology be used on those with no medical need, but instead who wish to enhance and augment their own bodies, particularly in terms of their mental attributes. These issues are discussed here in the light of practical experimental test results and their ethical consequences.

Use of auditory cues for wayfinding assistance in virtual environment: music aids route decision

This paper addresses the crucial problem of wayfinding assistance in the Virtual Environments (VEs). A number of navigation aids such as maps, agents, trails and acoustic landmarks are available to support the user for navigation in VEs, however it is evident that most of the aids are visually dominated. This work-in-progress describes a sound based approach that intends to assist the task of 'route decision' during navigation in a VE using music. Furthermore, with use of musical sounds it aims to reduce the cognitive load associated with other visually as well as physically dominated tasks. To achieve these goals, the approach exploits the benefits provided by music to ease and enhance the task of wayfinding, whilst making the user experience in the VE smooth and enjoyable.

Generic control interface for networked haptic virtual environments

As Virtual Reality pushes the boundaries of the human computer interface new ways of interaction are emerging. One such technology is the integration of haptic interfaces (force-feedback devices) into virtual environments. This modality offers an improved sense of immersion to that achieved when relying only on audio and visual modalities. The paper introduces some of the technical obstacles such as latency and network traffic that need to be overcome for maintaining a high degree of immersion during haptic tasks. The paper describes the advantages of integrating haptic feedback into systems, and presents some of the technical issues inherent in a networked haptic virtual environment. A generic control interface has been developed to seamlessly mesh with existing networked VR development libraries.