Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Transfert et traitement de l’information visuomotrice dans le cerveau autiste : intégrité et hétérogénéité

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante.

Substrats neuronaux du traitement visuel et sémantique des mots dans le vieillissement normal : apports de la MEG

Bien que l’on ait longtemps considéré que les substrats cérébraux de la mémoire sémantique (MS) demeuraient intacts au cours du vieillissement normal (VN), en raison d’une préservation de la performance des personnes âgées à des épreuves sémantiques, plusieurs études récentes suggèrent que des modifications cérébrales sous-tendant le traitement sémantique opèrent au cours du vieillissement. Celles-ci toucheraient principalement les régions responsables des aspects exécutifs du traitement sémantique, impliqués dans les processus de recherche, de sélection et de manipulation stratégique de l’information sémantique. Cependant, les mécanismes spécifiques régissant la réorganisation cérébrale du traitement sémantique au cours du VN demeurent méconnus, notamment en raison de divergences méthodologiques entre les études. De plus, des données de la littérature suggèrent que des modifications cérébrales associées au vieillissement pourraient également avoir lieu en relation avec les aspects perceptifs visuels du traitement des mots. Puisque le processus de lecture des mots représente un processus interactif et dynamique entre les fonctions perceptuelles de bas niveau et les fonctions de plus haut niveau tel que la MS, il pourrait exister des modifications liées à l’âge au plan des interactions cérébrales entre les aspects perceptifs et sémantiques du traitement des mots. Dans son ensemble, l’objectif de la présente thèse était de caractériser les modifications cérébrales ainsi que le décours temporel du signal cérébral qui sont associés au traitement sémantique ainsi qu’au traitement perceptif des mots en lien avec le VN, ainsi que les relations et les modulations entre les processus sémantiques et perceptifs au cours du VN, en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) comme technique d’investigation. Dans un premier temps (chapitre 2), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés alors qu’ils effectuaient une tâche de jugement sémantique sur des mots en MEG, en se concentrant sur le signal autour de la N400, une composante associée au traitement sémantique. Les résultats démontrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent principalement les structures impliquées dans les aspects exécutifs du traitement sémantique. Une activation plus importante du cortex préfrontal inférieur (IPC) a été observée chez les participants jeunes que chez les participants âgés, alors que ces derniers activaient davantage les régions temporo-pariétales que les jeunes adultes. Par ailleurs, le lobe temporal antérieur (ATL) gauche, considéré comme une région centrale et amodale du traitement sémantique, était également davantage activé par les participants âgés que par les jeunes adultes. Dans un deuxième temps (chapitre 3), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés en se concentrant sur le signal associé au traitement perceptif visuel, soit dans les 200 premières millisecondes du traitement des mots. Les résultats montrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent le gyrus fusiforme mais aussi le réseau sémantique, avec une plus grande activation pour le groupe de participants âgés, malgré une absence de différence d’activation dans le cortex visuel extrastrié entre les deux groupes. Les implications théoriques des résultats de ces deux études sont ensuite discutées, et les limites et perspectives futures sont finalement adressées (chapitre 4).

Specificity of cognitive and behavioral complaints in post-traumatic stress disorder and mild traumatic brain injury.

Characterization of cognitive and behavioral complaints is explored in Post-traumatic stress disorder (PTSD) and mild traumatic brain injury (MTBI) samples according to the severity of PTSD, depression and general anxiety conditions. Self-reported questionnaires on cognitive and behavioral changes are administered to PTSD, MTBI, MTBI/PTSD and control groups. Confounding variables are controlled. All groups report more complaints since the traumatic event. PTSD and MTBI/PTSD groups report more anxiety symptoms, depression and complaints compared to the MTBI group. Relatives of the PTSD group confirm most of the behavioral changes reported. Results suggest the utility of self-reported questionnaires to personalize cognitive and behavioral interventions in PTSD and MTBI to cope with the impacts of the traumatic event.

Paraphilic Coercive Disorder : Behavioral Markers and Validity of Diagnostic Criteria

Le présent projet doctoral vise à considérer les lacunes dans la documentation scientifique sur le Trouble Paraphilique Coercitif (TPC) en mettant l’accent sur la validité des critères diagnostiques proposés pour inclusion dans le DSM-5 et les marqueurs comportementaux. À ce fait, les données archivées d’individus ayant sexuellement agressé des femmes adultes ont été étudiées. La thèse est constituée de trois articles empiriques. Le premier article présente des résultats clés découlant des analyses, élaborés dans les articles subséquents. Le second (N = 47) évalue les fréquences observées du TPC, la validité et l’impact du recours au nombre minimal de victimes comme critère diagnostique, ainsi que les indices prédisant la récidive sexuelle. Le troisième article (N = 52) compare les groupes diagnostiques sur une série de comportements délictuels, tels que les gestes sexuels et les comportements violents, dans le but d’identifier les marqueurs comportementaux associés avec la propension au viol qui pourraient assister dans le processus diagnostique. Dans le même ordre d’idées, nous avons créé des typologies de violeurs à partir des gestes sexuels commis, d’un côté, et des comportements violents, de l’autre côté. Conséquemment, les caractéristiques des typologies ainsi obtenues et leur association avec le TPC furent examinées. Dans l’ensemble, nos résultats ne soutiennent pas le recours au nombre de victimes. Nos données suggèrent que, globalement, les violeurs avec le TPC utilisent un niveau de gestes sexuels plus envahissant et un niveau de violence moindre que les violeurs n’ayant pas ce diagnostic, et que l’exhibitionnisme et l’attouchement pourraient servir de marqueurs comportementaux pour le TPC. En outre, les violeurs avec le TPC sont caractérisés davantage par demande indécente, exhibitionnisme, attouchement, masturbation, tentative de pénétration et pénétration digitale que par pénétration vaginale et sodomie. De plus, ces derniers font moins recours à l’utilisation d’armes, semblent ne pas frapper/donner des coups à la victime et sont caractérisés par la manipulation plutôt que par le recours aux menaces de mort, force excessive et utilisation d’armes. En somme, nos données soulignent la nécessité de s’appuyer sur une combinaison de méthodes d’évaluation afin d’améliorer la validité diagnostique et discriminante du TPC.

Neural changes associated with semantic processing in healthy aging despite intact behavioral performance

Semantic memory recruits an extensive neural network including the left inferior prefrontal cortex (IPC) and the left temporoparietal region, which are involved in semantic control processes, as well as the anterior temporal lobe region (ATL) which is considered to be involved in processing semantic information at a central level. However, little is known about the underlying neuronal integrity of the semantic network in normal aging. Young and older healthy adults carried out a semantic judgment task while their cortical activity was recorded using magnetoencephalography (MEG). Despite equivalent behavioral performance, young adults activated the left IPC to a greater extent than older adults, while the latter group recruited the temporoparietal region bilaterally and the left ATL to a greater extent than younger adults. Results indicate that significant neuronal changes occur in normal aging, mainly in regions underlying semantic control processes, despite an apparent stability in performance at the behavioral level.

L'incidence de l'alternance des taches sur les processus de l'attention : indices électrophysiologiques chez l'humain.

Connue pour augmenter les temps de réponse et les erreurs, l’alternance des tâches est considérée par les industriels comme un point de friction humain depuis plusieurs décennies. Pourtant malgré l’important nombre d’études sur l’alternance des tâches, peu s'intéressent à l'électrophysiologie humaine et au déploiement de l’attention visuospatiale. Le travail qui suit décrit notre incursion destinée à approfondir les connaissances autant sur les paradigmes d’alternance de tâche que les composantes électrophysiologiques typiquement reliées au déploiement de l’attention visuospatiale telles la N2pc ou la Ppc récemment décrite par Corriveau et al. (2012). Afin d’examiner les modulations des composantes électrophysiologiques sus nommées en fonction des coûts d’alternance, un paradigme d’alternance des tâches regroupant des blocs mixtes (avec alternance) et des blocs purs (sans alternance) a été utilisé. Les résultats démontrent un impact du coût d’alternance sur la latence de la N2pc, ce qui reflète comme attendu d’un processus de contrôle cognitif descendant sur la sélection attentionnelle visospatiale. De manière plus surprenante, des modulations de Ppc ont été observées, tandis que cette composante était jusqu’alors comprise comme une composante principalement reliée à une activité ascendante de bas niveau de traitement. Cette modulation de Ppc suggère l'existence d’un autre mécanisme de modulation attentionnelle antérieur à la N2pc.

Feasibility and preliminary effectiveness of a novel cognitive-behavioral couple therapy for provoked vestibulodynia: a pilot study.

Introduction Provoked vestibulodynia (PVD), a recurrent, localized vulvovaginal pain problem, carries a significant psychosexual burden for afflicted women, who report impoverished sexual function and decreased frequency of sexual activity and pleasure. Interpersonal factors such as partner responses to pain, partner distress, and attachment style are associated with pain outcomes for women and with sexuality outcomes for both women and partners. Despite these findings, no treatment for PVD has systematically included the partner. Aims This study pilot‐tested the feasibility and potential efficacy of a novel cognitive–behavioral couple therapy (CBCT) for couples coping with PVD. Methods Couples (women and their partners) in which the woman was diagnosed with PVD (N = 9) took part in a 12‐session manualized CBCT intervention and completed outcome measures pre‐ and post‐treatment. Main Outcome Measures The primary outcome measure was women's pain intensity during intercourse as measured on a numerical rating scale. Secondary outcomes included sexual functioning and satisfaction for both partners. Exploratory outcomes included pain‐related cognitions; psychological outcomes; and treatment satisfaction, feasibility, and reliability. Results One couple separated before the end of therapy. Paired t‐test comparisons involving the remaining eight couples demonstrated significant improvements in women's pain and sexuality outcomes for both women and partners. Exploratory analyses indicated improvements in pain‐related cognitions, as well as anxiety and depression symptoms, for both members of the couple. Therapists' reported high treatment reliability and participating couples' high participation rates and reported treatment satisfaction indicate adequate feasibility. Conclusions Treatment outcomes, along with treatment satisfaction ratings, confirm the preliminary success of CBCT in reducing pain and psychosexual burden for women with PVD and their partners. Further large‐scale randomized controlled trials are necessary to examine the efficacy of CBCT compared with and in conjunction with first‐line biomedical interventions for PVD.

A prospective two-year examination of cognitive and behavioral correlates of provoked vestibulodynia outcomes.

Note de l'éditeur : This article may not exactly replicate the final version published in the journal. It is not the copy of record. / Cet article ne constitue pas la version officielle, et peut différer de la version publiée dans la revue.

Partner behavioral responses to pain mediate the relationship between partner pain cognitions and pain outcomes in women with provoked vestibulodynia.

Partner behavioral responses to pain can have a significant impact on patient pain and depression, but little is known about why partners respond in specific ways. Using a cognitive-behavioral model, the present study examined whether partner cognitions were associated with partner behavioral responses, which prior work has found to predict patient pain and depressive symptoms. Participants were 354 women with provoked vestibulodynia and their partners. Partner pain-related cognitions were assessed using the partner versions of the Pain Catastrophizing Scale and Extended Attributional Style Questionnaire, whereas their behavioral responses to pain were assessed with the Multidimensional Pain Inventory. Patient pain was measured using a numeric rating scale, and depressive symptoms were assessed using the Beck Depression Inventory–II. Path analysis was used to examine the proposed model. Partner catastrophizing and negative attributions were associated with negative partner responses, which were associated with higher patient pain. It was also found that partner pain catastrophizing was associated with solicitous partner responses, which in turn were associated with higher patient pain and depressive symptoms. The effect of partner cognitions on patient outcomes was partially mediated by partner behavioral responses. Findings highlight the importance of assessing partner cognitions, both in research and as a target for intervention. Perspective The present study presents a cognitive-behavioral model to partially explain how significant others' thoughts about pain have an effect on patient pain and depressive symptoms. Findings may inform cognitive-behavioral therapy for couples coping with PVD.

CAPM und Behavioral Finance - Versuch einer Synthese

Seit Etablierung der ersten Börsen als Marktplatz für fungible Güter sind Marktteilnehmer und die Wissenschaft bemüht, Erklärungen für das Zustandekommen von Marktpreisen zu finden. Im Laufe der Zeit wurden diverse Modelle entwickelt. Allen voran ist das neoklassische Capital Asset Pricing Modell (CAPM) zu nennen. Die Neoklassik sieht den Akteur an den Finanzmärkten als emotionslosen und streng rationalen Entscheider, dem sog. homo oeconomicus. Psychologische Einflussfaktoren bei der Preisbildung bleiben unbeachtet. Mit der Behavioral Finance hat sich ein neuer Zweig zur Erklärung von Börsenkursen und deren Bewegungen entwickelt. Die Behavioral Finance sprengt die enge Sichtweise der Neoklassik und geht davon aus, dass psychologische Effekte die Entscheidung der Finanzakteure beeinflussen und dabei zu teilweise irrational und emotional geprägten Kursänderungen führen. Eines der Hauptprobleme der Behavioral Finance liegt allerdings in der fehlenden formellen Ermittelbarkeit und Testbarkeit der einzelnen psychologischen Effekte. Anders als beim CAPM, wo die einzelnen Parameter klar mathematisch bestimmbar sind, besteht die Behavioral Finance im Wesentlichen aus psychologischen Definitionen von kursbeeinflussenden Effekten. Die genaue Wirkrichtung und Intensität der Effekte kann, mangels geeigneter Modelle, nicht ermittelt werden. Ziel der Arbeit ist es, eine Abwandlung des CAPM zu ermitteln, die es ermöglicht, neoklassische Annahmen durch die Erkenntnisse des Behavioral Finance zu ergänzen. Mittels der technischen Analyse von Marktpreisen wird versucht die Effekte der Behavioral Finance formell darstellbar und berechenbar zu machen. Von Praktikern wird die technische Analyse dazu verwendet, aus Kursverläufen die Stimmungen und Intentionen der Marktteilnehmer abzuleiten. Eine wissenschaftliche Fundierung ist bislang unterblieben. Ausgehend von den Erkenntnissen der Behavioral Finance und der technischen Analyse wird das klassische CAPM um psychologische Faktoren ergänzt, indem ein Multi-Beta-CAPM (Behavioral-Finance-CAPM) definiert wird, in das psychologisch fundierte Parameter der technischen Analyse einfließen. In Anlehnung an den CAPM-Test von FAMA und FRENCH (1992) werden das klassische CAPM und das Behavioral-Finance-CAPM getestet und der psychologische Erklärungsgehalt der technischen Analyse untersucht. Im Untersuchungszeitraum kann dem Behavioral-Finance-CAPM ein deutlich höherer Erklärungsgehalt gegenüber dem klassischen CAPM zugesprochen werden.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Left preference for sport tasks does not necessarily indicate left-handedness

In the elite domain of interactive sports, athletes who demonstrate a left preference (e.g., holding a weapon with the left hand in fencing or boxing in a ‘southpaw’ stance) seem overrepresented. Such excess indicates a performance advantage and was also interpreted as evidence in favour of frequency-dependent selection mechanisms to explain the maintenance of left-handedness in humans. To test for an overrepresentation, the incidence of athletes’ lateral preferences is typically compared with an expected ratio of left- to right-handedness in the normal population. However, the normal population reference values did not always relate to the sport-specific tasks of interest, which may limit the validity of reports of an excess of ‘left-oriented’ athletes. Here we sought to determine lateral preferences for various sport-specific tasks (e.g., baseball batting, boxing) in the normal population and to examine the relationship between these preferences and handedness. To this end, we asked 903 participants to indicate their lateral preferences for sport-specific and common tasks using a paper-based questionnaire. Lateral preferences varied considerably across the different sport tasks and we found high variation in the relationship between those preferences and handedness. In contrast to unimanual tasks (e.g., fencing or throwing), for bimanually controlled actions such as baseball batting, shooting in ice hockey or boxing the incidence of left preferences was considerably higher than expected from the proportion of left-handedness in the normal population and the relationship with handedness was relatively low. We conclude that (i) task-specific reference values are mandatory for reliably testing for an excess of athletes with a left preference, (ii) the term ‘handedness’ should be more cautiously used within the context of sport-related laterality research and (iii) observation of lateral preferences in sports may be of limited suitability for the verification of evolutionary theories of handedness.

On Probabilistic Strategies for Robot Tasks

Robots must act purposefully and successfully in an uncertain world. Sensory information is inaccurate or noisy, actions may have a range of effects, and the robot's environment is only partially and imprecisely modeled. This thesis introduces active randomization by a robot, both in selecting actions to execute and in focusing on sensory information to interpret, as a basic tool for overcoming uncertainty. An example of randomization is given by the strategy of shaking a bin containing a part in order to orient the part in a desired stable state with some high probability. Another example consists of first using reliable sensory information to bring two parts close together, then relying on short random motions to actually mate the two parts, once the part motions lie below the available sensing resolution. Further examples include tapping parts that are tightly wedged, twirling gears before trying to mesh them, and vibrating parts to facilitate a mating operation.