Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

La compétence orthographique d'élèves dyslexiques du primaire

Les élèves dyslexiques éprouvent de grandes difficultés à lire et à écrire. Leurs difficultés en production orthographique sont reconnues pour être persistantes. Elles peuvent être expliquées par un déficit des procédures phonologiques. Or, pour orthographier une langue alphabétique comme le français, il est indispensable de développer des connaissances phonologiques puisque l’entrée dans l’écrit repose en grande partie sur la mise en correspondance de la langue orale et de sa réalisation à l’écrit. En plus des connaissances phonologiques, le système orthographique du français exige du scripteur d’acquérir des connaissances visuo-orthographiques et morphologiques. Les recherches menées sur la compétence orthographique des élèves dyslexiques se rapportent majoritairement à l’anglais et sur la compétence en lecture. La présente étude a pour objectif général de décrire, dans une visée explicative, la compétence orthographique de 26 élèves dyslexiques québécois âgés de 9 à 13 ans. Les objectifs spécifiques sont de décrire les performances de ces élèves en contexte de productions libres et de les comparer à celles de 26 élèves normo-lecteurs de même âge chronologique (CA) et à celles de 29 normo-lecteurs plus jeunes mais de même niveau en lecture (CL). Pour ce faire, nous avons analysé les erreurs en prenant en compte les propriétés phonologiques, visuo-orthographiques et morphologiques des mots écrits. Les résultats indiquent que les élèves dyslexiques ont des performances inférieures à celles des CA, mais aussi, dans certains cas, à celles des CL. Les résultats sont discutés en fonction des connaissances que doivent développer les scripteurs dyslexiques et des pistes orthodidactiques à envisager.

Understanding deep architectures and the effect of unsupervised pre-training

Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde.

Développement et évaluation d’un environnement informatisé d’apprentissage pour faciliter l’intégration des sciences et de la technologie

Par cette recherche, nous voulons évaluer de manière exhaustive les bénéfices qu’apporte l’ExAO (Expérimentation Assistée par Ordinateur) dans les laboratoires scolaires de sciences et technologie au Liban. Nous aimerions aussi qu’elle contribue d’une manière tangible aux recherches du laboratoire de Robotique Pédagogique de l’Université de Montréal, notamment dans le développement du µlaboratoire ExAO. Nous avons voulu tester les capacités de l’ExAO, son utilisation en situation de classe comme : 1. Substitut d’un laboratoire traditionnel dans l’utilisation de la méthode expérimentale; 2. Outil d’investigation scientifique; 3. Outil d’intégration des sciences expérimentales et des mathématiques; 4. Outil d’intégration des sciences expérimentales, des mathématiques et de la technologie dans un apprentissage technoscientifique; Pour ce faire, nous avons mobilisé 13 groupe-classes de niveaux complémentaire et secondaire, provenant de 10 écoles libanaises. Nous avons désigné leurs enseignants pour expérimenter eux-mêmes avec leurs étudiants afin d’évaluer, de manière plus réaliste les avantages d’implanter ce micro laboratoire informatisé à l’école. Les différentes mise à l’essai, évaluées à l’aide des résultats des activités d’apprentissage réalisées par les étudiants, de leurs réponses à un questionnaire et des commentaires des enseignants, nous montrent que : 1. La substitution d’un laboratoire traditionnel par un µlaboratoire ExAO ne semble pas poser de problème; dix minutes ont suffi aux étudiants pour se familiariser avec cet environnement, mentionnant que la rapidité avec laquelle les données étaient représentées sous forme graphique était plus productive. 2. Pour l’investigation d’un phénomène physique, la convivialité du didacticiel associée à la capacité d’amplifier le phénomène avant de le représenter graphiquement a permis aux étudiants de concevoir et de mettre en œuvre rapidement et de manière autonome, une expérimentation permettant de vérifier leur prédiction. 3. L’intégration des mathématiques dans une démarche expérimentale permet d’appréhender plus rapidement le phénomène. De plus, elle donne un sens aux représentations graphiques et algébriques, à l’avis des enseignants, permettant d’utiliser celle-ci comme outil cognitif pour interpréter le phénomène. 4. La démarche réalisée par les étudiants pour concevoir et construire un objet technologique, nous a montré que cette activité a été réalisée facilement par l’utilisation des capteurs universels et des amplificateurs à décalage de l’outil de modélisation graphique ainsi que la capacité du didacticiel à transformer toute variable mesurée par une autre variable (par exemple la variation de résistance en variation de température, …). Cette activité didactique nous montre que les étudiants n’ont eu aucune difficulté à intégrer dans une même activité d’apprentissage les mathématiques, les sciences expérimentales et la technologie, afin de concevoir et réaliser un objet technologique fonctionnel. µlaboratoire ExAO, en offrant de nouvelles possibilités didactiques, comme la capacité de concevoir, réaliser et valider un objet technologique, de disposer pour ce faire, des capacités nouvelles pour amplifier les mesures, modéliser les phénomènes physiques, créer de nouveaux capteurs, est un ajout important aux expériences actuellement réalisées en ExAO.

Does Acculturation Equal Identification? Two Studies with Latin-American Immigrants

Partout, des millions d'immigrants doivent apprendre à interagir avec une nouvelle culture (acculturation) et à s’y identifier (identification). Toutefois, il existe un débat important sur la relation entre l’acculturation et l’identification. Certains chercheurs les considèrent comme étant des concepts identiques; d’autres argumentent qu'un lien directionnel unit ces concepts (c.-à-d. l'identification mène à l'acculturation, ou l'acculturation mène à l'identification). Toutefois, aucune étude n'a pas investigué la nature et la direction de leur relation. Afin de clarifier ces questions, trois modèles théoriques testeront la relation entre l’acculturation et l’identification et deux variables centrales à l’immigration, soit être forcé à immigrer et l’incohérence des valeurs. Dans le premier modèle, les variables d'immigration prédirent simultanément l'acculturation et l'identification. Le second modèle avance que les variables d'immigration mènent à l'identification, qui mène à l'acculturation. Le troisième modèle précis plutôt que les variables d'immigration prédisent l'acculturation, qui prédit l'identification. Le premier modèle propose que l'acculturation et l'identification sont le même concept, tandis que les second et troisième stipulent qu'ils sont différents (ainsi que la direction de leur relation). Ces modèles seront comparés afin d’examiner l'existence et la direction du lien qui unit l'acculturation et l'identification. Lors de la première étude, 146 immigrants latino-américains ont répondu à un questionnaire. Les analyses des pistes causales appuient le troisième modèle stipulant que l'acculturation mène à l'identification et, donc, qu'ils sont des concepts distincts. Les résultats ont été confirmés à l’aide d’une deuxième étude où 15 immigrants latino-américains ont passé une entrevue semi-structurée. Les implications théoriques et pratiques seront discutées.

Apprentissage machine efficace : théorie et pratique

Malgré des progrès constants en termes de capacité de calcul, mémoire et quantité de données disponibles, les algorithmes d'apprentissage machine doivent se montrer efficaces dans l'utilisation de ces ressources. La minimisation des coûts est évidemment un facteur important, mais une autre motivation est la recherche de mécanismes d'apprentissage capables de reproduire le comportement d'êtres intelligents. Cette thèse aborde le problème de l'efficacité à travers plusieurs articles traitant d'algorithmes d'apprentissage variés : ce problème est vu non seulement du point de vue de l'efficacité computationnelle (temps de calcul et mémoire utilisés), mais aussi de celui de l'efficacité statistique (nombre d'exemples requis pour accomplir une tâche donnée). Une première contribution apportée par cette thèse est la mise en lumière d'inefficacités statistiques dans des algorithmes existants. Nous montrons ainsi que les arbres de décision généralisent mal pour certains types de tâches (chapitre 3), de même que les algorithmes classiques d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), chacun étant affecté par une forme particulière de la malédiction de la dimensionalité. Pour une certaine classe de réseaux de neurones, appelés réseaux sommes-produits, nous montrons qu'il peut être exponentiellement moins efficace de représenter certaines fonctions par des réseaux à une seule couche cachée, comparé à des réseaux profonds (chapitre 4). Nos analyses permettent de mieux comprendre certains problèmes intrinsèques liés à ces algorithmes, et d'orienter la recherche dans des directions qui pourraient permettre de les résoudre. Nous identifions également des inefficacités computationnelles dans les algorithmes d'apprentissage semi-supervisé à base de graphe (chapitre 5), et dans l'apprentissage de mélanges de Gaussiennes en présence de valeurs manquantes (chapitre 6). Dans les deux cas, nous proposons de nouveaux algorithmes capables de traiter des ensembles de données significativement plus grands. Les deux derniers chapitres traitent de l'efficacité computationnelle sous un angle différent. Dans le chapitre 7, nous analysons de manière théorique un algorithme existant pour l'apprentissage efficace dans les machines de Boltzmann restreintes (la divergence contrastive), afin de mieux comprendre les raisons qui expliquent le succès de cet algorithme. Finalement, dans le chapitre 8 nous présentons une application de l'apprentissage machine dans le domaine des jeux vidéo, pour laquelle le problème de l'efficacité computationnelle est relié à des considérations d'ingénierie logicielle et matérielle, souvent ignorées en recherche mais ô combien importantes en pratique.

Les pratiques stratégiques des infirmières dans les réseaux intégrés de services de santé

L’intégration des soins et des services de santé est vue autant, par les décideurs, par les professionnels que par les usagers, comme une nécessité pour assurer une meilleure accessibilité, pour favoriser la continuité et la coordination et pour améliorer la qualité des soins et services tout en contrôlant les coûts. Depuis près de deux décennies, des réseaux intégrés de soins et de services de santé se développent dans les pays de l’OCDE. Ce phénomène a généré une littérature plutôt abondante sur les conditions organisationnelles supportant l’intégration des soins et plus récemment, sur l’importance du rôle et de la place des professionnels dans ces structures. Les données empiriques et les écrits mettent en évidence que les infirmières ont joué un rôle important dans la mise en place des réseaux intégrés de services depuis leurs débuts. Cette étude vise à identifier les pratiques stratégiques des infirmières qui sont impliquées dans des réseaux intégrés de services de santé et de comprendre comment ces pratiques favorisent des apprentissages organisationnels permettant l’ajustement des pratiques de l’ensemble des intervenants dans le sens de l’intégration clinique. Elle vise aussi à mettre en évidence les facteurs individuels et organisationnels impliqués dans le développement de ces pratiques et dans le processus d’apprentissage organisationnel. Une revue des écrits sur les réseaux de services intégrés et sur l’intégration clinique, ainsi que sur l’apprentissage organisationnel et sur l’analyse stratégique a confirmé que ces écrits, tout en étant complémentaires, soutenaient les objectifs de cette étude. En effet, les écrits sur l’intégration présentent des déterminants de l’intégration sans aborder les pratiques stratégiques et sont discrets sur l’apprentissage organisationnel. Les écrits sur l’apprentissage organisationnel abordent le processus d’apprentissage, mais ne décrivent pas les pratiques favorisant l’apprentissage organisationnel et sont peu loquaces sur les facteurs influençant l’apprentissage organisationnel. Enfin, les écrits sur l’analyse stratégique discutent des systèmes et des processus dynamiques en incluant les conditions individuelles et organisationnelles, mais ne font pas allusion à l’apprentissage organisationnel. Afin de découvrir les pratiques stratégiques ainsi que les apprentissages organisationnels, et de comprendre le processus d’apprentissage et les facteurs impliqués dans celui-ci, nous avons eu recours à un devis d’étude de cas multiples où nous nous sommes attardés à étudier les pratiques d’infirmières évoluant dans quatre situations visant l’intégration clinique. Ces situations faisaient partie de trois réseaux intégrés de services de santé impliquant des professionnels de différentes disciplines rattachés soit, à un centre hospitalier ou à un centre local de services communautaires. Trois études de cas ont été rédigées à partir des informations émanant des différentes sources de données. Dans le cadre de cette étude, quatre sources de données ont été utilisées soit : des entrevues individuelles avec des infirmières, d’autres professionnels et des gestionnaires (n=60), des entrevues de groupe (n=3), des séances d’observations (n=12) et l’étude de documents d’archives (n=96). À l’aide des données empiriques recueillies, il a été possible de découvrir quinze pratiques stratégiques et de préciser la nature des apprentissages qu'elles généraient. L’analyse des cas a également permis de mieux comprendre le rapport entre les pratiques stratégiques et les apprentissages organisationnels et d’apporter des précisions sur le processus d’apprentissage organisationnel. Cette étude contribue à la pratique et à la recherche, car en plus d’offrir un modèle d’apprentissage organisationnel intégré, elle précise que le processus d’apprentissage organisationnel est propulsé grâce à des boucles d’apprentissages stimulées par des pratiques stratégiques, que ces pratiques stratégiques s’actualisent grâce aux ressources individuelles des infirmières et aux facteurs organisationnels et enfin, que ces apprentissages organisationnels favorisent des changements de pratiques soutenant l’intégration clinique.

Productivité de manuels scolaires adaptés pour élèves ayant deux années de retard en lecture

La complexité de la tâche qu’est la lecture du français en interaction avec les caractéristiques de la personne qui a un retard de deux ans en lecture, la population cible de cette recherche, place cette dernière en situation d’échec. Tous les processus impliqués dans l’acte de lire en interaction avec ces caractéristiques induisent des échecs et des retards d’apprentissage de la lecture. L’enseignant, qui souhaite utiliser un manuel scolaire tout en intégrant un élève de 3e année ne sachant toujours pas lire, a deux choix : lui offrir un manuel de 1re année, un manuel de 3e année ou adapter lui-même son matériel. Si l’enseignant lui remet un manuel de 1re année, l’élève vit des réussites, mais les thèmes sont infantilisants. Si l’enseignant remet un manuel de 3e année à ce même élève, les thèmes ne sont pas infantilisants, mais le niveau en lecture place ce dernier systématiquement en situation d’échec. Si l’enseignant adapte lui-même le matériel, l’entreprise est grande en charge de travail pour ce dernier. En réponse à ce dilemme, le Groupe DÉFI Accessibilité (GDA) a conçu des manuels scolaires adaptés. Ils sont, à première vue, identiques à la version originale Signet (3e année), mêmes thèmes, mêmes titres, mêmes numéros de pages, mêmes illustrations et mêmes réponses aux deux premières questions de chaque page, mais les textes sont simplifiés afin de permettre la lecture à l’élève de 3e année qui a deux ans de retard dans cette matière. En accord avec une stratégie de design inclusif, la simplification des manuels par le GDA a été réalisée en fonction des caractéristiques d’un groupe de référence reconnu pour avoir de grandes difficultés d’apprentissage de la lecture, soit des élèves qui ont des incapacités intellectuelles (Langevin, Rocque, Ngongang et Chaghoumi, 2012). L’objet de cette thèse est le calcul de la productivité et de l’efficience de ces manuels scolaires adaptés auprès d’élèves qui ont deux années de retard en lecture, la population cible. La méthodologie utilisée pour cette recherche est l’analyse de la valeur pédagogique, une méthode systématique de développement et d’évaluation de produits, procédés ou services, adaptée de l’ingénierie. Cette recherche a pour objet la troisième et dernière phase de l’analyse de la valeur pédagogique, soit l’évaluation des manuels scolaires adaptés. En analyse de la valeur pédagogique, comme pour cette recherche, la mise à l’essai a deux objectifs : comparer le prototype créé au cahier des charges fonctionnel regroupant toutes les fonctions que devrait remplir le produit pour répondre aux besoins de ses utilisateurs potentiels et calculer la productivité/efficience. Puisqu’il s’agit d’une première mise à l’essai, un troisième objectif est ajouté, soit la proposition de pistes d’amélioration au prototype de manuels scolaires adaptés. La mise à l’essai s’est échelonnée sur six mois. L’échantillon regroupe quatre enseignantes de 3e année, deux en classes spéciales et deux en classes régulières. Ces dernières enseignent à 32 élèves utilisateurs des manuels scolaires adaptés : six sont dyslexiques, quatre ont une connaissance insuffisante de la langue française, un a un trouble envahissant du développement avec incapacités intellectuelles et 21 ont des incapacités intellectuelles légères. Les résultats sont présentés sous la forme de trois articles. Les quatre enseignantes ont confirmé la réponse des manuels scolaires adaptés au cahier des charges fonctionnel. De plus, la phase de conception a été jugée efficiente et la phase d’utilisation productive. Il n’y a pas de modification à faire aux manuels scolaires adaptés. Par contre, le guide d’utilisateur doit être modifié, puisque l’outil n’a pas été utilisé tel qu’il était prévu par l’équipe de conception.

Algorithmes d’apprentissage profonds supervisés et non-supervisés: applications et résultats théoriques

La liste des domaines touchés par l’apprentissage machine s’allonge rapidement. Au fur et à mesure que la quantité de données disponibles augmente, le développement d’algorithmes d’apprentissage de plus en plus puissants est crucial. Ce mémoire est constitué de trois parties: d’abord un survol des concepts de bases de l’apprentissage automatique et les détails nécessaires pour l’entraînement de réseaux de neurones, modèles qui se livrent bien à des architectures profondes. Ensuite, le premier article présente une application de l’apprentissage machine aux jeux vidéos, puis une méthode de mesure performance pour ceux-ci en tant que politique de décision. Finalement, le deuxième article présente des résultats théoriques concernant l’entraînement d’architectures profondes nonsupervisées. Les jeux vidéos sont un domaine particulièrement fertile pour l’apprentissage automatique: il estf facile d’accumuler d’importantes quantités de données, et les applications ne manquent pas. La formation d’équipes selon un critère donné est une tˆache commune pour les jeux en lignes. Le premier article compare différents algorithmes d’apprentissage à des réseaux de neurones profonds appliqués à la prédiction de la balance d’un match. Ensuite nous présentons une méthode par simulation pour évaluer les modèles ainsi obtenus utilisés dans le cadre d’une politique de décision en ligne. Dans un deuxième temps nous présentons une nouvelleméthode pour entraîner des modèles génératifs. Des résultats théoriques nous indiquent qu’il est possible d’entraîner par rétropropagation des modèles non-supervisés pouvant générer des échantillons qui suivent la distribution des données. Ceci est un résultat pertinent dans le cadre de la récente littérature scientifique investiguant les propriétés des autoencodeurs comme modèles génératifs. Ces résultats sont supportés avec des expériences qualitatives préliminaires ainsi que quelques résultats quantitatifs.

La régulation du commerce électronique global

Le déroulement du commerce électronique sur un marché global suscite de nombreux questionnements juridiques. D'une part, le droit est conçu à l'échelle nationale en fonction d'un milieu social tributaire de son histoire et de sa culture et d'autre part, le commerce électronique global présente des caractéristiques très singulières : dématérialisation, ubiquité et dimension transfrontalière. Or, une telle confrontation est susceptible de menacer la sécurité juridique des parties dans leurs transactions commerciales en ligne mais aussi la confiance nécessaire à leur développement. Les territoires nationaux, en limitant le pouvoir d’action effectif des États, pose un problème d’échelle : réglementer un phénomène global confronté à des souverainetés territoriales multiples. L’encadrement normatif du commerce électronique global se développe désormais, en partie, à un niveau extra étatique, confirmant l’érosion du monopole des États dans la régulation des rapports juridiques globalisés. La normativité devient le résultat d’un jeu normatif ouvert non seulement quant aux acteurs de la régulation, mais également quant à la qualification des normes impliquées dans cette régulation. Prenant la mesure de la complexité croissante de la normativité, les États interviennent pour tenter de concilier les pratiques nouvelles avec la règle de droit dans une logique de définition des règles du jeu et d’harmonisation du comportement des acteurs économiques. Les systèmes de droit nationaux apprennent à interagir avec des normes multiples de sources différentes. Cette évolution reflète l’articulation des dynamiques de mutation de la normativité avec le phénomène de globalisation du commerce électronique.

Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

Understanding Recreational Services of Urban Riverfront Space for Planning Purposes

In the process of urbanization, natural and semi-natural landscapes are increasingly cherished as open space and recreational resource. Urban rivers are part of this kind of resource and thus play an important role in managing urban resilience and health. Employing the example of Tianjin, this doctoral dissertation research aims at learning to understand how to plan and design for the interface zones between urban water courses and for the land areas adjacent to such water courses. This research also aims at learning how to link waterfront space with other urban space in order to make a recreational space system for the benefit of people. Five questions of this dissertation are: 1) what is the role of rivers in spatial and open space planning? 2) What are the human needs regarding outdoor open space? 3) How do river and water front spatial structures affect people's recreational activities? 4) How to define the recreational service of urban river and waterfront open space? 5) How might answering these question change planning and design of urban open space? Quantitative and qualitative empirical approaches were combined in this study for which literature review and theoretical explorations provide the basis. Empirical investigations were conducted in the city of Tianjin. The quantitative approach includes conducting 267 quantitative interviews, and the qualitative approach includes carrying out field observations and mappings. GIS served to support analysis and visualization of empirical information that was generated through this study. By responding to the five research questions, findings and lessons include the following: 1) In the course of time rivers have gained importance in all levels and scales of spatial planning and decision making. Regarding the development of ecological networks, mainly at national scale, rivers are considered significant linear elements. Regarding regional and comprehensive development, river basins and watersheds are often considered as the structural link for strategic ecological, economic, social and recreational planning. For purposes of urban planning, particularly regarding recreational services in cities, the distribution of urban open spaces often follows the structure of river systems. 2) For the purpose of classifying human recreational needs that relate to outdoor open space Maslow's hierarchy of human needs serves as theoretical basis. The classes include geographical, safety, physiological, social and aesthetic need. These classes serve as references while analyzing river and waterfront open space and other kinds of open space. 3) Regarding the question how river and waterfront spatial structures might affect people's recreational activities, eight different landscape units were identified and compared in the case study area. Considering the thermal conditions of Tianjin, one of these landscape units was identified as affording the optimal spatial arrangement which mostly meets recreational needs. The size and the shape of open space, and the plants present in an open space have been observed as being most relevant regarding recreational activities. 4) Regarding the recreational service of urban river and waterfront open space the results of this research suggest that the recreational service is felt less intensively as the distances between water 183 front and open space user’s places of residence are increasing. As a method for estimating this ‘Service Distance Effect’ the following formula may be used: Y = a*ebx. In this equation Y means the ‘Service Distance’ between homes and open space, and X means the percentage of the people who live within this service distance. Coefficient "a" represents the distance of the residential area nearest to the water front. The coefficient "b" is a comprehensive capability index that refers to the size of the available and suitable recreational area. 5) Answers found to the questions above have implications for the planning and design of urban open space. The results from the quantitative study of recreational services of waterfront open space were applied to the assessment of river-based open space systems. It is recommended that such assessments might be done employing the network analysis function available with any GIS. In addition, several practical planning and designing suggestions are made that would help remedy any insufficient base for satisfying recreational needs. The understanding of recreational need is considered helpful for the proposing planning and designing ideas and for the changing of urban landscapes. In the course of time Tianjin's urban water system has shrunk considerably. At the same time rivers and water courses have shaped Tianjin's urban structure in noticeable ways. In the process of urbanization water has become increasingly important to the citizens and their everyday recreations. Much needs to be changed in order to improve recreational opportunities and to better provide for a livable city, most importantly when considering the increasing number of old people. Suggestions made that are based on results of this study, might be implemented in Tianjin. They are 1) to promote the quality of the waterfront open space and to make all linear waterfront area accessible recreational spaces. Then, 2), it is advisable to advocate the concept of green streets and to combine green streets with river open space in order to form an everyday recreational network. And 3) any sound urban everyday recreational service made cannot rely on only urban rivers; the whole urban structure needs to be improved, including adding small open space and optimize the form of urban communities, finally producing a multi-functional urban recreational network.

Concurrent Aggregates (CA): An Object-Oriented Language for Fine-Grained Message-Passing Machines

Fine-grained parallel machines have the potential for very high speed computation. To program massively-concurrent MIMD machines, programmers need tools for managing complexity. These tools should not restrict program concurrency. Concurrent Aggregates (CA) provides multiple-access data abstraction tools, Aggregates, which can be used to implement abstractions with virtually unlimited potential for concurrency. Such tools allow programmers to modularize programs without reducing concurrency. I describe the design, motivation, implementation and evaluation of Concurrent Aggregates. CA has been used to construct a number of application programs. Multi-access data abstractions are found to be useful in constructing highly concurrent programs.

Alignment by Maximization of Mutual Information

A new information-theoretic approach is presented for finding the pose of an object in an image. The technique does not require information about the surface properties of the object, besides its shape, and is robust with respect to variations of illumination. In our derivation, few assumptions are made about the nature of the imaging process. As a result the algorithms are quite general and can foreseeably be used in a wide variety of imaging situations. Experiments are presented that demonstrate the approach registering magnetic resonance (MR) images with computed tomography (CT) images, aligning a complex 3D object model to real scenes including clutter and occlusion, tracking a human head in a video sequence and aligning a view-based 2D object model to real images. The method is based on a formulation of the mutual information between the model and the image called EMMA. As applied here the technique is intensity-based, rather than feature-based. It works well in domains where edge or gradient-magnitude based methods have difficulty, yet it is more robust than traditional correlation. Additionally, it has an efficient implementation that is based on stochastic approximation. Finally, we will describe a number of additional real-world applications that can be solved efficiently and reliably using EMMA. EMMA can be used in machine learning to find maximally informative projections of high-dimensional data. EMMA can also be used to detect and correct corruption in magnetic resonance images (MRI).

Generative Temporal Planning with Complex Processes

Autonomous vehicles are increasingly being used in mission-critical applications, and robust methods are needed for controlling these inherently unreliable and complex systems. This thesis advocates the use of model-based programming, which allows mission designers to program autonomous missions at the level of a coach or wing commander. To support such a system, this thesis presents the Spock generative planner. To generate plans, Spock must be able to piece together vehicle commands and team tactics that have a complex behavior represented by concurrent processes. This is in contrast to traditional planners, whose operators represent simple atomic or durative actions. Spock represents operators using the RMPL language, which describes behaviors using parallel and sequential compositions of state and activity episodes. RMPL is useful for controlling mobile autonomous missions because it allows mission designers to quickly encode expressive activity models using object-oriented design methods and an intuitive set of activity combinators. Spock also is significant in that it uniformly represents operators and plan-space processes in terms of Temporal Plan Networks, which support temporal flexibility for robust plan execution. Finally, Spock is implemented as a forward progression optimal planner that walks monotonically forward through plan processes, closing any open conditions and resolving any conflicts. This thesis describes the Spock algorithm in detail, along with example problems and test results.