Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Reconnaissance thématique à partir de textes dictés et Adaptation dynamique de modèles de langages thématiques

National audience

Inverse identification of the bending stiffness of a braided polyethylene twine subject to large deformation: application to the identification of the mesh opening rigidity of fishing nets.

The evaluation of the mesh opening stiffness of fishing nets is an important issue in assessing the selectivity of trawls. It appeared that a larger bending rigidity of twines decreases the mesh opening and could reduce the escapement of fish. Nevertheless, netting structure is complex. A netting is made up of braided twines made of polyethylene or polyamide. These twines are tied with non-symmetrical knots. Thus, these assemblies develop contact-friction interactions. Moreover, the netting can be subject to large deformation. In this study, we investigate the responses of netting samples to different types of solicitations. Samples are loaded and unloaded with creep and relaxation stages, with different boundary conditions. Then, two models have been developed: an analytical model and a finite element model. The last one was used to assess, with an inverse identification algorithm, the bending stiffness of twines. In this paper, experimental results and a model for netting structures made up of braided twines are presented. During dry forming of a composite, for example, the matrix is not present or not active, and relative sliding can occur between constitutive fibres. So an accurate modelling of the mechanical behaviour of fibrous material is necessary. This study offers experimental data which could permit to improve current models of contact-friction interactions [4], to validate models for large deformation analysis of fibrous materials [1] on a new experimental case, then to improve the evaluation of the mesh opening stiffness of a fishing net

Inverse kinematics for upper limb compound movement estimation in exoskeleton-assisted rehabilitation

Robot-Assisted Rehabilitation (RAR) is relevant for treating patients affected by nervous system injuries (e.g., stroke and spinal cord injury) -- The accurate estimation of the joint angles of the patient limbs in RAR is critical to assess the patient improvement -- The economical prevalent method to estimate the patient posture in Exoskeleton-based RAR is to approximate the limb joint angles with the ones of the Exoskeleton -- This approximation is rough since their kinematic structures differ -- Motion capture systems (MOCAPs) can improve the estimations, at the expenses of a considerable overload of the therapy setup -- Alternatively, the Extended Inverse Kinematics Posture Estimation (EIKPE) computational method models the limb and Exoskeleton as differing parallel kinematic chains -- EIKPE has been tested with single DOFmovements of the wrist and elbow joints -- This paper presents the assessment of EIKPEwith elbow-shoulder compoundmovements (i.e., object prehension) -- Ground-truth for estimation assessment is obtained from an optical MOCAP (not intended for the treatment stage) -- The assessment shows EIKPE rendering a good numerical approximation of the actual posture during the compoundmovement execution, especially for the shoulder joint angles -- This work opens the horizon for clinical studies with patient groups, Exoskeleton models, and movements types --

Geological realism in hydrogeological and geophysical inverse modeling: A review

Scientific curiosity, exploration of georesources and environmental concerns are pushing the geoscientific research community toward subsurface investigations of ever-increasing complexity. This review explores various approaches to formulate and solve inverse problems in ways that effectively integrate geological concepts with geophysical and hydrogeological data. Modern geostatistical simulation algorithms can produce multiple subsurface realizations that are in agreement with conceptual geological models and statistical rock physics can be used to map these realizations into physical properties that are sensed by the geophysical or hydrogeological data. The inverse problem consists of finding one or an ensemble of such subsurface realizations that are in agreement with the data. The most general inversion frameworks are presently often computationally intractable when applied to large-scale problems and it is necessary to better understand the implications of simplifying (1) the conceptual geological model (e.g., using model compression); (2) the physical forward problem (e.g., using proxy models); and (3) the algorithm used to solve the inverse problem (e.g., Markov chain Monte Carlo or local optimization methods) to reach practical and robust solutions given today's computer resources and knowledge. We also highlight the need to not only use geophysical and hydrogeological data for parameter estimation purposes, but also to use them to falsify or corroborate alternative geological scenarios.

Effect of hamstring injuries on kicking in soccer using inverse dynamics

Las lesiones musculares del muslo tienen una gran incidencia en el fútbol. El objetivo del estudio ha sido desarrollar un nuevo procedimiento para evaluar el efecto de las lesiones de isquiotibiales en los golpeos con el pie s en el fútbol utilizando los principios de la dinámica inversa. El trabajo se ha centrado en la evaluación de la diferencia entre sujetos que habían sufrido la lesión en los últimos 5 años y los que no. Se analizaron 17 jugadores de fútbol profesionales realizando cinco tiros con el empeine y cinco con el interior del pie. Los movimientos se registraron mediante una plataforma de fuerza y un sistema de captura de movimiento Vicon funcionando a 500Hz. Los participantes también tomaron parte en una prueba de isocinético en la que se midió el torque isocinético en 60 º/s y 120 º/s. Se observaron diferencias significativas en los parámetros cinemáticos y cinéticos entre los dos grupos (lesionados y no lesionados) en la fase posterior del golpeo y en el instante de máxima flexión de cadera. No se encontraron diferencias significativas entre los dos grupos en la prueba isocinética tradicional. Estos resultados indican que el procedimiento empleado probablemente podría ser muy útil en la evaluación del efecto de las lesiones de isquiotibiales en el fútbol.

Inverse Spectral Methods in Acoustic Normal Mode Velocimetry of High Reynolds Number Spherical Couette Flows

Experimental geophysical fluid dynamics often examines regimes of fluid flow infeasible for computer simulations. Velocimetry of zonal flows present in these regimes brings many challenges when the fluid is opaque and vigorously rotating; spherical Couette flows with molten metals are one such example. The fine structure of the acoustic spectrum can be related to the fluid’s velocity field, and inverse spectral methods can be used to predict and, with sufficient acoustic data, mathematically reconstruct the velocity field. The methods are to some extent inherited from helioseismology. This work develops a Finite Element Method suitable to matching the geometries of experimental setups, as well as modelling the acoustics based on that geometry and zonal flows therein. As an application, this work uses the 60-cm setup Dynamo 3.5 at the University of Maryland Nonlinear Dynamics Laboratory. Additionally, results obtained using a small acoustic data set from recent experiments in air are provided.

Distance and overcurrent relay coordination considering non standardized inverse time curves

Protective relaying comprehends several procedures and techniques focused on maintaining the power system working safely during and after undesired and abnormal network conditions, mostly caused by faulty events. Overcurrent relay is one of the oldest protective relays, its operation principle is straightforward: when the measured current is greater than a specified magnitude the protection trips; less variables are required from the system in comparison with other protections, causing the overcurrent relay to be the simplest and also the most difficult protection to coordinate; its simplicity is reflected in low implementation, operation, and maintenance cost. The counterpart consists in the increased tripping times offered by this kind of relays mostly before faults located far from their location; this problem can be particularly accentuated when standardized inverse-time curves are used or when only maximum faults are considered to carry out relay coordination. These limitations have caused overcurrent relay to be slowly relegated and replaced by more sophisticated protection principles, it is still widely applied in subtransmission, distribution, and industrial systems. In this work, the use of non standardized inverse-time curves, the model and implementation of optimization algorithms capable to carry out the coordination process, the use of different levels of short circuit currents, and the inclusion of distance relays to replace insensitive overcurrent ones are proposed methodologies focused on the overcurrent relay performance improvement. These techniques may transform the typical overcurrent relay into a more sophisticated one without changing its fundamental principles and advantages. Consequently a more secure and still economical alternative can be obtained, increasing its implementation area

Détection de mouvements dans des séquences d’images basée sur la dynamique de supraconductivité

Le but de ce travail est d’étudier la faisabilité de la détection de mouvements dans des séquences d’images en utilisant l’équation de continuité et la dynamique de supraconductivité. Notre approche peut être motivée par le fait que l’équation de continuité apparait dans plusieurs techniques qui estiment le flot optique. Un grand nombre de techniques qui utilisent les flots optiques utilisent une contrainte appelée contrainte de l’invariance lumineuse. La dynamique de supraconductivité nous permet de nous affranchir de la contrainte de l’invariance lumineuse. Les expériences se feront avec la base de données de séquences d’images CDNET 2014. Pour obtenir les résultats numériques en terme de score F1, une combinaison sera faite par la suite entre la dynamique de supraconductivité et un méchanisme d’attention qui est un résumé des vérites de terrain.

Étude sur la sécurité dynamique : le cas de Cité-des-Prairies

Travail dirigé présenté à la Faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.) en criminologie option sécurité intérieure

STUDY OF A DIRECT SAMPLING METHOD FOR THE INVERSE MEDIUM SCATTERING PROBLEM

Direct sampling methods are increasingly being used to solve the inverse medium scattering problem to estimate the shape of the scattering object. A simple direct method using one incident wave and multiple measurements was proposed by Ito, Jin and Zou. In this report, we performed some analytic and numerical studies of the direct sampling method. The method was found to be effective in general. However, there are a few exceptions exposed in the investigation. Analytic solutions in different situations were studied to verify the viability of the method while numerical tests were used to validate the effectiveness of the method.

Minor and major consolidations in inverse DEA:definition and determination

Many production systems have acquisition and merge operations to increase productivity. This paper proposes a novel method to anticipate whether a merger in a market is generating a major or a minor consolidation, using InvDEA model. A merger between two or more decision making units (DMUs) producing a single merged DMU that affects the efficiency frontier, defined by the pre-consolidation market conditions, is called a major consolidation. The corresponding alternative case is called a minor consolidation. A necessary and sufficient condition to distinguish the two types of consolidations is proven and two numerical illustrations in banking and supply chain management are discussed. The crucial importance of anticipating the magnitude of a consolidation in a market is outlined.