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.

Predictive Analytics and Decision Support for Heart Failure patients

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Searching for Predictive Subgroups

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Geometric versus Model Predictive Control based guidance algorithms for fixed-wing UAVs in the presence of very strong wind fields.

The recent years have witnessed increased development of small, autonomous fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In order to unlock widespread applicability of these platforms, they need to be capable of operating under a variety of environmental conditions. Due to their small size, low weight, and low speeds, they require the capability of coping with wind speeds that are approaching or even faster than the nominal airspeed. In this thesis, a nonlinear-geometric guidance strategy is presented, addressing this problem. More broadly, a methodology is proposed for the high-level control of non-holonomic unicycle-like vehicles in the presence of strong flowfields (e.g. winds, underwater currents) which may outreach the maximum vehicle speed. The proposed strategy guarantees convergence to a safe and stable vehicle configuration with respect to the flowfield, while preserving some tracking performance with respect to the target path. As an alternative approach, an algorithm based on Model Predictive Control (MPC) is developed, and a comparison between advantages and disadvantages of both approaches is drawn. Evaluations in simulations and a challenging real-world flight experiment in very windy conditions confirm the feasibility of the proposed guidance approach.

A predictive computational fluid dynamics study of carotid artery

Abstract not available

Temperature regulation of a pilot-scale batch reaction system via explicit model predictive control

In this paper, the temperature of a pilot-scale batch reaction system is modeled towards the design of a controller based on the explicit model predictive control (EMPC) strategy -- Some mathematical models are developed from experimental data to describe the system behavior -- The simplest, yet reliable, model obtained is a (1,1,1)-order ARX polynomial model for which the mentioned EMPC controller has been designed -- The resultant controller has a reduced mathematical complexity and, according to the successful results obtained in simulations, will be used directly on the real control system in a next stage of the entire experimental framework

A matlab-based toolbox for the simulation and design of L1 adaptive controllers

This thesis introduces the L1 Adaptive Control Toolbox, a set of tools implemented in Matlab that aid in the design process of an L1 adaptive controller and enable the user to construct simulations of the closed-loop system to verify its performance. Following a brief review of the existing theory on L1 adaptive controllers, the interface of the toolbox is presented, including a description of the functions accessible to the user. Two novel algorithms for determining the required sampling period of a piecewise constant adaptive law are presented and their implementation in the toolbox is discussed. The detailed description of the structure of the toolbox is provided as well as a discussion of the implementation of the creation of simulations. Finally, the graphical user interface is presented and described in detail, including the graphical design tools provided for the development of the filter C(s). The thesis closes with suggestions for further improvement of the toolbox.

Development and Application of Predictive Models for Survival, Growth, and Death of Enteric Pathogens in Leafy Greens Supply Chain

Leafy greens are essential part of a healthy diet. Because of their health benefits, production and consumption of leafy greens has increased considerably in the U.S. in the last few decades. However, leafy greens are also associated with a large number of foodborne disease outbreaks in the last few years. The overall goal of this dissertation was to use the current knowledge of predictive models and available data to understand the growth, survival, and death of enteric pathogens in leafy greens at pre- and post-harvest levels. Temperature plays a major role in the growth and death of bacteria in foods. A growth-death model was developed for Salmonella and Listeria monocytogenes in leafy greens for varying temperature conditions typically encountered during supply chain. The developed growth-death models were validated using experimental dynamic time-temperature profiles available in the literature. Furthermore, these growth-death models for Salmonella and Listeria monocytogenes and a similar model for E. coli O157:H7 were used to predict the growth of these pathogens in leafy greens during transportation without temperature control. Refrigeration of leafy greens meets the purposes of increasing their shelf-life and mitigating the bacterial growth, but at the same time, storage of foods at lower temperature increases the storage cost. Nonlinear programming was used to optimize the storage temperature of leafy greens during supply chain while minimizing the storage cost and maintaining the desired levels of sensory quality and microbial safety. Most of the outbreaks associated with consumption of leafy greens contaminated with E. coli O157:H7 have occurred during July-November in the U.S. A dynamic system model consisting of subsystems and inputs (soil, irrigation, cattle, wildlife, and rainfall) simulating a farm in a major leafy greens producing area in California was developed. The model was simulated incorporating the events of planting, irrigation, harvesting, ground preparation for the new crop, contamination of soil and plants, and survival of E. coli O157:H7. The predictions of this system model are in agreement with the seasonality of outbreaks. This dissertation utilized the growth, survival, and death models of enteric pathogens in leafy greens during production and supply chain.

Robust CDM and pole placement PID based thrust controllers for multirotor motor-rotor simplified model

Positioning and orientation precision of a multirotor aerial robot can be increased by using additional control loops for each of the driving units. As a result, one can eliminate lack of balance between true thrust forces. A control performance comparison of two proposed thrust controllers, namely robust controller designed with coefficient diagram method (CDM) and proportional, integral and derivative (PID) controller tuned with pole-placement law, is presented in the paper. The research has been conducted with respect to model/plant matching uncertainty and with the use of antiwindup compensators for a simple motor-rotor model approximated by first-order inertia plus delay. From the obtained simulation results one concludes that appropriate choice of AWC compensator improves tracking performance and increases robustness against parametric uncertainty.

Predictive Models for Tomato Spotted Wilt Virus Spread Dynamics, Considering Frankliniella occidentalis Specific Life Processes as Influenced by the Virus

Several models have been studied on predictive epidemics of arthropod vectored plant viruses in an attempt to bring understanding to the complex but specific relationship between the three cornered pathosystem (virus, vector and host plant), as well as their interactions with the environment. A large body of studies mainly focuses on weather based models as management tool for monitoring pests and diseases, with very few incorporating the contribution of vector's life processes in the disease dynamics, which is an essential aspect when mitigating virus incidences in a crop stand. In this study, we hypothesized that the multiplication and spread of tomato spotted wilt virus (TSWV) in a crop stand is strongly related to its influences on Frankliniella occidentalis preferential behavior and life expectancy. Model dynamics of important aspects in disease development within TSWV-F. occidentalis-host plant interactions were developed, focusing on F. occidentalis' life processes as influenced by TSWV. The results show that the influence of TSWV on F. occidentalis preferential behaviour leads to an estimated increase in relative acquisition rate of the virus, and up to 33% increase in transmission rate to healthy plants. Also, increased life expectancy; which relates to improved fitness, is dependent on the virus induced preferential behaviour, consequently promoting multiplication and spread of the virus in a crop stand. The development of vector-based models could further help in elucidating the role of tri-trophic interactions in agricultural disease systems. Use of the model to examine the components of the disease process could also boost our understanding on how specific epidemiological characteristics interact to cause diseases in crops. With this level of understanding we can efficiently develop more precise control strategies for the virus and the vector.