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

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

Rôle de la vision pour le contrôle de la dynamique du mouvement lors d'un geste de pointage manuel chez l'adulte ainsi que chez l'enfant

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Confluence : Arts plastiques, élèves à risque et système proprioceptif

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

Contrôle postural et intégration sensorielle chez l’enfant en santé, chez l’adolescent atteint du syndrome Gilles de la Tourette ainsi que chez l’adulte atteint de la maladie de Huntington

Le contrôle postural et la perception des limites de la stabilité sont des processus complexes qui nécessitent le traitement et l’intégration d’informations sensorielles multimodales. Pendant l’enfance, le développement de la stabilité posturale s’effectue de façon non-monotonique. Plusieurs auteurs ont suggéré que ce profil non linéaire serait provoqué par une période de recalibration des systèmes sensoriels. Cette phase, nommée période de transition, est observée vers l’âge de 6-7 ans. Nous disposons toutefois de très peu d’information sur le rôle spécifique des afférences et des mécanismes d’intégration sensorielle au cours du développement postural. Les dysfonctions dans les noyaux gris centraux, telles que ceux observés dans la maladie de Parkinson, ont été associées à divers déficits dans le contrôle de la posture, dans le traitement et l’intégration sensoriel plus particulièrement, au niveau des informations proprioceptives. De plus, les limites fonctionnelles de la stabilité posturale des personnes atteintes de la maladie de Parkinson sont significativement réduites. Cependant, les connaissances concernant comment certaines pathologies des noyaux gris centraux, telles que le syndrome Gilles de la Tourette (SGT) et la maladie de Huntington (MH) affectent la capacité d’utiliser les informations sensorielles pour contrôler la posture demeurent à ce jour, incomplètes. Cette thèse porte sur le rôle des noyaux gris centraux dans les processus de traitements et d’intégration sensorielle, particulièrement les afférences proprioceptives dans le contrôle de la posture au cours du développement de l’enfant en santé, atteint du SGT et chez l’adulte atteint de la MH avec et sans symptôme clinique. Notre protocole expérimental a été testé chez ces trois populations (enfants en santé, SGT et MH). Nous avons utilisé des mesures quantitatives à partir de données issues d’une plateforme de force afin d’évaluer les ajustements posturaux dans les limites de la stabilité posturale. Les participants devaient s’incliner le plus loin possible dans quatre différentes directions (avant, arrière, droite et gauche) et maintenir l’inclinaison posturale maximale pendant 10 secondes. Afin de tester la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles, la tâche expérimentale a été exécutée dans trois conditions sensorielles : 1) yeux ouverts, 2) yeux fermés et 3) yeux fermés, debout sur une mousse. Ainsi, la contribution relative de la proprioception pour le contrôle postural augmente à travers les conditions sensorielles. Dans la première étude, nous avons évalué la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles avant (4 ans) et après (8-10 ans) la période de transition comparativement aux adultes. Dans la deuxième et la troisième étude, nous avons également évalué le traitement et l’intégration des informations sensorielles chez les patients atteints de désordres des noyaux gris centraux. La deuxième étude portera spécifiquement sur les adolescents atteints du SGT et la troisième, sur la MH avant et après l’apparition des symptômes cliniques. En somme, les résultats de la première étude ont démontré que la performance des enfants est affectée de façon similaire par les différentes conditions sensorielles avant et après la période de transition. Toutefois, le profil de développement des mécanismes responsables des ajustements posturaux de l’axe antéropostérieur est plus précoce comparativement à ceux de l’axe médiolatéral. Ainsi, nos résultats ne supportent pas l’hypothèse de la période de recalibration des systèmes sensoriels pendant cette période ontogénétique mais suggèrent que la période de transition peut être expliquée par la maturation précoce des mécanismes d’ajustements posturaux dans l’axe antéropostérieur. Dans l’ensemble, les résultats de nos études chez les populations atteintes de désordres des noyaux gris centraux (MH et SGT) démontrent non seulement qu’ils ont des déficits posturaux mais également que les ajustements posturaux dans les deux axes sont affectés par les conditions sensorielles. Pour la première fois, nos études démontrent des déficits globaux de traitements et d’intégration sensorielle accentués pour les signaux proprioceptifs. Ces résultats sont similaires à ceux observés dans la maladie de Parkinson. De plus, les adolescents atteints du SGT éprouvent également des troubles posturaux marqués dans la condition visuelle ce qui suggère des déficits d’intégrations visuelles et/ou multimodaux.

Rôle des informations proprioceptives dans l’équilibre à la marche chez les personnes en santé et hémiparétiques

L'utilisation des informations proprioceptives pour le contrôle de l’équilibre à la marche est encore mal comprise chez les sujets en santé ou hémiparétiques suite à un accident vasculaire cérébral. Le but de cette étude était d’évaluer le rôle des informations proprioceptives dans le maintien de l'équilibre à la marche chez les patients en santé et hémiparétiques. Une analyse de mouvement en trois dimensions a été faite chez treize participants en santé et six hémiparétiques qui marchaient sur un tapis roulant instrumenté pour déterminer leur difficulté à maintenir l’équilibre postural et dynamique, évaluée respectivement par les forces stabilisante et déstabilisante. Des vibrations étaient appliquées en continu ou pendant la phase d’appui sur les muscles postérieurs du cou et sur le triceps sural du côté non-dominant/parétique. La vibration continue ou à l’appui du triceps sural a diminué, chez les sujets en santé, la difficulté à maintenir l’équilibre dynamique et postural (p< 0,01), avec une position du corps plus en arrière, sans changement des paramètres temporels de marche. L'équilibre et les paramètres temporels de la marche n'étaient pas modifiés significativement par la vibration à la nuque (p>.17). Aucun effet des vibrations n'a été mesuré chez les patients hémiparétiques (p> 0,45). Les informations proprioceptives sont donc bien utilisées lors de la marche, mais leur rôle dépendrait des conditions de marche et des afférences visuelles disponibles. Un changement dans les capacités d’intégration expliquerait l'absence d'effet des vibrations chez les patients hémiparétiques. D’autres études sont nécessaires pour comprendre l’intégration des informations proprioceptives et visuelles dans le contrôle de l’équilibre à la marche.

Design and Control of an Anthropomorphic Robotic Finger with Multi-point Tactile Sensation

The goal of this research is to develop the prototype of a tactile sensing platform for anthropomorphic manipulation research. We investigate this problem through the fabrication and simple control of a planar 2-DOF robotic finger inspired by anatomic consistency, self-containment, and adaptability. The robot is equipped with a tactile sensor array based on optical transducer technology whereby localized changes in light intensity within an illuminated foam substrate correspond to the distribution and magnitude of forces applied to the sensor surface plane. The integration of tactile perception is a key component in realizing robotic systems which organically interact with the world. Such natural behavior is characterized by compliant performance that can initiate internal, and respond to external, force application in a dynamic environment. However, most of the current manipulators that support some form of haptic feedback either solely derive proprioceptive sensation or only limit tactile sensors to the mechanical fingertips. These constraints are due to the technological challenges involved in high resolution, multi-point tactile perception. In this work, however, we take the opposite approach, emphasizing the role of full-finger tactile feedback in the refinement of manual capabilities. To this end, we propose and implement a control framework for sensorimotor coordination analogous to infant-level grasping and fixturing reflexes. This thesis details the mechanisms used to achieve these sensory, actuation, and control objectives, along with the design philosophies and biological influences behind them. The results of behavioral experiments with a simple tactilely-modulated control scheme are also described. The hope is to integrate the modular finger into an %engineered analog of the human hand with a complete haptic system.

Programa de ejercicio físico dirigido a trabajadores del Sena seccional centro de gestión comercial, mercadeo y teleinformática

Las capacidades funcionales especialmente las físicas muestran una tendencia a la decadencia, justamente después de los 30 años, y se hacen mas evidentes después de los 45, estos eventos tienden a empeorar, si la demanda física es mayor después de esta edad y la intensidad del trabajo es alta. Por otro lado la percepción de los trabajadores apunta a que su mayor nivel de rendimiento se encuentra antes de los cincuenta años y que pocos años después su eficacia disminuye aproximadamente entre 15 y 25%. De tal manera que desde el punto de vista de la salud ocupacional el envejecimiento de los obreros se produce alrededor de los 45 a 50 años, razón por la cual se afirma que antes de esta edad es que se deben realizar acciones preventivas para disminuir los efectos de la edad y el estrés laboral. Teniendo en cuenta lo anterior se hace necesario generar la inquietud tanto en los trabajadores como en la institución a la cual ellos pertenecen acerca de la importancia de la planeación y aplicación de un programa de ejercicio dirigido a los empleados de esta sede y que esté vinculado directamente con el área de salud ocupacional de la misma, logrando la cooperación de los individuos y la institución con el fin de generar un ambiente de participación bidireccional, que permita llevar a cabo dicho programa dentro de la jornada laboral, generando beneficios a cada uno de los sectores aquí inmersos.

Differences between naïve and expert observers’ vergence and accommodative responses to a range of targets

Purpose: Vergence and accommodation studies often use adult participants with experience of vision science. Reports of infant and clinical responses are generally more variable and of lower gain, with the implication that differences lie in immaturity or sub-optimal clinical characteristics but expert/naïve differences are rarely considered or quantified. Methods: Sixteen undergraduates, naïve to vision science, were individually matched by age, visual acuity, refractive error, heterophoria, stereoacuity and near point of accommodation to second- and third-year orthoptics and optometry undergraduates (‘experts’). Accommodation and vergence responses were assessed to targets moving between 33 cm, 50 cm, 1 m and 2 m using a haploscopic device incorporating a PlusoptiX SO4 autorefractor. Disparity, blur and looming cues were separately available or minimised in all combinations. Instruction set was minimal. Results: In all cases, vergence and accommodation response slopes (gain) were steeper and closer to 1.0 in the expert group (p = 0.001), with the largest expert/naïve differences for both vergence and accommodation being for near targets (p = 0.012). For vergence, the differences between expert and naïve response slopes increased with increasingly open-loop targets (linear trend p = 0.025). Although we predicted that proximal cues would drive additional response in the experts, the proximity-only cue was the only condition that showed no statistical effect of experience. Conclusions: Expert observers provide more accurate responses to near target demand than closely matched naïve observers. We suggest that attention, practice, voluntary and proprioceptive effects may enhance responses in experienced participants when compared to a more typical general population. Differences between adult reports and the developmental and clinical literature may partially reflect expert/naïve effects, as well as developmental change. If developmental and clinical studies are to be compared to adult normative data, uninstructed naïve adult data should be used.

How active gaze informs the hand in sequential pointing movements

Visual information is vital for fast and accurate hand movements. It has been demonstrated that allowing free eye movements results in greater accuracy than when the eyes maintain centrally fixed. Three explanations as to why free gaze improves accuracy are: shifting gaze to a target allows visual feedback in guiding the hand to the target (feedback loop), shifting gaze generates ocular-proprioception which can be used to update a movement (feedback-feedforward), or efference copy could be used to direct hand movements (feedforward). In this experiment we used a double-step task and manipulated the utility of ocular-proprioceptive feedback from eye to head position by removing the second target during the saccade. We confirm the advantage of free gaze for sequential movements with a double-step pointing task and document eye-hand lead times of approximately 200 ms for both initial movements and secondary movements. The observation that participants move gaze well ahead of the current hand target dismisses foveal feedback as a major contribution. We argue for a feedforward model based on eye movement efference as the major factor in enabling accurate hand movements. The results with the double-step target task also suggest the need for some buffering of efference and ocular-proprioceptive signals to cope with the situation where the eye has moved to a location ahead of the current target for the hand movement. We estimate that this buffer period may range between 120 and 200 ms without significant impact on hand movement accuracy.

Optokinetic stimulation induces illusory movement of both out-of-the-body and on-the-body hand-held visual objects

The coding of body part location may depend upon both visual and proprioceptive information, and allows targets to be localized with respect to the body. The present study investigates the interaction between visual and proprioceptive localization systems under conditions of multisensory conflict induced by optokinetic stimulation (OKS). Healthy subjects were asked to estimate the apparent motion speed of a visual target (LED) that could be located either in the extrapersonal space (visual encoding only, V), or at the same distance, but stuck on the subject's right index finger-tip (visual and proprioceptive encoding, V-P). Additionally, the multisensory condition was performed with the index finger kept in position both passively (V-P passive) and actively (V-P active). Results showed that the visual stimulus was always perceived to move, irrespective of its out- or on-the-body location. Moreover, this apparent motion speed varied consistently with the speed of the moving OKS background in all conditions. Surprisingly, no differences were found between V-P active and V-P passive conditions in the speed of apparent motion. The persistence of the visual illusion during the active posture maintenance reveals a novel condition in which vision totally dominates over proprioceptive information, suggesting that the hand-held visual stimulus was perceived as a purely visual, external object despite its contact with the hand.

Performance statistics of a head-operated force-reflecting rehabilitation robot system

Researchers in the rehabilitation engineering community have been designing and developing a variety of passive/active devices to help persons with limited upper extremity function to perform essential daily manipulations. Devices range from low-end tools such as head/mouth sticks to sophisticated robots using vision and speech input. While almost all of the high-end equipment developed to date relies on visual feedback alone to guide the user providing no tactile or proprioceptive cues, the “low-tech” head/mouth sticks deliver better “feel” because of the inherent force feedback through physical contact with the user's body. However, the disadvantage of a conventional head/mouth stick is that it can only function in a limited workspace and the performance is limited by the user's strength. It therefore seems reasonable to attempt to develop a system that exploits the advantages of the two approaches: the power and flexibility of robotic systems with the sensory feedback of a headstick. The system presented in this paper reflects the design philosophy stated above. This system contains a pair of master-slave robots with the master being operated by the user's head and the slave acting as a telestick. Described in this paper are the design, control strategies, implementation and performance evaluation of the head-controlled force-reflecting telestick system.

A virtual headstick for people with spinal cord injuries

This paper presents a virtual headstick system as an alternative to the conventional passive headstick for persons with limited upper extremity function. The system is composed of a pair of kinematically dissimilar master-slave robots with the master robot being operated by the user's head. At the remote site, the end-effector of the slave robot moves as if it were at the tip of an imaginary headstick attached to the user's head. A unique feature of this system is that through force-reflection, the virtual headstick provides the user with proprioceptive information as in a conventional headstick, but with an augmentation of workspace volume and additional mechanical power. This paper describes the test-bed development, system identification, bilateral control implementation, and system performance evaluation.

A virtual head-stick rehabilitation robot system

For individuals with upper-extremity motor disabilities, the head-stick is a simple and intuitive means of performing manipulations because it provides direct proprioceptive information to the user. Through practice and use of inherent proprioceptive cues, users may become quite adept at using the head-stick for a number of different tasks. The traditional head-stick is limited, however, to the user's achievable range of head motion and force generation, which may be insufficient for many tasks. The authors describe an interface to a robot system which emulates the proprioceptive qualities of a traditional head-stick while also allowing for augmented end-effector ranges of force and motion. The design and implementation of the system in terms of coordinate transforms, bilateral telemanipulator architecture, safety systems, and system identification of the master is described, in addition to preliminary evaluation results.

Head-controlled assistive telerobot with extended physiological proprioception capability

People with disabilities such as quadriplegia can use mouth-sticks and head-sticks as extension devices to perform desired manipulations. These extensions provide extended proprioception which allows users to directly feel forces and other perceptual cues such as texture present at the tip of the mouth-stick. Such devices are effective for two principle reasons: because of their close contact with the user's tactile and proprioceptive sensing abilities; and because they tend to be lightweight and very stiff, and can thus convey tactile and kinesthetic information with high-bandwidth. Unfortunately, traditional mouth-sticks and head-sticks are limited in workspace and in the mechanical power that can be transferred because of user mobility and strength limitations. We describe an alternative implementation of the head-stick device using the idea of a virtual head-stick: a head-controlled bilateral force-reflecting telerobot. In this system the end-effector of the slave robot moves as if it were at the tip of an imaginary extension of the user's head. The design goal is for the system is to have the same intuitive operation and extended proprioception as a regular mouth-stick effector but with augmentation of workspace volume and mechanical power. The input is through a specially modified six DOF master robot (a PerForceTM hand-controller) whose joints can be back-driven to apply forces at the user's head. The manipulation tasks in the environment are performed by a six degree-of-freedom slave robot (the Zebra-ZEROTM) with a built-in force sensor. We describe the prototype hardware/software implementation of the system, control system design, safety/disability issues, and initial evaluation tasks.

Vision of the body and the differentiation of perceived body side in touch

Although tactile representations of the two body sides are initially segregated into opposite hemispheres of the brain, behavioural interactions between body sides exist and can be revealed under conditions of tactile double simultaneous stimulation (DSS) at the hands. Here we examined to what extent vision can affect body side segregation in touch. To this aim, we changed hand-related visual input while participants performed a go/no-go task to detect a tactile stimulus delivered to one target finger (e.g., right index), stimulated alone or with a concurrent non-target finger either on the same hand (e.g., right middle finger) or on the other hand (e.g., left index finger = homologous; left middle finger = non-homologous). Across experiments, the two hands were visible or occluded from view (Experiment 1), images of the two hands were either merged using a morphing technique (Experiment 2), or were shown in a compatible vs incompatible position with respect to the actual posture (Experiment 3). Overall, the results showed reliable interference effects of DSS, as compared to target-only stimulation. This interference varied as a function of which non-target finger was stimulated, and emerged both within and between hands. These results imply that the competition between tactile events is not clearly segregated across body sides. Crucially, non-informative vision of the hand affected overall tactile performance only when a visual/proprioceptive conflict was present, while neither congruent nor morphed hand vision affected tactile DSS interference. This suggests that DSS operates at a tactile processing stage in which interactions between body sides can occur regardless of the available visual input from the body.