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.

Réactions des bébés au chant et à la parole : impacts sur l’attention et l’affect

Les parents à travers le monde chantent et parlent à leurs bébés. Ces deux types de vocalisations aux enfants préverbaux partagent plusieurs similarités de même que des différences, mais leurs conséquences sur les bébés demeurent méconnues. L’objectif de cette thèse était de documenter l’efficacité relative du chant et de la parole à capter l’attention des bébés sur de courtes périodes de temps (Étude 1) ainsi qu’à réguler l’affect des bébés en maintenant un état de satisfaction sur une période de temps prolongée (Étude 2). La première étude a exploré les réactions attentionnelles des bébés exposés à des enregistrements audio non familiers de chant et de parole. Lors de l’expérience 1, des bébés de 4 à 13 mois ont été exposés à de la parole joyeuse s’adressant au bébé (séquences de syllabes) et des berceuses fredonnées par la même femme. Ils ont écouté significativement plus longtemps la parole, qui contenait beaucoup plus de variabilité acoustique et d’expressivité que les berceuses. Dans l’expérience 2, des bébés d’âges comparables n’ont montré aucune écoute différentielle face à une version parlée ou chantée d’une chanson pour enfant turque, les deux versions étant exprimées de façon joyeuse / heureuse. Les bébés de l’expérience 3, ayant entendu la version chantée de la chanson turque ainsi qu’une version parlée de façon affectivement neutre ou s’adressant à l’adulte, ont écouté significativement plus longtemps la version chantée. Dans l’ensemble, la caractéristique vocale joyeuse plutôt que le mode vocal (chanté versus parlé) était le principal déterminant de l’attention du bébé, indépendamment de son âge. Dans la seconde étude, la régulation affective des bébés a été explorée selon l’exposition à des enregistrements audio non familiers de chant ou de parole. Les bébés ont été exposés à du chant ou de la parole jusqu’à ce qu’ils rencontrent un critère d’insatisfaction exprimée dans le visage. Lors de l’expérience 1, des bébés de 7 à 10 mois ont écouté des enregistrements de paroles s’adressant au bébé, de paroles s’adressant à l’adulte ou du chant dans une langue non familière (turque). Les bébés ont écouté le chant près de deux fois plus longtemps que les paroles avant de manifester de l’insatisfaction. Lors de l’expérience 2, des bébés ont été exposés à des enregistrements de paroles ou de chants issus d’interactions naturelles entre la mère et son bébé, dans une langue familière. Comme dans l’expérience 1, le chant s’adressant au bébé était considérablement plus efficace que les paroles pour retarder l’apparition du mécontentement. La construction temporelle du chant, avec notamment son rythme régulier, son tempo stable et ses répétitions, pourrait jouer un rôle important dans la régulation affective, afin de soutenir l’attention, rehausser la familiarité ou promouvoir l’écoute prédictive et l’entraînement. En somme, les études présentées dans cette thèse révèlent, pour la première fois, que le chant est un outil parental puissant, tout aussi efficace que la parole pour capter l’attention et plus efficace que la parole pour maintenir les bébés dans un état paisible. Ces découvertes soulignent l’utilité du chant dans la vie quotidienne et l’utilité potentielle du chant dans des contextes thérapeutiques variés impliquant des bébés.

Un drone marin écoresponsable vogue en Nouvelle-Calédonie

This text presents and explicits the story of a marine drone: the Wave Glider, designed and developed by Liquid Robotics, an American company of the Silicon Valley. The text specifies its functioning, directly dependent on energies that are the swell and the sun and its technical characteristics authorizing a set of measures of in situ parameters (sea temperature, salinity, currents, marine acoustics, video but also meteorological data acquisitions). A set of scientific or operational applications is also introduced. A detail is supplied on the first experience led in New Caledonia: inaugural mission of the drone Wave Glider, property of the Company Assystem, for a route between Nouméa and Lifou and return. Several perspectives of use of such a tool in New Caledonia and in the Pacific are proposed.

Governança de recursos de base comum e capacidade adaptativa de comunidades de fundos de pasto

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Centro de Desenvolvimento Sustentável, 2015.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Effet de la douleur expérimentale tonique sur l’acquisition et la rétention d’une adaptation locomotrice

Introduction : Une proportion importante des individus ayant recours à des services de réadaptation physique vit avec de la douleur et des incapacités locomotrices. Plusieurs interventions proposées par les professionnels de la réadaptation afin de cibler leurs difficultés locomotrices nécessitent des apprentissages moteurs. Toutefois, très peu d’études ont évalué l’influence de la douleur sur l’apprentissage moteur et aucune n’a ciblé l’apprentissage d’une nouvelle tâche locomotrice. L’objectif de la thèse était d’évaluer l’influence de stimulations nociceptives cutanée et musculaire sur l’acquisition et la rétention d’une adaptation locomotrice. Méthodologie : Des individus en santé ont participé à des séances de laboratoire lors de deux journées consécutives. Lors de chaque séance, les participants devaient apprendre à marcher le plus normalement possible en présence d’un champ de force perturbant les mouvements de leur cheville, produit par une orthèse robotisée. La première journée permettait d’évaluer le comportement des participants lors de la phase d’acquisition de l’apprentissage. La seconde journée permettait d’évaluer leur rétention. Selon le groupe expérimental, l’apprentissage se faisait en présence d’une stimulation nociceptive cutanée, musculaire ou d’aucune stimulation (groupe contrôle). Initialement, l’application du champ de force provoquait d’importantes déviations des mouvements de la cheville (i.e. erreurs de mouvement), que les participants apprenaient graduellement à réduire en compensant activement la perturbation. L’erreur de mouvement moyenne durant la phase d’oscillation (en valeur absolue) a été quantifiée comme indicateur de performance. Une analyse plus approfondie des erreurs de mouvement et de l’activité musculaire a permis d’évaluer les stratégies motrices employées par les participants. Résultats : Les stimulations nociceptives n’ont pas affecté la performance lors de la phase d’acquisition de l’apprentissage moteur. Cependant, en présence de douleur, les erreurs de mouvement résiduelles se trouvaient plus tard dans la phase d’oscillation, suggérant l’utilisation d’une stratégie motrice moins anticipatoire que pour le groupe contrôle. Pour le groupe douleur musculaire, cette stratégie était associée à une activation précoce du muscle tibial antérieur réduite. La présence de douleur cutanée au Jour 1 interférait avec la performance des participants au Jour 2, lorsque le test de rétention était effectué en absence de douleur. Cet effet n’était pas observé lorsque la stimulation nociceptive cutanée était appliquée les deux jours, ou lorsque la douleur au Jour 1 était d’origine musculaire. Conclusion : Les résultats de cette thèse démontrent que dans certaines circonstances la douleur peut influencer de façon importante la performance lors d’un test de rétention d’une adaptation locomotrice, malgré une performance normale lors de la phase d’acquisition. Cet effet, observé uniquement avec la douleur cutanée, semble cependant plus lié au changement de contexte entre l’acquisition des habiletés motrices et le test de rétention (avec vs. sans douleur) qu’à une interférence directe avec la consolidation des habiletés motrices. Par ailleurs, malgré l’absence d’influence de la douleur sur la performance des participants lors de la phase d’acquisition de l’apprentissage, les stratégies motrices utilisées par ceux-ci étaient différentes de celles employées par le groupe contrôle.

Étude Numérique d'identification des sources acoustiques d'une pale de ventilateur

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.