L’influence d’un contexte virtuel sur les processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle

L’objectif principal de la présente thèse était de déterminer les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité des processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. De nos jours, les mouvements d’atteinte manuelle réalisés dans un environnement virtuel (déplacer une souris d’ordinateur pour contrôler un curseur à l’écran, par exemple) sont devenus chose commune. Par comparaison aux mouvements réalisés en contexte naturel (appuyer sur le bouton de mise en marche de l’ordinateur), ceux réalisés en contexte virtuel imposent au système nerveux central des contraintes importantes parce que l’information visuelle et proprioceptive définissant la position de l’effecteur n’est pas parfaitement congruente. Par conséquent, la présente thèse s’articule autour des effets d’un contexte virtuel sur le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle. Dans notre premier article, nous avons tenté de déterminer si des facteurs tels que (a) la quantité de pratique, (b) l’orientation du montage virtuel (aligné vs. non-aligné) ou encore (c) l’alternance d’un essai réalisé avec et sans la vision de l’effecteur pouvaient augmenter l’efficacité des processus de contrôle en ligne de mouvement réalisés en contexte virtuel. Ces facteurs n’ont pas influencé l’efficacité des processus de contrôle de mouvements réalisés en contexte virtuel, suggérant qu’il est difficile d’optimiser le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle lorsque ceux-ci sont réalisés dans un contexte virtuel. L’un des résultats les plus surprenants de cette étude est que nous n’avons pas rapporté d’effet concernant l’orientation de l’écran sur la performance des participants, ce qui était en contradiction avec la littérature existante sur ce sujet. L’article 2 avait pour but de pousser plus en avant notre compréhension du contrôle du mouvement réalisé en contexte virtuel et naturel. Dans le deuxième article, nous avons mis en évidence les effets néfastes d’un contexte virtuel sur le contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. Plus précisément, nous avons observé que l’utilisation d’un montage non-aligné (écran vertical/mouvement sur un plan horizontal) pour présenter l’information visuelle résultait en une importante diminution de la performance comparativement à un montage virtuel aligné et un montage naturel. Nous avons aussi observé une diminution de la performance lorsque les mouvements étaient réalisés dans un contexte virtuel aligné comparativement à un contexte naturel. La diminution de la performance notée dans les deux conditions virtuelles s’expliquait largement par une réduction de l’efficacité des processus de contrôle en ligne. Nous avons donc suggéré que l’utilisation d’une représentation virtuelle de la main introduisait de l’incertitude relative à sa position dans l’espace. Dans l’article 3, nous avons donc voulu déterminer l’origine de cette incertitude. Dans ce troisième article, deux hypothèses étaient à l’étude. La première suggérait que l’augmentation de l’incertitude rapportée dans le contexte virtuel de la précédente étude était due à une perte d’information visuelle relative à la configuration du bras. La seconde suggérait plutôt que l’incertitude provenait de l’information visuelle et proprioceptive qui n’est pas parfaitement congruente dans un contexte virtuel comparativement à un contexte naturel (le curseur n’est pas directement aligné avec le bout du doigt, par exemple). Les données n’ont pas supporté notre première hypothèse. Plutôt, il semble que l’incertitude soit causée par la dissociation de l’information visuelle et proprioceptive. Nous avons aussi démontré que l’information relative à la position de la main disponible sur la base de départ influence largement les processus de contrôle en ligne, même lorsque la vision de l’effecteur est disponible durant le mouvement. Ce résultat suggère que des boucles de feedback interne utilisent cette information afin de moduler le mouvement en cours d’exécution.

Impedance control is tuned to multiple directions of movement

Humans are able to learn tool-handling tasks, such as carving, demonstrating their competency to make and vary the direction of movements in unstable environments. It has been shown that when a single reaching movement is repeated in unstable dynamics, the central nervous system (CNS) learns an impedance internal model to compensate for the environment instability. However, there is still no explanation for how humans can learn to move in various directions in such environments. In this study, we investigated whether and how humans compensate for instability while learning two different reaching movements simultaneously. Results show that when performing movements in two different directions, separated by a 35° angle, the CNS was able to compensate for the unstable dynamics. After adaptation, the force was found to be similar to the free movement condition, but stiffness increased in the direction of instability, specifically for each direction of movement. Our findings suggest that the CNS either learned an internal model generalizing over different movements, or alternatively that it was able to switch between specific models acquired simultaneously. © 2008 IEEE.

A Self-Organizing Neural Model of Motor Equivalent Reaching and Tool Use by a Multijoint Arm

This paper describes a self-organizing neural model for eye-hand coordination. Called the DIRECT model, it embodies a solution of the classical motor equivalence problem. Motor equivalence computations allow humans and other animals to flexibly employ an arm with more degrees of freedom than the space in which it moves to carry out spatially defined tasks under conditions that may require novel joint configurations. During a motor babbling phase, the model endogenously generates movement commands that activate the correlated visual, spatial, and motor information that are used to learn its internal coordinate transformations. After learning occurs, the model is capable of controlling reaching movements of the arm to prescribed spatial targets using many different combinations of joints. When allowed visual feedback, the model can automatically perform, without additional learning, reaches with tools of variable lengths, with clamped joints, with distortions of visual input by a prism, and with unexpected perturbations. These compensatory computations occur within a single accurate reaching movement. No corrective movements are needed. Blind reaches using internal feedback have also been simulated. The model achieves its competence by transforming visual information about target position and end effector position in 3-D space into a body-centered spatial representation of the direction in 3-D space that the end effector must move to contact the target. The spatial direction vector is adaptively transformed into a motor direction vector, which represents the joint rotations that move the end effector in the desired spatial direction from the present arm configuration. Properties of the model are compared with psychophysical data on human reaching movements, neurophysiological data on the tuning curves of neurons in the monkey motor cortex, and alternative models of movement control.

Differential contributions of the mIPS and PMd in the movement planning of reaches investigated through HD-tDCS

To reach for a target, we must formulate a movement plan - a difference vector of the target position with respect to the starting hand position. While it is known that the medial part of the intraparietal sulcus (mIPS) and the dorsal premotor (PMd) activity reflects aspects of a kinematic plan for a reaching movement, it is unclear whether or how the two regions may differ. We investigated the functional roles of the mIPS and PMd in the planning of reaching movements using high definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) and examined changes in horizontal endpoint error when participants were subjected to anodal and cathodal stimulation. The left mIPS and PMd were functionally localized with fMRI in each participant using an interleaved center-out pointing and saccade task and mapped onto the scalp using Brainsight. We adopted a randomized, single-blind design and applied anodal and cathodal stimulation (2mA for 20 min; 3cm radius 4x1 electrode placement) during 4 separate visits scheduled at least a week apart. Each participant performed 250 baseline, stimulation, and post-stimulation memory-guided reaches starting from one of two initial hand positions (IHPs) to one of 4 briefly flashed targets (20 cm distant, 5 cm apart horizontally) while fixating on a straight-ahead cross located at the target line. Separate 2-way repeated measures ANOVAs of horizontal endpoint error difference after cathodal tDCS at each stimulation site revealed a significant IHP by target position interaction effect at the left mIPS, and significant IHP and target main effects at the left PMd. Behaviorally, these effects corresponded to IHP-dependent contractions after cathodal mIPS tDCS and IHP-independent contractions after cathodal PMd tDCS. These results suggest that the movement vector is not yet formed at the input level of mIPS, but is encoded at the input of PMd. These results also indicate that tDCS is a viable, useful method in investigating movement planning properties through temporary perturbations of the system.

Motor effort alters changes of mind in sensorimotor decision making.

After committing to an action, a decision-maker can change their mind to revise the action. Such changes of mind can even occur when the stream of information that led to the action is curtailed at movement onset. This is explained by the time delays in sensory processing and motor planning which lead to a component at the end of the sensory stream that can only be processed after initiation. Such post-initiation processing can explain the pattern of changes of mind by asserting an accumulation of additional evidence to a criterion level, termed change-of-mind bound. Here we test the hypothesis that physical effort associated with the movement required to change one's mind affects the level of the change-of-mind bound and the time for post-initiation deliberation. We varied the effort required to change from one choice target to another in a reaching movement by varying the geometry of the choice targets or by applying a force field between the targets. We show that there is a reduction in the frequency of change of mind when the separation of the choice targets would require a larger excursion of the hand from the initial to the opposite choice. The reduction is best explained by an increase in the evidence required for changes of mind and a reduced time period of integration after the initial decision. Thus the criteria to revise an initial choice is sensitive to energetic costs.

Quand l’action surpasse la perception : rôle de la vision et de la proprioception dans la perception et le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main

Cette recherche a pour but d’évaluer le rôle de la vision et de la proprioception pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main chez l’humain. L’orientation spatiale de la main est une composante importante des mouvements d’atteinte et de saisie. Toutefois, peu d’attention a été portée à l’étude de l’orientation spatiale de la main dans la littérature. À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer spécifiquement l’influence des informations sensorielles et de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle en temps réel de l'orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le premier objectif était d’étudier la contribution de la vision et de la proprioception dans des tâches de perception et de mouvement d’orientation de la main. Dans la tâche de perception (orientation-matching task), les sujets devaient passivement ou activement aligner une poignée de forme rectangulaire avec une cible fixée dans différentes orientations. Les rotations de l’avant-bras et du poignet étaient soit imposées par l’expérimentateur, soit effectuées par les sujets. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées (letter posting task 1), les sujets ont réalisé des mouvements d’atteinte et de rotation simultanées de la main afin d’insérer la poignée rectangulaire dans une fente fixée dans les mêmes orientations. Les tâches ont été réalisées dans différentes conditions sensorielles où l’information visuelle de la cible et de la main était manipulée. Dans la tâche perceptive, une augmentation des erreurs d’orientation de la main a été observée avec le retrait des informations visuelles concernant la cible et/ou ou la main. Lorsque la vision de la main n’était pas permise, il a généralement été observé que les erreurs d’orientation de la main augmentaient avec le degré de rotation nécessaire pour aligner la main et la cible. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées, les erreurs ont également augmenté avec le retrait des informations visuelles. Toutefois, les patrons d’erreurs étaient différents de ceux observés dans la tâche de perception, et les erreurs d’orientation n’ont pas augmenté avec le degré de rotation nécessaire pour insérer la poignée dans la fente. En absence de vision de la main, il a été observé que les erreurs d’orientation étaient plus petites dans la tâche de mouvement que de perception, suggérant l’implication de la proprioception pour le contrôle de l’orientation spatiale de la main lors des mouvements d’orientation et d’atteinte simultanées. Le deuxième objectif de cette recherche était d’étudier l’influence de la vision et de la proprioception dans le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main. Dans une tâche d’orientation de la main suivie d’une atteinte manuelle (letter posting task 2), les sujets devaient d’abord aligner l’orientation de la même poignée avec la fente fixée dans les mêmes orientations, puis réaliser un mouvement d’atteinte sans modifier l’orientation initiale de la main. Une augmentation des erreurs initiales et finales a été observée avec le retrait des informations visuelles. Malgré la consigne de ne pas changer l’orientation initiale de la main, une diminution des erreurs d’orientation a généralement été observée suite au mouvement d’atteinte, dans toutes les conditions sensorielles testées. Cette tendance n’a pas été observée lorsqu’aucune cible explicite n’était présentée et que les sujets devaient conserver l’orientation de départ de la main pendant le mouvement d’atteinte (mouvement intransitif; letter-posting task 3). La diminution des erreurs pendant l’atteinte manuelle transitive vers une cible explicite (letter-posting task 2), malgré la consigne de ne pas changer l’orientation de la main pendant le mouvement, suggère un mécanisme de corrections automatiques pour le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le troisième objectif de cette recherche était d’évaluer la contribution de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main. Des sujets aveugles ont été testés dans les mêmes tâches de perception et de mouvement. De manière générale, les sujets aveugles ont présenté les mêmes tendances que les sujets voyants testés dans la condition proprioceptive (sans vision), suggérant que l’expérience visuelle n’est pas nécessaire pour le développement d’un mécanisme de correction en temps réel de l’orientation spatiale de la main basé sur la proprioception.

Représentation interne des caractéristiques physiques d'un objet

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible.

Précision spatiale d'atteintes manuelles vers des cibles virtuelles : effet du contexte visuel et du vieillissement normal

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

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

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

Perseveration in congenitally blind children: Effects of luminous and acoustic targets on a modified A-not-B task

The purpose of this study was to determine whether or not blind children perseverate during a modified Piagetian A-not-B reaching task, with conditions that employ luminous AB targets and acoustic AB targets. Ten congenitally blind children, ages 1-4 years, with residual vision for light, took part in this study. Behavioral and kinematic data were computed for participants' reaches, performed in six A trials and in two B trials, in both stimulus conditions. All of the children perseverated in the luminous condition, and none of them perseverated in the condition using acoustic targets. The children tilted their heads in the direction of the target as they reached towards it. However, this coupling action (head-reaching) occurred predominantly in the A trials in the acoustic condition. In the luminous condition, in contrast to the acoustic condition, the children took longer times to initiate the reaching movement. Also, in the luminous condition, the children explored the target surroundings, unlike the acoustic condition, in which they reached straight ahead. For these blind children, sound was more relevant to reaching than was the luminous stimulus. The luminous input caused perseveration in congenitally blind children in a similar way that has been reported in the literature for typically-developing, sighted infants, ages 8-12 months, performing A-not-B tasks with visual inputs. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Análise cinemática e eletromiográfica do alcance em pacientes com acidente vascular encefálico

INTRODUÇÃO: O movimento de alcance é muito estudado na literatura, no entanto, poucos estudos realizam análise cinemática e eletromiográfica desse movimento em sujeitos hemiparéticos. OBJETIVO: Avaliar o alcance de indivíduos hemiparéticos pós-acidente vascular encefálico (AVE) em seus aspectos cinemáticos e eletromiográficos. MATERIAIS E MÉTODOS: Foram selecionados quatro indivíduos, idade média de 54,5 ± 10,7 anos, com diagnóstico de AVE associado à hemiparesia. Realizou-se a avaliação cinemática e eletromiográfica concomitantemente do movimento de alcance na postura sentada, tanto do lado parético quanto do não parético. RESULTADOS: Houve diferença significativa entre os sujeitos com relação ao deslocamento (F(3,63) = 3.081, p = 0.03), porém, não ocorreu diferença significativa entre os lados (F(1,63) = 1.441, p = 0.23). Com relação às articulações (ombro, cotovelo e punho), houve diferença significativa entre os deslocamentos de cada uma (F(2,63) = 27.496, p = 0.00), assim como entre as coordenadas x, y e z (F(2,63) = 36.702, p = 0.00). Na análise dos dados eletromiográficos, não houve diferença significativa entre os sujeitos (F(3,31) = 2.437, p = 0.08), entre os lados (F(1,31) = 3.384, p = 0.07) e entre os músculos (F(4,31) = 0.942, p = 0.45). Existiu diferença no tempo de execução dos movimentos quando comparado o lado não acometido com o acometido. CONCLUSÃO: As análises cinemática e eletromiográfica, de um modo geral, mostraram resultados semelhantes aos encontrados na literatura. No entanto, este estudo acrescenta uma visão mais sistematizada do movimento de alcance, considerando seus aspectos funcionais, diferindo de outros estudos por apresentar, concomitantemente, análises cinemática e eletromiográfica e por investigar ambos os membros superiores.

Controle motor em pacientes com doença de Parkinson: terapia do espelho, foco de atenção e tarefa dupla

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Is early manual preference in infants defined by intermanual performance asymmetry in reaching?

In the present study we evaluated the relationship between manual preference and intermanual performance asymmetry in reaching of 5-month-old infants. Manual preference was assessed through frequency of reaches toward toys presented at midline, left or right in egocentric coordinates. Intermanual performance asymmetry was evaluated through kinematic analysis. Results showed that performance was predominantly symmetric between hands. Lateral toy positions induced predominance of ipsilateral reaching, while the midline position led to equivalent distribution between right and left handed reaches. No significant correlation between manual preference and intermanual performance asymmetry was observed. These results converge against the notion that manual preference derives from a genetically determined advantage of movement control favoring the right hand. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Operator's manual : detection system, ground movement (Honeywell Inc. MAGID T4, DT-509/GSQ), FSN 6350-150-6807.

"14 February 1972."

Movement trajectories in the presence of a distracting stimulus: Evidence for a response activation model of selective reaching

Consistent with action-based theories of attention, the presence of a nontarget stimulus in the environment has been shown to alter the characteristics of goal-directed movements. Specifically, it has been reported that movement trajectories veer away from (Howard & Tipper, 1997) or towards (Welsh, Elliott, & Weeks, 1999) the location of a nontarget stimulus. The purpose of the experiments reported in this paper was to test a response activation model of selective reaching conceived to account for these variable results. In agreement with the model, the trajectory changes in the movements appear to be determined by the activation levels of each competing response at the moment of response initiation. The results of the present work, as well as those of previous studies, are discussed within the framework of the model of response activation.