Processus de contrle pour la coordination visuomotrice

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Processus de contrôle pour la coordination
visuo-motrice
Membres de léquipe actuels Joseph McIntyre,
Chargé de recherche Patrice Senot,
Post-doc Anne Le Seach, Thésarde Loïc Damm,
Thésard Collaborateurs extérieursAlain
Berthoz, Jacques Droulez, Guy Cheron, Francesco
Lacquaniti, Anatole Lécuyer, Mark Lipshits,
Charles Oman, Jean-Jacques Slotine, Jean-Louis
Thonnard, Alan Wing, Daniel Zytnicki
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Intégration multimodale pour la coordination
visuo-motrice
Référentiels pour lecontrôle moteur
Contrôle de la forceet de limpédance
coordinationvisuo-haptique
anticipation deseffet de la gravité
contrôle de la force par le point équilibre
modulation desgains des réflexes
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La perception de la verticalité un processus
multi-sensoriel
4
Quest-ce qui détermine le  haut  et le
 bas ?
5
La perception de la verticalité un processus
multi-sensoriel
La gravité peut-elle servir pour aligner lespace
visuelle avec lespace haptique?
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Référentiels pour la coordination visuo-manuelle
Comparer lorientation dun stimulus haptique
avec lorientation dun stimulus visuel.
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Protocole expérimental
stimlulus visuel
stimulus haptique
Tache Ajuster lorientation du trait visuel
pour laligner avec le  couloir  haptique. NB
Pas de question explicite de la verticalité.
8
Un effet de la gravité?Incliner le sujet par
rapport à la verticale.
9
Moins de variabilité lorsque le stimulus est
vertical.
Cet  effet de loblique  est une mesure
objective de la verticalité.
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Leffet de loblique existe encore en
microgravité.
La gravité nest pas essentielle pour définir la
verticale.
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Les erreurs constants dépendent de lorientation
du stimulus et du corps.
chair
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Il existe une corrélation entre la perception de
laxe du corps et lerreur constant.
Perceived Body Orientation
Error
chair tilt
Bias in Haptic-Visual Matching Bias in
Perceived Body Posture in Space
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Intégration multimodale pour la coordination
visuo-motrice
Référentiels pour lecontrôle moteur
Contrôle de la forceet de limpédance
coordinationvisuo-haptique
anticipation deseffet de la gravité
contrôle de la force par le point équilibre
modulation desgains des réflexes
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INTÉRACTIONS COGNITIVES ET NEUROSENSORIELLES POUR
LES TÂCHES VISUO-MOTRICES avec A. BERTHOZ, F.
LACQUANITI, J-L. THONNARD ET A. WING
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Interception une tâche modèle pour létude de la
coordination visuomotrice
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Questions théoriques
Quels problèmes doivent être résolus par le SNC
afin dattraper un objet en mouvement ?

• Perception Où va lobjet ? A quel moment y
  arrive-t-il ? Quelle sera lénergie de limpact
  ?
• Action Où faut-il mettre la main pour
  linterception ? Comment y aller (quelle
  trajectoire) ? Quels muscles et articulations
  faut-il utiliser ? Comment amortir le choc de
  limpact ?

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Comment le SNC estime-t-il TTC pour attraper un
balle ?
Avez-vous une représentation de la balle, sa
distance et sa vitesse?
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Estimation du temps avant le contact
lhypothèse de t
D.N. Lee (1982)
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? et une accélération constante
La quantité t surestime le vrai TTC mail lerreur
diminue progressivement.
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Sauter pour frapper une balle en chute libre
(Lee et al. 1983)
Est. Impact (?)
True Impact
Les mouvements des articulations sont mieux
synchronisés avec t quavec le vrai TTC.
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Comment le SNC estime-t-il TTC pour attraper un
balle en chute libre ?

• Lee et al.
• approximation de 1er ordre
• fondé entièrement sur les signaux sensoriels

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Une contre exemple.EMG pour attraper une balle
en chute libre (Lacquaniti and Maioli, 1989)
Les activités musculaires sont bien synchronisées
avec le vrai TTC.
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Lamplitude des EMG varie avec la quantité de
mouvement à limpact
Lacquaniti and Maioli (1989)
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Comment le SNC estime-t-il TTC pour attraper un
balle en chute libre ?

• Lee et al.
• approximation de 1er ordre
• fondé entièrement sur les signaux sensoriels
• Lacquaniti et al.
• laccélération due à la gravité est prise en
  compte(2ème ordre)

? lestimation repose sur un modèle interne de
la gravité
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Materials
1 Ball 1 Space Shuttle
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Mesure directe de laccélération
TTC de 2ème ordre en 1G
TTC de 1er ordre en 0G
Lactivité motrice se déclenche à un temps fixe
avant limpact en 1g et en 0g.
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Estimation de TCC de 1er ordre
TTC de 1er ordre en 1G
TTC de 1er ordre en 0G
D lt l
D l
Lactivité commence un peu tard en 1G.
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Modèle interne de 2ème ordre
TTC de 2ème ordre en 1G
TTC de 2ème ordre en 0G
D l
D gt l
Lactivité commence un peu tôt en 0G.
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Tests des hypothèses en microgravité
Hypothèses H1 Mesure directe de laccélération
? D0g D1g l H2 Estimation de 1er
ordre ? D1g lt l H3 Modèle interne de la
gravité ? D0g gt l Les changements de temps
dinitiation des réponses en microgravité (d) en
fonction de la vitesse initiale de la balle (v0)
nous permettent de faire la distinction entre ces
trois hypothèses.
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Expérience en 0g et en 1g
Tâche - attraper une balle projetée du haut vers
le bas.

• Sujets
• 6 astronautes 5 hommes, 1 femme
• Protocole
• hauteur fixe 1.6 m
• 3 vitesse initiales 1, 2, 3 ms-1
• 10 répétitions séquence aléatoire
• Mesures
• Activité musculaire EMG
• Mouvement marqueurs 3D
• Planning
• Avant le vol L-90, 30, 15
• En orbite FD 3, 9, 15
• Après le vol R0, 1, 2, 5, 9, 15

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Anticipation des effets de la gravité en 0g.
Lactivité EMG dans le biceps et les rotations de
lavant bras par rapport à limpact sont plus
précoces en microgravité, en accord avec
lhypothèse dun modèle interne danticipation
des effets de la gravité.
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Pourquoi choisir un modèle 1g ?

• Indices 0g
• Vitesse constante de la balle
• Informations vestibulaires
• Informations proprioceptives
• Objets flottants
• Indices 1g
• Orientation spatiale de la cabine
• Lumière directionnelle
• Posture debout habituelle

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(No Transcript)
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Le timing de la réponse dépende de lorientation
du regard.
La performance est meilleure lorsque
laccélération de la balle est cohérente avec
celle de la gravité.
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Pourquoi choisir un modèle 1g ?

• Indices 0g
• Vitesse constante de la balle
• Informations vestibulaires
• Informations proprioceptives
• Objets flottants
• Indices 1g
• Orientation spatiale de la cabine
• Lumière directionnelle
• Posture debout habituelle

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Quelles indices définissent le  haut  et le
 bas ?
37
Quelles indices définissent le  haut  et le
 bas ?
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Intégration multimodale pour la coordination
visuo-motrice
Référentiels pour lecontrôle moteur
Contrôle de la forceet de limpédance
coordinationvisuo-haptique
anticipation deseffet de la gravité
contrôle de la force par le point équilibre
modulation desgains des réflexes
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Définition leffort activité musculaire
Le muscle se comporte comme un ressort ajustable.
activation du muscle
Pour la même impédance de lenvironnement
lactivité musculaire (leffort) ? la force
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Pour la même impédance de lenvironnement
Efforts égaux ? Forces égales
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Effet de limpédance
Le changement de force engendré par un changement
dactivité musculaire donné dépend de limpédance
de lenvironnement.
Efforts égaux ? Forces égales
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Evidences pour un sens de leffort

• Sur estimation de la force
• Contraint élastiquevan Doren Exp Brain Res
  (1998) 120487-495
• Muscles fatiguésWeerakkody Exp Brain Res (2003)
  149141150
• Muscles anesthésiésKlibreath Exp Brain Res
  (1997) 117507-511
• Perception du poids sans proprioception
  Lafargue Eur. J. Neurosci. (2003) 172741-2749

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Quest-ce qui est codé par le SNC lorsque lon
doit reproduire une force mémorisée en 2D ?

• Un sens de la force proprement dit?
• Un sens de couple?
• Un sens de leffort?

En collaboration avec David Toffin, Jacques
Droulez Toffin, McIntyre, Droulez, Kemeny,
BerthozJ. Neurophsiol. (2003) 90 3040 3053
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Reproduction des couples
Mais, si la main nest pas maintenue à la même
position, la force ne sera pas la même.
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Reproduction de leffort en 2D
Le changement de lactivité musculaire correspond
à un changement du point déquilibre. Impédance
isotropique ?F // ?EP Impédance anisotropique
?F // ?EP
?EP (efforts) égaux ? Forces égales
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Deux tâches expérimentales

• Perception
• Référence Sentir une force produite par le
  joystick en maintenant la main à une position
  centrale
• Réponse Avec un bouton, ajuster une deuxième
  force pour quelle soit dans la même direction
  que la première

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Deux tâches expérimentales

• Production
• Référence Sentir une force produite par le
  joystick en maintenant la main à une position
  centrale
• Réponse Exercer une force dans la même
  direction contre le joystick maintenant bloqué au
  centre

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Résultats
Perception
Reproduction
Direction de la réponse
Direction de la force de référence
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Prédictions des 3 hypothèses
Reproduction des couples ?ref J (?ref)T
Fref Fresp J (?resp)T-1 ? ref J
(?resp)T-1 J (?ref)T Fref
Reproduction de ?EP ?EPref Cbras
Fref Fresp Cbras Cjoystick -1 ?EPresp
Cbras Cjoystick -1 Cbras Fref
Reproduction de la Force Fresp Fref
50
Comparaison avec le prédictions des hypothèses
Reproduction des couples Fresp (JTresp)-1
JTref Fref
Mauvais modèle la variance résiduelle augmente
51
Comparaison avec le prédictions des hypothèses
Reproduction de ?EP (effort) Fresp (Cb Cj)-1
Cb Fref
Meilleur modèle la variance résiduelle diminue
52
Effet de limpédance de lenvironnement
Impédance du joystick
Prédictions et Résultats
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Effet de limpédance de lenvironnement
Impédance du joystick
Prédictions et Résultats
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Impédance du bras
Sentir la force de référence avec la main
droite. Reproduire la force avec la main droite
ou la main gauche. Joystick toujours dans la même
position par rapport au tronc du sujet.

• Changement des muscles effecteurs
• Changement de limpédance du bras

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Effet de limpédance du bras
Zone 1 ?droite gt ?gauche Zone 2 ?droite gt
?gauche
Limpédance prévoit les erreurs relatifs.
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Conclusions

• Lors de la reproduction des forces limpédance de
  linteraction entre la main et lenvironnement
  nest pas pris en compte.
• Nous navons pas un vrai sens de force.
• Le déplacement du point équilibre est plus
  invariant que la force, le couple ou lactivité
  musculaire.
• Le cerveau code-t-il la force par un déplacement
  du point équilibre?
• La perception et le contrôle de la force dépend
  de limpédance de lenvironnement
• Conséquences pour les interfaces haptiques?

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Intégration multimodale pour la coordination
visuo-motrice
Référentiels pour lecontrôle moteur
Contrôle de la forceet de limpédance
coordinationvisuo-haptique
anticipation deseffet de la gravité
contrôle de la force par le point équilibre
modulation desgains des réflexes
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PERCEPTION HAPTIQUE CONTROLE DE LIMPEDANCE
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Une analogie entre le contrôle neuromusculaire et
la téléopération ?
Esclave
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Contrôle de force avec délai
Solution théorique - contrôle par variable donde
(Niemeyer and Slotine, 1997)
Question Le SNC utilise-t-il les variables
donde pour contrôler la force?
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Perception et contrôle de force
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Limpédance du bras lors des mouvements contraints
tâche faire glisser un outil contre une surface
rigide
matériel manche à retour deffort (réalité
virtuelle haptique)
ApprocheFaire varier indépendamment
linclinaison de la surface visuelle et de la
surface haptique. Mesurer la variabilité des
forces selon linclinaison.
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Prédictions des hypothèses
H1 rétro-contrôle de la force
inclinaison de la surface
commandemotrice
10, 0, -10
force de contact
surfacephysique
distance
H2 contrôle proactif de la trajectoire
commandemotrice (surface visuelle)
10
f
0
force de contact
-10
surfacephysique
distance
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Approche computationelle i.e. fondée sur les
modèles mathématique
Intégration multimodale pour la coordination
visuo-motrice chez lhomme
PsychophysiqueAnalyse de mouvementPhysiologie-
EMG, réflexe-H, miccroneurographie (future)
Nos spécialités - Biomécanique- Réalité
virtuelle- Microgravité
65
Une approche dite computationelle
66
Nos spécialités - Réalité virtuelle-
Microgravité
67
Méthodes physiologiques - EMG- EEG/MEG-
réflexe-H
68
(No Transcript)