Identification et simulation de la commande motrice des mouvements multi-articulés 3D non-contraints

L'objectif de cette thèse vise à identifier les principes sous-tendant la planification des mouvements 3D du membre supérieur tout en tenant compte des différences inter-individuelles régulièrement observées dans ce domaine. Dans cette optique, l'approche choisie combine des expériences originales précisément des tâches de pointage laissant le choix du point final libre) avec des techniques de calcul avancées (ici des méthodes de contrôle optimal inverse numérique). Des mouvements de pointage du bras sans position finale précisément prescrite sont examinés dans différentes conditions de vitesse et/ou de masse afin de laisser émerger des stratégies motrices variées et d'évaluer les éventuels principes de planification motrice sous-jacents. L'idée centrale est de s'écarter du paradigme classique consistant à étudier des mouvements point-à-point (où la cible est généralement indiquée par un point dans l'espace, par exemple une cible lumineuse) et porte sur l'étude d'une tâche dans laquelle le choix du point final du mouvement est laissé libre aux participants afin de faire surgir les différences interindividuelles ainsi que le processus de sélection ou de décision motrice qui a conduit aux stratégies observées. Ce type de tâche permet de mieux décoder les caractéristiques du contrôleur moteur humain. Les résultats empiriques sont ensuite modélisés et interprétés grâce au contrôle optimal inverse dont l'hypothèse associée estque les trajectoires expérimentales découlent de la minimisation d'une certaine fonction de coût qui est éventuellement composite. Cette approche combinée vise à révéler les principes ou règles qui gouvernent le processus de planification de ce type de mouvement des membres supérieurs et d'établir un lien entre les paramètres pertinents du geste, les fonctions de coûts et les caractéristiques individuelles.Les résultats montrent que les sujets produisent des stratégies motrices différentes aux niveaux cinématique et dynamique en fonction de la façon dont ils s'adaptent aux changements de vitesse et/ou de masse. Dans l'ensemble, ces changements ont des effets significatifs sur les trajectoires de la main (par exemple l'emplacement des points finaux choisis par les sujets) et les commandes motrices (notamment sur l'utilisation des couples d'interaction). Pourtant, certains sujets présentaient des dépendances plus exacerbées que d'autres qui ne variaient que peu leur stratégie de pointage par rapport aux changements de vitesse ou de masse induits par la tâche. L'investigation par contrôle optimal inverse a montré que ces résultats pouvaient être expliqués par une optimisation d'un coût composite mélangeant essentiellement des variables cinématique et dynamique durant la phase de planification motrice. Un tel modèle composite surpassait les prédictions des modèles séparés soit cinématique soit dynamique dans la prédiction de l'évolution des caractéristiques importantes du mouvement et des différences interindividuelles. En outre, il a permis de réconcilier des résultats controversés débattus dans des études antérieures en montrant que des comportements adaptatifs divergents peuvent émerger en fonction du poids des fonctions de coût élémentaires qui composent la fonction de coût totale. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que la planification motrice des mouvements 3D non-contraints du bras mêle nécessairement des variables cinématiques et cinétiques, et que ce compromis semble être idiosyncrasique et ainsi conduire à des différences interindividuelles subtiles.

The purpose of this thesis is to identify principles that could guide the planning of 3D upper-limb movements for different individuals. To this aim, the chosen approach combines novel experiments (namely, a “free reach-endpoint" motor task) with advanced computational techniques (here numerical inverse optimal control). Arm pointing movements without a prescribed final hand position are examined under different conditions of speed or load in order to let emerge various motor control strategies and assess the possible underlying motor planning principles. A core idea is to depart from classical point-to-point reaching paradigms (where the target is generally a dot, e.g. a spotlight target) to study a task in which the endpoint is left free to theparticipants in order to emphasize inter-individual differences as well as the selection process and motor decision that led to the observed strategies. This paradigm thus allows to better decipher the characteristics of the human motor controller. Empirical results are then modeled and interpreted in the inverse optimal control framework, hypothesizing that empirical arm trajectories derive from the minimization of a certain, possibly composite, cost function. This combined approach aims at revealing which principle or rule conceivably drives the planning process of these unrestrained upper-limb movements and to stablish a link between relevant motion parameters, cost functions and inter-individual peculiarities.The results show that subjects produced different motor strategies at both kinematic and dynamic levels depending on how they adapted to speed and/or load variations. Overall, significant motor adaptation of hand trajectories (e.g. location of reach endpoints) and motor commands (e.g. use of interaction torque) were found. Yet, some subjects exhibited stronger dependences than others who varied only little their reach strategies with respect to task-induced speed or load changes. When investigated from the optimal control viewpoint, these results could be accounted for by a composite cost essentially weighting kinematic and dynamic variables differentially at the motor planning stage. Such a composite model outperformed separate kinematic and dynamic ones in predicting the evolution of many important motion features and in explaining inter individual differences. Moreover, it allowed reconciling controversial findings of previous studies by showing that divergent adaptive behaviors can emerge depending on the weights of the elementary cost that may compose the total cost function. In sum, the present results suggest that motor planningof unrestrained3D arm movements necessarily mixes kinematic and kinetic variables and that this trade-off may be idiosyncratic and lead to subtle inter individual differences.