Complexité, Innovation, Activités Motrices et Sportives

Les athlètes sont confrontés à un stress physique et mental important lors des entraînements et des compétitions, ce qui menace à la fois leurs performances et leur santé à long terme. Cette problématique a motivé le développement d'interfaces homme-machine pour la gestion du stress basées sur des dispositifs de bio- et neurofeedback. Cependant, ces stratégies demeurent sous-utilisées en raison de l'absence de mesures objectives et fiables du stress. Cette tâche s'avère particulièrement complexe en raison de la nature physiologique intrinsèquement complexe et hautement individuelle du phénomène de stress. L'absence d'intégration de mesures diverses, combinées ou multimodales, limite la capacité à évaluer de manière précise et significative les états de stress vécus par les athlètes. L’intégration de telles mesures permettrait une quantification, une caractérisation et une classification plus fines de ces états. La solution proposée rassemble des éléments qui pourraient enfin offrir un outil de suivi tant attendu à un grand nombre d’athlètes à travers le monde. Ce projet de recherche multidisciplinaire vise à développer des indicateurs de stress robustes en concevant une approche multimodale fondée sur des signaux neuro-psycho-physiologiques synchronisés. L'enregistrement simultané de l’activité corticale et cardiovasculaire est réalisé, incluant l'électroencéphalogramme (EEG), la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS), l’électrocardiogramme (ECG), la pression artérielle continue (BP) et la photopléthysmographie (PPG), en réponse à des stresseurs cognitifs et physiques. Ces signaux, combinés à des indicateurs de stress perçu, sont exploités à l’aide de modèles mathématiques d’interaction cerveau-cœur, de méthodes avancées de traitement du signal et d’algorithmes d’apprentissage complémentaires permettant d’extraire des motifs pertinents et des indicateurs de stress. Un protocole expérimental adapté à la collecte de données est mis en place autour de deux expérimentations. La première sera réalisée en laboratoire et consistera à enregistrer l’EEG, la fNIRS, l’ECG, la BP, la PPG, ainsi que des mesures de stress perçu chez des sujets sains exposés à divers stresseurs cognitifs et physiques. La seconde expérimentation sera menée auprès d’athlètes durant un programme de surcharge d’entraînement de deux semaines et en période de pré-compétition.

A hallmark of human motor behavior is our ability to control movements during physical interaction with the environment. Yet our understanding of the neuromechanical processes that enable the control of physical interaction is still severely limited. Our limited understanding of how humans control physical interaction is a significant limitation for many applications, especially in the field of human-robot interaction, as modeling the human response to external inputs would allow researchers to optimize the action of wearable active systems in silico at least in part, for example by identifying rehabilitation strategies that intervene on specific neuromuscular pathways linked to a control policy of interest. Experimental evidence indicates that humans will control physical interaction using a combination of three strategies: 1) update of the force input, 2) upregulation of state feedback responses to rapidly respond to deviations between the predicted and received sensory input; 3) impedance control, based on coactivation of agonist and antagonist muscle pairs. Unfortunately, no single theory of motor control is currently able to simultaneously account for all of these control policies, or to link them to specific processes in the central nervous system. We have assembled a team of investigators with a unique combination of computational and experimental skills and capabilities that we propose to combine to develop a new theory of the neuromuscular control of interaction suitable for studying the optimal control of force, impedance, and feedback responses. Specifically, PI Berret, an expert in computational models of motor control, has developed an optimal control framework suitable for studying the force and impedance control; PI Cashaback, an expert in computational modeling of muscle mechanics, has developed a computationally tractable muscle model describing muscle force and impedance; PI Sergi, an expert in human-robot interaction and instrumentation, has developed a family of MRI-compatible wrist robots able to operate alongside functional magnetic resonance imaging (fMRI) for studying the neural control of motor tasks involving physical interaction. In this project, we propose to combine our efforts to develop a new computational theory to understand the optimal control of force, impedance, and feedback responses, for human movements in presence of physical interaction with the environment. We will validate and refine the computational theory via behavioral experiments conducted in the lab involving exposure to dynamic distortion conditions with optimal characteristics as identified by model-based optimization, and replicated during fMRI to identify the neural correlates of the input and states of the model.

Historiquement, la question de la locomotion des dinosaures ornithopodes est controversée. On sait aujourd’hui que les premiers ornithopodes étaient bipèdes et qu’une quadrupédie secondaire chez les taxons les plus dérivés (hadrosaures) est considérée comme très probable, contribuant potentiellement à leur succès évolutif à la fin du Crétacé. Cependant, la locomotion de certains taxons « intermédiaires », tels que Lurdusaurus et Ouranosaurus, reste débattue. Le projet DINOSIM vise à combiner paléontologie et biomécanique moderne pour mieux comprendre l’évolution de la locomotion chez les ornithopodes. Le choix d’une approche fonctionnelle implique une connaissance précise de l’anatomie. Ainsi, nous procéderons à la description des éléments squelettiques de Lurdusaurus dont nous disposons, et nous nous appuierons sur la littérature pour Ouranosaurus, dont le squelette a été récemment redécrit. A partir de ces éléments, nous pourrons déterminer la position de leur centre de masse et comparer nos résultats avec ceux d’études antérieures chez les dinosaures afin de tester l’hypothèse de la quadrupédie chez ces deux taxons. Les modèles musculosquelettiques de Lurdusaurus et d’Ouranosaurus seront générés à partir de données 3D obtenues précédemment et de l’interprétation de données anatomiques et d’une analyse de la littérature. En particulier, nous nous appuierons sur des reconstructions musculaires chez les ornithopodes, inférées à partir de l’étude de taxons actuels constituant la parenthèse phylogénétique (crocodiles et oiseaux). Des simulations prédictives dans un cadre statique permettront de tester différentes hypothèses posturales chez Lurdusaurus et Ouranosaurus. Le projet DINOSIM, entre paléontologie et biomécanique, met en lumière des spécimens fossiles patrimoniaux d’une grande valeur scientifique et de vulgarisation. En plus de contribuer à la résolution d’un débat scientifique ancien, les nouvelles données recueillies pourront être valorisées à l’échelle nationale et internationale (conférences Musée Up’, festival Pariscience, projet NigerHeritage).

Lors de comportements tels que monter des escaliers pour rendre visite à des amis ou prendre un verre de vin, nous faisons un compromis entre l'effort et le temps nécessaires à la réalisation de ces actions, car les récompenses immédiates ont plus de valeurs que celles qui sont différées dans le temps. Ainsi, l'effort et le temps peuvent être considérés comme deux coûts interdépendants qui doivent être optimisés, de manière à maximiser l'utilité d'une action particulière. Or, la façon dont le temps et l'effort interagissent pour affecter à la fois les décisions et les mouvements dirigés vers des récompenses n'a pas été étudiée de manière approfondie. De plus, comment le compromis effort-temps varie d'un individu à l'autre et entre espèces est mal connu. Le premier objectif de notre projet est d'étudier et de comparer le compromis effort-temps chez l'homme, le singe et le rat, dans des tâches de recherche de récompense (foraging) similaires qui permettent des manipulations comparables et sélectives de ces deux coûts. Les résultats seront comparés entre les espèces par l'intermédiaire d' un modèle d’optimisation et les prédictions du théorème de la valeur marginale. Le but est d'identifier les principes généraux et spécifiques aux espèces par lesquels le temps et l'effort influencent les décisions et les mouvements de recherche de nourriture/récompense, avec une pertinence directe pour les comportements quotidiens des humains et des animaux. Le deuxième objectif de notre projet est d'étudier comment le compromis effort-temps est implémenté dans le cerveau. Plus précisément, le striatum dorsal et les régions en aval de celui-ci (segments interne et externe du globus pallidus) ont récemment été impliqués dans le contrôle de la vitesse du mouvement et des prises de décision, mais la possibilité que cette fonction découle d'un rôle de ce circuit sensori-moteur des ganglions de la base dans le compromis effort-temps n’a pas été testée. En tirant parti des outils neurophysiologiques multi-niveaux (cellulaires et circuits) disponibles chez les rats et les singes, nous étudierons si, et comment, le striatum dorsal et le globus pallidus influencent le compromis effort-temps dans le contexte des comportements de recherche de nourriture. Au niveau du réseau, nous faisons l'hypothèse que le temps et l'effort sont intégrés au sein des ganglions de la base de sorte que ses noyaux de sortie génèrent un signal proportionnel à l'utilité d'une action donnée et modulent l'activité neuronale dans les régions néocorticales impliquées dans les processus de prise de décision et de contrôle moteur. A un niveau plus cellulaire, nous testerons l'hypothèse selon laquelle les neurones de projection striatale formant les voies directe et indirecte des ganglions de la base contrôlent de manière bidirectionnelle cette fonction d'utilité (sortie) et, par conséquent, le compromis effort-temps. En résumé, notre projet vise à approfondir notre compréhension de l'impact de l'effort et du temps sur la prise de décision et les mouvements, aux niveaux computationnel, comportemental et neuronal et à travers les répertoires moteurs et les espèces. Étant donné que plusieurs troubles neurologiques répandus tels que la maladie de Parkinson ou la dépression sont associés à des altérations du compromis temps-effort et de la fonction des ganglions de la base, notre projet aura un impact direct sur notre compréhension de ces maladies et ouvrira la voie à de nouveaux traitements comportementaux et neuronaux pour atténuer les coûts humains et sociétaux associés à ces troubles.

L’objectif global du projet EXOMAN est d’améliorer la symbiose entre humains et exosquelettes. Pour ce faire, nous envisageons de produire de nouvelles connaissances fondamentales sur l’Interaction Homme-Exosquelette (IHE) en se concentrant sur la dimension humaine. L’utilisation des exosquelettes est prometteuse dans les champs de l’ergonomie et de la santé, que ce soit pour prévenir les troubles musculo-squelettiques ou compenser des déficits moteurs. Indépendamment du but final (ex. : augmentation des capacités physiques de l’opérateur ou assistance physique pour un patient), les exosquelettes actifs peuvent fournir un moyen d’assister les mouvements d’un patient ou d’un travailleur avec tous les avantages offerts par la robotique : répétabilité, précision et adaptabilité. Après une croissance exponentielle des recherches dédiées aux exosquelettes robotisés durant la dernière décennie, plusieurs modèles ont été développés. En particulier, les exosquelettes du membre supérieur ont généré un intérêt considérable, avec beaucoup d’applications liées aux mouvements de préhension et à la manipulation d’objets dans des contextes à la fois cliniques et industriels. A ce jour cependant, le transfert de ce type de technologie de la recherche vers les applications pratiques (c’est-à-dire, en dehors du laboratoire) reste limité. En outre, les bénéfices de ces appareils par rapport à des techniques existantes (ex. : ergonomie proactive ou thérapies manuelles) manquent de fondement scientifique. Certains aspects du design des exosquelettes limitent visiblement leur utilité et applicabilité dans les situations de la vie réelle. Au-delà des défis technologiques inhérents à ce type d’appareil (actionneurs, poids élevé, source d’énergie…), un problème plus fondamental est lié à notre manque de compréhension du contrôle moteur humain en interaction avec un exosquelette. Notre hypothèse de recherche est que des avancées significatives autour des exosquelettes robotisés iront de paire avec une meilleure compréhension de la contribution humaine dans l’IHE. Quantifier et déchiffrer comment l’humain adapte ses mouvements lorsqu’il porte un exosquelette actif de membre supérieur (et pourquoi il s’adapte ainsi) constituera donc le fil rouge de ce projet. Le projet EXOMAN sera organisé autour de 4 axes de travail. Les tests expérimentaux seront conduits sur l’exosquelette ABLE, un exosquelette motorisé hautement réversible. Premièrement, une plateforme technologique permettant la mesure d’un ensemble exhaustif de paramètres du mouvement humain (cinématiques, dynamiques et énergétiques) durant l’IHE sera créée (work package 1). Ceci permettra de conduire des analyses poussées du comportement moteur humain en interaction avec ABLE (work package 2). Puisque des formes de mouvement différentes devraient être observées en fonction des lois de contrôle appliquées par le robot et du couplage physique entre l’utilisateur et l’exosquelette, deux axes de recherche complémentaires sont proposés. D’un côté, des lois de contrôle anthropomorphes de haut niveau seront développées (work package 3). D’un autre côté, l’interfaçage physique entre la personne et l’exosquelette sera optimisé (work package 4). Une tâche appliquée standardisée sera d’aider ou d’assister l’opérateur à bouger son bras ainsi qu’une masse, d’un point à un autre, de manière écologique, confortable et à moindre effort. En résumé, ce projet interdisciplinaire impliquant des chercheurs du contrôle moteur humain et des roboticiens abordera à la fois des questions fondamentales et technologiques pour améliorer notre compréhension de l’IHE et améliorer l’utilité des exosquelettes dans les applications du monde réel.

L’objectif du présent projet est d’étudier les liens entre émotions, cognition et comportement sous l’angle des facteurs de vulnérabilité, protection, et facilitation des performances face à des contextes émotionnels empathiques. L’hypothèse générale est que l’effet du contexte émotionnel sur des performances perceptives, exécutives, motrices, et de cognition sociale, varie en fonction 1) de facteurs tempéramentaux (traits de personnalité) et 2) du type d’adaptation empathique (pré-réflexive vs. réflexive ; vertueuse vs. préjudiciable). Le caractère innovant de ce projet réside d’une part dans une approche interdisciplinaire des liens entre émotion et cognition (psychologie différentielle, psychopathologie, neuropsychologie cognitive, informatique, sciences du mouvement), et d’autre part dans une compréhension des mécanismes de la régulation émotionnelle non pas simplement en termes d’induction émotionnelle, mais en termes d’adaptation empathique favorisant les performances. Notre population d’intérêt sera des individus non-pathologiques pour lesquels les traits tempéramentaux sont rarement pris en compte dans les études sur l’adaptation émotionnelle (par exemple, le modèle en 5 facteurs). Celles-ci privilégient plutôt l’étude de prédicteurs proximaux de la performance comme les états motivationnels (e.g. sentiment d’auto-efficacité). Ce projet intégrera également l’adaptation de patients présentant des troubles de l’humeur et/ou de la cognition sociale (schizophrénie, troubles bipolaires). Il s’agira d’identifier quels facteurs permettent à un individu de prendre en compte les retours sur sa performance fournis en temps réel par un congénère (en l’occurrence un personnage virtuel) de façon à moduler ses performances. Les profils individuels de régulation émotionnelle auraient un effet de vulnérabilité, de protection ou facilitation sur les performances selon la nature du contexte émotionnel empathique. Nous voulons déterminer les sources de variabilité individuelle modulant les performances (positivement ou l’inverse) selon qu’un personnage virtuel exprime des émotions de base qui induisent (ou non) une résonance empathique pré-réflexive (eg., joie, colère) ou qu’il exprime des émotions complexes nécessitant un traitement réflexif de l’adaptation empathique (eg., satisfaction, déception, indifférence). Les retombées fondamentales seront une modélisation de la nature de la relation entre émotion et cognition, à savoir, quelles composantes ont un rôle de médiation (eg, régulation émotionnelle, sentiment d'efficacité personnelle), et quelles autres ont un rôle de modération (certains traits de personnalité) sur les performances. Les retombées appliquées de ce projet seront dans le domaine du e-learning et de la remédiation cognitive des fonctions altérées chez les patients présentant un dysfonctionnement des liens émotion-cognition. Ce projet débouchera également sur la définition de protocoles adaptés à l’étude des liens entre émotions, cognition et comportements ; à des corpus multimodaux de comportements spontanés d’expressions émotionnelles complexes ; à une plateforme expérimentale adaptée intégrant différents outils existants pour l’étude de l’interaction affective entre des utilisateurs et des personnages virtuels.