Les problèmes de l'organisation du mouvement - Emmanuel Guigon

Contrôle moteur et planification
Les problèmes de l’organisation
du mouvement
SÉANCE 1
Emmanuel Guigon (guigon@ccr.jussieu.fr)
http://www.snv.jussieu.fr/guigon/teaching.html

Je prendrais bien un café …
• Où est la tasse? Où est mon bras?
– Intégration des informations sensorielles
– Référentiels, systèmes de coordonnées
• Comment atteindre la tasse?
– Choix et formation d’une trajectoire
– Equivalence motrice, redondance cinématique
• Comment calculer la commande motrice?
– Choix des muscles et des activations musculaires
– Redondance dynamique
• La commande est-elle correcte?
– Corrections en ligne : rétroaction sensorielle
– Boucle ouverte ou boucle fermée?
• Comment faire mieux la prochaine fois?
– Adaptation, apprentissage moteur

Où est la tasse? Où est mon bras?
• Modalités : vision, audition, proprioception, …
– Fusion multimodale
• Référentiels
– Position de la cible : définie dans un repère fixe (terre) mais perçue
dans un repère en mouvement (corps)
– Position du bras : définie dans le repère du corps
– Dans quel espace le mouvement est-il représenté?
• e.g. ataxie optique
• e.g. déafferentation
Perenin et Vighetto (1988)

Comment atteindre la tasse?
• Choix d’une trajectoire
– Chemin dans l’espace (de la tâche)
– Parcours temporel sur de la trajectoire
• Formation d’une trajectoire
– Effecteur (DEGRÉS DE LIBERTÉ, ÉQUIVALENCE MOTRICE)
– Trajectoire articulaire (REDONDANCE)
• Mathématiquement : cinématique inverse
– Transformation de coordonnées
– Problème « mal posé » (ill-posed problem)

Comment calculer la commande?
• Calcul des couples articulaires
– Pour réaliser la trajectoire articulaire désirée
• Distribution des forces
– Redondance dynamique
• Mathématiquement : dynamique inverse

La commande est-elle correcte?
• Sources d’erreur
– Localisation de la cible (cible/œil, œil/tête, tête/corps)
– Localisation de la main et posture du bras (visible ou non)
– Estimation des grandeurs physiques (longueur, masse, inertie)
– Approximation des transformations
– Perturbations (e.g. la cible a bougé)
– Bruit
• Solution : correction en ligne
– Utilisation de la vision et de la proprioception
– Délais dans les retours sensoriels
• Points-clé
– Débat non résolu : boucle ouverte ou boucle fermée?
– Programme moteur vs élaboration en ligne
– Réflexe vs volontaire

Comment faire mieux …
• Adaptation, apprentissage moteur
– Interface biomécanique : outils, télémanipulateur
– Transformations visiomotrices (gains, rotations, …)
– Transformations dynamiques (inertie, viscosité, raideur)
• Nature des apprentissages
– Temporaire / permanent
– Interférences
– Apprentissage vs développement
• Construction
– Signaux d’erreur
– Etapes d’apprentissage

Mais …
• Distinction entre idée, plan et exécution?
• Représentation séparée de la cinématique et de la
dynamique?
• Quel niveau de détails est spécifié pour réaliser une
action?
• Contrôle moteur biologique = contrôle d’un robot?

Il y a long déjà …
• Au début du 20 ème siècle, Woodworth écrivait :
« When I voluntarily start to walk, my intention is
not of alternately moving my legs in a certain
manner; my will is directed toward reaching a
certain place. I am unable to describe … what
movements my arms or legs are going to make; but
I am able to state what result I design to
accomplish. »

Difficultés et paradoxes
• Imbrications des processus
– Pas de mouvements « primitifs » équivalents aux stimuli sensoriels
primitifs
– Élaboration parallèle/séquentielle et convergence sur un chemin
unique (« final common pathway »)
– Boucles de contrôle multiples
• Complexité des problèmes / apparente facilité dans
l’élaboration des mouvements
– Problèmes complexes à résoudre même pour l’acte moteur le plus
simple
– Problème des degrés de liberté (Bernstein) : comment le SNC choisit
parmi une infinité de solutions
– Mais pourtant: comportements stéréotypés (invariants)

Étude du contrôle moteur
• Approche computationnelle
– Spécifie quel est le problème à résoudre et pourquoi le résoudre
– Révèle la nature des contrainte que le monde physique impose à la
solution du problème
– Hildreth et Hollerbach : « It is often true that before we can
understand how a biological system solves an information
processing problem, we must understand in sufficient detail at least
one way that the problem can be solved, whether or not it is a
solution for the biological system. »
• Approche empirique : observer, mesurer, quantifier
– Recherche des éléments « réguliers » (invariants)
• Variables cinématiques, dynamiques, neuronales ; erreurs (constantes,
variables) ; relations paramétriques tâche/performance ; mouvements
simples/complexes, lents/rapides, ... ; vision, proprioception, toucher ;
pathologies
– Hypothèse que les invariants sont effectivement contrôlés par le SNC
– Description en terme de « lois »

• Psychophysique
Méthodes
– Décours temporel de grandeurs physiques (e.g. position, vitesse,
force, …)
– e.g. un sujet humain pointe vers une cible - l’expérimentateur
mesure les performances
• Neurophysiologie
– Substrat neuronal des transformations sensorimotrices
– e.g. un singe pointe vers une cible - l’expérimentateur enregistre
l’activité des neurones dans le cortex moteur
• Imagerie
– Bases neurales du contrôle moteur
– e.g. un sujet humain pointe vers une cible - l’experimentateur
mesure l’activité électrique, métabolique, … du cerveau
• Neuropsychologie
– Quantifier des troubles sensorimoteurs
– e.g. un patient pointe vers une cible - l’expérimentateur cherche à
définir la nature des troubles

Physiologie
Réseaux de neurones
Anatomie
Neurologie
Biomécanique
Autrement
Neurosciences
Psychologie Ingénierie
Théorie du contrôle
Physiothérapie
Education physique
Sport
Ergonomie

• Trajectoires
Invariants du mouvement
– Approximativement rectilignes, profils de vitesse en cloche,
indépendamment des conditions du mouvement (e.g. charge)
• Relations paramétriques
– Amplitude / durée, pic de vitesse
– Direction / durée, pic de vitesse
– …
• EMG
– Pattern triphasique
• Variabilité
– Structure

Invariants du mouvement (suite)
Atkeson et Hollerbach (1985)
Gordon et al. (1994)

Invariants du mouvement (suite)
Jeannerod (1984)
van Opstal et al. (1985) Gordon et al. (1994)

Invariants du mouvement (suite)
Wadman et al. (1979)

Invariants du mouvement (fin)
Gordon et al. (1994)
Todorov et Jordan (2002)

• Loi de Fitts
Fitts (1954)
– Compromis vitesse/précision
Loi du mouvement

• Loi des 2/3
Loi du mouvement (suite)
– Relation entre courbure et vitesse du mouvement

• Le temps de réaction
Processus internes
– Reflète la durée du traitement de l’information nécessaire à
l’élaboration d’un mouvement
– Dépend de
• Attention, motivation, modalité (vision, …)
• Intensité, complexité, prédictibilité, …
– Interprétation ?

• Mode de contrôle
Processus internes (suite)
– Feedforward vs feedback

Processus internes (suite)
• Rôle des informations sensorielles
Woodworth (1899)
Ghez et al. (1990)

• Adaptation
Processus internes (suite)
Shadmehr et Mussa-Ivaldi (1994)

• Bruit moteur
Processus internes (fin)
Todorov (2002)

• Du symbole au muscle
Les questions-clé
– Les actes moteurs sont en général spécifiés à un niveau symbolique
(e.g. boire un verre d’eau) alors que le SNC doit générer des
activations musculaires.
• Le problème de Bernstein
– Infinité de solutions
• Estimation et prédiction
– Bruit, délais
• e.g. l’estimation visuelle de position d’un objet en mouvement se fait avec
un délai de 100 ms
• Représentation neurale
– Réseaux de neurones pour le contrôle moteur