Motor decision and modular control of an hyper-redundant system
Décision motrice et contrôle modulaire d'un système hyper-redondant
Résumé
This thesis is aimed at better understanding how the Central Nervous System (CNS) plans and controls voluntary movements. When moving, humans must overcome intrinsic (e.g. choosing which muscles to activate) and extrinsic (e.g. choosing where to reach an object) redundancy, requiring selecting one motor solution among several potential ones. To better understand this process, we studied in parallel two important motor control theories: muscular synergies and motor decision. In a first part, we focused on intrinsic redundancy by testing the muscular synergies hypothesis. According to it, the CNS simplifies the control of muscles, in using a limited set of building blocks whose linear combinations allow the performance of virtually any motor task. In this study, we challenge the modular motor control hypothesis by combining a) the design of a highly comprehensive experiment with b) the use of a unifying modularity model to describe single-trial EMG activity in space and time and c) a module evaluation process that assesses the modular decomposition not only in input space (EMG data reconstruction) but also in task space (task discrimination). Our rationale is that an effective modular control implementation would allow not only the formation of a wide variety of muscle patterns but also the achievement of a large set of tasks. The main theoretical result is the existence of few spatial and temporal modules that not onlygive a concise representation of muscle patterns but also carry nearly all task-relevant information of EMG signals. In a second part, we studied the decisional process that underlies all voluntary movement. In daily life, human movement is guided by objective external constraints (e.g. an object to reach), potential external cost/benefits (e.g. monetary reward) and internal cost/benefits associated with each movement (e.g. energy expenditure). Here,we aimed at investigating internal variables orienting action selection when facing the complexity of human-environment interactions. To this aim, we designed an experimental protocol reducing external constraints: no predetermined endpoint (e.g. salient target) and no explicit reward (e.g. money). Subjects had to perform whole body reaching movements towards a uniform surface (no pre-determined endpoint). Our results illustrate the presence of idiosyncratic values guiding posture and movement coordination that can be combined in a flexible manner as a function of context and subject. A first value takes into account the energy expenditure and articular jerk, while the other favored stable dynamic equilibrium but requires larger energy expenditure and articular jerk. In conclusion of this work, we suggest that motor control can be viewed as a decision process evaluating internal values to elaborate the most efficient control in function of context. In addition, this control can be simplified by the use of functional modules allowing CNS to generate rapidly a large set of whole body movements.
Ces travaux de thèse ont pour objectif de mieux comprendre comment le système nerveux central (SNC) planifie et contrôle les mouvements volontaires. Tout mouvement nécessite la résolution de deux types de redondance : interne (complexité du corps) et externe (interactions avec l’environnement), qui rendent difficile la sélection d’une action. Pour mieux comprendre ce contrôle, nous avons étudié en parallèle deux hypothèses importantes dans le domaine du contrôle moteur : les synergies musculaires et la décision motrice. Selon l’hypothèse des synergies musculaires, le contrôle des muscles par le SNC serait simplifié par l’utilisation de groupements invariants d’activations coordonnées de différents muscles, dont la combinaison sous-tendrait la réalisation de mouvements complexes. Le but de cette étude était de mettre à l’épreuve l’hypothèse des synergies musculaires en étudiant simultanément : a) un protocole spécifiant un grand nombre de mouvements variés, b) un nouveau modèle mathématiques tenant compte, pour l’extraction des synergies, de la modularité spatiale et temporelle, c) une double-évaluation de la qualité de la décomposition en synergies : au niveau musculaire (métrique VAF) et fonctionnel (performance de décodage). Notre idée directrice était que l’utilisation de synergies musculaires par le SNC n’est plausible que si elles permettent de rendre compte des activations musculaires d’un grand nombre de mouvements différents, et possèdent chacune un rôle fonctionnel spécifique. Les résultats de cette première étude montrent l'existence d'un petit ensemble de synergies dont la combinaison reconstruit les activations musculaires, et code efficacement toutes les tâches testées. La sélection d’une action, vue comme une prise de décision, peut être guidée par les contraintes extérieures objectives (e.g. la position de l’objet à attraper), les coûts/bénéfices explicites potentiels (e.g. une récompense monétaire), et les coûts/bénéfices internes associés à chaque mouvement (e.g. dépense d’énergie). Au quotidien, les actes sont rarement associés à des récompenses explicites. De plus, la redondance extrinsèque est toujours présente, la saisie d'une pomme par exemple ne définit pas une position finale précise de la main, contrairement au protocole souvent étudié de pointage d'une cible saillante. Les valeurs internes guidant le mouvement auraient donc une importance particulière dans le processus de décision motrice. Afin de les étudier, nous avons construit un protocole limitant les influences décisionnelles externes décrites ci-dessus. Les résultats de cette deuxième étude montrent des comportements différents entre les sujets, et mettent en avant en particulier l'existence de deux valeurs internes guidant la coordination entre posture et mouvement En conclusion, nous suggérons que le contrôle du mouvement peut être vu comme un processus de décision évaluant des valeurs internes pour produire la solution motrice la plus pertinente pour le contexte présent. De plus, ce contrôle serait simplifié par l'utilisation complémentaire de modules fonctionnels stockés dans le SNC.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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