Thèses sur le sujet « Motor anticipation »

The purpose of this study was to examine the effect of mood lability on anticipation timing performance. The influence of gender and stimulus speed on timing error was also analysed. Spectral analysis was used to quantify frequency of mood change. The within-subjects standard deviation was calculated as a measure of intensity of mood change. Thirty-eight physical education students (18 men; M = 23.8 yrs, SD = 2.1 and 20 women; M = 20.4 yrs, SD = 1.6) participated in this study. Mood changes were measured along the Pleasantness and Energetic dimensions of the Affect Grid. Performance was assessed using the Bassin Anticipation Timer. It was hypothesized that: the fast mood changers would incur greater timing errors than the slow mood changers, men would perform with less error than women, and stimulus speed would have a significant influence on timing error.
Mixed factorial ANOVAs with repeated measures on the last factor were utilized to compare mean timing error scores: constant error, absolute error, variable error, and total error, over two levels of frequency of mood change (fast/slow) and intensity of mood change (high/low) groups, two levels of gender (men/women) and four levels of stimulus speed (5/10/15/25 mph). Alpha was set at the.05 significance level for all statistical comparisons. Results showed that intensity of mood change had a significant influence on anticipation timing performance, frequency of mood change factor did not have a significant effect on timing error, men performed with less variability than women and stimulus speed had a significant influence on anticipation timing. The Profile of Mood States (POMS) results, showed that women scored lower on the negative mood states than men. Total mood disturbance for both men and women showed no significant relationship to the timing error scores.

This PhD thesis implemented a mixed-methods approach to investigate individual differences in performance, learning, and transfer of expert athletes’ capabilities to anticipate. In study 1, international field hockey goalkeepers and coaches were interviewed to understand their beliefs regarding anticipation of the drag-flick in penalty corners. Participants reported that pre-match video analysis, perception and action, as well as psychological factors are vital to anticipate the drag-flick. Study 2 employed a single-subject design and video-based temporal occlusion paradigm to investigate individual differences in expert and emerging-expert male field hockey goalkeepers’ integrated pick-up of contextual and opponent kinematic information for anticipation. Results indicated some expert and emerging-expert goalkeepers were able to integrate these sources of visual information to anticipate. Thereafter, a sub-sample of goalkeepers participated in a video temporal occlusion anticipation training program with pre, post, retention video tests, as well as a pre-post transfer field test. Some goalkeepers received the intervention and some did not. All intervention goalkeepers, but not the controls, improved on aspects of the video temporal occlusion and field penalty corner tests. Match statistics for two goalkeepers who received the training were also tracked using a multiple-baseline design. Results indicated no improvement in the control baseline phases, but an indication of improvement post-intervention. Study 3 employed a single-subject design to investigate individual differences in expert and emerging-expert female field hockey goalkeepers integrated pick-up of contextual and kinematic information to anticipate across female and male opponents. Results indicated some goalkeepers were able to transfer the capability to anticipate the drag-flick across different opponents. Overall, these findings advanced theoretical knowledge of visual anticipation through an individualized approach in a population of truly expert participants. Furthermore, the findings provide practical implications for skill acquisition specialists, sport psychologists, and coaches to evaluate and improve the visual anticipation of their athletes.

L'empathie nous permet de comprendre et de réagir aux sensations des autres individus. Regarder une situation douloureuse peut induire des comportements de type prosociaux orientés vers les autres ou des réponses d'évitement comme celles enregistrées en réponse à une menace. Le but principal de cette thèse était d'étudier les comportements d'approche/évitement et freezing qui se produisent soit en observant la douleur des autres, soit pendant l'anticipation de la douleur. Deux tâches manipulant la prise de perspective ont permis d'enregistrer des cotations supérieures concernant le niveau de douleur, des temps de réaction inférieurs (expérience 1) et des index de réponses d'évitement plus grands (expérience 2) pour la perspective consistant à imaginer que le sujet représenté dans une condition douloureuse était la personne la plus aimée. Dans la troisième expérience, nous avons analysé le comportement du freezing au niveau du système corticospinal du participant : un effet du freezing spécifique fut rapporté uniquement lorsque de la présentation des stimuli douloureux en perspective du première personne. Dans une quatrième expérience, l'effet du freezing, normalement présent en réponse aux stimuli douloureux fut aussi rapporté dans le cadre de l'anticipation de la douleur pour soi-même. Nos études suggèrent que ce sont principalement les mécanismes cognitifs de prise de perspective qui modulent la réponse empathique et que la perspective de la personne la plus aimée induise la réponse empathique la plus forte. Au contraire les réponses du freezing des modulations corticospinales sont principalement observées lorsque le sujet adopte une perspective en première personne
Empathy allows us to understand and react to other people feelings. Regarding empathy for pain, a witness looking at a painful situation may react to other-oriented and prosocial-altruistic behaviors or self-oriented withdrawal responses. The main aim of this thesis was to study approach/avoidance and freezing behavioral manifestations that co-occurring along with both others’ pain observation and during the anticipation of pain. In two perspective-taking tasks, we investigated the influence of the type of relationship between the witness and the target in pain. Results showed that higher pain ratings, lower reactions times (experiment 1) and greater withdrawal avoidance postural responses (experiment 2) were attributed when participants adopted their most loved person perspective. In experiment 3, we analyzed the freezing behavior in the observer’s corticospinal system while subject was observing painful stimuli in first-and third-person perspectives. Results showed the pain-specific freezing effect only pertained to the first-person perspective condition. An empathy for pain interpretation suggests empathy might represent the anticipation of painful stimulation in oneself. In experiment 4 results, we found that the freezing effect present during a painful electrical stimulation was also present in the anticipation of pain. In conclusion, our studies suggest that cognitive perspective-taking mechanisms mainly modulate the empathic response and the most loved person perspective seems to be prevalent. In addition, more basic pain-specific corticospinal modulations are mainly present in the first-person perspective and it seems to not be referred to the empathy components

The current body of work aims to apply Processing Efficiency Theory (PET) and Attentional Control Theory (ACT) to novel dynamic settings by examining how anxiety influences perceptual-cognitive and perceptual-motor skills. Sporting domains and fall-risk in older adults are studied. Applying ACT to a tennis anticipation paradigm examines whether state anxiety influences processing efficiency and the use of contextual information during anticipation. Processing efficiency was reduced under anxiety, while overall response accuracy was unchanged. Furthermore, skilled performers were seemingly less able to utilise contextual information when anxious. Studies in Chapters 4 and 5 sought to test the predictions of PET and ACT compared with those of Reinvestment Theory (RT) in the field of fall-risk in older adults. In Chapter 4, trait anxiety, alongside increasing dual-task demands, produced processing and motoric inefficiencies through reduced visual planning and mean gait velocity. Furthermore, greater and more variable gait velocity reductions were found in those with higher trait anxiety. By contrast, greater reinvestment levels were associated with poorer visuospatial recall, higher stepping accuracy, plus larger and less variable gait velocity reductions. Chapter 5 further investigates the motoric inefficiencies observed in anxious older adults’ gait. The influences of trait anxiety, movement specific reinvestment, and falls efficacy on body segmental control during adaptive turning are studied. Trait anxiety and falls efficacy were mainly shown to influence differing facets of turning behaviour, though both were associated with greater coupling of body segments (en-bloc rotations), whereas, limited support was offered for RT. Overall, PET and ACT were supported when applied to these new dynamic domains. However, discrepancies are discussed due to testing theoretical hypotheses in more representative environments.

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(人間・環境学)
甲第18352号
人博第665号
新制||人||160(附属図書館)
25||人博||665(吉田南総合図書館)
31210
京都大学大学院人間・環境学研究科共生人間学専攻
(主査)准教授 神﨑 素樹, 教授 森谷 敏夫, 准教授 久代 恵介, 教授 小田 伸午
学位規則第4条第1項該当

Previous investigations comparing direct versus indirectly cued movements have consistently shown that indirectly cued movements take longer to prepare (Neely and Heath, 2010) and involve the recruitment of additional brain areas (Connolly et al., 2000). This increase in processing time has been associated with the additional cognitive transformations required of the task (Neely and Heath, 2010). In the present study we investigated whether differences between direct versus indirectly cued movements are also reflected in the time course of motor preparation. Participants performed a targeting task, moving directly to the location of a visual cue (i.e., directly cued movement) or to a location that differed by 60˚, 90˚, or 120˚ with respect to the visual cue provided (i.e., indirectly cued movements). Participants were instructed to initiate their movements concurrently with an anticipated go-signal. To examine the time course of motor preparation, a startling acoustic stimulus (SAS, 124dB) was randomly presented 150 ms, 500 ms, or 1000 ms prior to the go-signal. Results from the startle trials revealed that the time course of motor preparation was similar regardless of the angle of rotation required and hence whether it was a direct or indirectly cued trial. Specifically, motor preparation was delayed until less than 500 ms prior to movement initiation for both direct and indirectly cued movements. These findings indicate that similar motor preparation strategies are engaged for both types of cued movements, suggesting that the time to prepare a motor response may be similar regardless of whether a cognitive transformation is required.

Thesis (M Sport Sc (Sport Science)-- University of Stellenbosch, 2010.
ENGLISH ABSTRACT: The purpose of this study was to determine the effects of a perceptual-motor training programme on the coincident anticipation timing and batting performance of university club cricket players. The intervention programme focused on developing players‟ visual attention and concentration. Vickers‟ (2007) Three-Step Decision Training Model was used to structure the training sessions. The study followed a repeated measures experimental design with three groups (experimental, placebo, and control) formed by volunteers from a university club cricket team. The independent variable was a four-week training programme. The dependent variables were coincident anticipation timing and performance on a cricket batting test. Subjects were pre- and post-tested with retention tests occurring after a set period of “no training” following the post-tests. Differences between groups were compared using Kruskal-Wallis ANOVA by Ranks Tests. Differences within each group were compared using multiple Mann-Whitney U-Tests. No significant improvements were observed in the experimental group‟s coincident anticipation timing and batting performance. Although neither coincident anticipation timing nor batting performance significantly improved, further research into the use of Vickers‟ (2007) Model to enhance sport performance is recommended.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie studie was om die uitwerking van ʼn perseptueel-motoriese opleidingsprogram op die samevallende vooruittydsberekening (“coincident anticipation timing”) en kolfprestasie van universiteitsklubkrieketspelers te bepaal. Die klem van die intervensieprogram het op die ontwikkeling van spelers se visuele aandag en konsentrasie geval. Die opleidingsessies is volgens Vickers (2007) se drieledige model vir besluitnemingsopleiding saamgestel. Die studie het ʼn eksperimentele ontwerp van herhaalde metings op drie groepe (eksperimenteel, plasebo en kontrole) van ʼn universiteitsklubkrieketspan toegepas. Die onafhanklike veranderlike was ʼn vier weke lange opleidingsprogram. Die afhanklike veranderlikes was samevallende vooruittydsberekening, en prestasie in ʼn krieketkolftoets. Proefpersone het voor en net ná die opleiding toetse ondergaan, sowel as behoudtoetse drie weke ná die na-opleidingstoetse. Verskille tussen groepe is met behulp van rangtoetse uit Kruskal-Wallis se variansie-analisemodel (ANOVA) bepaal, terwyl verskille binne groepe met veelvuldige Mann-Whitney-U-toetse vergelyk is. Geen beduidende verbetering is in die eksperimentele groep se samevallende vooruittydsberekening of kolfprestasie waargeneem nie. Hoewel nóg samevallende vooruittydsberekening nóg kolfprestasie aansienlik verbeter het, word verdere navorsing oor die gebruik van Vickers (2007) se model vir die verbetering van sportprestasie aanbeveel.

Le contexte temporel influence profondément la façon dont nous nous comportons. De manière similaire, il donne forme à l'activité du cortex moteur (LFP et potentiels d'action), pendant la préparation motrice, mais aussi en absence de préparation d'un mouvement
The temporal context deeply shapes the motor cortical activity (spikes and LFPs), during movement preparation but also outside movement preparation

Mental practice (MP) is the cognitive rehearsal of a task in the absence of overt physical movements. It has been shown that MP allows performance improvements in various tasks, but little is known about the effectiveness of different strategies of MP and about the exact sensorimotor mechanisms that underlie this improvement. Several strategies of MP are here investigated in relation to the practice outcome. In particular, in the context of music performance, it is shown that pitch imagery is strongly associated with better performance, regardless of the specific nature of the musical task. Conversely, structural/formal analysis appears to be important for music memorization, and motor imagery for fine motor control. In terms of sensorimotor outcomes of the practice, it is shown that MP results in improvements of movement velocity, movement anticipation and coarticulation. Additional experiments from force-field learning paradigm show that MP can also result in changes of somatosensory perception. Results are discussed in the context of the simulation theories of motor control.

Le but des travaux realises dans cette these etait d'etudier la finalite biomecanique des ajustements posturaux qui accompagnent le soulevement d'un membre a partir d'une posture quadrupedique chez l'homme. En quadrupedique horizontale, les resultats montraient que les variations de force des membres restant en appui precedaient le debut du mouvement, mettant en evidence la presence d'ajustements posturaux anticipateurs (apa). L'analyse biomecanique des apa montrait que l'excursion initiale du centre des pressions (cp) etait a l'origine de conditions dynamiques permettant d'ajuster la position du centre de gravite (cg) aux contraintes representees par le maintien de l'equilibre. La deuxieme partie de l'etude avait pour but de comparer les reponses posturales associees au soulevement d'une jambe a partir d'une posture, soit bipedique, soit quadrupedique verticale. A l'equilibre, il existe une difference majeure entre les deux postures: la position du cp et la projection du cg peuvent etre differentes en quadrupedie. Au cours du mouvement, des apa etaient presents dans les deux situations. Les resultats montraient que la duree et l'amplitude des phenomenes dynamiques anticipateurs etaient dependants de la difference entre les positions initiale et finale du cg. En quadrupedie, la nette diminution de la duree des apa etait due a un decalage entre les positions finales du cp et du cg, la presence de forces manuelles laterales et antero-posterieures etant alors necessaire pour maintenir l'equilibre final. Ainsi, sur l'axe lateral, l'amplitude du deplacement du cg vers le pied d'appui entre le debut et la fin du mouvement, etait considerablement reduite par rapport a celle observee dans la condition bipedique. Sur l'axe antero-posterieur, la presence d'apa destines a s'opposer a la perturbation vers l'arriere provoquee par le mouvement n'etait plus necessaire dans la condition quadrupedique parce que l'equilibre final etait assure par des forces manuelles antero-posterieures, le cg etant alors situe en arriere du cp

Les perturbations des activités de vie quotidienne constituent l’un des critères diagnostiques du Trouble de l’Acquisition de la Coordination (TAC). Malgré leur impact sur l’autonomie de l’enfant, les troubles d’utilisation impliqués dans ces activités quotidiennes demeurent peu explorés (e.g., mécanismes sous jacents, profils inter-individuels, recul évolutif). A notre connaissance, la notion d’utilisation d’outil n’a pas fait l’objet d’une modélisation développementale spécifique.Elle se situe aujourd’hui au carrefour des modèles sur le développement perceptivo-moteur et des théories sur l’émergence des capacités cognitives de résolution de problème chez l’enfant. Des modèles récents développés chez l’adulte apraxique suggèrent que l’utilisation d’outil est le fruit d’un processus dialectique entre un raisonnement technique (i.e., analyse abstraite des moyens techniques pertinents pour un but donné) et des habiletés sensori-motrices (i.e., guidées par les représentations sur les transformations mécaniques à opérer). A l’appui de ces modèles, la présente thèse propose d’une part d’analyser le développement typique de l’utilisation d’outil et des processus sous-jacents.Nous explorons d’autre part l’hypothèse d’un développement atypique de l’utilisation d’outil chez des enfants diagnostiqués TAC. Nos résultats apportent des arguments en faveur de la contribution du raisonnement technique au développement typique de l’utilisation d’outil. Sur le plan clinique, l’analyse de l’étendue et des causes sous-jacentes des difficultés d’utilisation d’outil confirme l’importance d’un tel examen pour la validation des critères diagnostiques du TAC
Deficits in daily living activities are one of the diagnostic criteria of the Developmental Coordination Disorder(DCD). Despite their impact on child’s autonomy, tooluse disorders involved in these daily activities remainunder-assessed (e.g., underlying processes,interpersonal profiles, persistence disease). To ourknowledge, there is no theoretical framework of tool useformulated in a specifically developmental perspective.This concept actually remains at the crossroads between models of the perceptual-motor development and theories about cognitive processes of problem resolution in children. Recent models developed inadults with apraxia suggest that tool use is a dialectical process between a technical reasoning (i.e., abstractanalysis of technical means and ends) and sensory motorskills (i.e., managed by the representations on the mechanical transformations to be operated). According to these models, we first aim to analyze the typical development of tool use and the underlying processes.We then explore the assumption of an atypical development of tool use in children with DCD. Ourfindings provide evidence for the involvement of technical reasoning in typical development of tool use.From a clinical perspective, the analysis of tool use impairment and underlying deficits confirm the relevance of such an assessment for the validation of the diagnostic criteria of the DCD

Les patients atteints de maladie de Parkinson présentent des troubles de la marche, parfois paroxystiques, pouvant être aggravés ou améliorés par les stimuli environnementaux. L'attention portée, soit aux stimuli extérieurs, soit à la marche, pourrait ainsi moduler la locomotion.L’objectif principal était donc de mieux caractériser la manière dont les stimuli environnementaux modulent par le biais de réseaux attentionnels la locomotion. Ceci a été étudié chez les sujets sains puis chez les patients parkinsoniens, avec ou sans enrayage cinétique.Nous avons d'abord défini précisément les déficits attentionnels des patients, avec ou sans troubles de la marche. Ils présentaient respectivement des difficultés en flexibilité mentale et plus particulièrement en attention divisée.Nous avons ensuite exploré l'interaction attention-locomotion grâce à l'étude de la préparation motrice. Ainsi, nous avons pu démontrer que les ajustements posturaux anticipés étaient un marqueur sensible de l’attention. Chez les patients, ils pouvaient témoigner d’une altération de l'interaction attention-programmation motrice.L'étude des régions cérébrales activées lors de la locomotion visuo-guidée chez ces patients a permis de confirmer l'implication de structures corticales attentionnelles. Un déséquilibre d’activation au sein du réseau pariéto-prémoteur (nécessaire à la modulation de l'action motrice en fonction des stimuli externes) était présent.Enfin, nous avons essayé de modifier l'excitabilité du cortex prémoteur via des techniques de stimulation magnétique transcrânienne répétitive afin de moduler la locomotion visuo-guidée
Patients with Parkinson 's disease present gait impairments, sometimes sudden and unexpected, either improved or deteriorated with environmental stimuli. Attention focalization, either on external stimuli or on gait, could then modulate locomotion.The main objective was to better characterize how environmental stimuli would modulate locomotion, via attentional networks, in healthy subjects and in parkinsonian patients, with or without freezing of gait.At first, we precisely defined the attentional deficits in patients, with or without gait impairment. They showed altered performance respectively in mental flexibility and in divided attention.Then, we explored the attention-locomotion interaction by studying motor preparation. So, we highlighted that anticipatory postural adjustments were a sensitive marker of attention. In patients, they evidenced an alteration of the attention-motor program interaction.Studying the brain activation during the visuo-driven locomotion in these patients confirmed the involvement of cortical attentional regions. We observed an imbalance inside the parieto-premotor network (useful to modulate motor action according external stimuli)Finally, we tried to change the excitability of the premotor cortex with transcranial magnetic stimulation to modulate visuo-driven locomotion

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.
In this thesis, we addressed motor control by two experimental approaches: psychophysical studies in human subjects and neurophysiological recordings in non-human primates. We identified unresolved issues concerning interference in motor learning during adaptation of subjects to two or more anti-correlated force fields. We designed paradigms in which arbitrary color stimuli provided contextual cues that allowed subjects to predict the nature of impending external force fields before encountering them physically during arm movements. This contextual knowledge helped to facilitate adaptation to the force fields by reducing this interference. According to one computational model of motor learning (MOdular Selection And Identification model for Control; MOSAIC), the color context cues made it easier for subjects to build “internal models” of each force field, to recall them and to switch between them with minimal interference. In our first experiment, four groups of human subjects performed elbow flexion/extension movements against two anti-correlated viscous force fields. We combined two different colors for the computer monitor background with two forces: resistive (Vr) and assistive (Va). The first two groups were control subjects. In those subjects, the color of the computer monitor changed at regular intervals but the force field remained constant; Vr was presented to the first group while the second group only experienced Va. As a result, the color cues were irrelevant in the two control groups. All control subjects adapted well to the single experienced force field (Vr or Va). In the two experimental groups, in contrast, the anti-correlated force fields and the monitor colors changed repeatedly between short blocks of trials. In the first experimental group (Reliable-cue subjects), there was a consistent relationship between the force and the stimulus (color of the monitor) - the red colour always signalled the resistive force while the green colour always signalled the assistive force. Adaptation to the two anti-correlated forces for the Reliable-cue group was significant during 10 days of training and almost as good as in the Irrelevant-cue groups who only experienced one of the two force fields. Furthermore, the Reliable-cue subjects quickly demonstrated predictive adaptive changes in their motor output whenever the monitor color changed, even during their first day of training, showing that they could use the reliable color context cues to recall the appropriate motor skills. In contrast, the monitor color also changed regularly between red and green in the second experimental group, but the force fields were not consistently associated with the color cue (Unreliable-cue group). These subjects took longer to adapt to the two force fields than the other three groups, and could not use the unreliable color cue change to make predictive changes to their motor output. Nevertheless, all Unreliable-cue subjects developed an ingenious strategy of making a specific “default” arm movement to probe the type of force field they would encounter in the first trial after the monitor color changed and used the proprioceptive feedback about the nature of the field to make appropriate predictive changes to their motor output for the next few trials, until the monitor color changed again, signifying the possibility of a change in force fields. This strategy was effective since the force remained constant in each short block of trials while the monitor color remained unchanged. This showed that the Unreliable-cue subjects were able to extract implicit and explicit information about the structure of the task from the color stimuli and use that knowledge to reduce interference when adapting to anti-correlated forces. The results of this first study encouraged us to advance our understanding of how subjects can recall multiple motor skills coupled to color context stimuli can be recalled, and how this phenomenon can be reflected by the neuronal activity in monkeys. Our aim was to elucidate how neurons of primary motor cortex (M1) can contribute to adaptive compensation for a wide range of different external forces during single-joint elbow flexion/extension movements. At the same time, we aimed to test the hypothesis evoked in the MOSAIC model, whereby multiple controller modules located in the cerebellum may predict each context and produce appropriate adaptive output signals for a small range of task conditions. Also, according to this hypothesis, M1 neurons may receive inputs from many specialized cerebellar controllers and show appropriate response modulations for a wide range of task conditions. We trained two monkeys to adapt their flexion/extension elbow movements against 5 different force-field conditions: null field without any external force disturbance, two anti-correlated viscous forces (assistive and resistive), which depended on movement speed and resembled that used in the human psychophysical study, a resistive elastic force which depended on elbow-joint position and finally, a visco-elastic field that was the linear sum of the elastic and viscous forces field. Each force field was reliably coupled to 5 different computer monitor background colors. The monkeys properly adapted to the 5 different force-field conditions and used the color context cues to recall the corresponding motor skill for the force field associated with each color, so that they could make predictive changes to their motor output before they physically encountered the force fields. EMG recordings eliminated the possibility that a co-contraction strategy was used by the monkeys to adapt to the force fields, since the EMG patterns were appropriate to compensate for each force-field condition. In parallel, M1 neurons showed systematic changes in their activity at the single-neuron and population level in each force-field condition that could signal the required changes in the direction, magnitude and time course of muscle force output required to compensate for the 5 force-field conditions. The patterns of response changes in each force field were consistent enough across M1 neurons to suggest that most M1 neurons contributed to the compensation for all force field conditions, in line with the predictions of the MOSAIC model. Also, these response changes do not support a strongly modular organization for M1.