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Contr

Description:

Propulsion et maintien de l' quilibre postural. Coordonner le mouvement cyclique des ... de trajets circulaires ou rectilignes, vitesse normale ou rapide ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Contr


1
Contrôle et guidage de la locomotion humaine
  • Aspects moteurs, sensorimoteurs et cognitifs

2
  • Contrôle tonique/postural
  • Contrôle locomoteur/ phasique 
  • Contrôle cognitif

3
  • Bases neurales et mécaniques de la locomotion
  • Intégration sensorimotrice (voir Rossignol,
    2006)
  • Circuits spinaux
  • Circuits supraspinaux
  • Coût énergétique et Dynamique passive
  • (voir Alexander RM, Cavagna, Ruina, Kuo, Donelan,
    Kram)
  • Principes de simplification la neurocomputation
  • Perception de lespace géométrie

4
La locomotion, une activité motrice
  • Déplacer le corps
  • Propulsion et maintien de léquilibre postural
  • Coordonner le mouvement cyclique des membres
    inférieurs
  • Forces de réaction au sol
  • Articulations
  • Muscles moteurs
  • Motoneurones
  • Voies supérieures, spinales et supraspinales

5
La génération du pattern locomoteur chez lanimal
  • Locomotion quadrupède et générateurs spinaux de
    marche
  • Début XXème siècle Sherrington et Graham Brown
    limportante contribution du système spinal
  • Années 1960 Orlovsky, Archavsky,tronc cérébral
    et déclenchement de lactivité locomotrice
  • Années 1970-1980 Grillner, Pearson, la
    description des CPGs
  • Années 1990 la modélisation du fonctionnement
    des CPGs et leurs applications à la robotique.

6
Spécificités du contrôle nerveux de la locomotion
humaine
  • (revue de Charles Capaday, TINS 2002)
  • La bipédie et ses conséquences
  • en termes de contrôle postural
  • en termes de patterns dactivation musculaire
  • La distribution spinale des réseaux neuronaux
    générateurs de lactivité locomotrice, est plus
    large
  • ? Le rôle des voies supra-spinales est
    probablement plus important que chez le quadrupède

7
Contrôle locomoteur niveaux danalyse
  • Le cycle de marche analyse du pas
  • Analyse de la trajectoire

8
Le cycle de marche organisation du pattern
locomoteur
  • Cinématique
  • Biomécanique
  • Commande neuromusculaire

9
Description cinématique
  • Cycle caractérisée par
  • lattaque par le talon (?quadrupèdes)
  • Une activité cyclique, répétitive
  • Oscillations angulaires liées
  • Aux périodes dappui/envol des segments
  • propres à chaque articulation

Hicheur, Terekhov, Berthoz, J. Neurophys. (2006)
10
Patterns dactivation musculaire
Capaday (2002)
11
Des robots marcheursde la dynamique passive du
déplacement et du contrôle nerveux
Mc Geer (since 1990)
Mc Geer (since 1990)
12
Vers une approche intégrative
Hicheur Berthoz (2006)
13
Le pattern locomoteur
  • Souvent étudié au niveau des membres inférieurs
  • En regroupant différents niveaux de description,
    possible dobserver des règles de coordination de
    la fonction locomotrice
  • Contributions passives / actives à la formation
    du pattern locomoteur

14
(No Transcript)
15
Contrôle sensorimoteur (échelles du pas et de la
trajectoire)
  • Proprioception
  • Contrôle visuomoteur
  • Rôle du système vestibulaire
  • Intégration multisensorielle
  • Voir Rossignol Physiol. Rev. 2006 pour la
    régulation du pattern)

16
Guidage de la locomotion
  • Stabilité de la marche
  • Orientation du corps entier

17
(pas) Vers une approche intégrative
Hicheur Berthoz (2006)
18
La trajectoire locomotrice
Hicheur Berthoz (2005)
19
Guidage de la locomotion
Aoi, Tsuchiya Tsujita, IEEE RAS (2004)
20
La tête, un contrôle indépendant ?
  • Stabilisation de lorientation de la tête dans
    lespace
  • Pozzo, Berthoz (de 1990 à 1997)
  • Différentes tâches équilibre dynamique, marche,
    course, saut
  • Astronautes de retour de vols
  • Anticipation des futurs changements de direction
    de la marche
  • Grasso, Glasauer, Prévost, Takei, Berthoz (depuis
    1996)
  • Perturbations et contrôle de la direction de
    marche (Patla, depuis 2001)
  • Stabilisation et anticipation lors de
    lalternance entre ligne droite et virage
  • Hicheur, Vieilledent, Berthoz (depuis 2004)

21
the correspondance between semi circular canals
geometry, visual motion processing geometry and
oculomotor space.
From Llinas and Pellioniz
A. Berthoz. The Brains sense of movement
Harvard University Press 2000
22
Role of the vestibular system in Steering of
locomotion a top-down process?
23
the head a stabilized plateform (a mobile
reference frame). A cooperation of the
vestibular system and gaze.

T. Pozzo, A. Berthoz and L. Lefort in Exp. Brain
Res (1990) 82 97-106
24
Head stabilization during various locomotor
tasks in humans
T. Pozzo, A. Berthoz and L. Lefort in Exp. Brain
Res (1990) 82 97-106
25
Stabilisation is also operating in the frontal
plane
T. Pozzo, Levik, Y, A. Berthoz - EBR (1995)
26
The head stabilisation develops during
childhood There is a reversal between bottom up
control of locomotion in the child and top
down control in the adults See the work of .
Assaiante et al. on the development of control by
head,trunk etc. Hypothesis As this
stabilisation si dependant upon Vestibular
system Multisensory integration Spatial
orientaion Gaze control Any deficit in these
PERCEPTUAL functions will induce APPARENT MOTOR
deficits
27
Spatial updating and path integration using
vestibular cues
  • Mittelstaedt

Goal-directed linear locomotion in normal and
labyrinthine-defective subjects. Glasauer S,
Amorim MA, Vitte E, Berthoz A., EBR (1994)
The results show that bilateral LD subjects are
able to perform linear goal-directed locomotion
towards memorised targets. Thus, the vestibular
system does not appear to be necessary for active
linear path integration.
28
top-down control of the steering of locomotion by
head anticipation. (Develops in childhood).
Takei et al Brain Res Bulletin 1996 Berthoz et al
in Golledge et al 1999
29
Head last
Head first
30
Anticipation by head and gaze Internal
cognitive simulation of locomotor trajectory
drives gaze. Multisensory integration is a
proactive mechanism Gaze as a reference
frame (Similar to arm reaching)
Grasso, Amorim, Berthoz et al Neuroreport 7-1996
31
Contribution multisensorielle au contrôle des
trajectoires locomotrices
  • Glasauer, Amorim, Berthoz(depuis 1995)
  • Kennedy (depuis 2001)
  • Système podocinétique (Melvill-Jones)

32
Calibration des appareils sensorielsexemple de
la perception des distances par le système
visuel E.Klarreich (Nature 2001) The long
view Ancient Chinese artists drew distant
objects higher in the field of view, unlike
European artists who generally relied on
perspective, in which lines meet at infinity.
The eleventh-century Arabic scholar Alhazen
hypothesized that humans use angles with the
ground to judge distances.
James Gibson independently reached the same
conclusion while helping to train pilots during
World War II. Since then, however, the theory has
lacked direct evidence.
33
Distance determined by the angular declination
below the horizon (Nature 1998, 2001) Teng Leng
Ooi, Bing Wu Zijiang J. He
A simple, but important, ecological fact is that
the field of view of the ground surface extends
upwards from near (feet) to infinity (horizon).
It forms the basis of a trigonometric
relationship wherein the further an object on the
ground is, the higher in the field of view it
looks, with an object at infinity being seen at
the horizon we provide support for the
hypothesis that the visual system uses the
angular declination below the horizon for
distance judgement.
34
(No Transcript)
35
Guidage de la locomotion
  • Stabilité de la marche
  • Orientation du corps entier

36
locomotion navigation (se déplacer et
sorienter)
  • Au-delà des aspects sensorimoteursun problème
    cognitifcomputationel

37
Le contrôle  biologique  du mouvement
  • La complexité du système moteur
  • trouver la commande inverse
  • Dimensionnalité (degrés de liberté)
  • Redondance motrice

Les lois du mouvement biologique
  • Observations expérimentales
  • des invariants moteursde nature géométrique /
    cinématique / dynamique
  • Bernstein (depuis 1923)
  • synergie, gel des degrés de liberté.
  • Un contrôle optimal (Hogan, depuis 1982), Wolpert
    et collègues (depuis 1992)
  • choix de la solution la moins coûteuse

38
the inverse mapping problem des lois de
simplification computationelle
  • Des règles de coordination motrice, observables
    au niveau de chaque cycle de marche
  • Un contrôle biologique, optimal, des
    trajectoires
  • Géométrie/cinématique des trajectoires
    locomotrices
  • Minimisation derreur, du jerk, de la variance
  • Nature des variables de contrôle

39
Decomposed kinematics Methods
40
Scheme of the experimental layout parametrization
of the trajectory
Z
Trajectory ZT along the vertical, same
orientation as the lab. Z axis XT tangent to the
trajectory, parallel to the velocity YT is
deduced by requiring the axis system to be
appropriately oriented
Y
O
X
ZT
L Laboratory frame
YT
xT,yT trajectory in the lab frame
OT
Notation in the following pages, will denote
the expression of vector in frame F
T trajectory frame
XT
41
From lab. Frame to trajectory frame (1)
  • For a given space point M

Y
YT
XT
  • Where ? is the rotation matrix

X
?T
Coordinates of M in the lab frame
Equation of the trajectory in the lab frame or
position of the walker
Coordinates of M in the trajectory frame
42
From lab. Frame to trajectory frame (2)
  • The previous equation can be written in a more
    compact way

, transition matrix
Or, even more compact
43
Parametrization of the walker modeling of the
degrees of freedom
  • Body
  • Movement in the frontal plane roll
  • Movement in the sagital plane pitch
  • Movement in the horiz plane yaw
  • Head
  • Same rotations with different rotation axis
  • Eye(s)
  • Rotations in the horizontal and sagital plane (of
    the eye) center O(L,R) center of the occular
    globe. L,R indexes are for the left, right eye.

44
Parametrization of the body (1)
ZB1 along the axis joining OB1 and OB2 XB1
XT YB1 derived from the above axes by requiring
properly oriented frame
OH
OB3
Shoulders sensors
OB2
Hips sensors
ZT
ZB1
left-right balance
Transition
YB1
OB1
YT
Beware of the orientation of the angle here
?B1
45
Parametrization of the body (2)
ZB2 along the axis joining OB2 and OB3 YB2
YB1 XB2 derived from the above axes by requiring
properly oriented frame
ZB1
ZB2
Direction of the global motion
?B2
XB1
XB2
Transition
OB1
46
Parametrization of the body (3)
YB3 along the axis joining the shoulders
sensors ZB3 ZB2 XB3 derived from the above axes
by requiring properly oriented frame
XB2
XB3
trajectory
?B3
YB2
YB3
Transition
47
Head rotations
Mid overhead sensor
ZH
ZB3
ZH
?H
The frame is defined by the head sensors ZH, XH
in the mid sagital plane YH derived from the
above axes by requiring properly oriented frame
XH
XB3
YB3
XH
Basis of occipital region
YH
?H
XH
XB3
Transition
48
Eye(s) displacements (illustrated for the
right eye here)
ZRE
?re
ORE
The transformation is similar to that of the
previous case Provided a correct definition of
the experimental angles, i.e ?re?re0 when the
gaze is aligned with the head orientation, ?regt0
downward, ?regt0 when moving to the left
YRE
?re
PRE
XRE
Note in our case M PRE, i.e
Transition
49
Final formula
Movement of the (right) eye in the lab frame
Similarly for the left eye
Et le cerveau ???.....
50
(No Transcript)
51
Dimension computationnelle
  • Au niveau du pas
  • Le système locomoteur
  • Complexité dynamique, cinématique
  • Trajectoire
  • Contrôle postural et repère de référence
  • Locomotion orientée vers un but spatial

52
La covariation planaire des angles délévation
Lacquaniti et al., depuis 1993
53
La loi de covariation planaire CP, une
contrainte centrale simplifiant la coordination
  • Première observation chez lhomme
  • Borghese, Bianchi Lacquaniti (1996)
  • La loi de CP et le coût mécanique de la
    locomotion
  • Bianchi et al. (1998)
  • La loi de CP et la marche avant/arrière
  • Grasso, Bianchi et Lacquaniti (1998)
  • La loi de CP chez les patients Parkinsoniens
  • Grasso et al. (1999)
  • La loi de CP en microgravité simulée
  • Ivanenko et al. (2001)
  • La loi de CP dans une perspective
    développementale
  • Chéron et al. (2001)
  • La loi de CP et la marche en ligne droite/ligne
    courbe
  • Courtine et al. (2003)

54
Hicheur, Terekhov, Berthoz, J. Neurophys. (2006)
55
  • Les paramètres du plan sont corrélés avec les
    propriétés de la droite de régression de ces deux
    variables

56
(No Transcript)
57
How does the geometry of the path determines (?)
/ affects (?) the locomotor pattern?
Motor Activity
Path
58
La tête, un repère stable la question des
référentiels pour la génération et le contrôle
des trajectoires locomotrices
59
MOTION CAPTURE LAB
ATOPOS MOTION CAPTURE Co, Stéphane Dalbéra,
Paris, FRANCE
VICON System, 24 cams, 120 Hz, ( 1 mm)
60
Generation of locomotor trajectories
Hicheur Berthoz, IEEE-RAS (2005)
61
Decomposed kinematics Illustration for Head and
Body movements / Trajectory
62
Effects of centrifugal acceleration changes on
head/trunk postural control
  • Marche le long de trajets circulaires ou
    rectilignes, à vitesse normale ou rapide
  • Anticipation de la direction par la tête et le
    tronc
  • Un contrôle modulé effets conjoints de la
    géométrie du trajet et de la vitesse de marche,
    effets propres à la géométrie

Rappel Acc. Centrif. m.v² / R
Hicheur Berthoz, IEEE-RAS (2005)
63
Guidage de la locomotion un regard qui
anticipe
64
Trajectoires enregistrées et orientations de la
tête et du tronc (/direction de marche)
Hicheur Berthoz, IEEE-RAS (2005)
65
Distribution fréquentielle des oscillations
Hicheur Berthoz, IEEE-RAS (2005)
66
  • Un contrôle modulé
  • effets conjoints de la géométrie du trajet et de
    la vitesse de marche,
  • effets propres à la géométrie
  • Gel dun degré de liberté pour faciliter le
    guidage ?

67
  • Guidage de la locomotion Mouvement de la tête
    lors de la transition entre ligne droite et virage

Hicheur, Vieilledent Berthoz, Neuroscience
Letters (2005)
68
Guidage de la locomotion un regard
stabilisé un regard qui anticipe
69
(No Transcript)
70
Orientation de la tête / direction de marche
71
Distribution fréquentielle des oscillations de la
tête
72
Conclusions
  • Les contraintes de stabilisation et
    danticipation coexistent dans lélaboration de
    la commande du mouvement de la tête
  • Mouvements de compensation et mouvements
    dorientation
  • (cf Imai, Cohen Raphan, 2001)
  • Il y a un effet mécanique mais également un effet
    propre de la géométrie du trajet

73
Guidage visuel de la locomotion
Comp
LD
LC
Hicheur Berthoz (2006)
74
Distribution des points de fixation du regard
dans un référentiel tête fixe
Hicheur Berthoz (2006)
75
Mouvements de la tête, des yeux et du tronc dans
le référentiel trajectoire
Hicheur Berthoz (2006)
76
Hicheur Berthoz (2006)
77
(No Transcript)
78
La stéréotypie des trajectoires
  • Les invariants géométriques révélateurs de
    principes généraux de formation de trajectoires ?
  • Nature des mécanismes aboutissant à la génération
    de la trajectoire
  • Des règles doptimisation ?

Avec Cuong PHAM, En Collaboration avec JP
Laumond, LAAS Toulouse
79
Succession des pas et formation dune trajectoire
  • Stratégie de contrôle

80
The geometry of the path determines the velocity
profile
Log V Log K 1/3 Log R
Loi de puissance 1/3 Lacquaniti, Viviani and
Terzuolo (1983)
81
Domaines dapplication de la loi
  • Perception visuelle du mouvement
  • (Viviani et al., 1989,1992)
  • Mouvements de la main en 3D
  • (Pellizer et al., 1992)
  • Codage neural
  • (Schwartz et al., 1999, 2001)

Locomotion le long de trajets elliptiques Vieilled
ent et al. (2001)
82
Relation between curvature and velocity during
locomotion along elliptical trajectories
Vieilledent S, Kerlirzin Y, Dalbera S, Berthoz
A., Neurosci.Letters, 2001
83
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
84
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
85
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
86
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
87
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
88
From Hicheur, Vieilledent, Richardson, Flash
Berthoz, EBR (2005)
89
(No Transcript)
90
  • La locomotion se déplacer et sorienter
  • Walking is a motor activity that combines a
    continuous, fine coordination of the limbs and
    trunk across each step with the planning
    strategies of goal-directed movements.
  • Hicheur el al. EBR 2005
  • La stabilité motrice repose sur des règles de
    coordination inter segmentaire
  • La gestion des changements de direction (le
    guidage) se fait de manière
  • Rétroactive (feedback sensorieltransf.
    sensori-motrices)
  • Proactive (modèle interne ?...une simulation
    mentale des trajectoires-
  • Berthoz (le sens du mouvement)

91
Références
GENERAL
En relation avec le cours
Capaday C (2002) The special nature of human
walking and its neural control. Trends Neurosci.
25 370-376
Grasso R, Glasauer S, Takei Y, Berthoz A (1996)
The predictive brain anticipatory control of
head direction for the steering of locomotion.
Neuroreport 7 1170-1174
Hicheur H, Glasauer S, Vieilledent S and Berthoz
A. (2005) Head direction control during active
locomotion in humans. In Head Direction Cells
and the Neural Mechanisms of Spatial Orientation,
edited by Wiener SI and Taube JS.
Cambridge,Massachusetts, MIT Press, p. 383-408.
92
(No Transcript)
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