Annalysis and representation of upper limb movement in human

Analyse et représentation du mouvement du membre supérieur de l'homme

• Auteur / Autrice : Thomas Hoellinger
• Direction : Agnès Roby-Brami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle moteur

Perception

Cinématique

Proprioception

Capture du mouvement

Base de données

Couplage sensori-moteur

Résumé

Since antiquity, humans have attempted to reproduce their own movements as demonstrated by multitudes of artistic expressions. The recognition of action has been the object of many studies since the discovery of mirror neurons both in humans and monkeys, suggesting a resonance of action observation in the central nervous system. However these mechanisms are controversial and few studies have attempted to define the movement characteristics that are important for action recognition. This work was based on the analysis of human kinematic characteristics. The first aim was to define important variables for action and the second was to compare them to variables implicated in action recognition by an observer. In the methodological part, we developed a method of 3D reconstruction from electromagnetic recordings carried out with a restricted number of sensors. This method allows the study of 3D hand displacements as well as the configuration of the whole arm. Moreover, it allows the creation of a display made up of points or a stick diagram. The experimental part was based upon a protocol in which participants were asked to reach, grasp and lift cylindrical objects onto a target placed 18cm above the support surface. The visual appearance of the different objects was identical but the weight varied. In the first experiment, we studied the kinematic characteristics of the endpoint. When the weight of the object could be anticipated, the kinematics of the majority of the variables were invariant across the different weights. When the objects were presented randomly and the weight could therefore not be anticipated, these invariant characteristics disappeared. We found that when the object was heavier, the duration of the grasp increased and the acceleration during the lift decreased. This experiment was also carried with a deafferented patient. This revealed the importance of proprioceptive information in the regulation of the kinematics of action. A computational model of the effect of the weight on the movement characteristics in the different conditions of anticipation and proprioceptive feedback was developed in order to better understand the mechanisms behind the variations observed. In the second study we analysed the mechanisms which allow the weight of an object to be judged during observation of its lifting (observers saw either a recording of their own movements or those of another person). In the two visual conditions (working point or stick diagram), we observed that the response of the participants was correlated with the weight of the objects. Acceleration during the lift phase had the highest correlation with the subjects’ responses. In other words, the higher the acceleration, the lower the perceived weight of the object. The variability of the responses suggested that observers do not use other variables which also vary with the weight, neither do they base judgement on maximal height, which may be misleading. This might suggest that the response is not due to a mirror resonance. Acceleration during lifting seems to be specific to the weight during action even when anticipation is not possible. Moreover, it is particularly important for the visual judgement of the intrinsic properties of objects. Overall, these results show that kinematic analysis, when coupled with models, is a useful tool to increase understanding of the mechanisms of human motor control and action recognition. The methodology used (electromagnetic sensors and a kinematic model) could also allow a richer graphic environment to be created (an avatar, for example) so that experimental conditions can be altered, particularly for the study of action recognition (changing the view point, for example). The perspectives seem to be numerous in the field of rehabilitation as well as for virtual reality (or augmented reality) or for fun or educational purposes

L’homme tente depuis l’antiquité de reproduire ses propres mouvements comme en témoignent de multiples expressions artistiques. La reconnaissance de l’action a donné lieu à de nombreux travaux récents depuis l’observation de neurones miroirs chez le singe et chez l’homme ce qui suggère une résonance automatique de l’action d’autrui dans le système nerveux central de l’observateur. Mais ces mécanismes demeurent discutés et très peu d’études se sont attachées à définir quelles sont les caractéristiques particulières du mouvement qui sont importantes pour la reconnaissance de l��action. Ce travail de thèse repose sur l’analyse des caractéristiques cinématiques du mouvement humain d’une part pour définir les variables importantes pour l’exécution de l’action et d’autre part pour les comparer aux variables impliquées dans l’observation et la reconnaissance de l’action par un tiers. Dans une partie méthodologique nous avons contribué à développer une méthode de reconstruction tridimensionnelle à partir d’enregistrements électromagnétiques effectués avec un nombre restreints de capteurs. Cette méthode permet l’étude du déplacement 3D de la main et de la configuration articulaire du membre supérieur et l’affichage de façon simplifiée sous forme de points ou de diagrammes en bâtons. D’un point de vue expérimental, nous avons choisi comme action prototype la préhension et nous nous sommes basés sur un protocole où les sujets devaient atteindre et transporter des objets cylindriques, visuellement identiques mais de différents poids, vers une cible placée en hauteur (étagère). Dans une première expérience nous avons étudié les caractéristiques cinématiques du point de travail (main et objet) pendant l’action. Nous avons observé que dans une condition où le poids de l’objet pouvait être anticipé, la plupart des variables cinématique étudiées étaient invariantes par rapport au poids. Cette propriété n’est toutefois pas conservée lorsque les poids sont présentés au hasard et où donc les effets d’anticipation sont inexistants. Lorsque le poids est plus élevé, la durée de la saisie augmente et l’accélération du mouvement de soulèvement diminue. Cette expérience a également été menée avec une personne présentant une déafférentation ce qui a montré l’importance des informations proprioceptives dans la régulation de la cinématique de l’action. L’effet du poids sur le mouvement a été modélisé dans différentes conditions d’anticipation et de retour proprioceptif pour mieux comprendre l’origine des variations observées. Dans une deuxième expérience nous avons analysé les mécanismes permettant le jugement perceptif de différents poids chez des observateurs lorsqu’ils visualisent des actions de préhension (un enregistrement de leurs propres mouvements ou ceux d’autrui). Dans les deux conditions visuelles (affichage du point de travail ou du diagramme en bâtons), nous avons observé que la réponse des participants était corrélée au poids réel, ce qui montre une bonne capacité de reconnaissance des actions. L’accélération durant le soulèvement (dès le décollement de l’objet jusqu’au pic de vitesse) était l’indice le plus corrélé à la réponse des sujets. En d’autres termes plus l’accélération était importante plus le poids parait léger. L’analyse de la variabilité des réponses a montré que les observateurs n’utilisaient pas les autres variables qui varient de façon régulière avec le poids, ou se fiaient de façon erronée à la hauteur maximum du mouvement. Ce qui suggère que la réponse n’est pas uniquement due à une résonance en miroir. L’accélération du mouvement apparaît donc comme une variable caractéristique du poids de l’objet pendant l’action, même lorsque l’anticipation de poids est possible. De plus elle est particulièrement importante pour effectuer un jugement perceptif des caractéristiques intrinsèques de l’objet. Au total, ces résultats montrent l’intérêt de l’analyse cinématique couplée à la modélisation pour mieux comprendre les mécanismes du contrôle moteur humain et de la reconnaissance de l’action La méthodologie développée (capteurs électromagnétiques et modèle cinématique) devrait permettre ultérieurement d’enrichir l’affichage graphique (par exemple par un avatar) pour varier les conditions expérimentales pour la reconnaissance de l’action (étudier l’effet du point de vue par exemple). Les perspectives semblent nombreuses dans le domaine de la rééducation et dans le domaine des systèmes de réalité virtuelle ou augmentée dans un but ludique ou éducatif.