Invariance Adiabatique dans les Mouvements Rythmiques Volontaires Humains

Adiabatic Invariance in Voluntary Rhythmic Human Motion

• Auteur / Autrice : Victor Dehouck
• Direction : Olivier White, Nicolas Boulanger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Staps
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale E2S Environnements, Santé, STIC (Dijon ; ....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cognition, Action, et Plasticité Sensorimotrice (CAPS) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Christian Gentil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Buisseret, Ilana Nisky, Frédéric Dierick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Detournay, Frédéric Crèvecoeur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Invariants adiabatiques

Système nerveux central

Bras

Muscles

Mots clés libres

Espace des phases

Variables action-Angles

Contrôle moteur humain

Human motor control

Action-Angle variables

Phase space

Résumé

Les mouvements humains sont toujours complexes. Même une tâche simple comme prendre un verre d'eau implique de nombreux degrés de liberté i.e., différents groupes de muscles, plusieurs articulations et un nombre infini de trajectoires possible pour le bras. Néanmoins, les mouvements sont facilement disponibles aux sujets sains et semble être naturellement optimisé par le système nerveux central. Cela est souvent modélisé par la minimisation d'un paramètre donné du système, tel que l'énergie ou l'à-coup, qui semblent être des candidats naturels. Malheureusement, ces approches sont souvent limitées dans leur portée et ne peuvent pas décrire les mouvements périodiques dans des environnements changeant dans le temps. Dans de tels systèmes, les invariants adiabatiques sont des observables pertinentes issues de la mécanique hamiltonienne. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier le rôle et l'utilisation des invariants adiabatiques dans le contrôle moteur humain. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences. Tout d'abord, nous les avons étudiées en tant que contrainte pour la stabilité globale de la marche, même lorsqu'elle est exposée à une tâche altérant la variabilité, telle que le maintien d'un rythme dicté par un métronome. Ensuite, nous avons utilisé des résultats récents en physique pour évaluer la variabilité inhérente à la marche à longue distance en tant que phénomène de diffusion de la distribution des invariants adiabatiques. Enfin, nous les avons explorés dans des environnements temporels changeants, notamment en modifiant la "gravité" à la fois dans une centrifugeuse et dans un contexte de vol parabolique, où ils semblent être des quantités pertinentes pour montrer les changements dans les stratégies motrices. Les différents résultats de cette thèse indiquent que les invariants adiabatiques révèlent des contraintes génériques cachées affectant les mouvements humains périodiques.

Human motion is inherently complex. Even an ordinary task like lifting a glass of water involves many degrees of freedom i.e., different muscle groups, multiple joints and an infinite number of trajectories for the arm. Nevertheless, motion is readily available to healthy subjects, and seems to be naturally optimized by the central nervous system. This is often modelized as the minimization of a given parameter of the system e.g., energy or jerk, which appear as natural candidates. Unfortunately, these approaches are often limited in their scopes, and cannot describe periodic motion in time-changing environments. In such systems, adiabatic invariants are relevant observables originating from Hamiltonian mechanics. The aim of this doctoral dissertation is to investigate the role and use of adiabatic invariants in human motor control. This was done in a series of experiments. First, we studied them as a constraint for the global stability of gait, even when exposed to a variability-altering task, such as metronome keeping. Then, we used recent results in physics to assess the inherent variability of long-range walking as a diffusion phenomenon of the distribution of adiabatic invariants. Finally, we explored them in time-changing environments, specifically by altering “gravity” both in a centrifuge and a parabolic flight context, where they seem to be relevant quantities to show changes in motor strategies. The different findings in this dissertation point to adiabatic invariants revealing generic hidden constraints affecting periodic human motion.