FRANÇOIS BONNETBLANC

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1 FRANÇOIS BONNETBLANC ÉTUDE DE L'INTERACTION POSTURE-MOUVEMENT DANS LE CADRE DU PARADIGME DE LA LOI DE FITTS mem moire Présenté à la Faculté des études supérieures de l'université Laval pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M. Sc.) Division de Kinésiologie Département de médecine sociale et préventive FACL~LTÉ DE.~&DECIM CNIVERSITÉ LAVAL SEPTEMBRE 2000 El François Bonnetblanc. ZOO0

2 National Library ($1 of Canada Acquisitions and Bibliographie Services BiMitheque nationale du Canada Acquisitions et senrices bibliographiques 395 Wellington Street Ottawa ON K1AW 395, nie Wollillgtm OltawaON KlAW Canada canada The author bas granted a nonexclusive Licence allowing the National Librw of Canada to reproduce, loan, distribute or seil copies of this thesis in microform, paper or electronic formats. The author retains ownership of the copyright in this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts fiom it may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant a la Bibliothèque nationale du Canada de reproduire, prêter, distribuer ou vendre des copies de cette thèse sous la forme de microfichelfilm, de reproduction sur papier ou sur format électronique. L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation.

3 Les tâches motrices usuelles intègrent simultanément des composantes et contraintes posturales et focales, impliquant une interaction entre posture et mouvement. Ce présent travail se propose d'étudier une telle interiiction en utilisant une tiche de pointage (paradigme de Fitts) de difficultés focales (ID) variables, où les sujets étaient placés en situation debout. dans des contextes posturaux différents. L'étude portait sur l'analyse des temps de mouvement (TM) et des données cinématiques. Elle a permis de montrer une modification des performances de pointage en fonction du contexte postural et un changement de coordination entre le rronc et le coude en fonction de la précision focale requise (ID). Pour une même contrainte de pointage. le TM augmentait en fonction de l'implication du tronc. L'augmentation de la difficulté de la tache impliquait une modification de la coordination tronc-coude. Ces résultats suggèrent que la posture est traitée en priorité sur le mouvement. auteur Normand Teasdale, Ph. D. Directeur de recherche

4 AVANT-PROPOS Les remerciements... Personne ne les lit! Je pourrais même vous annoncer ici que j'ai trouvé la formule magique pour devenir riche. beau et célèbre pour pas un rond et ça passerait inaperçu. mais je n'en ferais rien. Cependant. j'airnerais profiter de ces quelques mots pour enfoncer le ciou de ce qui a déjà été dis dans les précédents mémoires... En effet, je voudrais remercier le Dr. Normand Teasdale pour ses qualités scientifiques exceptionnelles de directeur de recherche, de meneur et ses qualités humaines qui vous permette de le côtoyer sans l'académique distance du maître et de l'élève. mais avec le respect mutuel : je travaille mieux dans ces conditions. Merci. donc pour ta disponibilité. ainsi que pour la précision et l'efficacité de tes interventions. J'espères être amené à pouvoir travailler à nouveau avec toi. De la même manière. je tiens à remercier le Dr. Olivier Martin pour ses conseils avisés. son aide précieuse. sa grande disponibilité. ses capacités à motiver et sa joie de vivre qui sont bien appréciables dans un tel contexte. le souhaite aussi remercier tous les étudiants devenus des ami(e)s, qui m'ont supportés dans tous les sens du terme. Merci donc aux girls» du iabo et d'ailleurs. Ginette. Céline. Caro. Canne et Sof-Sof pour nos discussions et nos délires partagés. Merci à Phil et Jeesbee, pour les cc pétages de plombs ), toujours improvisés. Je remercie aussi nos sages (???) aînés Fiibi et Nico (le labrador du labo) pour leur support. Merci tous pour les moments panagést et les sorties. Je ne pourrais cependant finir ici. la conscience tranquille. sans remercier ces deux monstres sacrés et compères sans qui le labo ne serait pas ce qu'il est. je veux parler de Marcel et Gilles. Merci à vous deux pour votre expertise. votre sentillesse et vos leçons de "vie". Enfin. merci à mes premiers fans. c'est à dire ma famille. pour leur support et pour m'avoir laissé libre de faire des choix et «d'expérimenter M. Finalement, je dirais que grîce i vous tous. j'ai passé ici au Québec une année exceptionnellement riche sur tous les plans que ce soit scientifique ou humain. et du fond du cœur je vous en suis sincèrement très reconnaissant.

5 RÉSUMÉ... i AV.W"ï.PROPOS... ii LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX... i v CH.VITRE 1. INTRODUCTION GÉNÉRALE... 1 CH.eITRE II. RECENSION DES ECRITS tri posture comme pré-requis au mouvement? Définition : la posture comme configuration ou unité comportementale vs la posture comme unitc fonctionnelle'? Fonction du systkmt: de conuiile postural... 4 i -3 Rtif6rentiels associés i la posture et au mouvement : ego. exo (Paillard ) et schitme postural Construction des réfirçntiels : approche modulaire et globale de la posture Valeurs de réfkences : quels paramiitres sont régul6s dans le cris du contr8le de I'6quitibrea? Conditions statiques Conditions dynamiques Autres valeurs de référence Limites et modtlisation : introduction ai la mécanique de I'iiquilibre Interaction posture-mouvement : généralités I Perturbation interne de la posture et de l'iquilibre Aspects comportementaux liés à l'interaction Èquilibre-mouvement : notion de stratégies posturales Flicilitation de la coordination posture-mouvement Modes d'ajustements posturaux : cornprtihension des mecrinismes associ6s 5 iii coordination posturemouvement Interaction posture-mouvement. les effets du mouvement sur la posture : le concept d'ajustements posturitux Riactions posturales Le concept d'ajustement Postural Anticipé ( MA) CaractéristiquesetfonctionsdesAPA modes de coordination posture-mouvement [nteraction Posture-Mouvement : tes effets de 13 posture sur Ie mouvement Paradigme de la loi de Fitts. indret pour la compréhension de la coordination posture-mouvement Altérition des performances de pointage impliquant les phinomenes posturaux Aspects cinimatiques des effets de Iri pomre sur le mouvement : le cris des taches de pointage impliquant les mouvements du tronc Invariance de Iri trajectoire de Iri main Coordination et compensation tronc- bras Problématique..., CHAPITRE III - Sensitivtty of Fitts' law induced bu posturril constrriints : tuning of the trunk-elbow coordination CH.UITRE IV. CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE... 62

6 LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX Figures la and lb. Experimental set-up for the distant condition before movement onset (la) and rifter the movement (lb) Figure 2. MT with respect to the 4 differents ids for the 3 postural conditions (mean of dl subjects) Figure 3. Deceleration duration in function of the 4 different Ds for the 3 postural conditions (mean of all subjects).....a 1 Figure 4. Velocity profiles for 4 different conditions of PosturesxiDs (n= 10. data for one subject).....a3 Figure 5. Stick-figures for 1 differeni conditions of Posturesxiûs (data for one subject).... A5 Figure 6a and 6b. Decelention duration of the trunk (6a) and the elbow (6b) in function of the 4 different IDs. for the three postural conditions (mean of al1 subjects) Figure 7. Co-variation of the elbow and hip angles for 4 different conditions of PosturesxIDs (n=lo, data for one subject)

7 CHAPITRE 1 - WTRODUCTION GÉNÉRALE Depuis quelques années les phénomènes liés à la posture et au mouvement ne sont plus étudiés séparément. L'intérêt porte sur leurs interactions mutuelles. Par exemple. les activités posturales anticipées (APA) qui sont des phénomènes posturaux associés h la réalisation du mouvement ont fait l'objet de très nombreuses études (voir Massion 1992: pour revue). En effet. les mouvements focaux volontaires simples et complexes sont réalisés avec des réponses posturales anticipées (Amin et Latash. 1995; Bouisset et Zattara ; Massion 1992). Ces réponses pouvant intervenir sans feedback périphérique seraient donc programmées par le SNC en anticipation de la perturbation (Forget et Lamarre. 1990). Cependant. même si ce domaine a été largement interrogé il demeure certaines pistes de questionnement. Tout d'abord. les études concernant les interactions entre posture et mouvement de pointage jusqu'ici effectuées ne permettent pas d'identifier clairement les effets de la contrÿinte spatiale sur la coordination posture-mouvement de pointage. De plus. il semblerait que les effets de contraintes purement liées au rnouw-nent focale (e.g. la précision) sur la posture aient été moins itudiés. Enfin. les effets de contraintes posturales sur le mouvement ont eux aussi été. assez peu étudics. Cependant de manière intéressante. pour des tiches dans lesquelles le sujet était assis et devajt pointer sur une cible en dehors de la zone d'citteintc directe (par extension seule du bras). des réponses posturales complémentriires Ctaient integrh au pointage sur la cible (Archambault et al : Karninski ci al : >ta CL Fcldman. 1995; Moore et Brundt, 1991: Wang et Stelmxh. 1998). Tpquement. Ic niuu~~cmcnt du tronc associé h l'extension du bras débutait avant et se terminait ;iprl;s. Quand les cihlcs sont situées en dehors de la zone d'atteinte. un mouvement complesc dc t ~ut IC ci)[-ps Impusc donc une programmation additionnelle et un contrôle réciproque dcs contriiintcs liees i l'un et h l'autre. Nous avons donc entrepris dc nous intcrcracr au?; intcrxtions entre des contraintes posturales et focales. et i leurs effets mutuels sur 13 p~~siurc ci le mouvement. Dans l'expérience présente. les sujets rérilis;iient. i partir d'unc position debout. des mouvements rapides de la main déclenchés individucllemcni dans Ir. cadre d'un paradigme de Fitts. Les sujets effectuaient des pointages dans un contente postural vtintible (3 conditions), pour des cibles localisées à l'intérieur où i l'extérieur de la zone d'atteinte, en fonction de différentes

8 difficultés focales (4 niveaux de contraintes) associées au mouvement de pointage. Conformément au paradigme de la loi de Fitts. la variation de la difficulté focale était basée sur la combinaison de l'amplitude de mouvement (A) et de largeur de cible (W). définissant un index de difficulté (ID=Log2(2A/W)). Pour examiner comment posture et mouvement interagissent quand contraintes de pointage et contraintes posturales sont combinées; un changement dans le contexte postural a été ajouté au paradigme de la loi de Fitts en modifiant la position du sujet en regard de l'espace de pointage (3 conditions : proche de l'espace de pointage. éloigné et éloigné avec addition d'une base de support réduite). Cette variation induisait I'implication du tronc à différents degrés dans le mouvement de pointage. Cette implication du tronc nous semblait intéressante dans le sens ou elle présentait des composantes focales mais aussi posturales. Dans cette expérience nous voulions spécifiquement évaluer l'interaction entre ces deux aspects du mouvement. Dans une étude antérieure. en utilisant une contrainte posturale extrême (escalade), Bourdin et al. (1999) avaient observé un traitement hiérarchique des contraintes posturales et des contraintes de précision. Une question imponante qui demeure de ces travaux est de savoir si une tel le hiérarchie est observée dans une tiiche posturale plus usuelle. Sachant que la loi de Fitts demeure très robuste à l'heure actuelle et que le paradigme de Fitts représente un moyen unique de varier la difficulté de la tkhe de pointage. nous avons utilisé ce paradigme en variant les contraintes posturales pour examiner Iü possibilité d'un traitement hiérarchique de la posture et du mouvement. Par conséquent. il constitue un test solide pour éprouver l'hypothèse d' un trai ternent hiérarchisé. Xous supposons que la modification des con traintes posturales vont affecter le mouvemeni et inversement que les contraintes liées au mouvement de pointage (demande de précision) wni aussi agir sur le contrôle postural.

9 Avant de présenter notre étude. nous allons définir un cadre théorique qui nous permettra de décrire les processus de contrôle postural et focal. ainsi que leurs interactions. Pour ce faire, 1) nous allons d'abord envisager le système de contrôle postural dans son ensemble pour en définir les principaux aspects. 2) Puis, nous mettrons en évidence comment le mouvement volontaire peut venir se greffer sur la posture et interagir avec celui-ci : nous nous intéresserons alors aux effets principaux du mouvement sur 13 posture. Finalement 3). sachant qu'une telle dichotomie doit être nuancée. nous envisagerons aussi les effets principaux de Iü posture sur le mouvement lui-même. 1 La posture comme pré-requis au mouvement? 1.1 Définition : la posture comme configuration ou unité comportementale vs la posture comme unité fonctionnelle? Ghez (1991) a défini la posture comme étant la position générale du corps et des membres et leur orientation dans l'espace. II introduit là une dichotomie comportementale fondamentale entre posture et mouvement en opposant l'aspect général vs local associes à l'un et à l'autre. Cependant. il semble que cette définition présente certaines limites pris dans un contexte global et varié d'activités motrices. Par exemple, dans une tache de pointage impliquant le tronc (contrôle en flexion-extension) et où le sujet est placé en équilibre précaire. comment considérer et interpréter la contribution du tronc sur la base de cette définition? Est-elle essentiellement liée au mouvement (locale). à la posture (générale), ou au deux? II nous semble alors que la distinction entre posture et mouvement se doit d'être présentée de manière plus nuancée. et que les processus de contrôle posturaux et focaux sont interdépendants et étroitement liés (Massion ). C'est pourquoi. l'étude des phénomènes d'interaction entre posture et mouvement peut paraître peninente dans ce contexte. Elle peut amener à définir la posture sous des aspects plus fonctionnels et moins comportementaux: tant il est probable, que tout mouvement possède à la fois une composante posturale et focale dans des proportions variables. A ce propos. Shemngton ( 1906) soulignait que cc la posture accompagne le mouvement comme une ombre». II semblerait alors plus

10 facile de considérer la posture comme une fonction qui permette de stabiliser et de renforcer l'ancrage nécessaire au développement du mouvement en luttant contre les forces le perturbant. 1.2 Fonction du systéme de contriile postural Plusieurs fonctions sont attribuées au système de contrôle postural. Selon Hess ( 1943) puis Jung et Hassler (l960), il existe deux types de fonctions posturales : (1) une fonction <C éreismatique». Le. qui fournie le support postural pour le mouvement en maintenant l'équilibre et (2) r téléocinétique» responsable des aspects liés au mouvement focal. Plus récemment. Massion ( 1992, 1994) reprend cette analyse bi-fonctionnelle de manière identique. Pour lui. le contrôle postural assume aussi deux fonctions qui consistent : ( 1) h construire une posture permettant de lutter contre la gravité et d'assurer le maintien de I'équilibre. et (2) à fixer l'orientation et la position des segments qui servent de cadre de référence pour ln perception et l'action en regard du monde extérieur. Donc. quelle que soit la conception adoptée. le système postural serait de nature ii stabiliser certains éléments ou paramètres en vue d'assumer le maintien de l'équilibre et de préparer le mouvement. La posture a donc pour fonction de mener à une stabilité nécessaire au développement du mouvement. Cependant. il convient peut être d'envisager cette notion de stabilité de manière globale. La posture correspondrait B un équilibre considéré de manière statique ou dynamique. Dans le cas où cet équilibre existe, il permettrait h un segment subséquent d'être intégrer à un mouvement focal. En reprenant notre exemple précédent. dans les cas ou elle est présente, la stabilisation de l'épaule pourrait avoir théoriquement une fonction posturale (de soutien) pour l'extension du coude. alon que le tronc continuerais d'avancer. Une fois encore les frontières entre posture et mouvement sont à nuancer et ne se limitent pas à des distinctions comportementales. Massion (1992, 1991) souligne alors que cette nature duelle du contrôle postural apparaît basée sur 4 composantes physiologiques telles que : les valeurs de références qui comprennent :(1) l'orientation des segments corporels. (2) la position du centre de gravité (représentation interne du corps ou du schème postural corporel) en regard de la position du

11 centre de pression au sol et vice versa (les deux étant mécaniquement reliés par un couple de force). (3) les entrées multisensonelles régulant orientation et stabilisation des segments corporels et enfin (4) les réactions ou anticipations posturales flexibles intervenant dans la récupération de l'équilibre après perturbation. ou dans la stabilisation posturale pendant les mouvements volontaires. Parallèlement, le système fonctionnerait pour cela selon deux modes de contrôle (Paillard. 1988: Massion. 1991). (1) D'une part, le système maintient une valeur de référence. plus ou moins composite (Benhoz. 1997). par rapport aux contraintes perturbatrices (internes et externes). Le système fonctionne sur un mode comparatif en évaluant l'erreur courante. et s'apparente i un système conservatif (Benhoz. 1997). (2) D'autre part. il programme un changement d'état postural. Le système passe d'un état stable à un autre en programmant l'état stable subséquent sur un mode projectif (Benhoz. 1997). Le contrôle postural semble être établi sur la combinaison de ces deux modes. Dans cette optique. un mouvement peu apparaître comme une contrainte à l'équilibre. Il semble intéressant d'envisager comment ce paradoxe s'intègre au niveau comportemental et neurophysiologique. Mais pour clarifier la façon dont le système l'intègre. il parait nécessaire de savoir comment il construit ses référentiels. 1.3 Référentiels associés à la posture et au mouvement : ego, exo et géo-centre (Paillard, 1971,1990) et schème postural Sur un plan théorique. Paillard ( ) a développé la notion de cadre de référence qui pourrait être utilisé dans l'organisation de la posture et du mouvement. II a alors envisagé 3 référentiels indispensables i la posture et au mouvement : 1-Le cadre de référence géocentrique joue un rôle prépondérant dans la construction de la posture érigée et de I'équilibre. En conditions normales de gravité. la référence géocentrique est fournie par 3 types principaux d'entrées sensorielles : labyrinthique. visuelle et proprioceptive. qui servent aussi à détecter les erreurs en regard de la valeur de référence. D'autres types de senseurs joueraient aussi un rôle dans le contrôle postural. Les récepteurs plantaires cutanés auraient, plus paniculièrement. un rôle important chez I'homme (Magnusson et al., 1990; Asai et al., 1990).

12 ?-Le second est le cadre de référence égocentrique, basé sur la position des différents segments entre eux à un temps donné. Ce mode de référentiel est relatif et constitue un mode de r chdnage» proprioceptif. Parmi ces segments. la position de la tête est déterminante dans l'organisation du mouvement dans I'espace péripersonnel. Pozzo et al. ( ) ont d'ailleurs montré dans des tâches locornotnces et aurres que la tête jouait le rôle d'une plate forme de guidage inertielle («inertial guidance platforrn») et que l'axe rnéa auditif-orbite occulaire était une paramètre contrôlé. En effet. ces auteurs ont postulé que le contrôle neural des mouvements de la tête jouait un rôle clef dans la coordination tronc-jambe. Ils ont aussi montré que la tête était stabilisée dans l'espace pendant certaines périodes. 3-Le troisième est le cadre de référence exocentrique. dans lequel l'espace externe est utilisé comme paramètre de référence. Dans ce cas. un point de I'espace est d'abord représenté en coordonnées rétiniennes puis en coordonnées tête et tronc exprimées en fonction de la chaîne proprioceptive qui lie les différents segments de la tête au pieds. Ce changement de coordonnées induit par un changement de références (visuel vs proprioceptif) assurerait le lien entre I'espace externe et I'égocentre (Soechting et Flanders a,b: Camini ti et al., 1990). Dans cette optique. la représentation de ia position d'une cible et le calcul de la trajectoire du mouvement serait erroné si le chaînage proprioceptif liant yeux et tète au tronc était interrompu ou biaisé. C'est ce qui arrive après désafférentation chez le singe (Cohen. 1961) ou le chat (Manzoni et al., 1979), ou après vibration des muscles du coup chez l'homme (Biguer et al ). Dans cette dernière expérimentation. In vibration induisait une position virtuelle de la cible lumineuse dans le noir. Ce changement était interprété comme résultant d'entrées afférentes propnocepti ves Ia biaisées par la vibration. qui devaient produire de fausses informations sur la position de la tête en regard du tronc. De plus. le mouvement de pointage était aussi Faussé. parce que dirigé vers la cible virtuelle. Le référentiel exocentrique est aussi exprimé en termes de coordonnées allocentriques (Berthoz. 1997). i.e. liant deux points de I'espace l'un à l'autre et qui nécessitent un codqe plus symbolique. A titre d'exemple. on peut observer le même phénomène en perturbant la vision grice h des lunettes prismatiques. Dans ce cas aussi on peut observer des erreurs de pointage au début et après le port de lunettes prismatique et donc une décorrélation visuo-proprioceptive. Sur la base de ces 3 types de référentiels une représentation interne spécifique pour la posture a été proposée par Clément et al. (1984) et Lestienne et GurFinkel(1988) à partir

13 d'expériences conduites pendant des vols spatiaux. en condition de microgravité. Elle inclut une représentation de la verticalité basée sur l'intégration des entrées labyrinthiques. proprioceptives et visuelles et sur la perception de I'axe longitudinal du tronc (Mittelstaedt et Fricke, 1988). De plus cette représentation inclut la géométrie du corps et sa dynamique. Lü représentation de la géométrie est construite en partie sur les afférences proprioceptives Iü en provenance du muscle. qui convertit la position d'un segment donné en regard des autres. Selon Roll et al. (1989). les affërences en provenance des fuseaux forment une chaîne cinématique continue des pieds à la tête. En stimulant artificiellement les propriocepteun h n'importe quel niveau de la chaîne. par vibration des tendons. on peut changer la représentation de la géométrie du corps et donner lieu des illusions de mouvement ou ù des ajustements posturaux. dépendant du contente (Lacknrr. 1988). Les informations dynamiques semblent aussi participer i la construction d'un schème postural corporel; les senseurs impliqués n'ont pas encore Cté clairement identifiés. Cependant. ils fournissent aussi bien des informations B propos des conditions de suppon que sur la masse et l'inertie des différents segments. Les ~ijustements posturaux induits par la perturbation de la posture sont organisés comme une fonction des conditions de suppon comme démontré par Cordo et Nrishner ( 1982) et Marsden et al. ( 1981). Le schème postural semble très stable même en condition de microgravité, pendant laquelle pourtant. les senseurs gravitaires vestibulüires et Ics ;iffi.rrnces proprioceptives normalement sensibles à la _orüvitc nc convenisscnt plus les informations relatives à la gravité (Clément et al ). Après quelques jours en microput6 (quand les pieds sont attachés au sol). I'axe vertical du corps par rrippon ;iu sol est rcwnstruit. Ceci suggère donc que la position du centre de masse en regmi dc 12 h m dc suppon csr dcvenue une valeur de référence stable. qui est régulée de t';iqon 1ndCpcnd;inic par rapport aux contraintes de gravité (Massion. 1992). ou que Iii $omftric glohrilc du corps peut Ctrc le pürümètre régulé (Lacquaniti et al. 1990). 11 importe maintenant. après Ica avmr dkl'inis. dc sawir sur la base de quelles informations et comment se construiscnr ces rkii-rcnticls dans le cadre de la posture.

14 1.1 Construction des référentiels : approche modulaire et globale de la posture Deux types d'approches donnant lieu à deux modalités de contrôle complémentaires sont souvent mentionnés pour décrire le contrôle postural. Massion (1997) distingue une approche modulaire ( 1) vs globale (2). ( 1) Dans l'approche modulaire. la posture est envisagée comme une chaîne de modules superposés de la tête aux pieds liés les uns aux autres par un ensemble de muscles qui ont leur propre régulation centrale et périphérique et servent à maintenir la position de référence du module. La régulation posturale se ferait donc à partir des informations sensorielles périphériques codant pour les positions articulaires et l'état de Iü base de sustentation. (2) A l'inverse. un contrôle global est déterminé via un ou des modèles internes représentatifs de la verticale subjective construite à pünir d'une intégration multisensorielle. Cette description fonctionnelle dichotomique a été synthétisée de manière analogue par les concepts de "up-channeling" et "down-channelin_ow définis par Megner et Rosemeier ( 1998). étendus aux notions de réactivité et de prédictivité. (1) Dans le cas du "up-channeling". il y a intégration de l'état des différents capteurs pour évaluer une verticale subjective, via la position et l'alignement relatif des différents segments entre eux. Cette intégration permettrait de définir un référentiel intrinsèque réactif basé sur les informations somatosensorielles. (1) A l'opposé. la fonction de "down-channeling" basée sur un contrôle plus global, permettrait d'évaluer l'état des différents segments et des iiniculations et assurerait le réglage des différents capteurs. à partir d'un modèle interne fondé sur la représentation de la verticale subjective. Cette venicale subjective extrinsèque poumit Stre définie à partir de I'égocentre, de I'exocentre et du géocentre (Paillard ) ou de leur interaction réciproque sur un mode prédictif. Il est cependant prohhlc que la dichotomie entre ces deux fonctions ou systèmes posturaux ne soit pas aussi ncttc ci qu'il n'y oit pas de distinction fonctionnelle mais plutôt interaction et interdépendance. D'un point de vue théorique. cc3 référentiels permettent dors de favoriser essentiellement la coordination entre la posture et l'équilibre pour permettre au mouvement d'être programmé. i tout instant. Le contrôle de l'équilibre apparaît nécessaire dans toute activité motrice, nous allons donc nous intéresser aux puamètres illustrant sa spécification.

15 1.5 Valeurs de références : quels paramètres sont régulés dans le cas du contrôle de I'équilibre? Les valeurs de référence qui doivent être stabilisées sont des aspects très importants du contrôle de la posture et du mouvement, parce qu'ils sont les signaux d'entrée sur lesquels I'orpisation des ajustements est basée (Massion. 1992). Ils sont centralement déterminés. certains sur des bases innées. et d'autres en réponses à des instructions. Cependant la valeur de référence qui est stabilisée dans le cas du maintien de I'équilibre reste encore sujet i controverses. 1.1 Conditions statiques En conditions statiques. I'équilibre est maintenu quand la projection du centre de gravité est maintenue à l'intérieur de la base de sustentation. Cenains comme Lacquaniti et al. Ci ( 1990) en expérimentant sur le chat se sont demandés si la valeur de référence régulée dans le cas du contrôle de I'équilibre était directement le CG. ou si la géométrie du corps était régulée en priorité par rapport la projection du centre de gravité. Ils ont alors démontré que dans des conditions statiques. en changeant l'inclinaison de la surface de support, la verticalité de l'axe des membres était ia valeur régulée. et non la projection du centre de gravité. Chez l'homme ou la base de sustentation est plus étroite que chez le chat. il ne peut pas être exclu qu'en situation de maintien postural, la géométrie du corps soit priontairement stabilisée. 1.2 Conditions dynamiques Cependant en conditions dynamiques, Plii et Patton ( 1998) ont montré par modélisation que I'iquilibre pouvait être maintenu pour des oscillations de la projection du CG i l'extérieur de la base de sustentation, à la condition que le vitesse de celui-ci le permette. Autrement dit, la projection du CG pourrait osciller à l'intérieur d'une zone de stabilité déterminée à la fois par la base de sustentation mais aussi par la vitesse du CG. Dans cette condition, la projection du CG semble être le paramètre prioritairement régulé. Pour étayer cette argumentation, les observations de Golhofer et al. (1989) et Dietz et al. (1989) ont montré que l'activation des

16 muscles de la jambe pendant la perturbation de la posture avait pour but de stabiliser le pelvis, où le centre de gravité est localisé. Cependant, la valeur de référence qui est stabilisée n'est peut être pas le pelvis, car pendant la stratégie de hanche après perturbation, Horak et Nashner (1986) ont suggéré que le pelvis était déplacé dans le but de maintenir la projection du centre de gravité à l'intérieur de la surface de suppon. Le même phénomène intervient pendant les mouvements volontaires de flexion du tronc. Certaines évidences en faveur d'une ré_eulation du déplacement de la projection du centre de gravité sont aussi fournies par le fait que. durant le mouvement d'un membre, le déplacement de la projection du centre de gravité précède le début du mouvement dans le but de préserver l'équilibre ou d'augmenter la stabilité (Ro, Oers et Pai. 1990: Mouchnino et al., 1990) Autres valeurs de référence D'autres valeurs de références résultant d'instructions peuvent aussi être stabilisées en fonction du contexte de la tâche. Il n'existe probablement pas une seule valeur de référence mais plusieurs intégrées ou programmées ensemble. sur la base d'une intégration sensorielle. Cette intégration serait fonction des contraintes liées i la tiche. Ainsi, la position d'un segment dans l'espace poumit aussi être stabilisée différemment en fonction des contraintes de la tiche (Marsden et al., 1981; Droulez et Benhoz, 1986, 1988). Par exemple. Droulez et Berthoz ( 1986, 1988) ont montré pour un individu tenant une tasse de thé, que la valeur à stabiliser était la position de la tasse de thé. De plus, Quoniam et al. (1990) ont montré quand il était demandé à un sujet de stabiliser le bout du doigt dans l'espace en utilisant la vision. qu'une information tactile ou même une représentation mentale, était utilisée et que les réactions posturales étaient organisées de façon à stabiliser la position du doigt dans l'espace, comme demandé. Droulez et Benhoz (1986) et Droulez ( 1988) ont même suggéré que l'organisation topologique de la valeur de référence devait résulter d'un programme d'instructions. II a aussi été montré (Meryer et al., 1991, Mouchnino et al., 1993) que la stabilisation du tronc ou I'optimisation de sa position en regard de la verticale lui permettait de devenir une valeur de référence égocentrique pour la coordination du mouvement et de la posture chez l'humain. De manière analogue, le contrôle en feedforward de la stabilisation de la tête pour

17 I 'opti rnisation du regard a été avancé comme étant un élément important du système de contrôle postural pendant des tâches locomotrices (Pozzo et al., 1990) et d'autres tâches complexes d'équilibre (Pozzo et al., 1995). Cependant. pendant des conditions d'équilibre statique ou dynamique, la référence stabilisée est souvent considérée comme étant le maintien de la projection du centre de gravité à l'intérieur de la base de support ou d'une zone de stabilité determinée par la vitesse du centre de gravité. Cette idée de considérer le CG comme la référence est récurrente dans la littérature. et permettrait d'expliquer les résultats d'études sur la coordination de la posture et du mouvement accompagnant les changement de configuration de la base de sustentation (Mouchino et al : Nardone et Schiepatti. 1988). des segments mobiles (Bouisset et Zattara, 1981 : Crenna et al. 1987). ou des conditions environnementales et gravitaires (Mouchnino et al ; Massion et al ) Limites et modélisation : introduction à la mécanique de l'équilibre Plusieurs modèles sont associés à la coordination de la posture et de l'équilibre. En conditions statiques et pour de faibles oscillations. la théorie classique du contrôle de l'équilibre considère le système humain comme un pendule inversé. Mac Kinnon et Winter ( 1993). par exemple. ont étudié l'équilibre de sujets humains dans le plan frontal. Pour la plupart des tiches d'équilibre pendant la marche. ils ont utilisé un modèle en pendule inversé et ont trouvé une correspondance satisfaisante entre les simulations et les observations. Ils ont alors considéré que le maintien du CG h l'intérieur de la base de sustention était le critère déterminant dans le maintien de I'équi li bre. Cependant, Pai et Patton (1998) ont mis en évidence les limites de ce modèle en conditions dynamiques. Ils ont alon montré par des simulations h partir d'un modèle que la projection du CG pouvait sortir de la base de sustentation à la condition que la vitesse de celui-ci le permette. Dans la même optique. sur des sujets humains. Otten (1999) en utilisant une tâche où les sujets devaient se tenir en équilibre sur un patin a montré que le centre de masse se déplaçait largement en dehors de la base de support alon que les sujets maintenaient encore leur équilibre. En utilisant le centre de pression comme variable de contrôle, il a aussi mit en évidence une corrélation importante entre les profils des moments de forces exprimés

18 pour chaque articulation et le profil de Ir force de réaction au sol. Selon lui. il se poumit alors que les sujets assurent un contrôle sur la force de pression au sol pour maintenir leur équilibre. Il est vrai que ce paramètre présente une pertinence physiologique certaine du fait qu'il est d'abord mécaniquement associé au CG et qu'il est une source de réafférence via les mécanorécepteurs plantaires. Ce qui est plus discutable concernant le CG. De plus, en terme de contrôle il était intéressant de constater la relation temporelle existant entre les moments de forces et la force de réaction au sol (ces corrélations étaient observées pour des fenêtres temporelles de 20 ms). On peut penser que l'activation des muscles produisant les moments de force avait été synchrone. suggérant l'utilisation d'un programme moteur plutôt que des boucles réflexes avec des latences importantes pour contrôler les forces de pression au sol. Si les moments de forces dépendaient de boucles réflexes. ces délais variables produiraient des différences remarquables entre les moments de forces ce qui n'est pas le cas. Pour conclure dans le cadre de cette discussion. des perturbations auto-générées comme dans le cas de I 'équi li bre pourraient être en partie contrôlées centraiement. A l'inverse. les perturbations externes impliquant des délais plus importants et plus variables entre différents moments de forces seraient contrôlées majoritairement par des boucles réflexes (Horak et Nashner. 1986). 2 Interaction posture-mouvement : généralités 2.1 Perturbation interne de la posture et de l'équilibre On distingue principalement deux modes de perturbations associés au mouvement (Massion. 1992). Le premier est fonction de l'interaction passive mécanique entre les différents segments. Le corps est envisagé comme un système géométrique mécanique dont le placement (posture) et la dynamique (mouvement) en regard de la gravité et des forces externes induit un changement de projection du centre de gravité (CG). Le deuxième mode de perturbation concerne les mouvements volontaires qui créent des forces dynamiques. Plusieurs études montrent que ces forces dynamiques de réactions impliquant directement le contrôle moteur sont plus importantes dans le cas de mouvements rapides (Lee et al ). et sont fonction du contexte sensoriel et mécanique (Horak et al ; Crenna et al ; Oddsson, 1990). II serait intéressant d'évaluer dans quelles mesures elles sont influencées par

19 le contexte cognitif et les attentes du sujets : par exemple évaluer I'adaptation à court terme de ce type de réactions posturales pour des perturbations directes de la posture (lestage-délestage) ou visuelles. Mais il est vrai aussi que ces adaptations peuvent s'effectuer de manière très rapide (sur 1 ou 2 essais). 2.1 Aspects comportementaux liés à l'interaction équilibre-mouvement : notion de stratégies posturales En réponse à des perturbations. l'individu met en place des comportements caractéristiques aussi appelés stratégies posturales. Une str~té~ie posturale est définie par un patron d'activation musculaire ou une synergie qui dépend principalement des conditions de support au moment de la perturbation. Elles peuvent aussi Stre définies en termes cinématiques (Lacquaniti et al., 1990). Par exemple, les stratégies de (c cheville * et de «hanche >> constituent différents moyens d'atteindre le même but. 1.c. maintenir la position du centre de gravité en regard de la base de sustentation. La première est associée avec les mouvements de c. l'ensemble du corps autour de I'nniculation de la chc\ ille (modde en pendule inversé). et la seconde avec la flexion ou extension de In hanche en réponse h des oscillations imposées vers l'avant ou vers l'amère. Le concept de stratégie pourrait être étendu aux.\p.a. au moins à celles impliquées dans le contrôle de I'Çquilibre (Massion. 1992). Dans un conicstr de microgravité. il est possible d'observer la même cinémaiique générde çonsccuti~~e i des mouvements du tronc que dans le contexte habituel (Massion ct al ). hicn quc Ic besoin de réguler le déplacement du CG en microgravirc nc soit pris niccssmc. montrant par là que les aspects comportementaux soit disant liés 3 la posiurc pcuwnt Cire trompeur. En effet. dans ce cas précis une des valeurs de référence au >>sii.rnc pwurd cst modifiée. mais celle-ci n'affecte en rien la cinématique a posturale W. Pour plusieurs auteurs (Dietz. IOQ Massion. 1991; Scishner. 1985). l'équilibre humain pendant la posture debout est niaintcnu jrkc 3 ILI str~rçgie de hanche. Shumway-Cook et Woollacott (1995) expliquent que les mouvements rripidcs autour de l'articulation de la hanche en posture debout pendant des iiches difficiles d'équilibre. permettent de maintenir le centre de gravité au dessus de Iri base de suppon. Wintcr ( 1995) a montré à partir d'un modèle

20 d'étude simple qu'un moment exprimé à la hanche peut déplacer le centre de gravité sans expliquer comment celui-ci travaille. Shumway-Cook et Woollacott ( 1995) propose un modèle hiérarchique dans lequel la stratégie de cheville est la première à être active. suivie de la stratégie de hanche. puis de la stratégie de << stepping». Maki et McIlroy ( 1997) sont en désaccord avec ce modèle hiérarchique et observent que les stratégies se chevauchent. Ils expliquent la stratégie de hanche par la génération de forces de cisaillement au niveau des pieds qui provoquent une décélération du centre de gravité. Ils postulent cependant que les sujets n'utilisent pas normalement la stratégie de C hanche mais préfèrent faire un pas. Comme il a été mentionné précédemment. l'exécution d'un mouvement ou la perturbation de la posture donne généraiement lieu à des ajustements posturaux observables sous formes de stratégies. Nous allons maintenant nous intéresser aux mécanismes qui engendrent de tels ajustements. 2.3 Facilitation de la coordination posture-mouvement Classiquement. deux mécanismes de contrôle ont été décrits pour faciliter le lien de la coordination entre posture et mouvement et limiter les perturbations associées au mouvement. Ces deux mécanismes sont basés sur la minimisation des perturbations du centre de gravité. ( 1) D'abord les synergies posturales ou axiales. décrites comme des déplacements opposés des segments supérieurs et inférieurs du corps. permettraient de limiier les déplacement du CG. pendant les flexions et les extensions du tronc (Crenna et al : Oddsson, 1988; Pedotti et al : Alexandrov et al ). D'un point de vue mécanique. Eng et al. (1992) ont démontré que les moments angulaires d.inienctions et le piirdmétrap des CG individuels à chaque segment assuraient la stabilisation du CG global pendant des mouvements bilatéraux des bras. (2) Les commandes en feedlonr-rird aciiunt les muscles impliqués dans le contrôle postural. ou APA. venant compenser Irs forces internes et externes intervenant pendant le mouvement. donc limitant les perturbations du CG (Bouissei et Zattan. 1981, 1987). Par conséquent, il est communément admis que ces deux mécanismes de contrôle pemettent de stabiliser la position du CG et limitent les déséquilibres pendant l'exécution des mouvements volontaires.

21 Cependant, Stapley et al. (1999) ont montré que la coordination entre posture et mouvement dans des tâches d'atteintes, impliquant l'ensemble du corps, nécessitait un contrôle dynamique (par opposition à un contrôle statique) du CG à l'intérieur de la base de sustentation. Ces résultats s'opposent alors à ceux obtenus pour des mouvements volontaires réalisés sur des postures statiques (pour revue voir Massion 1992). Ces études ont mis en avant que le CG était la référence stabilisée dont le déplacement était minimisé par des synersies axiales (Crenna et al., 1987; Alexandrov et al., i994; Alexandrov et al., 1998) ou des APA (Bouisset et Zattara ). Ces auteurs ont alors suggéré que la coordination entre posture et mouvement devait aussi être associée avec le déplacement du CG en regard de la buse de sustentation. A l'inverse. Stapley et al. (1999) considèrent l'hypothèse que les APA (centralement programmés en feedfoward) créent les conditions dynamiques nécessaire au déplacement vers l'avant du centre de gravité. Ces résultats corroborent les suggestions concernant l'existence d'un contrôleur commun à la commande liée au mouvement focal et ;i Iü posture (Amin et Latash, 1995). Une autre alternative consisterait h considérer la possibilité que la division émise par Hess (1954). Salztman ( 1979) et Cordo et Nashner ( L981). en composantes posturales (éreismatiques) et focales ou instrumentales (téléocinétiques) d'une action. ne soit pas valide dans ce cas. 1.4 Modes d'ajustements posturaux : compréhension des mkanismes assuclés à la coordination posture-mouvement II a été suggéré que deux modes d'ajustements posturaux pouvaient opérer. en fonction du signal d'entrée. indiquant la nature continue ou transitoire de la perturbation (Amblard et al.. 198% Diener et Dichgans ). Le premier mode consiste en une correction posturale lente et continue via un feedback en boucle fermée. Le second mode d'ajustement postural est observé avec des perturbations rapides de la posture. Les entrées sensorielles relatives ii la perturbation induisent des réactions posturales phasiques en boucle ouverte. Les ajustements posturaux phasiques et les réactions posturales phasiques appartiennent toutes les deux au second mode. mais les premières sont consécutives à une commande interne et les secondes à une commande externe.

22 Ces ajustements seraient essentiellement basés sur des synergies de natures stables qui ont pour but de réduire le nombre de degré de liberté et donc. de simplifier le problème du contrôle moteur en accord avec les concepts développés par Bernstein (1967). Cette hypothèse est fondée sur le fait qu'un nombre restreint de patrons d'activation musculaire peut être observé pendant les réactions postunles. et pendant les MA. Certains semblent communs à ces deux types d'ajustements posturaux. Bouisset et Zattara (198 I ) ont observés des patrons d'activation musculaires posturaux extrêmement stables et reproductibles. dans le cas de mouvements d'élévation du bras. Cependant. Nashner et McCollum (1985) ont insisté sur le fait qu'un nombre réduit de patrons pouvait être la conséquence des contraintes biomécaniques consécutives au système humain pluri-articulé et aux conditions de suppon. A l'inverse, dans le domaine des réactions posturales, Macpherson ( ) a soulevé l'idée que les synergies posturales ne seraient pas fixes. mais flexibles. et seraient priontairement déterminées par les contraintes biomécaniques. Beaucoup d'autres données suggèrent que ces synergies ne sont pas fixes mais flexibles. h la fois dans le cas des ajustements posturaux anticipés et des réactions postunles. Par exemple. les muscles distaux impliqués dans l'activation des muscles des membres inférieurs associés avec les mouvements du tronc peuvent varier entre sujets et pour le même sujet (Pedotti et al : Oddsson. 1990). Cependant. ceci n'est observé principalement que pendant les premiers essais. et les sujets tendent à reproduire le même patron par la suite ou lorsqu'ils ont effectué plusieurs essais. Des changements ont aussi été observé dans ces synergies en condition de microgravité quand les sujets devaient élever le bras (Clément et al., 1984) ou réaliser une flexion du tronc avec les pieds fixés au sol (Massion et al ). Des changements de synergies ont aussi été décrits comme le résultat d'un changement des conditions de suppon. Par exemple, quand on perturbe la plate forme pendant que le sujet est debout sur une base de suppon réduite. un nouveau patron, ou stratégie de hanche remplace la stratégie de cheville observée pour une brise de support normale. Cette stratégie de hanche correspond à un nouveau genre d'adaptation cinématique centrée sur le déplacement de la hanche qui limite le déplacement de la projection du CG (Horak et Nashner. 1986). Massion ( 1992) distingue trois mécanismes qui permettent d'interpréter les changements de synergies consécutifs aux conditions de support : (1) une partie de cette flexibilité peut résulter d'un apprentissage à court terme: (2) les informations sensorielles

23 impliquées dans le schème postural peuvent interagir avec la synergie musculaire; et (3) la commande centrale d'un muscle donné peut interagir avec In représentation de la géométrie et de la dynamique du corps au niveau des voies nerveuses terminales. Ces représentations agiraient comme un filtre en modifiant la commande terminale. Pour conclure, les composantes initiales des APA ou des réactions posturales sont toutes deux des commandes en feedforward qui permettent de maintenir l'équilibre et/ou la posture sous contrôle central ou périphérique respectivement. La question de leur suppon neuronal est encore débattu. Le patron musculaire doit être adapté au but à atteindre dépendamment du schème postural courant et des conditions environnementales. Les patrons musculiiires ou synergies sont probablement acquises par apprentissage : elles restent fixes en conditions stables mais nécessitent un apprentissage à court terne quand les conditions de support changent. De plus. les interactions entre les synergies programmées centralement et les entrées périphériques associées avec la configuration courante du corps pourraient intervenir 1 un niveau spinal (Massion, 1992). 2.5 Interaction posture-mouvement, les effets du mouvement sur la posture : le concept d'ajustements posturaux Massion différencie deux types d'ajustements posturaux en relation avec le mouvement : (1) les réactions posturales. directement associées au mouvement et (2) les ajustements posturaux anticipés qui précèdent le mouvement Réactions posturales Les réactions posturales sont directement dépendantes du mouvement dans le sens où elles représentent I'ajustement en temps réel de la posture aux contraintes et aux perturbations liées au mouvement. Elles sont la conséquence d'un ajustement réactif aux perturbations associées au mouvement et ont pour but de compenser pour les perturbations inertielles consécutives aux contraintes biomécaniques, sur la base de régulations somatosensorielles. Elles peuvent se prolonger aussi au delà de la fin du mouvement.

24 2.5.2 Le concept d'ajustement Postural Anticipé (APA) 1-Mise en évidence, interprétation et définition Pmi les effets que le mouvement occasionne sur la posture. les APA ont fait l'objet d'études plus nombreuses. L'étude des réactions posturales peut paraître plus difficile en raison du fait qu'elles chevauchent le mouvement lui même. Dans les APA. il paraît alors plus évident de séparer les effets liés à la posture de ceux liés au mouvement. Belenkly et al. (1967) ont observé dans les cas de mouvements d'élévation du bras où les sujets étaient en situation debout. que muscles posturaux (ischio-jarnbiers) précédaient de 50 ù 100 ms les muscles impliqués dans le mouvement. De plus. Bouisset et Zattara ( 198 1) ont montré dans des tâches ou le sujet devait élever rapidement le bras. que ce mouvement volon taire du bras était précédé d' une séquence d'ajusternen ts posturaux. illustrant un ajustement postural complet précédant le mouvement. Les APA peuvent donc être interprétés comme des commandes parallèles en feedfonvard dont le but est de minimiser la perturbation liée à l'équilibre associée avec la perturbation du mouvement (Massion. 1991). Ces ajustements posturaux associées au mouvement sont dits anticipés» parce que leur initiation intervient avant le début de la perturbation de la posture et de I'équilibre résultant du mouvement du bras. ils sont nécessairement anticipés et associés au:< mouvements volontaires, parce qu'ils résultent d'une commande interne et non d'une entrée externe. Les APA créent Ies forces d'inertie qui compensent pour les penurbations en provenance des segments mobiles. Cependant, leur fonction propre n'est pas de stabiliser au sens strict le CG, mais comme le mentionnent Stapley et al. ( ) de créer. dans certaines tîches, les conditions nécessaire au déplacement du CG B loinrérieur de la base de sustenstation (Bos). En effet. contrairement à l'idée classique. dans certains cas l'activité musculaire anticipée des membres inférieurs favorise les conditions dynamiques nécessaires pour le déplacement antéro-postérieur du CG durant des tîches d'atteinte impliquant l'ensemble du corps. ils se pourraient que les APA possèdent ce rôle d'initiation au mouvement.

25 De plus, comme le souligne Massion (1992). le fait que les ajustements posturüux interviennent avant la perturbation due au mouvement volontaire. ii'exclu pas la possibilité que des ajustements réactionnels posturaux organisés sur un mode en feedback interviennent dans une phase plus tardive de l'acte moteur.?-évidence pour un contrôle central anticipé dans les APA Bouisset et Zattara (1987a. b, 1988) ont mis en évidence que les APA étaient nécessairement établis en fonction d'une commande centrale. En évaluant les forces et les moments d'accélération associés avec les mouvements du brds dans des tâches uni et bilatérales où le sujet devait lever le bras le plus rapidement possible et les forces de réactions s'appliquanr au niveau de l'épaule: ils ont alors montrés que les forces et moments d'accélération générés par les APA compensaient pour les forces de réactions associées B la réalisation du mouvement et servaient donc à minimiser les perturbations posturales causées par le mouvement Caractéristiques et fonctions des AP.4 Comme le rappellent Manin et (il. (2000). cc sont des rcponses. générées par le système nerveux central. contrôlces par feedfonvmi cr qui scrvcnt B compenser pour des penurbations mécaniques résultant du mouverneni lui mcrnc. Ccnains auteurs ont montré que ces réponses sont ( 1) parfois influcncl;cs par Iii pr«hrihiliti. d'une perturbation posturale (Brown et Frank. 1987): ou (2) modul2t.s cn tmciirm dc I'inccnitude liée au mouvement focal associé (Manin et al. 2000): (3) étiiltinntics cn liinction de la magnitude d'une perturbation à venir connue (Aruin et Larash. 1995: Sougicr ci W9): (4) moins prononcées en conditions posturales d'instabilité (.-\ruin sr al.. I W S 1: ct cnl'in (5). souvent absentes quand des mouvements lents sont réalisés (Hortih ri al.. 19S-l; Crcnnti ci al ). Massion (1992) assume que IL.>.-\P.\ uni trim i'uncttons principales : (1) assurer le contrôle de I'équili bre. (2) permettre la stabi lisaiion posturde. et (3) produire des forces additionnelles associées au développement du mouvement.

26 LAPA et maintien de l'équilibre a) Cas des mouvements axiaux Les APA sont associés à la stabilisation de la position du centre de gravité pendant le mouvement. Ils interviennent dans le cas où les mouvements passifs résultant du couplage physique et biomécanique des différents segments du corps ne suffisent pas à compenser pour les mouvements rapides (Massion, 1992). b) Cas des mouvements du bras Il existe deux interprétations sur le rôle des APA associés h un mouvement du bras. Selon Bouisset et Zattara ( 1981, 1987b ), ces ajustements serviraient à stabiliser le centre de gravité. Dans le cas où le sujet devait soulever le bras le plus vite possible avec ou sans poids. en réponse à un stimulus. le début de l'ajustement postural reste fixe par rapport au stimulus de départ alors que le début du mouvement du bras est retardé en fonction de la charge additionnelle (Bouisset et Zatiara : Zattara et Bouisset. 1986). Cette augmentation du temps de réaction du mouvement est due P une plus grande durée nécessaire à I'APA. En conséquence. la vitesse du dtiplacement du centre de gravité produite par I'APA est augmentée en fonction du début du mouvement et de l'amplitude de Iû perturbation qui doit être compensée. Une autre interprétation de la tbnction des APA associés aux mouvements du bras a été mis en évidence par Brown et Franck 4 IcJS7) et par Lee et al. (1990). Ces auteurs ont suggéré que les ajustements posturaux n'était p;ia sculemeni aasociés au contrôle de l'équilibre mais permettaient de produire une force addiiionnel le pour la réalisation du mouvement. La frontière entre posture et mouvement n'rst donc pas complètement claire et ces ajustements peuvent être intégrés dans le contrôlc du mouvement. Ces auteurs (Lee et al., 1990) ont alors distingué les ajustements posturaux inicnenant longtemps avant le début du mouvement, de ceux intervenant peu avant l'acte moteur. Les premiers sont qualifiés «d'ajustements posturaux préparatoires» (Gahéry. 1987). alon que les seconds sont associés plus directement

27 avec le début du mouvement est devraient être qualifiés «d'ajustements posturaux anticipés». Cependant la frontière entre ces deux catégories n'est pas toujours bien définie. C) Mouvements des jambes et état d'équilibre Dans la plupart des cas. les ajustements posturaux associés avec les mouvements des jambes servent à déplacer la projection vers une localisation compatible avec le maintien de I 'Squi li bre pendant le déplacement du segment mobile (Massion. 1992). Ici. nous avons donc un acte moteur qui est caractérise par un contrôle séquentiel. où deux buts différents sont atteints successivement. Le premier consistant i déplacer la projection du centre de gravi té vers la surface plantaire de la jambe de support en direction de la pointe du pied ou du talon. Le second consistant à élever la jambe mobile. Le début du mouvement du segment mobile est alors retardé jusqu'à ce que le déplacement du CG soit localisé dans une position assurant l'équilibre du corps, ou sur le point de l'être.?-stabilisation de Ir position segmentaire La seconde fonction des M A est de stabiliser la position de segments donnés comme. la tête. le tronc ou des membres déterminés pendant la réalisation du mouvement. Dans les modèles quadrupédiques. un exemple est donné par les changements posturaux qui permettent le soutien du poids corporel contre des forces verticales gravitaires croissantes. Selon Lacquani ti et al. ( WO). l'axe géométrique des membres en regard de la projection du centre de gravité est un paramètre hautement régulé chez les quadrupèdes. Un exemple de contrôle posturai en feedforward visant à compenser une augmentation de force sur le membre de support a été décrite par Alstermark et Wessbeg (1985) chez des chats. Ces auteurs ont observé une activation du triceps de la patte de support associée à une activation du biceps sur la patte d'atteinte. dans une tiche d'atteinte de cible. De telles observations peuvent aussi être faites chez l'homme. Pour illustrer ces observations liées aux APA et à leun caractéristiques. nous allons présenter les principaux modèles explicatifs des différents modes de coordination entre posture et mouvement.

28 2.6 imodes de coordination posture-mouvement Deux modes de coordinations sont débattus pour illustrer la coordination entre posture et mouvement (Massion, 1992). I -Contrôle hiérarchique Dans ce mode, les voies contrôlant la réalisation du mouvement donnent des collatérales intervenant sur les réseaux posturaux responsables des APA. Les ajustements posturaux phasiques dépendent des collatérales en provenance des voies de contrôle liées au mouvement. agissant sur les réseaux posturaux. Des exemples de ce mode de contrôle sont donnés par des mouvements et des ajustements posturaux associés. déclenchés par stimulation corticale chez l'animal ou pendant des riches de charge chez l'humain. Dans ce mode de coordination le contrôle du mouvement et la commande en feedfonvard responsable des aj usternen ts posturaux sont associés et rapprochés dans le temps. 2-Contrôle en parallèle Dans ce mode. les ajustements posturaux et le mouvement sont contrôlés par des voies parallèles. Les changements posturaux sont déclenchés un peu avant le début du mouvement. Dans ce cas. le contrôle du mouvement et de la posture sont organisés et gérés de façon relativement indépendante. ( 1) L'intervalle entre le début de l'ajustement postural et celui du mouvement varie en fonction du mode de contrôle : I'ajusternent postural précède le début du mouvement si le mouvement est auto-initié. alon qu'il est déclenché plus simultanément dans le cas d'un paradigme de temps de réaction (Horak et al Lee et al., 1987; Nougier et al ). (2) L'intervalle entre le début de I'APA et celui du mouvement augmente en fonction de la charge (Zattara et Bouisset. 1986û.b). (3) Enfin. quand le mouvement est réalisé pendant la locomotion, le début de I'APA est associé temporellement avec des évènements donnés du cycle locomoteur plutôt qu'avec le début du mouvement lui même (Nashner et Forss berg, 1986)-

29 Quand le début du mouvement est retardé par rapport au début de l'ajustement postural. comme par exemple quand une charge est additionnée au bras, Cordo et Nashner (1982) ont postulé, que les circuits responsables du mouvement volontaire étaient inhibés jusqu'à ce que l'ajustement postural ait atteint une certaine valeur. L'acte moteur semble donc organisé sur un mode séquentiel : I'APA intervient et retarde le début du mouvement. jusqu'i ce que le changement postural ait atteint un certain seuil. Il intervient dans le but de minimiser la perturbation de la posture ou de l'équilibre due au mouvement. ou pour produire une force additionnelle au mouvement (Lee et al ). Les mecanismes inhibiteurs par lesquels Le début du mouvement est retardé en fonction du niveau de perturbation associé avec la réalisation du mouvement. ne sont pas connus. II serait improbable qu'une afférente sensorielle intervienne pour signaler quand ce seuil est atteint, car peu de temps sépare les changements posturaux et le début du mouvement. Il serait par contre plus probable. que des boucles internes soient impliquées et qu'elles soient programmées, avant même le début du mouvement. i partir d'une évaluation automatique des contraintes biomécaniques associées à la charge additionnelle (Cordo et Nûshner. 1982). Cette théorie de la coordination entre posture et mouvement postule l'existence de deux voies descendantes différenciées entre posture et mouvement (Massion. 1992). 3 Interaction Posture-Mouvement : les effets de la posture sur le mouvement 3.1 Paradigme de la loi de Fitts. intérêt pour la compréhension de la coordination posture-mouvement Dans l'étude du conflit vitesse-précision. il est bien connu que, plus la tâche est difficile. plus le temps requis pour réaliser le mouvement est long (Woodworth. 1899). Fitts (1951) a été le premier à démontrer une relation stable entre le temps de mouvement (TM) par rapport à l'amplitude (A) et à la précision requise (W) dans des mouvements focaux. L'expression mathématique de cette relation entre une variable motrice et les contraintes de pointage est exprimée sous forme de q< loi de Fitts >> (Fitts. 1954). En basant son analyse sur la théorie de l'information de Shannon et Weaver (1949). celui-ci a proposé que TM=a+b.Logl(?,AN). où a et b sont des constantes. Par conséquent. le

30 temps de mouvement augmente linéairement avec le terme Logr(3AAN), aussi appelé l'index de difficulté (D). Cet indice représente théoriquement la quantité d'information à traiter par le système nerveux. 1 est donc exprimé en bit. Bien que cette loi ait été sujet à controverses dans quelques cas (voir pour revue. Plamandon et Alirni, 1997). elle a reçu un grand nombre de supports expérimentaux. pour un grand nombre de mouvement focaux dans une grande variété de tâches : pour des tkhes impliquant des mouvements du bras en 2 et 3 dimensions (e.g. Jagacinski et al : MacKenzie et al., 1987; Meyer et al ; Soechting, 1984); et même les membres inférieurs (Drury, 1975: Hoffmann ). Par conséquent, cette relation met en évidence une certaine stabilité entre une variable motrice (TM) représentative de In performance associée au mouvement sur une tiche de pointage et des contraintes spécifiant la tâche (ID). Elle permet donc de définir la relation entre une performance relative iî une tâche motrice et les contraintes qui y sont associées. Autrement dit. ce paradigme permet de pouvoir identifier et séparer la contribution et les effets associés au mouvement de pointage. 3.2 Altération des performances de pointage impliquant les phénomènes posturaux Jusqu'h présent. peu d'auteurs se sont intéressés aux effets de la posture sur le mouvement lui-meme. Cependant, il semblerait que la posture ait des effets sur la performance associée au mouvement. Par exemple. Crosbie et al. (1995) ont analysé posture et mouvement volontaire d'atteinte dans des tâches où le sujet Ctait assis. Leun résultats indiquent que, lorsque les sujets sont assis, ceux-ci atteignent plus rapidement leur but et leurs membres inférieurs jouent un rôle actif dans la stabilisation de la posture pendant le mouvement d'atteinte. A l'inverse. Danion et al. ( 1999) ont montré une iidaptation de la loi de Fitts pour les mouvements impliquant tout le corps. Ils ont considéré le déplacement du centre de pression comme variable focale (habituellement considéré comme une variable posturale). Leun résultats suggèrent une interaction entre les contraintes postur;lles (maintenir l'équilibre) et les contraintes de mouvement impliquant tout le corps. Ils ont dors montré une modification de la pente de la courbe (coefficient b dans la loi de Fi tts). pour des distances de cibles variables

31 suggérant que les contraintes impliquées par le système postural agissaient sur les performances d'atteintes associées au mouvement. Cependant, cette tâche ne sépare pas suffisamment les aspects posturaux des aspects focaux et donc ne permet pas de mettre en évidence l'interaction entre posture et mouvement. De hçon plus évidente Bourdin et al. (1998). en utilisant un contexte postural extrême (escalade), ont montré que la loi de Fitts n'était pas confirmée dans les situations pour lesquelles les contraintes posturales étaient hiérarchiquement plus importantes que le mouvement d'atteinte lui même. Ces données semblent suggérer que la posture est contrôlée en priorité et de façon hiérarchique par rapport au mouvement. et que les contraintes posturales affectent l'organisation du mouvement. Cependant. le ni veau de son in tenict ion reste encore débattu. 3.3 Aspects cinématiques des effets de la posture sur le mouvement : le cas des tâches de pointage impliquant les mouvements du tronc La performance de pointage pourrait être dipendüntr du contexte postural. dans lequel la tache se déroule. Nous voulons maintenant nous intiresser aux aspects cinématiques associée à cette interaction dans le cas de taches de pointage i mpliquiint un mouvement du tronc. afin d'essayer de situer i quel niveau. I'organisi.ition du mouvement est affectie. Pour des tûches dans iesquels les sujets itaient assis ci avaient i pointer sur une cible localisée en dehors de la zone d'extension du bras. il ri titi. montre que la réponse posturale étüit intégrée au but de pointage (Moore ci Brundi : Kriniinski ct al : Ma et Feldman, 1995; Wang et Stelrnüch. 1998: Archarnhauli ct al Pigcon et al ). Typiquement. le mouvement du tronc comrnenpii auni ci Iintss;iir ;iprl's Ic mouvement de la main et étüit observé tout au long de celui-ci. suggc'rm clriircnicni que posture et mouvement s'imposent réciproquement des contraintes addit iiinncl lcs de coniridc ci dc programmation Invariance de la trajectoire de Iü main Haggard et al. ( 1995) ont montre que les sujeis avaient des trajectoires de la main similaires entre deux cibles avec différents angles articulaires. suggérant que les sujets exploitent la redondance cinématique du bras dans l'espace iirticulnire. De manière analogue,

32 dans une tâche de pointage en restant debout. Momson et Newell(1996) ont mis en évidence que les angles articulaires du bras variaient alon que la trajectoire du doigt était minimisée malgré les oscillations du tronc. Pour une tâche où les sujets étaient assis. Ma et Feldman (1995) ont aussi montré que la trajectoire du doigt restait inchangée avec ou sans mouvement du tronc. Enfin. Kaminski et al. (1995). ont demandé à des sujets assis de se pencher vers l'avant naturellement dans le but d'atteindre des cibles placées j. l'intérieur et en dehors de la zone d'atteinte. Dans toutes les conditions. la trajectoire du point final restait lisse pendant tout le mouvement. indiquant que le mouvement du tronc était bien intégré i!'ensemble du mouvement. Les sujets montraient aussi un couplage temporelle peu variable entre les articulations (épaule et coude. hanche et épaule), indiquant la présence de compensations adéquates entre les articulations permettant de produire une trajectoire lisse. La présence d'une compensation était aussi évidente en raison du fait que le mouvement du tronc quand il avait lieu. débutait avant et finissait après la fin du mouvement de pointage proprement dit. Malgré les mouvements du tronc. la trajectoire du doigt ou de la main reste très peu affectée. Par conséquent. les compensations qui s'opèrent permettent donc de laisser la trajectoire du pointeur inchangée Coordination et compensation tronc-bras Une des approches théoriques actuelles. considère que les mouvements de pointages résultent d'un vecteur central de commande. La configuration du bras peut alon varier de manière à déplacer la main dans une di rccrion désirée (Flrinapn et al., 1993; Feldman et Levin. 1995; hnnerod, 1988; Rossciii ct al ; Vindm et Viviani, 1998). Dans les cas où le tronc est impliqué dans des mouvcmcnts de pointage i l'intérieur de l'espace d'atteinte. ces auteurs ont supposé que son mouverncnt pouvrii t Ctrc associé avec un vecteur de contrôle additionnel déplaçant aussi la main dans la direction du mouvement du tronc. Quand les directions de la main et du tronc sont dr t'terentes. des erreurs interviennent non seulement dans la distance mais aussi dans la direciion t Pigeon et al ). L'influence du mouvement du tronc sur la trajectoire de la main peut dors être compensée. par des changements appropriés dans le profil angulaire du bras, de manière à ce que le vecteur de contrôle initial de la main reste identique. et que les erreurs soient minimisées (Pigeon et al., 2000).

33 Une stratégie de contrôle compensatoire a été observée dans des études récentes de pointage et de «grasping» impliquant le tronc (Ma et Feldman. 1995: Kaminski et al ; Saling et al ). Le résultat le plus commun à ces études. concerne le fait que le mouvement du tronc débutait avant et se terminait après le mouvement de pointage de la main. suggérant que I'influence potentielle du mouvement résiduel du tronc sur la position finale de la main. était neutralisé par les modifications appropriées. des angles de l'épaule et du coude. La forme et les profils de vitesse de la trajectoire de la main, pendant les mouvements de pointage. restaient invariants que le tronc soit impliqué ou non (Ma et Feldman. 1995): su=gérant qu'une coordination bras-tronc devait être présente non seulement après. mais aussi pendant. le mouvement de la main. Ma et Feldmün (1995) ont alon supposé. que cette tache impliquait deux synergies différentes. La première jouant sur les articulations du bras et permettant de déplacer le point final en direction de la cible (<< reaching synergy»). Et la seconde. déplaçant le tronc et les articulation du bras sans affecter la position du point final (N compensatory synergy w). En conséquence. le recrutement du tronc pourrait être associé avec une modification substantielle des angles de l'articulation du bras (coude et épaule). Selon ces mêmes auteurs. il se pourrait que les changements d'angulation des aniculations du bras résultant de ces deux synergies soient combinées comme deux actions indépendantes, illustrant la cnpaci té du système nerveux central à gérer simultanément plusieurs demandes fonctionnelles. Autrement dit. le système nerveux serait capable d'atteindre deux ou plusieurs buts fonctionnels en combinant les synergies propres à chacun. c'est ù dire de contrôler en parallèle des synergies qui s'additionnent. Le fait que le mouvement du tronc soit compensé indique I'imponance du point final dans la planification de la trajectoire du mouvement (Gordon et al ; Haggard et al : Saling et al ). Ces données soutiennent l'hypothèse que le système nerveux utilise Iii redondance des degrés de liberté (ddl). et modifie les angles aniculaires de l'épaule et du coude. pour maintenir la trajectoire du point final. malgré l'addition du mouvement du tronc (ima et Feldman. 1995: Saling et al., 1996). En l'absence de ce type de compensation, le mouvement du tronc affecterait directement la position du point final conduisant à des erreurs spatiales de pointage. De plus, des auteurs comme Pigeon et al. (1998), ont montré que, même en absence de vision, pendant des mouvements de pointage. l'influence de mouvements du tronc sur le point

34 final était compensée par la rotation du coude et de l'épaule. Leun résultats supportent l'hypothèse de I'existence de deux unités fonctionnelles indépendantes de coordination ou synergies que le système nerveux peut combiner pendant des mouvements de pointage impliquant le tronc. La coordination de ces deux unités fonctionnelles ne dépendrait pas de la vision. En généralisant cette logique, il se pourrait alon que la contrainte de stabilisation posturale pendant des mouvements de pointage ou pendant des tâches impliquant le tronc induise des synergies additionnelles permettant de limiter le déplacement du centre de gravité (Bouisset et Zattara. 1987). 1 se pourrait aussi que ces synergies soient combinées avec d'autres intervenant dans d'autres tâches. La superposition de synergies simples pour produire un mouvement plus complexe a aussi été suggérée comme un mécanisme possible. permettant la modification du mouvement effectuée dans des tâches de pointage avec double-step (Flash et Henis. 1991; Flanagan et al., 1993). Dans cette perspective. la posture ou le mouvement pourrait être représenté comme une séquence temporelle de composantes fonctionnelles indépendantes qui implique que la décision de réaliser un mouvement ou de stabiliser certains segments. soit prise en terme de demande fonctionnelle associée avec la tâche motrice. Cette idée peut être étendue au contexte posrural dans le cas de la stabilisation debout (Morisson et Newell, 1996) ou dans le cas ou les sujets devaient se pencher soit intentionnellement soit dans un but de pointage (Lestienne et Gurfinkel, 1988; Kaminski et al., 1995; Alexandrov et al ; Crenna et al., 1987; Ramos et Stark. 1990). Bourdin et al. (1998) ont même supposé que la posture était traité hiérarchiquement par rapport au mouvement. en relation avec le fait que le maintien de la stabilité et de l'équilibre soit traité comme un but prioritaire sur le but focal. 3.4 Problématique Bien que plusieurs études se soient intéressées aux interactions posture-mouvement. l'ensemble des tâches envisagées ne permettent pas de séparer suffisamment contraintes focales et posturales pour pouvoir identifier et étudier assez clairement l'interaction posturemouvement. De plus, peu d'entre elles ont tenté de quantifier les effets de contraintes posturales sur les caractéristiques d'un mouvement de pointage et réciproquement de

35 quantifier les effets de contraintes focales sur la posture. Nous avons donc envisagé de reprendre l'étude de la coordination entre le tronc et le bras dans une tâche de pointage debout. D'une pan. parce que le rôle du tronc dans la stabilité posturale est renforcé dans le cas où le sujet est debout. Il peut alors être intéressant de voir comment le système gère l'ambivalence fmctionnelle du tronc. puisqu'il intervient à la fois dans la commande focale et dans la stabilité posturale. D'autre part le paradigme de la loi de Fitts représente un moyen unique de varier la difficulté de la tâche de pointage et d'identifier et quantifier les paramètres associés à la contrainte de pointage. Expérimentalement nous avons donc envisagé de cumuler des contraintes focales de pointages. en urilisant le paradigme de Fitts, et des variations de conteste postural. Le but de cette étude était donc d'évaluer les effets d'une variation du contexre postural sur la performance de mouvements de pointage et réciproquement d'évaluer les effets de contraintes focales sur le contrôle postural et la coordination posture-mouvernent. Enfin. cette étude nous a permis d'évaluer dans quelle mesure un contrôle hiérarchique était mis en place au sein de la coordination posture-mouvement.

36 CHAPITRE III Sensitivity of Fitts' law induced by postural constraints : tuning of the trunk-elbow coordination Bonnetblanc François Manin Olivier Corbeil Philippe Teasdale Normand Groupe d'analyse du Mouvement et Ergonomie Uni versi té Laval Québec, Canada, G 1K 7P4

37 ABSTRACT In everyday life. postural and focal constraints are integrated to produce cornplex motor response. As a consequence. an appropriate coordination between posture and movernent is an essential requirement for an accurdte movement performance. Many studies have dealt with the interaction between posture and movemcnt. by studying anticipatory postural adjustments (-4PA). However. few of them have quantified focal constraints as a potential source of postural perturbations: and were reciprocdl y interested on the effect of postural constraints on the aimed movernent itself. The purpose of the present experirnent was to examine such an interaction by using a standard pointing tiisk (Fitts paradigm). Subjecrs' task was to performed pointing movement for 4 various indexes of difficulty (ID), in 3 di fferent standing postural contexrs (control. distant and reduced). The study has focused on the movement time (MT) and kinematic analysis. Rrsulrs clenrly showed that the MTID relationship wirs affected by the postural task. susgesting that the diftïculty of a poiniing task cannot be determined solely on the brisis of the ID. Incrensing the postural constraints at the same ID yielded an increase of the MT. Thus. posturd constrnints could be an important determinant of the MT/D relationship. The dcceleration phase of the movements was more sensitive to postural constraints thm the acceleriirion phase. In addition. within ii given postural condition. increasing the ID!.ielded ;in increascd coninbution of the tmnk into the pointing movement and imposed a spcci fic tuning o t' the trunk-cl bow coordination. Altogether. this suggest a hirriirchiçd processing of posturnl ovcr pointing constraints. Fitts' law is sensitive to the cornpiexi tfldii'i'iculty of ihc postural tiisk. Key words process. Fitts' law. ID. interaction. poiiiiing niowincnt. poslurc. constraints. tuning, hierarchical

38 INTRODUCTION How we coordinate posture and movement is a fundamental key to solve everyday life motor tasks. In particular. an appropriate coordination between posture and rnovement is an essen ti al requiremen t for an accurate movement performance. A cornmon assurnption is that posture is stabilized and controlled in pnonty. nllowing motion to be performed (see Massion and for a review). For example. many s tudies have essentiall y dealt with anticipated postural adjustment s ( APA) which correspond to postural adjustments associated with voluntary rapid movements : simple and complex voluntary focal movernents are performed with APA (Amin and Latash 1995; Bouisset and Zattara ; Massion 1992). However. the way focal constraints are integrated into the control of posture remains a matter of investigations. Generally. the study of the speed accuncy tnde-off has mainly examined the influence of focal constraints ont0 the movement. In this case. the posture is considered quite independently and secondary to the xcuracy requirement. For instance. it is well known that more difficult is the task the longer it takes to perfom the movernent Woodwonh (1899). Fast movements are made nt the expense of reduced spatial accuracy; and conversely, accurate movements are made at the expense of reduced speed. Fitts (1951) has been the first to demonstrate û robust rellitionship between movement tirne (MT) with respect to the amplitude and the accuracy required in aimed rnovernents. The most satisfying expression of this particular link beiwcn li motor variable and pointing constraints is expressed as the Fitts' law (Fitts who proposed that MT=ii+b.Logz (2AIW), where a and b are empiricall y deterrnined conhtants..a the amplitude of the movement and W the width of the targt. Consequently MT inmases linearl y with the term Log2 (2AIW) also called the index of difficulty (ID). Although. I:itts' IW hris been the subject of some controversy (see Plamandon and Alimi for a re\ ILW i. i t has rccei ved a greüt deal of experimental support for aimed movements in a wide vanet! <if niming tiisks. involving am motion in one and two dimensional space (e.g.. lagacinski ei : MacKenzie et al. 1987: Meyer et al. 1990; Soechting 1981); and even lower limbs (Dm. 1975: Hoffmann 1991). Nethertheless, the question of how postural components interact with aiming focal components is less establîshed. Indeed, whatever the adaptations of this law are considered they don' t take into

39 account postural constraints. Little is effectively known about the interaction of posture above the MTlID relationship. Indeed. few authon have tned to quantify focal constraints as û potential source of postural perturbation. Moreover, by considenng APA? effects of rnovement over posture seem to be better understood (see Massion, 1992 and 1994 for a review) than effects of posture over movement. However, it has been demonstrated for tasks, in which the subject was seated and hüs to point to a target located beyond the reach. that postural responses were incorporated into the ooal of pointing to a target (Crosbie et al. 1995; Archambault et al. 1999; Kaminski et al. C 1995: Ma and Feldrnan 1995; Moore and Bnindt 199 1; Wang and Stelmach 1998). Typicaliy. trunk movements are observed throughout the hand movement, when targets are presented beyond reach. but leaving endpoint trajectory unchanged. For more various postural contexts. van der Fits et al. (1998) have demonstrated that postural adjustments accompanying fast pointing movements depended on the pointing strategy. the position of the subject. the loiid of the task, and the body geometry. More recently. Martin et al. (3000). have described how postural responses are tuned by the pointing uncenainty. In such a case. posture and a m movement rnay impose additional programrning constraints on each other, suggesting a hirrarchical processing of postural constraints over upper limb movement constraints (Bourdin et al. 1998). In the present expenment. we aimed to investigate both ( 1) the effects of different standing postural contexts and complenities/difficulties on üimed movement in ri pointing task; and (2) conversely. how pointing constraints. provided by a standard Fitts paradigm. could influence the tuning of postural responses. In a previous study. using an extreme postural constrriint (rock climbing). Bourdin et al. ( 1998). have observed a hierarchicai processing of postural constraints and precision requirements. An important question that remains from this work is whether ri similar hierarchy is observed for a more "natural" postural task. So. tasks involved in such an investigation should admit to separate efficiently postural and focal components. Therefore. to examine this possibility. we used a Fitts like parridigm whiie varying the postural constraints. Fitts' task provided a unique way to Vary and quantify the difficulty of the pointing task (by varying the amplitude of the movement and the target size) and as mentioned

40 previously. it has an impressive generality with hardly no investigations showing it to be incorrect. In the present experirnent, subjects perfomed. from a standing position. self-initiated rapid band pointing movements to targets located within or beyond the reach depending on postural contexts. To examine how posture and movements interact when postural and pointing constraints are combined. a change in the postural context was added by modifying the position of the subject with respect to the pointing space. Postural difficulty was increiised with the implication of the trunk required and by reducing the base of support. Ir seemed interesting to irnply trunk motion as it integrated both postural and focal components. As such it should provide a solid test to the hierarchical processing hypothesis. We wanted to specifically address the interaction between both aimed movements of the arm and the tmnk in a standing position. and examine (1) if postural constraints had an effect on the speed-accuracy relationship of the hand movement. but also (2) if pointing constrnints possibly tuned postural responses. In accordance with the hierarchical processing hypothesis. we proposed that increasing postural complexities would decrease poiniing performance. Also, the coordination between the trunk and the am would be affected reciprocally by the focal constraints. As a whole, it would strongly suggest that posture is hierarchical l y controlled over movement. Su bjects Six right handed adults males. aged (mean age=3 1 yean), participrted in the study on a voluntary basis. They were natve to the purpose of the experirnent. They al1 gave informed consent according to universiry protocols for participating in the experiment. Task and Apparatus A standard Fitts-like paradigm was used for the pointinss. The board was 25 cm wide and JO cm long. Targets were made of aluminium and could be located at 10 or 30 cm from a constant 5-mm radius starting point. Pointing movements were made with a stylus having a 1- mm tip. The starting point, the active taget, and the stylus were electrically connected and a

41 voltage signal allowed the precise detection of the onset of the movement and the target contact. The board was adjustable with respect ro the sternum height. The task required subjects to point with a stylus to each of the target from s constant staning position. Al1 pointing conditions were performed in three postural contexts. For al1 conditions, subjects adopted a normal upnght standing position and had their right hand in contact with the starting point located on the board. In the first control condition. the board was 10 cm below the xyphoid process of the sternum. and the staning point was 10 cm in front of the subject. In a second distant condition, the distance between the starting point and the subject was increûsed to 30 cm. Hence. the subject was simply moved back 10 cm from the initial control condition. In a third postural condition, n reduced base of support was added to the distant position. More specifically, subjects stood on a small wooden base 1 cm high, 10 cm long and 7.5 cm large. Both feet were positioned such that the fith metatano-phalangeai joint was on the antenor edge of the wooden base. Fig. la and 1 b illustrates the experirnental set-up for the distant condition before and after the pointing movement.

42 Marker Fitts board electncally connected Figure la. Experimental set-up for the distant condition. ID=3.0. before the movement onset. The srylus was electricdly connected to the constant staning point. And the subject was normally standin3 before performing the pointing movement. The hip angle was superior to 180" vertical reference. Figure lb. Experimental set-up for the same distant condition. ID=3.0, after the movement. As the stylus contacted the target. it became also electrically connected and determined the rnovemenr offset. In this condition. the subject progessively bent fonvard during the pointing movement. Consequently the hip angle (circular arrow) decreased below 180'.

43 Procedure Al1 movements were self-initiated. Four combinations of target width (W) and amplitude (A) were used: (1) movements of 10 cm to a target of 2.5 cm wide. (2) movements of 30 cm to a target of 0.5 cm,(3) movements of 30 cm to a target of 1.0 cm. and (1) movements of 30 cm to a target of 2.5 cm. This allowed indexes of difficulty (ID: Log2[2A/W]) of , 5.9 and 6.9 bits, respectively. Ten trials were performed for each ID. Subjects were asked to perform the movements ris fast and as ûccurately as possible and were allowed only one error per block of 10 trials. A trial wus accepted when Ss hit the target without glidin; prior to or following the contact with the target. Block of trials with more then one error were retaken at the end of the session. Overall. 4 blocks of trials were retaken suggesting that the speed accuracy tride-off requirements were satisfied. Subjects always stûrted with the control condirion tïrst and finished with the reduced condition. Blocks of Ds were given randornly for each postural condition. Hence, subjects performed a total of 120 trials (3 postures x 4 IDs x IO trials 1. To prevent fatigue. a short rest was allowed between each block of trials. Data analysis The 3D kinematics of am and posiur~l rnovernents wre obtüined with a Selspot II system. using 4 cameras. :Markers were placed on thc nghi ankle. knee. elbow, stylus. and both hips and shoulders as illustraieci on the Fig. Iti and 1 b i u hitrs circles). Position, movement onset and offset signals wrc al1 rcçrirdcd ai 200H1.. Data were filtered (Buttenvorth jth ordrr duril-pnss rccurwc aigorithm tr ith a 7Hz cut-off frequency) pnor to calculation of positional and anpulrir Lincmatics. \'cl~)ciiies ucre computed with a finite- difference algorithm. Al1 curves awc t i~rilly inspcctcd pnor to analyses. The staning point and the targci clectnçal c~inracts wrc used to determined movement onset and offset. The acceleration duraiion ancl dccclcrrition dur~ition were derived frorn the movement time by compuiing the pca ~eloçit> ro acpartitc ihc tulo phases. Consequently, the acceleration duration measured the duration of an increÿsed vclocity from movement onset to the peak velocity. Convenely. the deçelerntion dumion represented the duration from peak velocity to the movement offset.

44 Angular data for the elbow and the trunk were calculated such that the amplitude variation for both joints was positive for an extension and negative for a flexion. To compute the angular position both hips and shoulden markers positions were averaged to take into account both side of the trunk and minirnized the sagittal rotations. Fig. la and lb illustrates the frame of reference used for computing the angular position and determined its value with respect to the 180" vertical reference. Al1 dependent data were submitted to 3 (Postures : Control. Distant and Reduced) x-l (IDs : 3.0' and 6.9 bits) ANOVAs with repeated mesures on both factors. Scheffé tests for post-hoc cornparisons were used when necessary. RESULTS Fitts' Law. Fitts' law states that MT of an aiming movement is a linear function of the [D. This implies thiit MT should remain unchanged as long as the ratio A N remains constant. It is imponmt to specify that, in the present experiment. the ids were identical for all three postural tasks. Hence. similar MT vs ID relationships were enpected. Fig. deux illustrates mean MTs for each IDs and postural conditions. For al1 threr postural conditions. MT increased with an increased index of di ftïculty (F(3.1 j)=x Pc0.O 1). The main effect of posture also was significant (F(2.10)= PeO.0 1 ). In ~ddition. a significant interaction of Posture x ID was observed (F(6,30)=2.43. Pc0.03)..A decomposition of the interaction showed thnt. increasing the ID yieldcd a more important increased duration of the MT for the distant and reduced conditions. Hençc. thc dope of MT vs. ID relationship was steeper when a postural constraint was introduced intti ihr task. The rffect of a more difficult id was exxerbated when Ss were subrnitted tu the distant and reducod conditions. Overall, this suggests that the difficulty of the poiniing trisk could not be accounted for by the amplitude and the width of the target only. Posturiil constrainis clearly augmented the difficulty of the pointing tûsk and required subject to tncrettse the :MT.

45 inaex at dilficully (Log2[2AIW]) Figure 2. MT with respect to the 4 differents iûs for the 3 postural conditions (mean of al1 subjects).

46 Acceleration and deceleration duration of the stylus. in order to funher investigate how postural constraints affected the control of the pointing movements. the duration of the (1) acceleration, and (2) decelention phases of the hand movement (stylus) were analysed. Data for each dependant variables were submitted to separatr Posture x ids (3x1) ANOVAs. Acceleration duration For the acceleration phase. the duration increased significantly with an increased ID ( and 196 rns for the and 6.9 bits iûs, respectively: F(3.1 j)=u Pe0.01 for the main effect of ID). The duration of the accelention phases. however. was not riffected by the postural constraints as both the main effect of posture and its interaction with the id were not significant (Ps>0.05). Deceleration duration Fig. 3 shows the duntion of the deceleration phases for each Ds and postural conditions. The main effects of Posture and IDs as well as their interxtion were al1 statisticülly significant (F(7. lo)=x.7. Pc0.0 1, F(3.15)=30.2. PcO.0 1 and F(6.30)=4.0. Pc0.01. respective1 y). As mentioned previousl y for rhe MT. a decomposi tion of the interaction showed thrit increasing the ID yielded a more imponant increased duration of the deceleraiion phase for the distant and reduced conditions than for the control condition (PcO.01). Hence. the postural constraints required Ss to increase the time spent in the deceleration phase, and this was panicularly the case for the most difficult ids.

47 Figure 3. Deceleration duraiion in function of the 4 different IDs for the 3 postural conditions (mean of dl subjects).

48 Peak velocity and velocity profiles of the stylus Peak velocity data were submitted to a 3x4 (Posturexm) ANOVA. Results of the ANOVA showed significant main effects of Posture (F(2.10)=2 1.O. PcO.0 1 ) and ID (F(3.15)=55.3. P<O.Ol), but no interaction of Posturexiû (P>0.05). Peak velocity wris srnaller for movernents of 10 cm (ID=3.0 bits) than for movements of 30cm (IDs of and 6.9 bits). In addition for the ID=3.0 bits, peak velocity was not different across the three postural conditions. For movements of 30 cm. however. the peak velocity decreased with an increase in the task difficulty. This was observed for al1 three postural conditions. Peak values. however. were more important for the control than for the reduced and distant conditions. Fig. 4 presents velocity time profiles of the stylus for 4 different conditions of Posture x Ds (data for one subject). For sake of simplicity, velocity profiles for IDs of -1.6 (A=30 cm; W=3 cm) and 6.9 bits (A=30; W=0.5 cm) for the control and the reduced conditions only are presented. The reduced and distant conditions yielded sirnilar results. Cleariy. wi thin a postural condition (Top panel = control. bottom panel = reduced). increasing the ID yielded a decrease in peak values 3s well as an increased duration for the deceleration portion of the movement. Also. srnaller peak values for the reduced condition cornpared ro the control cm be observed. Thus. insreüsing postur~l constraints required Ss to decrease the maximum velocity of the stylus. In addition. reducing the size of the target yielded a significant decrease of the maximum velocity.

49 2 Control, 1D=4.6 2 Control, ld=6.9 2 O Reduced, O Reduced, 1D= O lime (s) A - O Time (s) Figure 1. Velocity profiles ibr 4 difircnt condiiicins i ~f Posture x IDs (n=lo, data for one subject).

50 Behavioral data : stick-figures of the trunk-elbow coordination The pointing task was complex and involved several segments and articulations. The elbow from the pointing hand and the hip were the most solicited articulations. These two joints were of particular interest because they were more or less linked to either the posture or the pointing rnovement. We aimed to investigate the coordination between these two joints. Consequentl y. to better illustrate the behavior of Ss. especially for the trunk-elbow coordination, we thus reconstructed stick-figures using the kinematics data. Fig. 5 presents the stick-figures profiles of one subject for 4 different conditions of Posture x ids (data for one subject). For sake of simplicity. stick-figures profiles for IDs of 4.6 (.A=30 cm; W=2.5 cm) and 6.9 bits (A=30; W=O.S cm) for the control and the reduced conditions on1 y are presented. Clearly. within a postural condition (Top panel = control. bottom panel = reduced), increasing the ID yielded an increase in the trunk contribution. It can be observed that the increasing the tmnk contribution assumed a complete different strategy of the elbow. Then. increasing the pointing difficulty yielded a completeiy difkrent pattern for the trunk-elbow coordination. In the reduced condition, the trunk motion \vas more involved than in the conrrol condition. Also. a backward shift of the hip cm be observed for the reduced compared to the control condition. The reduced and distant conditions yielded similiir movement patterns. In surnmary. increasing postucil and pornting constraints required Ss to increase the trun k contribution. Whereas reducing the size of the tlirpet yielded a different pattern of the trunk-elbow coordination : the trunk wniribut~on tncrerised to the detriment of the elbow. To verify this behavioral obscri.mon we li~cuscd on speci tic parameters of the trunk and elbow kinematic.

51 Reduced. 1k4.6 EL Reduced. le6.9 - Figure 5. Stick-figures for 4 different conditions of Postures x Ds (data for one subject).

52 Tuning of the elbow with pointing constraints : amplitude variation of the elbow angle and peak velocity The elbow angle could be considered mainly as a focal parameter. In order to investigate how postural and pointing constraints affected the control of the elbow. the amplitude variation of the elbow angle during the pointing movement and its peük velocity were analysed. Variation of the elbow angle and peuk velocity data were submitted to a 3x4 (PosturexID) ANOVA. Amplitude extension of the elbow angle Resul ts of the ANOVA showed signi ficant main effects of Posture (F(2.10)=13.6. PcO.0 1) and id (F(3,15)=93.5. PcO.Ol), and an interaction of PosturexDs (F(6.30)=8.6; Pc0.0 1). Obviousiy, the elbow angle variation was smaller for reaching movements of 10 cm (Ek3.0 bits) than for reaching movements of 30 cm (Ds of and 6.9 bits). This was observed for al1 three postural conditions. Moreover. amplitude values were more important for the control than for the distant and reduced postural conditions (on average, 33.4 deg vs L 6.3. and 22.6 for the control distant and reduced condition, respective1 y). In contrast. within al1 postural conditions. for movements of 30 cm. the elbow angle amplitude decreased with an increase in the pointing task difficulty. On average, decreases of 6.1 de$ and 2.5 deg in extension were observed from the 4.6 bits ID to the 5.9 and from the 5.9 bits ID to the 6.9. respectively. Slopes were parallel for al1 conditions (P>O.05). As a consequence. reducing the size of the tlirget yielded a less important contribution of the elbow for the control, distant and reduced conditions. Peak velocity Results of the ANOVA shoued significiint main effects of Posture (F(2.10)=28, PcO.01) and ID (F(3.15)=33.6, Pe0.O 1). and an interaction of PosturexIDs (F(6,30)=3.4: P<O.O 1 ). Obviously. peak velocity of the elbow angle was smaller for reaching movements of 10 cm (ID=3.0 bits) than for reaching movements of 30 cm (IDs of and 6.9 bits). This

53 was observed for al1 three postural conditions. For movements of 30 cm, absolute values were also srnaller for the reduced and distant than for the control postural condition (on average. 308 de& vs 112 and 138 for the control distant and reduced conditions). However. within each postural condition. for movements of 30 cm. the peak velocity of the elbow angle ciecreased with an increase in the pointing task difficulty. On average. peak velocity for the 5.9 bits ID was inferior of 42.7 deg/s to the 4.6 bits a>; and the 6.9 bits ID was inferior of 21.8 de& to the 5.9 bits ID. Slopes were parallel for al1 conditions (P>O.OS). Therefore. reducing the size of the target yielded a decrease of the angular peak velocity of the elbow for the three postural conditions. In summary. for all postural conditions, variations of the elbow angle and the angular peak velocity of the elbow decreased with an increased ID. Tuning of the trunk with pointing constraints : amplitude variation of the hip angle and peak velocity Likewise. in order to investigate how postural and pointing constraints affected the control of the hip angle. the amplitude variation of the hip angle during the pointing movement and its peak velocity were analysed. Amplitude of variation of the hip angle and perk velocity data were submitted to a 3x4 (Posturexm) ANOVA. Amplitude flexion of the hip angle Results of the ANOVA showed significant main effects of Posture (F(2.10)=55.5, PcO.0 1 ) and ID (F(3.15)=72.7, Pc0.0 1 ) and an in teraction of PosturexIDs (F(6.30)=20.95, Pc0.0 I ). Obviously. the hip angle variation was smdler for reüching movements of 10 cm (ID=3.0 bits) than for reaching movements of 30cm (iûs of and 6.9 bits). This was observed for ali three postural conditions. Moreover. for movement of 30 cm amplitudes absolutes values were more important for the reduced and distant than for the control postural condition (on average deg vs 27. and 27.3 for the control, distant. and reduced conditions, respectively).

54 In contrast. within the control postural condition, for movements of 30 cm, the hip angle absolute amplitude increased with an increase in the pointing task difficulty ( and 12.8 for the 4.6, 5.9 and 6.9 bits Ds respectively). Reducing the size of the tarpt yielded a more important contribution of the tank for the convol condition. However this effect was not observed for the distant and reduced condition (b0.05). Peak velocity Results of the ANOVA showed significant main effects of Posture (F(?,lO)=12.5. PcO.0 1 ) and id (F(3.15)=51.2, PcO.0 1 ), and an interaction of PosturexiDs (F(6,30)=7.4; Pc0.0 1 ). Obviously, peak velocity of the hip angle was smaller for reaching movements of 10 cm (ID=3.0 bits) than for reaching movements of 30 cm (iûs of 4.6, 5.9 and 6.9 bits). This was observed for ail three postural conditions. Absolute values were also more important for the reduced and distant than for the control postural condition (on average 18.1 de@ vs 97.5 and for the control vs the distant and the reduced respectively). However within the distant and reduced postural conditions. for movements of 30 cm. the peak velocity of the hip angle decreased with an increased in the pointing task difficulty. On average. absolure peak velocity for the 5.9 bits ID was inferior of 13 de& to the 4.6 bits id and the 6.9 bits ID was hfenor of 12 degs to the 5.9 bits D. SLopes were parallel for the distant and reduced conditions (PS.05). As a consequence. reducing the size of the target yielded ii decrease of the angular peak velocity of the hip. However. this effect was not observed for the control condition (P>O.OS). In summary. (1) for the control condition. the angular amplitude variation (but not the peak veloci ty) of the hip increased wi th an increlise in the focal precision required; And (2). for the distant and reduced condition. the peali velocity (but not the angular variation) of the hip angle decrease with an increase in the pointing task difficulty. Acceleration and deceleration duration of the hip and the elbow. In order to further investigate how pointing constraints affected the control of the elbow and the trunk. the duration of the (1) acceleration. and (2) deceleration phases for both

55 joint were analysed. Data for each dependant variables were submitted to separate Posture x IDs (3x3) ANOVAs. Results for both joints mirrored previous results reported for the stylus acceleration and deceleration duration. For both joints. acceleration duration increased with an increase ID and al1 effects were statistically significant. Acceleration duration Both acceleration duration of the hip and the elbow increased with an increased Ds. For the hîp (F(3,15)=17.7 PcO.01). rneans of acceler~tion duration increased from 218, and 304 ms for the and 6.9 bits IDs respectively. For the elbow (F(3.15)=4.3 PcO.05). means of and 249 ms were observed for the same IDs. respectively. However. both for the hip and the elbow. the duration of the acceleration phases, was not affected by the postural constraints as both the m m sffect of posture and its interaction with IDs were not significant (Ps>0.05). Deceleration duration The main effects of Posture and IDs as wll as their i nteriction were al1 significant for the hip (F(2.10)=23. PeO.01. F(3.15)=33.6. PcO.01 and F(6.30)=5.J. PeO.01, respectively) and for the elbow (F(2.10)=24.7, PcO.01. F(3.15)=32.5. PcO.01 and F(6.30)=5.8, PcO.Oi, respectively). These results mirrored those prwiously meniioned for the stylus. A decomposition of the interaction shou~cd that incrcasing the ID ytrlded a more important increased duntion of the deceleration phiisc for the disuni and reduced conditions than for the control condition both for the hip (Fit'_. Ga) and ihc clhou (Fig 6b). This suggests that postural constraints required Ss to increasc ihs iirnc spcni in ihc dcc'clcrtltion phase at the hip and the elbow. Thus. both the hip and the clhou \i crc athxtcd thc same wiiy as the stylus.

56 Index ot ditticulty ILag2[2AIW]) Figure 60. Deceleration duration of the trunk in function of the 4 different ids for the 3 postural conditions (meün of al1 subjects). Figure 6b. Deceleration durrit ion of the elbow in function of the 4 different IDs for the 3 postural conditions (mem of dl subjecrs).

57 Co-variation of the elbow and hip angles To illustrate previous results we investigated. the CO-variation between the elbow and the hip angles by plotting them together. Fig. 7 describes the CO-variation of the elbow and hip angles. For sake of simplicity. traces for ids of 4.6 and 6.9 bits for the control and the reduced conditions only are presented. Ali traces are lrom the sarne subject. For the control (left panel) conditions, the trunk was hardl y involved in the movemrnt when the task difficulty was easy (solid traces: A= 30 cm. W=2.5 cm). Increasing the difficulty by reducing the target width (dotted traces: A= 30 cm. W = 0.5 cm) yielded an increased contribution of the tmnk and a decreased contribution of the elbow. For the reduced (right panel) conditions (both D s). the trunk. clearly had a more important contribution than that observed for the control condition. Inversely, the elbow was less involved in the reduced than in the control condition. But similarly to the control condition, reducing the size of the target only yielded a decreased contribution of the elbow. The reduced and distant conditions yielded similar results.

58 - 0.4 a O.. 0 Figure 7. Co-variation of the elbow and hip angles for 4 different conditions of Postures x [Ds (n=10. data for one subject).

59 DISCUSSION The aim of this experiment was to anal yze the interaction between pointing movements performed in various postural conditions. More specifically, using a Fitts like paradigrn. we examined ( 1 ) whether or not the characteristics of pointing movements performed for di fferen t postural complexities obeyed and respecred the general principles of the classical MTIID relationship; (2) but also if pointing difficulty possibly tuned focal and postural parameters. Resul ts showed that for the sarne pointing constraints the distant and reduced conditions. yielded longer MT than in the control condition. The MTfID relationship was clerirly affected by the postural task. This suggests that the difficulty of a pointing task cannot be determined solely on the basis of the [D (i.e. its amplitude and target size). and posturd constraints are an important deteminant of the MTlID relationship. Moreover, slopes of the MT/ID relationship were steeper for the reduced and distant conditions. suggesting that the b tem (dope) of Fitts' law was sensitive to the postural context. Danion et al. (1999) have considered rhe term I/b as a subjective index of performance. However. this index could be also relicible to the postural complexity and defined üs an ergonomic parameter for aimed rnovement. Some authors haci aalready highlighted postunl effects on the movernent performance. For instance. Crosbie et al. (1995) have analyzed posture and voluntary reaching movements in tasks where subjects were seated. Their results have show that when subjects were seated they attained their goal more quickly and lower limbs were playing an active role in the stabilization of posture during the reüching movement. Convenely. in a context of high postural constraints (climbing). Bourdin et al. (1998) have demonstrated that MT could decreased in a task where the stabilization of posture was the prerequisite to complete the reüching tüsk. This suggests, that interaction between posture and movemeni are probably task-dependent. Depending on the task. posture improves or reduces the movement performance. As an explanation. posture seems to be controlled pnor to and hierarchically over movement explaining why posturül constraints affects the organization of the movement. Furthemore. the analysis of the acceleration and deceleration duration showed that increasinj the ID yielded a more important increased duration of the deceleration phase for the distant and reduced conditions than for the control condition. Thus. the decelention phase of

60 the movement was more sensitive to the postural constraints than the acceleration phase. Maneniuk et al. (1987) have demonstrated that increasing the precision requirements yielded un increased duration of the deceleration phase. The overali interpretation given for these results was that increasing the accuracy requirements of a task induces subjects to use more. or to better use. sensory information during the movement. Our results were consistent with such an interpretation. In the distant and reduced conditions. a more complex coordination wiis involved. increasins the degrees of freedom to be controlled and the sensory information to be processed. Indeed. the deceleration phase is linked to the movement correction (Crossrnan and Goodeve 1983). Consequently. Ss spent more time ro control the final movement approach and to siitisfy the precision criteria. This effect was exacerbated with an increased posturtil compleni ty. The analysis of the acceleration duration showed only an effect of iûs. with no difference between the 4.6,j.g and 6.9 bits ids. The acceleration was thus on1 y sensitive to the distance to reach (A) and not to the width of the tûrget (W). In addition. the analysis of the peuk veloci ty of the stylus revealed that an increased postural complexity yielded a decrease of rhe peük velocity of the sty lus. In motor control. for movernent to a fixe target, the peak velocity is determined by the acceleration phase. which is rnainly programmed pior to the movement onset (Crossman and Goodeve 1983). Altogether these results suggested that the postural constraints were integrated and programmed in the focal command. pnor to the movement onset or during the acceleration phase. Moreover this effect was similar for the elbow. Therefore. the postural initial state was integrated in the focal command of the arm, prior to the deceleration phase of the pointing morement. For instance, in the cases of more complex postures. this integrntion was illustrated by a decrease of the peak velocity at the levels of the stylus and the elbow. It wu dso associrited to modifications of the spatial configuration of the a m reliable to an increased contribution of the trunk. The behavioral data showed thiit the coordination between the tmnk and the elbow were dependent of the postural context und of the pointing difficulty (ID). This suggested a specific tuning of the tmnk-elbow coordination. The analysis of the angular amplitude of variation and of the peak velocity for both joints supponed this observation. The results revealed a specific tuninp of the elbow and the trunk with the postural complexity and with the pointing difficulty. Altogther. these results showed that when the trunk motion increased the

61 elbow amplitude of variation decreased. This suggests that the spatial configuration of the elbow cornpensate for the trunk motion. Such a compensation have already been hypothesized in many studies focusing on the "redundancy problemw(ma and Feldman 1995: Kaminski et al. 1995; Saling et al. 1996, Pigeon and Feldman Pigeon et al. 2000). Using reaching movements involving trunk motions. when Ss were seated. these authon have demonstrated a "compensatory strategy of control". The most common finding of these studies showed that trunk motion was observed throughout the pointing movement of the hand. Pigeon er al. (1000) have sugpsted that the potential influence of the trunb on the hand position was neutralized by appropriate modifications of shoulder and elbow angle. Our results showed a modification of the elbow configuration with an increase in the trunk contribution. Further investigations of the shoulder angle would be interesring. However these analyses on1 y focused on the spatial aspects of the trunk-elbow coordination. Indeed. none of them considered MT as a dependent variable. to venfy if such a spatial compensation idlowed Ss to maintain their MT performance. Our results suggest thüt a change of the trunk-elbow coordination upas lissociited with a decrease of the rnovement time performance. In a complex movement such ris involwd in the iask. results showed that the acceleration and decelention duration for borh the hip and the elbow were affected exactly the same way as the stylus. Thus. there w s no tempord compenslition between these two joints : deceleration durrition increased with an increasr ID lind a more complex postural setting. For instance. the elbow did not cornpensate for a slowr trunk motion by going faster and conversely. This suggested that the si!.lus. thc clhou and thr rrunk were time coupled and not controlled separatel y. Consequentlg ihc modilicatiim iii thc trun k-rlbow coordination was achieved in detriment of the MT pcrt'ornirincc. io rcspond io rhc spatial accurxy requirement. Moreover. tnin k and el bow probabl! i niposcd an ;iddi t iond propmming and constnint on each over. In the control condition. incrcxing ihe prcctsion. yldcd an increase of the trunk contriburion. This result suggests thai rhc ID. and ihus ihc I'od çonstraints imposed a specific tuning on the trunk motion. Such lin uhwvtition \i ah ütrcxi! rcponed in a previous study of Martin et al. (2000). In this study. trunk moiion \tas dcpcndent of the uncenainty in occurrence of a double-step. These euthors considered. thrit the trunk bending strategy allowed an adaptative postural organization chnrricterized by an i ntermediate posture on which any

62 kind of m movement be strongly anchored in case of movement correction requirements. Possibly, with an increase of the precision required. such a behavior would be achieved to assist the pointing movement. Factual uncenainty and spatial precision would yield similarly a tmnk bending. As a whole, we did not observe any difference between the distant and reduced condition. suggesting that the reduced BOS did not affect the point ing performance. However, dunng fonvard bending of the tmnk in standing, two simultaneous goals are achieved : upper trunk displacement and postural stabilization (Alexandrov et al. 1994; Crenna et al. 1987; Ramos and Stark 1990). In the range of perturbation applied. subjects were. thus. able to cornpensate for the reduction of the base of support. leaving the pointing performance unchanged. Several authors have already reported such compensations in the frame of postural stabilization in standing (Morisson and Newell 1996) or bending intentionally or in the frümrwork of pointing movements (Lestienne and Gurfinkel 1988; Kaminski et al. 1995: Alexandrov et al. 1994: Crenna et al. 1987; Ramos and Stark 1990). These interpretations lead to the hypothesis that the postural system. by being process prior to movement. would be able to compensate for perturbations and to allow rnovement to be performed. Consequently, EMG data of the lower limbs and stabilometnc data would be of ;i _oreat interest. They would allow to establish. if lower limbs played any roie in the stabilization of the trunk-elbow coordination and if the center of pressure displacement would be different between these two conditions. In conclusion. the overall interpretiirion si ven for these results suggests a hierarchical processing of postural over pointin? constrdints and shows that Fitts' law is sensitive to the complenity of the postural task. Exicndcd to everydtiy life. rrgonornic design should considered interactions between posiucil contes[ und movement when rnovement time performance has to be considered.

63 REFERENCES Alexandrov A.. Frolov A. et Massion J. (1994). Voluntary fonvard bending in humans: a principal components analysis of axial synergies. In: Taguchi K., Igarashi M.. Nori S. (Eds) Vestibdar and Neirral Frontier. Elsevier. Amsterdam, pp Archambault P.. Pigeon P., Feldman A.G. et Levin M.F. (1999). Recruitmeni and sequencing of different degrees of freedom during pointing movements involving the tank in heiilthy and hemiparetic subjects. Etp. Brui11 Res : Amin AS. et Latash M.L. (1995). The role of motor action in anticipatory postural adjustrnents studied with self-induced and extemally trigerred penurbations. Eup. Brairr Res.. 1 O6 : Bouisset S. et Zattara M. ( 198 1). A sequence of postural movements precedes voluntary movement. Neurosci, Lett., 22 : Bourdin C.. Teasdale N. et Nougier V. (1998). High postural constrüints affect the organization of reaching and grasping movernents. fip. Brai11 Res : Crenna P.. Frigo C., Massion J. et Pedotti A. (1987). Fonvard and Backward axial synergies ir man. Erp. Bmzn Res.. 65 : Crosbie J.. Shepherd R. et Squire T. (1995). Postural and voluntary movement dunng reaching in sitting : the role of the lower limbs. J. Hmz. Moi. Studies, 28 : Crossman E. et Goodeve P.J. ( 1983). Feedback control of hmd-rnovements and Fitts' Iriw. Qitur. J. Ekp. P qd~l.. 35A : Danion F.. Duane M. et Grosjean M. ( 1999). Fi tts' Iaw in human standing : the effect of scüling. Neiirosci. L m, 277 : Dnirp C.G. (1975). Application of Fitts' law to foot-pedal design. Hum. Factors. 17 : Fitts P.M. (1954). The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement. J. Erp. Psycliul.. 47 : Hoffmann E.R. (1992). A cornparison of hand and foot movement tirnes. Ergommics. 35 : Jagacinski R.J.. Ward S.L. et Moran M.S. ( 1980). A test of Fitts' law with moving targets. Htirri. Factors, 22 : Kaminski T.R.. BIock C., Gentile A.M. (1995). The coordination between tmnk and a m motion during pointing movements. Erp. Brain Res :

64 Lestienne F.G. et Gurfinkel V.S. (1988). Postural activity in weightlessness: a dual process underl ying adaptation to an unusual environment. Trends Neimwci., 1 1 : Ma S. et Feldman A.G. (1995). Two functionally different synergies during am reaching movements involving the trunk. J. Nei~ropkysiol., 73 : MacKenzie C.L.. Marteniuk R.G.. Dugas C.. Liske D. et Eicckmeier B. (1987). Threedimensionai movement trajectories in Fitts task : implications for control. Q. J. Et-p. Ps-hol.. 39A : Marteniuk R.G.. MacKenzie C.L., Jeannerod M.. Athenes S. et Dugas C. ( 1987). Constmints on human arm movement trajectories. Carz. J. Psychol.. 41 : Manin O., Teasdale N., Simoneau M.. Corbeil P. et Bourdin C. (2000). Pointing to a target from an upright position in human : tuning of postural responses when there is a target uncenainty. Neurosci. Lerr : Massion J. (1992). Movement. Posture and Equilibrium : Interaction and Coordination. Progrrss i>i Neitrobiol.. 38 : Massion J. ( 1994). Postural Control System. Curr. Opinroi1 in iveirro.. 4 : Meyer D.E.. Smith J.E.K.. Komblum S., Abrams R.A. et Wrigth C.E. (1990). Speed-accuracy rriide-offs in aimed movements : towards a theory of rapid voluntary action. In : Jecnnerod M. (Ed) Attention arid perfomicince. XIII Erlbaum. Hillsdale, pp lwx6. Morisson S. et Newell KM. (1996). Inter- and Intri-limb coordination in arm tremor. Erp. Brairi Res., 1 lo:jss-464. Pigeon P. et Feldman A.G. (1998). Compensatory am-trunk coordination in pointing rnovements is preserved in the absence of visual feedback. Brain Ra : Pigeon P., Yahia L.. Mitnitski A.B. et Feldman AG. (2000). Superposition of independanr units of coordination during pointing movements involving the trunk with and without visual feedback. Erp. Brain Res : Plamondon R. et Alimi A. (1997). Speed-accuracy trüde-off in target directed movements. Behav. Brairi Sci.. 20 : Ramos C.F. et Stark L.W. (1990). Postural maintenance during fast-forward bending : a mode1 simulation experimeni determines the "reduced trajectory". Erp. Brain Res., 82 : Saling M.. Stelmach G.E.. Meschetiakov S. et Berger M. (1996). Prehension with trunk assisted reaching. Behnv. Brain Rcs.. 80 :

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66 CHAPITIRE IV - CONCLUSION Le but de cette étude était d'évaluer I'interaction entre posture et mouvement dans une tache de pointage en variant à la fois les contraintes posturales et les contraintes focales. Les contraintes focales de pointage étaient déterminées B partir du paradigme de la loi de Fitts. en variant l'id. De plus. ces contraintes étaient associées à des variations du contexte postural en éloignant plus ou moins le sujet de l'espace de pointage et en réduisant sa base de support. (1) D'une part nous espérions trouver des effets associés aux contraintes posturales sur la performance liée au mouvement. (2) Et réciproquement, nous voulions regarder les effets potentiels des contraintes focales sur l'état et la configurition posturale. L'analyse portait sur les temps de mouvement et les données cinématiques. Les résultats ont montré que la loi de Fitts est sensible au contexte postural et qu'8 l'inverse. les contraintes focales peuvent influencer les ajustements posturaux associés au mouvement focal. Lors d'une tîche d'atteinte. le temps de mouvement augmente en fonction de la complexité posturale, et la contribution posturale varie en fonction des contraintes de pointage et avec la demande en précision. Clairement. la relation entre le temps de mouvement et l'id est affectée par la tàche posturale. suggérant que la difficulté d'une tîche de pointage ne peut pas être déterminée seulement à partir de l'id associé à la cible (autrement dit son amplitude et sa largeur). La phase de décélération du mouvement était plus üfkctée que la phase d'accélération. Les contraintes posturales apparaissent donc comme une composante déterminante dans la relation MT/ID. De plus. nos résultats suggèrent que la contribution posturale est intégrée à la commande focale avant la phase de décélération du mouvement de pointage. Dans le cas de postures plus complexes. cette intégration s'illustre par une diminution du pic de vitesse au niveau du stylet (main) et du coude. Elle s'accompagne aussi d'une modification de la configuration spatiale du bras suite 9 une plus grande contri bution de t'implication du tronc. De façon similaire, dans une tâche de pointage. Martin et al. (3000) ont reponé des modifications analogues du patron postural, qui étaient associées à une incertitude évènementielle sur un "double step" visuel. Ils ont supposé que ces modifications adaptatives

67 du patron postural favorisaient l'ancrage du mouvement de pointage. pour en faciliter les corrections. De manière générale, nos résultats montrent que la posture impose une programmation additionnelle au mouvement et qu'elle est traitée en priorité sur le mouvement (Bourdin et al ). Par conséquent. ils supportent la notion de traitement hiérarchique entre la posture et le mouvement. Dans les tâches motrices usuelles, les applications ergonomiques devraient donc tenir compte de l'interaction entre posture et mouvement. notamment quand une bonne performance de mouvement est attendue. Il semit d'ailleurs intéressant de chercher i évaluer s'il existe un coût détermine par les contraintes posturales. en évaluant par exemple, les temps de réaction associés à différentes postures.

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