Conclusions générales

Le dernier chapitre concerne les conclusions, la discussion des résultats et les perspectives. Il résume le travail développé dans la thèse et propose quelques améliorations dans les circuits CPG et des modica-tions au modèle musculo-squelettique dans OpenSim. L'accent est mis sur la plausibilité biologique des

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modèles utilisés ainsi que sur les résultats obtenus des allures de marche simulées.

La seconde partie du chapitre est une section de discussion avec une sous-section spéciale sur les perspectives de synergie musculaire. Les perspectives générales concernent la plate-forme de simula-tion, c'est-à-dire un ensemble qui permettra de simuler une démarche anormale due à diérentes causes telles que les maladies neurodégénératives ou l'impact de l'ajout de membres articiels (prothèses) et d'interventions chirurgicales. L'hypothèse de synergie musculaire est une manière de contrôler le système moteur, visant à résoudre le problème de la redondance du contrôle musculaire. Il est mis en évidence en raison de ses perspectives dans le contrôle à base de CPG, particulièrement dans le contrôle des phases, où la synergie est censée étendre les limites des mouvements de quelques CPG. Les CPG sont alors proposés comme des générateurs de salves de primitives motrices, obtenues à partir des enregistrements EMG musculaires.

Le chapitre se termine par la section  travaux futurs , qui traite des orientations de développe-ment possibles pour la plate-forme de simulation. Tout d'abord, un meilleur contrôle de l'équilibre est nécessaire pour une marche lente. Ensuite, le contrôleur supérieur doit être mieux étudié à la fois pour un contrôle sain de la marche et pour reproduire plus dèlement les allures aectées par des maladies neurodégénératives.

La section se termine par quelques perspectives à court terme sont présentées, elles sont simples et assez rapide à développer et à implémenter. Enn, les perspectives à long terme sont présentées, proposant une orientation future du travail, comme la recherche de diérents types d'allures de marche ou l'extension des modèles et de l'architecture du contrôleur.

Résumé

Mon travail de thèse vise à simuler l'impact des troubles moteurs sur la démarche de l'homme an d'aider au diagnostic non invasif des maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. En eet, la simulation du système locomoteur humain contribue à approfondir notre compréhension du fonctionnement du corps humain en fournissant des données biologiques, biomécaniques et cinématiques qu'il serait dicile de recueillir autrement et en aidant à évaluer la coordination des mouvements d'un patient et à prédire son état après une intervention chirurgicale.

Le but de ma thèse est plus particulièrement de créer une nouvelle plate-forme de simulation neuro-musculo-squelettique du système locomoteur humain permettant de reproduire des allures de marche saines ou altérées par la maladie de Parkinson, ou par des troubles du système musculosquelettique ou des troubles locomoteurs

Le travail présenté comprend six chapitres.

Le premier chapitre passe en revue les grands principes du système nerveux qui contrôle la locomotion humaine en se focalisant sur les circuits nerveux qui impliquent des structures neuronales situées dans le cerveau et où sont les sources des troubles parkinsoniens. Ensuite, on décrit comment les signaux de contrôle sont transmis à la moelle épinière pour contrôler l'activité musculaire au travers de plusieurs boucles fermées. Diérents modèles neuronaux des troubles parkinsoniens issus de la littérature et en lien avec nos travaux sont présentés dans ce chapitre.

Le second chapitre présente le contrôle neuronal de la future plate-forme de simulation. Ce contrôleur est basé sur un modèle original de  central pattern generators  (CPG) inspiré du réseau locomoteur spinal et développé au LORIA depuis quelques années. Ce modèle de CPG peut générer des signaux rythmiques variables selon ses paramètres neuronaux intrinsèques, lesquels sont contrôlés par des signaux descendants provenant du module de prise de décision modélisant le comportement des noyaux gris centraux. Les signaux de sortie des motoneurones du CPG sont appliqués en tant qu'excitation au modèle de muscles exeur/extenseur.

Le troisième chapitre concerne les simulateurs musculosquelettiques utilisés dans cette thèse ainsi que les modications apportées pour obtenir une simulation physique en boucle fermée du système locomoteur marchant sur le sol et dont les retours sensoriels proprioceptifs et extéroceptifs sont exploités par les CPGs. Dans un premier temps, le simulateur musculosquelettiques GAIT2DE a été utilisé pour des raisons de simplicité, puis la méthode et les modèles ont été implémentés dans le simulateur OpenSim qui est plus réaliste et plus utilisé en Biomécanique.

Le chapitre quatre est consacré à l'analyse de marche simulée et l'optimisation des paramètres du contrôleur. La partie analyse présente le cycle de marche humaine et une méthodologie pour extraire les données de marche simulées et réelles. Le cycle de marche est utilisé de deux façons. D'une part, pour comparer des données de simulation avec des paramètres de marche réelle. D'autre part, dans la méthode d'optimisation du contrôleur basée sur l'analyse comparative utilisant la corrélation croisée.

inté-l'avant ou vers l'arrière à partir de retours proprioceptifs. Ces résultats montrent qu'il est possible de générer diérentes allures de marche plus ou moins stables ou plus ou moins coordonnées en modiant les paramètres neuronaux des CPGs reproduisant ainsi les allures observées pour la maladie de Parkinson ou d'autres troubles de la marche bien connus en médecine. On montre nalement que cette plate-forme permet de simuler diverses allures dues à la maladie de Parkinson mais aussi due à la dégénérescence musculaire.

Le dernier chapitre concerne la conclusion et les perspectives. On y résume les travaux développés dans la thèse en proposant certaines améliorations dans la circuiterie CPGs et dans les modications qu'il faudrait apporter à OpenSim. Les perspectives concernent la plate-forme de simulation dans son ensemble qui permettra de simuler des allures anormales dues à diérentes causes telles que d'autres maladies neurodégénératives, mais aussi l'impact de l'ajout de membres articiels (prothèses) et des interventions chirurgicales.

Mots-clés: Modelisation, Central Pattern Generator, Traitement du signal.

Abstract

My thesis aims to simulate the impact of motor disorders on the human gait to help non-invasive diagnosis of neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease. Indeed, the simulation of the human locomotor system helps to deepen our understanding of the functioning of the human body by providing biological, biomechanical and kinematic data that would be dicult to collect otherwise and by helping to evaluate the coordination of a patient's movements to predict its condition after surgery.

The goal of my thesis is, more specically, to create a new platform for neuro-musculoskeletal simula-tion of the human locomotor system to reproduce healthy or altered walking gaits by Parkinson's disease or by disorders of the musculoskeletal system or locomotor disorders.

The work presented includes six chapters.

The rst chapter reviews the main principles of the nervous system that control human locomotion by focusing on neural structures located in the brain and which are the sources of parkinsonian disorders. Next, I describe how control signals are transmitted in the spinal cord to control muscle activity through several closed loops. Dierent neuronal models of parkinsonian disorders from the literature and related to our work are presented in this chapter.

The second chapter presents the neural control of the future simulation platform. This controller is based on an original model of central pattern generator (CPG) inspired by the spinal locomotor network and developed at LORIA in recent years. This CPG model can generate variable rhythmic signals according to its intrinsic neural parameters, which are controlled by downlink signals from the decision-making module modeling the behavior of the basal ganglia. CPG motoneuron output signals are applied as an excitation to the exor / extensor muscles in the model.

The third chapter concerns the musculoskeletal simulators used in this thesis as well as the modica-tions made to obtain a closed-loop physical simulation of the locomotor system walking on the ground and

whose proprioceptive and exteroceptive sensory feedback is used by the CPGs. As a rst step, the mus-culoskeletal simulator GAIT2DE was used for simplicity, then the method and models were implemented in the OpenSim simulator which is more realistic and more used in Biomechanics eld.

Chapter four considers simulated gait analysis and controller parameter optimization. The gait anal-ysis part consists of gait cycle explanation and its application for decomposing of simulated and real human gait data. The gait cycle is used in two ways. First, in comparison of simulation data with parameters of real gait. Second, as part of controller optimization method based on comparative analysis using cross-correlation.

Chapter ve presents the results obtained with the OpenSim and GAIT2DE simulators by integrat-ing a complete circuitry based on CPGs and a reex controller of equilibrium based on proprioceptive feedback. These results show that it is possible to generate dierent walking patterns that are relatively stable and coordinated by modifying the neuronal parameters of GPCs, thus reproducing the patterns observed for Parkinson's disease or other well-known gait disorders in medicine. Finally, I show that this platform can simulate various paces due to Parkinson's disease or muscle degeneration.

The last chapter concerns the conclusion and the perspectives. It summarizes the work developed in the thesis by proposing some improvements in CPG circuitry and in the modications that should be made to OpenSim. The perspectives concern the simulation platform as a whole that will allow to simulate abnormal gait due to dierent causes such as neurodegenerative diseases or the impact of the addition of articial limbs (prostheses) and surgical interventions.