Ecological and Dynamic Theories of Motor Control

VHY6U2 : Modèles de la cognition - Éric LAURENT CH3 : Les théories écologiques et dynamiques de la motricité. I . L a t h éo rie é co lo giq ue. Quand on parle d’écologie on fait appel à l’étude de l’environnement permettant de donner des infos relativement précises concernant les actions...

VHY6U2 : Modèles de la cognition - Éric LAURENT CH3 : Les théories écologiques et dynamiques de la motricité. I . L a t h éo rie é co lo giq ue. Quand on parle d’écologie on fait appel à l’étude de l’environnement permettant de donner des infos relativement précises concernant les actions possibles. Cette théorie est aussi appelée “ courant de la per ception directe ”. Pour Gibson la per ception est dir ectement signifiante. Cette approche est en ruptur e avec les appr oches cognitives traditionnelles car elle exclut le contrôleur central et la cognition en tant qu’élément de contrôle de l’action. Courant de la per ception indirecte : repère des théories cognitives classiques qui suppose que quand une stimulation est traitée, elle est ambiguë et il faut des systèmes d’interprétations pour les comprendre. Décrit sous la forme de représentation. Dif férents postulats : ● Le sujet et son envir onnement forment un couple qu’on ne peut dissocier lorsque l’on appréhende les problèmes de perception. ⇒ Conception systémique des relations entre le sujet et l’environnement. ● La per ception (prélèvement de l’information) est déterminée par l’action en cours de réalisation. ● La per ception détermine de façon non-ambiguë une état du système sujet-envir onnement et donc des possibilités d’action : la perception est directement signifiante en termes d’actions possibles = “ affordances ” ⇒ L’action crée l’information et l’information spécifie l’action. Per ception is “for going”, Gibson = la per ception c’est pour faire. ● Couplage Per ception/Action : caractère “utilitaire” de la perception. ● Le caractèr e utilitaire réside dans la notion d’affordance , ce que je peux faire de l’environnement dans lequel je suis (ici et maintenant). ● Cette “per ception dir ecte” est possible car le sujet sensoriel est formaté pour per cevoir ce type d’information utile : on est sensible pour certaines transformations de la stimulation qui fait qu’on sait dans quelle direction on va se déplacer , ce qui est possible pour nous ou non, etc. ⇒ On regarde le lien entre action et perception, les deux ne s’expliqueraient pas séparément. 4 concepts clés : ● Stimulation per ceptive . ● Flux optique . ● Invariants . ● Relations invariants/informations . 1. Stimulation perceptive. Selon Gibson , la stimulation est dans l’environnement qui est un patron d’éner gie lumineuse parvenant au point d’observation (après réflexion sur les surfaces de l’environnement). Ce patron d’éner gie lumineuse est véhiculé par un “média” : l’air . La nature de la réflexion lumineuse (angle de réflexion, quantité d’éner gie) est déterminée par la composition et l’orientation des surfaces par rapport au point d’observation. ⇒ Chaque surface reflète la lumière avec un certain angle et donc cela me permet de me situer dans une configuration optique unique. Au fur et à mesure du temps, cette configuration d’angle (optique) va se modifier . La façon dont ces configurations optiques se modifient au cours du temps va déterminer l’action plus tard, en excluant les représentations mentales. Exemple : Je me déplace, la configuration optique va se modifier par rapport à ma position précédente. À chaque point d’observation correspond un agencement structuré particulier du patr on de lumièr e (ensemble d’angles sous-tendus par les surfaces par rapport au point d’observation), c’est la configuration optique . ● La stimulation perceptive est non ambiguë. Exemple : Des objets de tailles différ entes situés à des distances différ entes peuvent sous-tendr e un même angle. ⇒ Le problème de configurations équivalentes. ⇒ Pas besoin de représentation mentale car pas ambiguë. Parallaxe du mouvement : Deux objets de tailles équivalentes, l’un plus près que l’autre. Celui qui est le plus éloigné va bouger plus lentement que celui qui est plus proche. V ariations de stimulation per ceptive. La prise en compte de la variation de la stimulation perceptive, c’est-à-dire du flux optique, permet de supprimer le problème de configurations équivalentes. Pour Gibson , il y a des informations essentielles dans ce flux optique. 2. Flux optique. Flux optique : ensemble des variations provoquant le renouvellement des configurations optiques au cours du temps. Changement de configurations optiques → Champ vectoriel = ensemble d’éléments qui vont se déplacer plus ou moins rapidement. ● Le flux optique donne directement à l’observateur des indications spatiales et tempor elles sur son déplacement. ● La clé de la perception : la détection des changements et des invariants à l’intérieur de ce flux optique au cours du temps. Exemple : Dans l’aviation. Dans cet exemple, le focus d’expansion est au niveau de l’horizon, l’aviateur n’est donc pas bien placé pour atterrir . Il faut que le pilote ajuste le mouvement suite à ce feedback au fur et à mesure, pour déplacer ce focus d’expansion sur le début de la piste. 3. Invariants. Point de départ : il existe des transformations optiques continues qui caractérisent le flux optique , certaines transformations sont stables , on parle alors d’invariants . Les invariants : ● Sont des caractéristiques du flux optique . ● Accessibles à tout système sensoriel formaté pour les détecter . ● Éléments optiques utilisables pour contrôler l’action . On va coupler directement la per ception et l’action pour savoir comment l’action est régulée : elle est régulée car elle est couplée à une perception qui nous permet d’avoir accès à une connaissance sans passer par des représentations. 2 types d’invariants ; ● Invariants structuraux : ce sont ceux qui concernent la permanence des surfaces (taille, forme, composition…). ⇒ Peu (ou pas) influencés par la nature du déplacement de l’observateur . Exemple : La parallaxe du mouvement en fait partie car quel que soit le déplacement que je suis en train de faire, le fonctionnement reste le même : l’avion qui vole à 10km se déplace plus lentement qu’un avion à 100m par rapport à mon point d’observation, peu importe la nature du déplacement. ● Cet invariant donne optiquement des informations sur les distances r elatives des objets. ● Invariants de contrôle (ou transformationnels) : invariants dont les valeurs sont influencées par la nature du déplacement du sujet (par rapport à l’environnement). ⇒ Il existe dans le flux optique des changements types qui sont disponibles pour m’informer de la façon dont je me déplace par rapport à l’environnement (fonction ex-proprioceptives) Fonction ex-pr oprioceptive et pr o-extéroceptive : Ces concepts illustrent le fait que l’invariant de contrôle spécifié, par définition, est l’état du système sujet-environnement et non l’état de l’un des éléments du système , c’est-à-dire les caractéristiques de l’environnement ou les caractéristique du sujet séparément. Exemple : Le focus d’expansion dépend complètement de la vitesse de mon déplacement : si je vais vers l’avant, il ne bouge pas, si je me déplace de côté oui. La nature du déplacement de l’observateur est fondatrice de ce qu’il va pouvoir extraire en termes d’invariant transformationnel : en permanence ma per ception m’informe sur ce que j’ai en termes de déplacement et ma r elation avec l’environnement. Le focus d’expansion : ● Il existe un déplacement centrifuge des éléments du flux à partir d’un point qui r este fixe. ● Ce focus spécifie la dir ection du déplacement . ● Aucun calcul à fair e pour savoir dans quelle dir ection on se déplace , il faut y prêter attention. Pour atteindre précisément un lieu dans l’environnement alors qu’on se déplace, il faut fair e corr espondr e le focus d’expansion et le but envir onnemental ( ex : début de la piste pour un atterrissage ) ● L ’action va créer l’information visuelle et l'information va spécifier l’action pour contrôler ce décalage entre la perception et l’action. Autr e exemple d’invariant de contrôle : T au. Expansion/constriction optique : si je me rapproche de quelqu’un, la place qu’on occupe dans un champ de vision va être de plus en plus grande. ● T au : au cours du temps. En permanence on gèr e l’intervalle de temps qui sépar e le moment présent du moment où l’on va entr er en contact avec un mobile. Exemple : V alable si on nous lance une balle et qu’on doit l’attraper , conduire, etc. ● Concerne donc l’inter ception de mobiles qui appr ochent de l’observateur . ● L ’atteinte d’une cible avec déplacement de l’observateur . ⇒ Il va y avoir un timing à prendre en compte avant la collision. T au correspond au temps de pré-contact de premier ordre, autrement dit le temps qui est disponible avant l’interception d’un mobile ou l’atteinte d’une cible si la vitesse relative entre le sujet et l’objet est constante. 4. Relations Invariants/information. Invariant : propriété du flux optique (support informationnel potentiel). Pour accéder à l’information l’invariant doit êtr e détecté dans le flux optique. Information : statut auquel accède l’invariant quand il est détecté dans le flux optique. L ’information porte sur l’état du couplage sujet-envir onnement qui est caractérisé de façon non ambiguë. Les affordances comme possibilités d’actions. Le choix d’un mode d’action serait réalisé : ● Sur la base d’affordances (possibilités d’actions of fertes au sujet par l’environnement). ● Ces possibilités sont spécifiques à chaque individu puisqu’elles dépendent de l’état du couplage sujet-envir onnement et des capacités pr opres du sujet . ● Sont dir ectement prélevées dans le flux optique et sont des informations capitales. L ’environnement ne serait pas codé de façon indépendante au sujet, mais de façon relative aux propriétés biologiques intrinsèques , on rapporterait les caractéristiques de l’environnement à nos propres propriétés physiques et motrices. Expérience de W arr en ( 1984 ) ● Tâche de montée d’escalier . ● Le sujet doit dire s’il peut monter l’escalier . ● Hypothèse : propriétés pertinentes environnement-sujet pour prédire son mode d’action, le rapport environnement-sujet se matérialise par le rapport entre hauteur de la marche et longueur de la jambe. Il existerait un point critique perceptible : passage locomotion bipédique/quadrupédique. ● Constat que les sujets les plus grands ont le point critique le plus haut. ● Les sujets sont capables de monter les escaliers si la hauteur de la marche ne dépasse pas 88% de la longueur de la jambe. Point critique stable = Rapport sujet-environnement = 0,88. Il existerait un point optimal perceptible : moindre dépense éner gétique (mesure en débit de VO2). ● Constat que les sujets les plus grands consomment moins que les petits pour des grandes marches, cependant si le rapport sujet-environnement, valeur commune = 0,25. ● Jugement des pt pants reflète les données physiques : “escalier le plus confortable”. Ne dif fèrent pas entre grand et petit lorsque le rapport sujet-environnement est de 0,25. ⇒ Les gens sont capables de faire de bonnes prédictions selon leurs conditions, de manière immédiate, sans réfléchir . L ’environnement est donc rapporté aux dimensions corporelles , on remarque des constantes quelle que soit la longueur réelle de la jambe des personnes (88%) = limite de possibilité de montabilité des marches. Comme pour la détection des invariants de contrôle, le mouvement du sujet facilite la perception des af fordances. ⇒ L’individu est capable de percevoir les propriétés pertinentes pour l’action dans une échelle de mesure intrinsèque (= qui lui est propre, adapté à l’échelle de son corps) afin d’opter pour le mode d’action le plus adapté. Prise en compte d’une décision ? ● Codage de l’état du couplage sujet-envir onnement dans les systèmes sensoriels. ● Décision : association entre la perception de cet état et un mode d’action possible/optimal. ⇒ Permet d’aboutir à la formalisation des mécanismes de contrôle de l’action. Les lois du contrôle : ● Formalisent les r elations entre informations et For ces (accélération, impulsion, raideur). ● Ici c’est une information optique = Tau. Exemple : I = mg dans le domaine de la locomotion humaine. I = verticalité de l’impulsion qui va déterminer la foulée, une intensité de contraction musculaire. m = masse corporelle. g = gravité. = variation de tau . La for ce de nos contraction musculair es va dépendre de , si on considère que masse et gravité sont constantes. En saut en longueur pour ajuster la foulée : ● Cette composante verticale de l’impulsion doit être mise en r elation avec des paramètr es optiques qui sont à même de spécifier les relations sujet/envir onnement. Sur le plan optique, on a un différ entiel de tau (intervalle temporel de premier ordre ou ) disponible. Quand un objet/sujet se déplace (phénomène d’expansion ou constriction optique) : ● Suivant la vitesse et le point de départ de l’objet, on va avoir un certain temps. ● Mais il n’y a pas qu’un objet qui se déplace dans le champ optique donc plusieurs objets vont avoir plusieurs temps de pré-contact : les objets proches auront un temps de pré-contact plus faible. ● Les gens sont sensible à : dif férence de tau entre 2 objets à atteindre. Accéder à permet de réguler la composante verticale de l’impulsion : plus est important, plus la composante verticale de l’impulsion devra être importante pour augmenter la durée entre les deux appuis. ● On relie des force (m, g) à des variables () et des variables motrices (impulsion verticale). ⇒ Cette dif férence de permet au sujet, grâce au système optique et à la motricité d’adapter son comportement moteur , sans représentation. C O NCLU SIO N : L ’A PPR O CH E É C O LO GIQ UE E T L A P E R C EPT IO N D E L ’A CTIO N. L ’appr oche écologique exclut les r eprésentations de son système explicatif . Elle explique la régulation du comportement sur la base de l’identification d’éléments optiques pertinents (les invariants) et de leur mise en relation avec les variables motrices dans le cadre de “ lois de contrôle ”. Cette approche consiste à expliquer l’apprentissage comme un pr ocessus de “différ enciation*” des éléments du flux optique plutôt que comme un pr ocessus “d’enrichissement” de r eprésentations perceptives. * Dif férenciation car tout le support informationnel est déjà présent, pas besoin de l’enrichir . Il faut donc faire la dif férence entre ce qui est pertinent et ce qui ne l’est pas pour un type de contrôle particulier . I I. L ’a p pro ch e d yn am iq ue d e l a m otr ic it é /t h erm od yn am iq ue a p pliq uée a u s y stè m e m ote u r. Cette approche tr ouve son origine dans le domaine des “ sciences de la complexité ” ( ex : physique, thermodynamique ) : multiplicité des composants, d’interaction entre les composants ⇒ génère de l’influence sur le comportement de l’un des composants. 3 caractéristiques : ● Intérêt pour les systèmes “complexes” (faits de multiples composants). ● Intérêt pour les systèmes “ouverts” (échangent d’éner gie, d’information, de matière). ● Intérêt pour les systèmes “éloignés de leur état d’équilibre” (structures dissipatrices d’éner gie). Cette approche est fondée sur l’étude des dynamiques non linéaires, nous sommes des systèmes dynamiques qui évoluent au cours du temps. Non linéair e : relation entre des variables qui n’est pas univoque (évolution d’une variable dépendante en fonction d’une variable indépendante peut connaître des changements brutaux). Exemple : V erser en goutte à goutte de l’eau dans un vase, rien ne change pour l’envir onnement du vase, mais à une goutte de tr op l’environnement du vase change. ● Changement qualitatif, émer gence brutale de certains comportements. A vec Schmidt , on était dans une vision linéair e avec l’appr entissage de règles abstraites. Chez les mammifères, on observe une émer gence de patrons de coordinations spontanés , par exemple, si un animal doit se déplacer à une certaine vitesse, il doit adopter spontanément un mode de coordination qui corr espond à cette vitesse. Exemple : Cheval au pas, puis au trot, puis au galop. ⇒ Le cheval est dans le même état jusqu’au moment où la coordination n’est plus tenable étant donnée les contraintes présentes donc il change d’état. Exemple : Doigts. ⇒ Malgré la pression de rester en anti-phase, quand on accélère le corps choisit de se mettre en phase de manière automatique en allant contre ce qu’on a prescrit. Le corps a des capacités d’auto-organisation décelables dans l’émer gence de patrons de coordinations spontanés. ● T raduit qualitativement l’adaptation du sujet à un système de contraintes. ● Dans l’exemple précédent, l’augmentation de la fréquence a été une contrainte supplémentaire de ce qui existait déjà ce qui a déstabilisé le système qui est donc passé dans une autr e situation d’équilibr e . L ’émer gence de patrons de coordinations spontanés révèle des états stables qui sont des solutions relativement économiques dans un système de contraintes particulier . Ces comportements ne nécessitent pas de “contrôleur” ou “d’exécutif”. ⇒ Ils peuvent résulter de la simple dissipation de l’éner gie du système dans un cadre de contraintes données. Exemple : Pour le mouvement des doigts, quand on tient notre coordination en anti-phase et que je mets une certaine éner gie dans le système, je peux rester en anti-phase. Mais quand je mets plus d’énergie dans le système, ça devient tr op compliqué de maintenir cette forme de coordination, car l’énergie produite ne peut pas êtr e canalisée dans le cadre de cette coordination en anti-phase. Le corps va donc changer d’équilibr e pour que cette coordination soit tenable. Notre système neuro-musculo-squelettique possède des propriétés d’auto-or ganisation : ● Chaque composant exerce une contrainte sur les autres, on parle de “co-asservissement des multiples composants”. ● Ce “ co-asservissement ” fait émer ger une coordination particulière sur le plan macroscopique (signature comportementale qui émer ge d’un système de contrainte). 1. Les concepts utilisés pour décrire la dynamique d’un système. On a d’abord la notion de paramètr e d’ordre (PO) aussi appelé “ variables essentielles ” qui correspond à une variable qui résume quantitativement et macroscopiquement la coordination ou la valeur des relations entre les multiples composants. Dynamique d’un système : ensemble des valeurs prises par le PO sous l’ef fet du paramètr e de contrôle (PC) . Exemple : On essaye de quantifier (en les caractérisant) les relations entre les doigts nous of frant une idée quantitative des décalages entre les doigts. ● PO ici = relation de phases entre les doigts de 0 à 180°. V ient ensuite la notion de paramètr e de contrôle qui correspond à une contrainte qui provoque le changement d’état du système sans le prescrire ce qui va donc influencer le comportement. C’est le système lui-même qui va intégr er cette contrainte en fonction de son état d’équilibr e : soit il garde sa coordination, soit il la change car la contrainte ajoutée devient intolérable dans l’équilibre de coordination produite par la personne. Exemple : Fréquence d’oscillation des doigts. Les attracteurs sont des états collectifs stables, des valeurs de paramètre d’ordre pour lesquelles on observe relativement peu de fluctuations . Pourquoi collectif ? Parce qu’on coordonne plusieurs membr es du corps pour produir e une action. Exemple : 0 et 180° dans les relations de phases. Si on essaye de produire une séquence en antiphase, l’attracteur sera moins fort que celui de la phase mais il reste tout de même un attracteur et on observe relativement peu de fluctuation pour ce mode de coordination. ● Si on essaye de coordonner ses doigts à 120° d’écart, c’est assez compliqué. Plus la coordination est stable malgré les diverses contraintes, plus l’attracteur sera fort. Plus on augmente les contraintes et plus on réduit le nombre d'attracteurs vers lesquels il est possible de faire évoluer la coordination. On retrouve également la transition de phase qui correspond à un passage brutal d’un état à un autre. Exemple : Passage du patron en antiphase au patron en phase (180° à 0°). Les fluctuations correspondent à des événements qui précèdent les transitions de phases. Elles traduisent la dissipation d’énergie qui fait “sortir” le système de son état d’équilibr e. Exemple : Augmentation de la variabilité de la valeur de la relation de phase (entre 180 et 0°). Je suis en train de coordonner mes doigts en antiphase, j’augmente donc la fréquence et on va alors observé des petits décalages entre les doigts qui nous font sortir de notre état d’équilibre, on est pas encore dans la transition de phase mais on s’éloigne tout de même de la coordination en anti phase. L ’hystérésis correspond à la résistance à la transition de phase , autrement dit, le système est déstabilisé en anti-phase on va donc rencontrer une résistance donc on va essayer de rester dans la coordination initiale. Et enfin, la notion de r elaxation correspond au retour à l’état stable après une perturbation de l’équilibre du système. 2. Le problème de la réduction des degrés de liberté. Comment est-ce que l’on contrôle les multiples degrés de liberté que contient chaque partie du corps ? Bernstein , 1967 . Le corps humain est composé de plus de 1 10 articulations ayant chacune des degrés de liberté, on a également plus de 790 muscles alors combien de PM doit-on envisager pour contrôler l’ensemble des degrés de liberté ? Quel niveau de spécification de l’état de la périphérie par le contrôleur ? Ef fectuer un mouvement revient à une réduction dimensionnelle ou une réduction des degrés de liberté puisqu’ on couple les composants segmentaires en réduisant leurs degrés de liberté à partir du fait que certains mouvements ne sont pas nécessaires pour un PM , il faut donc apprendre à figer certaines parties du corps. Exemple : On va déplacer notre bras mais en même temps on fige certaines parties car il est plus simple de se déplacer ainsi. 3. Dynamique et expertise. Tâche de service en V olley-ball : On compare le comportement moteur du bras au cours d’une phase de service au volley-ball pour deux populations, les experts et les novices. ● Y’a t-il des variables essentielles (PO) qui résument les rapports épaules/coude/poignet ? On utilise des capteurs pour voir comment ces dif férentes parties du corps évoluent les unes par rapport aux autres. ● A vec l’expertise, passe-t-on du désordre à l’ordre ou d’un ordre à un autre ordre ? 2 groupes de sujets : Novice et Experts. ● Servir en direction d’une cible. ● Analyse des corrélations entre déplacements épaule/coude/main. Résultats. ● Dif férence de performance (expert > novice). ● Dif férences des modes de coordination (expert et novice ne vont pas coordonner épaule/coude/mais de la même façon). ○ Novices : Fixation rigide entre les articulations → Mode de coordination “en phase” épaule-coude-main. ○ Experts : Libération des degrés de liberté → Mode de coordination “en anti-phase” épaule-main (mouvement de fouetté). ⇒ Les patrons sont plus stables chez les novices qui reproduisent beaucoup plus souvent le même patron de coordination en anti-phase. La variable essentielle (PO) est la r elation épaule-main qui permet, avec un nombre réduit d’observables de résumer un patron de coordination. Acquisition de l’expertise/Apprentissage : ● Passe par la libération des degrés de libertés (dissociation spatio-temporelle des 3 composants, ils font des choses dif férentes dans les mêmes unités de temps). ● Le SN appr end à exploiter les principes mécaniques qui sont efficaces pour réaliser la tâche , à force d’associer un mode de coordination avec le constat entre vitesse et ef fet sur l’adversaire, les gens se mettent à adopter une coordination plus ef ficace. Cependant, chez les deux groupes existent : ● Patr on en anti-phase ( dominant chez les experts ). ● Patr on en phase ( dominant chez les novices ). ● Patr on intermédiair e . Pour les experts , le type de patron dépend des contraintes (fatigue, stress…). C’est un “assemblage” de la coordination qui émer ge d’un ensemble de contraintes qui sont co-asservies et qui donc s'influencent les unes des autres. C O NCLU SIO N : B IL A N D ES T H ÉO RIE S S U R L A P L A C E D E L A R EPR ÉSE N TA T IO N D ANS L A M OTR IC IT É. ● Représentations centrales de la prise de décision. ● Représentations centrales de la commande et de la régulation motrice. ● Gibsonienne avec le couplage perception/action. ● Dynamiques des coordinations motrices. Critères de discriminations : ● Déterminants de la production du comportement (locus du déterminisme). ● Apprentissage.