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

National Library ($1 of Canada BiMitheque nationale du Canada

Acquisitions and Acquisitions et Bibliographie Services senrices bibliographiques 395 Wellington Street 395, nie Wollillgtm Ottawa ON K 1 A W OltawaON K l A W Canada canada

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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

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.

RÉSUMÉ ............................................................................................................................................................. i AV.W"ï.PROPOS ................................................................................................................................................... i i LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX .............................................................................................................. i v CH.VITRE 1 . INTRODUCTION GÉNÉRALE ..................................................................................................... 1 CH.eITRE II . RECENSION DES ECRITS ........................................................................................................... 3 1 tri posture comme pré-requis au mouvement? ................................................................................................. 3

1.1 Définition : la posture comme configuration ou unité comportementale vs la posture comme unitc ........................................................................................................................................................ fonctionnelle'? 3

1.2 Fonction du systkmt: de conuiile postural ................................................................................................. 4 i -3 Rtif6rentiels associés i la posture et au mouvement : ego. exo et @O-centre (Paillard . 197 1 . 1990) et schitme postural .................................................................................................................................................... 5 1.4 Construction des réfirçntiels : approche modulaire et globale de la posture ............................................ 8 1.5 Valeurs de réfkences : quels paramiitres sont régul6s dans le cris du contr8le de I'6quitibrea? ................. 9

1 . . 1 Conditions statiques .......................................................................................................................... 9 1 . 5 .2 Conditions dynamiques ..................................................................................................................... 9 1.5.3 Autres valeurs de référence ....................................................................................................... 10 1 . 5 Limites et modtlisation : introduction ai la mécanique de I'iiquilibre ............................................. 1 1

1 Interaction posture-mouvement : généralités .................................................................................................. 12 2 . I Perturbation interne de la posture et de l'iquilibre ................................................................................. 12 2.2 Aspects comportementaux liés à l'interaction Èquilibre-mouvement : notion de stratégies posturales .. 13 2.3 Flicilitation de la coordination posture-mouvement .............................................................................. 14 2.4 Modes d'ajustements posturaux : cornprtihension des mEcrinismes associ6s 5 iii coordination posture- mouvement .......................................................................................................................................................... 15 2.5 Interaction posture-mouvement. les effets du mouvement sur la posture : le concept d'ajustements posturitux ............................................................................................................................................................. 17

2.5.1 Riactions posturales ........................................................................................................................ 17 2.5.2 Le concept d'Ajustement Postural Anticipé ( M A ) ......................................................................... 18 2.5.3 CaractéristiquesetfonctionsdesAPA ............................................................................................ 19

9 9 2.6 modes de coordination posture-mouvement ........................................................................................... -- 3 [nteraction Posture-Mouvement : tes effets de 13 posture sur Ie mouvement .................................................. 23

3.1 Paradigme de la loi de Fitts. indrEt pour la compréhension de la coordination posture-mouvement ..... 23 3.2 Altérition des performances de pointage impliquant les phinomenes posturaux .................................. 24 3.3 Aspects cinimatiques des effets de Iri pomre sur le mouvement : le cris des taches de pointage impliquant les mouvements du tronc ....................... .... ............................................................................... 25

3 . 3 Invariance de Iri trajectoire de Iri main ............................................................................................. 25 3 .3.2 Coordination et compensation tronc- bras ........................................................................................ 26

3.4 Problématique ................................... ,.. ............................................................................................. 28 CHAPITRE III - Sensitivtty of Fitts' law induced bu posturril constrriints : tuning of the trunk-elbow coordination ................................................................................................................................................................................ 30 CH.UITRE IV . CONCLUSION .......................................................................................................................... 60 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................................... 62

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). ..................................................... 36

Figure 2. MT with respect to the 4 differents iDs for the 3 postural conditions (mean of dl subjects) ................................................................................... 39

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). ....................................................................................... ..50

Figure 7. Co-variation of the elbow and hip angles for 4 different conditions of

PosturesxIDs (n=lO, data for one subject). ................................................. 52

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. 198 1; 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 i l 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. i l

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 in tegrh au pointage sur la cible

(Archambault et al.. 1999: Karninski ci al.. 1995: >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 ~ u t 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

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. i l 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) w n i aussi agir sur le contrôle postural.

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 (199 1) 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. 1992. 1994). 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 i l 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

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, i l 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

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. i l 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. i l parait nécessaire de savoir

comment i l 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 ( 197 1. 1990) 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 ii 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).

?-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. (1990. 1991. 1995) 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. 1989 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.. 1988). 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

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.. 198-1). 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 I i i $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.

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".

i l 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. 197 1. 1990) 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.

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 qu i 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. i l 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

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

Oers et début du mouvement dans le but de préserver l'équilibre ou d'augmenter la stabilité (Ro,

Pai. 1990: Mouchnino et al., 1990).

1.5.3 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., 198 1; 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., 199 1, 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

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.. 1992: Nardone et Schiepatti. 1988). des segments mobiles (Bouisset et

Zattara, 198 1 : Crenna et al. 1987). ou des conditions environnementales et gravitaires

(Mouchnino et al.. 1996; Massion et al.. 1997).

1.5.4 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

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 i l 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 l i 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.. 1987). et sont

fonction du contexte sensoriel et mécanique (Horak et al.. 1984. 1989; Crenna et al.. 1987;

Oddsson, 1990). II serait intéressant d'évaluer dans quelles mesures elles sont influencées par

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 s t r ~ t é ~ i e 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. i l est

possible d'observer la même cinémaiique générde çonsCcuti~~e i des mouvements du tronc

que dans le contexte habituel (Massion ct al.. 199 1 ). 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 p w u r d cst modifiée. mais celle-ci n'affecte en

rien la cinématique a posturale W .

Pour plusieurs auteurs (Dietz. I O Q Massion. 1991; Scishner. 1985). l'équilibre

humain pendant la posture debout est niaintcnu j r k c 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

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 i l 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.. 1987: Oddsson, 1988; Pedotti et

al.. 1989: Alexandrov et al.. 1998). 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 I r s 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.

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. 198 1. 1987). 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. 1986. 1988).

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.

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 M A . 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 (1988. 1990) 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.. 1989: 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.. 199 1).

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

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.

2.5.1 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.

2.5.2 Le concept d'Ajustement Postural Anticipé (APA)

1-Mise en évidence, interprétation et définition

P m i 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. ( 1998. 1999) 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.

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.

2.5.3 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 I i i 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 21.. 1W9): ( 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.. 1987).

Massion (1992) assume que IL.> .-\P.\ uni t r i m 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.

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 ( 198 1, 1987b. 1988. 1990), 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. 1986. 1988. 1 990: 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

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 l i 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. ( W O ) . 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.

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.. 1984. Lee et al., 1987; Nougier et

al.. 1999). (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)-

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.. 1990). 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. i l 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

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. 11 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.. 1980:

MacKenzie et al., 1987; Meyer et al.. 1990; Soechting, 1984); et même les membres inférieurs

(Drury, 1975: Hoffmann. 199 1).

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, i l 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

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. i l ri titi. montre que la réponse posturale étüit

intégrée au but de pointage (Moore ci Brundi. 1 90 1 : Kriniinski ct al.. 1955: Ma et Feldman,

1995; Wang et Stelrnüch. 1998: Archarnhauli ct al.. 1909. Pigcon et al.. 2000). Typiquement.

le mouvement du tronc comrnenpii a u n i 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.

3.3.1 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,

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 i l 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.

3.3.2 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.. 1993; 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.. 2000). 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).

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.. 1995;

Saling et al.. 1996). 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. i l 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.. 1994; Haggard et al..

1993: Saling et al.. 1996). 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

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, i l 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). 11 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.. 1994; 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 posture-

mouvement. 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

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.

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

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

Fitts' law. ID. interaction. poiiiiing niowincnt. poslurc. constraints. tuning, hierarchical

process.

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. 1991 and 1994. 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 198 1 ; 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. 1934 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' I W hris been the subject of some controversy (see

Plamandon and Alimi 1997. 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 a m motion in one and two

dimensional space (e.g.. lagacinski ei 31. 1980: 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

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, i t 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

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

i t 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 27-38 (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

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.

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.

A s 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'.

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 3.0.4.6, 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 D s were given randornly for each postural condition. Hence, subjects

performed a total of 120 trials (3 postures x 4 IDs x I O trials 1. To prevent fatigue. a short rest

was allowed between each block of trials.

Data analysis

The 3D kinematics of a m and posiur~l rnovernents w r e 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. I t i and 1 b i u hitrs circles). Position,

movement onset and offset signals w r c 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 ~ r i l l y inspcctcd pnor to analyses.

The staning point and the targci clectnçal c~inracts w r c 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.

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 l b 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 : 3.0'4.6. 5.9 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)= 12.7. 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.

inaex at dilficully (Log2[2AIW])

Figure 2. MT with respect to the 4 differents iûs for the 3 postural conditions (mean of al1 subjects).

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

( 127. 156. 168. and 196 rns for the 3.0.4.6.5.9 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 D s 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.

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

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 4.6.5.9 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 D s (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 c m 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.

Control, 1D=4.6 2

O 0.2 0.4 0.6 Reduced, 104.6

2

O 0.2 0.4 0.6 lime (s)

Control, lD=6.9 2

O 0.2 0.4 0.6 Reduced, 1D=6.9

2 -----

A -

O 0.2 0.4 0.6 Time (s)

Figure 1. Velocity profiles ibr 4 dif i rcnt condiiicins i ~ f Posture x IDs (n=lO, data for one subject).

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 l i~cuscd on speci tic parameters of the trunk

and elbow kinematic.

Reduced. 1k4.6 EL

Reduced. l E 6 . 9

-

Figure 5. Stick-figures for 4 different conditions of Postures x Ds (data for one subject).

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 ( D s of 1.6. 5.9 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 4.6. 5.9 and 6.9 bits). This

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 4.6. 5.9 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. 11.5 deg vs 27. and 27.3 for the control, distant. and reduced

conditions, respectively).

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 (9.3. 11.3

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)=5 1.2, 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 99.6. 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

joint were analysed. Data for each dependant variables were submitted to separate Posture x

IDs ( 3 x 3 ) 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 2 18, 267.

290 and 304 ms for the 3.0.46. 5.9 and 6.9 bits IDs respectively. For the elbow (F(3.15)=4.3

PcO.05). means of 192.207.2 19 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 i n 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.

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).

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.

- 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).

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 s h o w 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

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 w u 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

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 1998. 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 wi th 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. y l d c d 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

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 i f 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.

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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

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..

1998). 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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