Entrainement rythmique non-intentionnel et processus attentionnels en interaction homme machine

Lorsque l’on observe deux personnes marchant côte à côte, on peut remarquer que leurs pas ont tendance à se synchroniser. De même, lorsque deux personnes discutent, on peut constater en prêtant attention qu’elles ont tendance à imiter les gestes, les postures et les dynamiques de mouvement de leur partenaire. En effet, lors de nos interactions sociales, notre comportement est modifié temporairement, influencé par celui de la personne avec laquelle nous interagissons et réciproquement. Dans le champ du contrôle moteur, on appelle cette modification temporaire du comportement : coordination interpersonnelle. Lorsque ces coordinations interpersonnelles ont lieu sans que les individus n’aient la volonté, ni même conscience de se coordonner, on parle de coordinations interpersonnelles non-intentionnelles (e.g., dans notre exemple ci-dessus : synchronisation involontaire de la marche). Notre capacité à nous coordonner avec un tiers ne se limite pas aux coordinations entre pairs mais s’étend à celles que nous mettons en place avec des signaux sensoriels dits non-sociaux, c’est-à-dire issus de l’environnement. Il peut s’agir d’un simple objet en mouvement sur un écran, un son ou encore un agent artificiel tel qu’un robot. On parle alors de coordinations extrapersonnelles.

Les coordinations interpersonnelles et extrapersonnelles ont fait et font encore aujourd’hui l’objet de nombreuses études. Toutes ont un objectif commun, mieux comprendre les fondements ainsi que les propriétés de ces coordinations. Des modèles mathématiques et computationnels ont été développés afin de permettre de rendre compte des dynamiques motrices lors des coordinations interpersonnelles. Cependant, la majorité des travaux portent sur les coordinations « intentionnelles » et seule une minorité s’intéresse aux coordinations non-intentionnelles. Par ailleurs, les travaux ayant comme objet d’étude les coordinations non-intentionnelles n’ont été menés, à notre connaissance, qu’au sein de situations peu écologiques. Les résultats qui en découlent sont rarement pris en compte dans la construction des modèles computationnels de contrôle moteur. De plus, les modèles computationnels qui se sont intéressés aux phénomènes de coordinations non-intentionnelles ont adopté une approche comportementale. En effet, s’ils modélisent les comportements cinématiques produits, observés et mesurés lors des coordinations interpersonnelles, ils ne prennent pas en compte, dans leur construction, le contrôle du système musculo-squelettique et les dynamiques qui en découlent.

Les Coordinations Interpersonnelles 

Coordinations

L’étymologie du mot coordination nous vient de la combinaison du mot latin « cum » qui signifie « avec » et qui exprime l’idée de réunion ainsi que du mot « ordinare » qui signifie « mettre en ordre », « agencer ». La coordination est donc l’action d’ordonner, d’agencer les parties d’un ensemble en vue d’un objectif défini. Cette notion de coordination ne peut être abordée sans la notion de synchronisation tant leur définition sont proches. Le terme synchronisation nous vient du grec « sun » qui signifie « ensemble » et « khrónos » qui signifie « temps ». La synchronisation peut être vu comme le résultat d’une coordination de plusieurs opérations entre elles dans l’espace et dans le temps permettant d’aboutir à une convergence rythmique (en phase ou en anti-phase).

Les coordinations dans la nature
Les phénomènes de coordination ou de synchronisation sont omniprésents dans la nature et concernent aussi bien des systèmes physiques que des systèmes biologiques [337]. Dès les années 30, von Holst s’est intéressé à leurs principes de fonctionnement (à l’échelle d’un individu) en étudiant notamment la coordination des différentes nageoires chez les poissons ou encore la coordination des membres chez le mille-pattes [130]. Dans le cas de son étude sur les poissons, von Holst a pu montrer que lorsque l’on immobilisait séparément les nageoires latérales et dorsales d’un poisson (Labrus), celles-ci oscillaient spontanément à des fréquences différentes. Dès lors que les nageoires étaient libérées, celles-ci se synchronisaient alors en adoptant une fréquence commune, différente des fréquences observées spontanément pour chacune d’entre elles .

Les exemples de coordination ou de synchronisation à l’échelle de groupe sont nombreux dans le monde du vivant. On peut citer à titre d’exemple le clignotement des lucioles asiatiques [45], le vol des oiseaux [366], le chant des criquets [368] ou encore le déplacement des bancs de poissons [137]. Nous devons l’exemple des lucioles à J. Buck, qui a été le premier à étudier la synchronisation des impulsions lumineuses des lucioles mâles sur le bord des rivières de Bangkok. Il a pu montrer que le rythme propre de chacune des lucioles était progressivement entraîné par le rythme de ses congénères donnant lieu à la synchronisation de l’ensemble des lucioles et ayant comme résultat de les rendre plus lumineuses et visibles par les femelles [45]. Il en est de même pour les mouvements synchronisés des bancs de poissons ou encore des oiseaux où chaque individu participe à la dynamique du groupe tout en étant influencé par celle-ci. Ces phénomènes peuvent donc être de formidables remparts contre d’éventuels prédateurs comme c’est le cas pour les poissons et pour les oiseaux ou encore un moyen de favoriser la reproduction comme c’est le cas chez les lucioles. Il est donc probable que l’évolution les ait favorisés [295].

Les coordinations motrices chez l’humain

L’étude des phénomènes de coordination ou de synchronisation chez l’homme a fait l’objet et fait toujours l’objet de nombreux travaux de recherche. Les échelles d’analyses sont larges allant du microscopique au macroscopique. A un niveau microscopique, nous retrouvons l’exemple des milliers de cellules cardiaques qui se synchronisent pour battre à l’unisson [263]. Les cellules sont capables de se synchroniser grâce à des protéines appelées « connexines » qui sont chargées d’assurer la communication entre chacune des cellules cardiaques en permettant le passage de signaux électriques. A une échelle cette fois-ci macroscopique, on retrouve les coordinations dites motrices. Leur réalisation peut être vue comme la façon dont est maîtrisé l’ensemble des degrés de liberté que comportent nos articulations. Cette maîtrise dépend des contraintes associées à l’individu et des contraintes liées à la tâche qui doit être réalisée. Les coordinations sont alors le résultat de la combinaison des différents degrés de liberté pour former des unités de contrôle fonctionnelles. Ces unités peuvent ensuite être couplées entre elles de façon à atteindre les objectifs lors d’une tâche donnée [36].

Les coordinations motrices peuvent être séparées en deux catégories : les coordinations intrapersonnelles et interpersonnelles. Les coordinations intrapersonnelles représentent les coordinations et donc le couplage qui existe entre les différents segments d’un même corps. Les coordinations interpersonnelles représentent, quant à elles, la façon dont les mouvements d’un individu se coordonnent avec un autre individu. Il ne s’agit donc plus d’un couplage entre les segments d’un même individu mais d’un couplage plus large entre les mouvements de plusieurs individus. Ces notions ont par la suite été étendues aux coordinations entre un individu et un rythme issu de l’environnement, on parlera alors de coordinations extrapersonnelles. Historiquement, l’étude des coordinations intrapersonnelles a précédé celle des coordinations interpersonnelles et extrapersonnelles. Plus récemment, ont été investiguées les coordinations entre humains et agents artificiels dont le développement et l’utilisation ne cesse de croître. On observe donc que les coordinations sont présentes à tous les niveaux et qu’elles sont fondamentales pour la survie des espèces, l’humain ne faisant pas exception. Nous allons maintenant définir plus en détail les phénomènes physiques qui permettent d’aboutir à ces coordinations.

Genèse des coordinations interpersonnelles : le phénomène d’entraînement rythmique

Nous avons vu précédemment que les phénomènes de coordination pouvaient avoir lieu à différentes échelles et concernaient aussi bien des systèmes physiques que des systèmes biologiques. Quel que soit le système, la coordination émerge d’un échange d’informations entre les différents éléments qui le composent. Cet échange est rendu possible par un couplage des éléments entre eux, celui-ci peut être perceptif ou encore mécanique. La synchronisation spontanée des métronomes de Huygens est un célèbre exemple illustrant l’émergence de la coordination [255]. Dans cette expérience, des métronomes sont disposés sur un support commun et sont activés à des fréquences légèrement différentes de manière aléatoire. Au bout d’un certain temps, on observe que les métronomes se sont synchronisés. En effet, le support a permis un transfert d’énergie entre les métronomes qui a ainsi assuré leur couplage en phase ou en opposition de phase, en fonction des conditions initiales (position des métronomes, différence de phase etc.). Les métronomes étant capables d’absorber de l’énergie (jusqu’à une certaine amplitude d’oscillation), ils ont pu se synchroniser.

Il faut donc voir l’interaction de différents éléments d’un système comme un échange d’informations les amenant à un changement temporaire de leur dynamique individuelle. Dès lors que l’interaction prend fin, les différents éléments reprennent leur dynamique propre.

Ce principe de fonctionnement s’applique aussi chez l’humain lors de ses interactions. Les humains ont la faculté d’être entraînés par des stimuli extérieurs provenant d’autres personnes ou de leur environnement, on parle d’entraînement rythmique ou bien encore de l’effet magnet [130]. Chaque individu possède sa propre dynamique de mouvement interne reposant sur des fréquences appelées préférentielles ou encore fréquences propres. Dès lors qu’un individu rentre en interaction avec un stimulus social (émis par une autre personne) ou un stimulus non-social (émis par l’environnement), sa dynamique va s’en trouver modifiée, temporairement « entraînée », pour se rapprocher de la fréquence du stimulus en question. Comme l’exemple des métronomes de Huygens cité précédemment, cette modification du comportement n’est rendue possible que par la présence d’un échange d’informations [280]. Cet échange est fondé sur la perception. Il peut avoir lieu via des informations visuelles [308], auditives [324] ou encore tactiles [202]. Les premières études portant sur le phénomène d’entraînement rythmique datent des années 1980. Bernieri voit dans ce phénomène une nouvelle méthode pour étudier les coordinations interpersonnelles. En 1995, McNeill explique que ce phénomène peut faciliter des situations interdépendantes et complexes de coordination dont font notamment partie : le sport, les jeux, la communication verbale, les expressions émotionnelles ainsi que la musique et la danse [224, 193]. Ce phénomène d’entraînement indique une perception mutuelle au cours d’une interaction sociale.

Coordinations interpersonnelles

Fonction sociale des coordinations interpersonnelles 

La communication non-verbale joue un rôle essentiel lors des interactions sociales [13] et les coordinations interpersonnelles en font partie intégrante. Il a été suggéré que ces coordinations étaient porteuses d’informations et participaient par conséquent à l’efficience de la communication entre les différents acteurs [279]. En effet, si une communication efficace requiert des aspects verbaux et non verbaux incluant le langage du corps, le ton de la voix et les expressions faciales des deux partenaires en interaction [55], la synchronisation des corps est elle aussi essentielle [307]. Il a été montré par Vicaria et al., (2016), qu’un haut niveau de coordination agissait comme un véritable « ciment » social [363] et par Chartrand et al., (1999) que l’interaction sociale était facilitée lorsque la coordination interpersonnelle était renforcée [52]. Bernieri et al., (1988) ont par exemple montré que la coordination entre les mouvements d’une mère et ceux d’un enfant est plus forte lorsqu’il s’agit de son propre enfant comparativement à celle obtenue avec un enfant inconnu [33]. Les coordinations interpersonnelles sont donc perçues comme un signal de grande importance pour évaluer la qualité des interactions.

Dans le contexte des interactions sociales, on peut définir deux types de coordinations : le « matching comportemental » (imitation) et la synchronie interpersonnelle [34]. Le « matching comportemental » se retrouve par exemple lorsque deux personnes discutent entre elles et qu’elles imitent de façon ponctuelle le comportement moteur de leur partenaire comme la gestuelle, les postures (e.g., bras ou jambes croisés) et ou encore les expressions du visage [52]. Il permet d’exprimer l’approbation ou encore l’empathie [192, 191, 190]. La synchronie interpersonnelle, quant à elle, rend compte de l’organisation en continu de nos mouvements dans le temps et l’espace avec ceux d’autres personnes. Elle peut par exemple être constatée au niveau des mouvements posturaux, des bras, des mains ou encore des yeux [326, 325, 190, 278]. Elles se retrouvent aussi entre le rythme des paroles d’un orateur et les mouvements corporels d’un auditeur lors d’une conversation [61, 122]. Le rythme de paroles de l’un est lié aux rythmes des mouvements de l’autre. Plus particulièrement, il a été montré que la synchronie des mouvements influençait des sentiments tels que l’affiliation ou la cohésion entre deux personnes adultes [31, 32, 133, 158, 376] mais aussi chez les enfants [62, 33, 86, 140]. Une altération de cette capacité peut donc se montrer très handicapante lors des interactions sociales. Elle peut même être considérée comme un signe d’un déficit d’habiletés sociales. C’est le cas par exemple pour des maladies telles que Parkinson [57], Alzheimer [234], les troubles du spectre autistique [88] ou encore dans le cas de la schizophrénie [361]. Dans cette dernière, il a par exemple été montré que les patients atteints de schizophrénie avaient une moins bonne stabilité que les sujets sains lors de tâches de coordinations intentionnelles et qu’ils ne menaient jamais la coordination adoptant le rôle de suiveur plutôt que de « leader » [361].

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Table des matières

Introduction
État de l’art
1 Les Coordinations Interpersonnelles
1.1 Coordinations
1.1.1 Les coordinations dans la nature
1.1.2 Les coordinations motrices chez l’humain
1.2 Genèse des coordinations interpersonnelles : le phénomène d’entraînement rythmique
1.3 Coordinations interpersonnelles
1.3.1 Fonction sociale des coordinations interpersonnelles
1.3.2 Importance des coordinations interpersonnelles lors du développement
1.3.3 Coordinations interpersonnelles et neurobiologie
1.4 Coordinations extrapersonnelles
1.4.1 Coordinations extrapersonnelles : cas des interactions avec des agents artificiels
1.5 Processus attentionnels lors des coordinations interpersonnelles et extrapersonnelles
1.6 Processus perceptivo-moteurs à l’origine des coordinations interpersonnelles
1.6.1 Approche cognitive
1.6.2 Théorie des systèmes dynamiques
1.7 Modélisation et analyse des dynamiques des mouvements lors des coordinations intrapersonnelles et interpersonnelles
1.7.1 Dynamique des mouvements lors des coordinations intrapersonnelles
1.7.2 Dynamique des mouvements lors des coordinations interpersonnelles
1.7.3 Modélisation des coordinations interpersonnelles en interaction hommemachine
1.8 Coordinations interpersonnelles non-intentionnelles
1.9 Conclusion et positionnement
2 Le contrôle moteur chez l’humain
2.1 Le système neuro-musculo-squelettique
2.1.1 Le système nerveux
2.1.2 Le parcours de la commande motrice
2.1.3 Les différents types de muscles
2.1.4 Les synergies musculaires et les primitives motrices
2.2 Mouvements rythmiques et mouvements discrets : différences et similitudes
2.2.1 Le rôle de la moelle spinale dans la génération de mouvements rythmiques
2.2.2 La génération de mouvements rythmiques et discrets au niveau cortical
2.3 Conclusion
3 Modélisation du contrôle moteur chez l’humain
3.1 Modélisation du système musculo-squelettique : exemple du bras
3.2 Introduction aux modèles de contrôle du système musculo-squelettique
3.2.1 Modèles internes
3.2.2 Système de contrôle : contrôle feed-forward et contrôle par feedback
3.2.3 Exemple d’architectures de contrôle moteur
3.3 Principales méthodes de Contrôle
3.3.1 Le contrôle optimal
3.3.2 Apprentissage par renforcement
3.3.3 Apprentissage par renforcement et contrôle du système musculo-squelettique : usage et limitation
3.3.4 Modèles probabilistes : Théorie Bayésienne de la Décision
3.4 Conclusion
Étude des coordinations non-intentionnelles : analyse des comportements moteurs et des processus attentionnels
4 Étude de la coordination entre des patients atteints de schizophrénie et un robot d’assistance sociale
4.1 Introduction
4.1.1 Schizophrénie et coordination interpersonnelle
4.1.2 Positionnement
4.2 Méthode
4.2.1 Participants
4.2.2 Tâche et procédure
4.2.3 Conditions
4.2.4 Analyse des données
4.2.5 Statistiques
4.3 Contrôle du mouvement du robot
4.3.1 Modélisation du phénomène d’entraînement
4.3.2 Contrôle du robot : fréquence fixe et fréquence adaptative
4.4 Résultats expérimentaux
4.4.1 Analyse des fréquences préférentielles dans les deux groupes
4.4.2 Étude de la coordination interpersonnelle
4.4.3 Étude de la coordination intrapersonnelle
4.5 Conclusion
5 Étude des processus attentionnels lors des coordinations non intentionnelles
5.1 Introduction
5.1.1 Processus attentionnels et coordination interpersonnelle
5.1.2 Positionnement
5.2 Méthodes
5.2.1 Participants
5.2.2 Tâche et procédure
5.2.3 Conditions
5.2.4 Synchronisation de l’interface
5.2.5 Analyse des données
5.2.6 Statistiques
5.3 Résultats expérimentaux
5.3.1 Analyse de la synchronisation de l’interface
5.3.2 Analyse des temps de réaction
5.3.3 Analyse des fixations du regard
5.3.4 Analyse de la fréquence des jambes et de sa stabilité
5.4 Conclusion
Modélisation computationnelle du contrôle sensorimoteur pour les coordinations interpersonnelles
6 Modèle de contrôle sensorimoteur pour la synchronisation d’un bras simulé
6.1 Introduction
6.2 Architecture et dynamique du bras articulé simulé
6.2.1 Architecture mécanique
6.2.2 Simulation du bras sur Gazebo
6.2.3 Contrôle en force de la dynamique des muscles
6.3 Modélisation computationnelle de la coordination interpersonnelle non-intentionnelle
6.3.1 Hypothèse 1 : Lien direct entre oscillateur et commande motrice
6.3.2 Hypothèse 2 : Lien indirect entre oscillateurs et commande motrice
6.4 Utilisation du modèle computationnel pour l’imitation immédiate de mouvements rythmiques
6.4.1 Imitation immédiate de mouvements rythmiques
6.4.2 Simulation d’un mouvement rythmique à deux degrés de liberté
6.5 Simulation d’un bras à deux degrés de liberté et deux articulations : épaule et coude
6.5.1 Exploration à deux degrés de liberté
6.5.2 La sélection bayésienne face à la redondance
6.6 Conclusion
7 Conclusion

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