Dynamiques comportementale et cérébrale des coordinations sensorimotrices : (in)stabilité et métastabilité

Coordination dynamics: (in)stability and metastability in the behavioural and neural systems

¹ Laboratoire de Neurobiologie Humaine (UMR 6149), Université de Provence-CNRS, Centre Saint-Charles, Pôle 3C, Case B, 3, place Victor Hugo, 13331 Marseille, Cedex 03, France
² Human Brain and Behavior Laboratory, Center for Complex Systems and Brain Sciences, Florida Atlantic University, Boca Raton, États-Unis
³ Laboratoire Efficience et Déficience Motrice, Université de Montpellier I, Montpellier, France

Auteur de correspondance : oullier@up.univ-mrs.fr

Reçu : 10 Juillet 2006

Résumé

Depuis plus de deux décennies, la théorie des systèmes dynamiques a permis de considérer sous un jour nouveau les liens entre les coordinations sensorimotrices chez l'humain et la dynamique cérébrale qui leur est associée. De multiples travaux dans des domaines aussi variés que les coordinations bimanuelles, posturales, interpersonnelles, ou encore les coordinations entre un individu et son environnement ont montré que le comportement, la cognition et le cerveau humains sont fonctionnellement sous-tendus par la théorie des systèmes dynamiques non linéaires. Dans cette revue de la littérature, nous présentons un ensemble de travaux conduits autour de la réalisation de deux patrons de coordination rythmique : la synchronisation (coordonner un mouvement sur chaque événement d'une stimulation) et la syncopation (coordonner un mouvement entre deux événements d'une stimulation). A des fréquences de mouvement supérieures à 2 Hz, la syncopation devient impossible et l'on adopte spontanément la synchronisation. Ce changement abrupt entre syncopation et synchronisation révèle une réorganisation comportementale qualifiée de transition de phase (loin de l'équilibre). Il permet l'étude opérationnelle de l'adoption spontanée (et de l'abandon) de patrons de coordination aux niveaux comportemental (cinématique) et cérébral. Les nouvelles techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle (EEG, MEG et IRMf) ont récemment permis de mettre en évidence la signature de cette différence de stabilité comportementale au niveau de l'activité du cerveau, et indiquent que son fonctionnement est lui aussi sous-tendu par le principe d'autoorganisation. Les liens entre dynamiques comportementale et cérébrale peuvent donc être abordés au sein d'un cadre expérimental et théorique unifié afin de mieux comprendre le caractère métastable du cerveau humain, à savoir ses propriétés d'intégration (globale) et de ségrégation (locale).

Abstract

For more than 20 years, coordination dynamics have provided research on human movement science with new views about the nonlinear relationships between behavioral and neural dynamics. A number of studies across various experimental settings including bimanual, postural or interpersonal coordination, and also coordination between movements of a limb and an external event in the environment revealed the selforganized nature of human coordination. Here we review an extensive body of literature – in the human movement science and the neuroscience fields – that has investigated the coordination dynamics of brain and behavior when individuals are involved in two rhythmic coordination patterns: synchronization (onthe- beat movements) and syncopation (in-between beats movements). When the frequency of movement approaches 2 Hz, the syncopation mode is destabilized and synchronization is spontaneously adopted. The abrupt change between the two patterns illustrates a phenomenon known as non-equilibrium phase transition. Phase transitions offer a novel entry point into the investigation of pattern formation (and dissolution) at both the behavioral and the cerebral levels as they illustrate the loss of stability of the system. Brain imaging methods (MEG, EEG and fMRI) were used to reveal the neural signatures of (in)stability underlying the differences between behavioral coordination patterns, and pointed at the role of self-organization and metastability principles in brain functioning. Relationships between behavioral and brain dynamics can therefore be investigated within a unified empirical and theoretical framework.