Cédrick T. Bonnet

Chargé de recherche epst - CR CNRS
CNU : SECTION 69 - NEUROSCIENCES
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Cédrick T. Bonnet

Chargé de recherche epst - CR CNRS

Axes de recherche

Behavioral synergies between eye movements and postural movements to perform precise visual tasks and impact of attention on tese relations

(see below for the french version)

My first research interest deals with the interaction between eye movements and postural movements. More especially, my research is devoted to better understand how individuals control their equilibrium in order to achieve precise gaze shifts to reach targets.

My colleague and I have constructed a synergistic model in the literature on postural control (Bonnet & Baudry, 2016b) after having shown shortcoming of existing models (Bonnet & Baudry, 2016a). The synergistic model is a behavioral synergistic model because it concerns eye and body movements, not in terms of muscle synergies, not in terms of reduction of degrees of freedom, but in term of functional interaction between them in order to succeed in the visual task performed. This behavioral synergistic model is based on two simple facts: all individuals sway at all time in the upright stance and if they like to search for precise items in their visual environment, they necessarily need to control their eye movements with respect to their postural sway. To better understand this idea, if a person wishes to perform a saccade 10° of the left (to reach a precise target) and if this person sways an equivalent of 1° to the left simultaneously, she will need to perform a saccade 9° on the left to reach that target straight (without making a corrective saccade). With Dr Baudry, we made the hypothesis that in precise visual tasks (e.g., in searching to reach target within the environment), the brain could not control their equilibrium as an end in itself (that is it could not merely improve postural control), it could not merely control eye movement as an end in itself (that is it could not merely program eye movements), but it had to program eye movements in relation to body movements. This is the first main hypothesis of the behavioral synergistic model (Bonnet & Baudry, 2016b). Dr Baudry and I also expected that the useful link (synergistic link) between eye and body movements in precise visual tasks (or in precise gaze shift situations) could only be possible with higher attentional resources (to calculate 10 - 1 = 9° in my previous example). In contrast, when individuals do not perform precise visual tasks (or precise gaze shifts), the control of eye movement and postural sway should not require higher attentional resources, both visual and postural systems should work in isolated manners. In unprecise, free-viewing like, visual tasks both visual and postural systems should not or very basically interact with one another, they should interact in automatic manners.

In experimental studies that we are performing in our laboratory, we try to test and validate the behavioral synergistic model. To this end, we use different types of precise visual tasks (more or less difficult, displayed on smaller or larger displays), in various postural conditions (more or less difficult, e.g. with feet closed or with larger stance width) and in more or less difficult attentional conditions (e.g. in subtracting by 4 again and again until the end of the trial). We also perform studies with various populations, i.e. young adults, older adults, patients with Parkinson’s Disease. In our studies, participants perform precise and unprecise (control) visual tasks (to test the synergistic model). In 2017, we published our first validation of the synergistic model and in 2019 the two following ones with also another publication indirectly sustaining the validity of the model (in 2019). I am very interested to look at postural control as a functional goal, as a mean to higher task performance. I am very interested to continue in this direction of research if a student, or doctorate or post-doctorate contact me. So please, feel free to contact me to discuss possibilities of better understanding together how the brain can control eye movements, postural sway and attention in order to succeed in more or less complex visual tasks.

 

Version en Français

Titre : synergies entre comportement visuel et comportement du corps (relations entre mouvements des yeux et du corps) lors de tâches visuelles réalisées debout et impact de la cognition sur ces synergies

En recherche, nous avons construit un modèle synergique du contrôle postural (Bonnet & Baudry, 2016g) après avoir défini et montré l’insuffisance des modèles existants (Bonnet & Baudry, 2016c). Ce modèle synergique se base sur deux constats simples : tous les individus oscillent debout (il est impossible de ne pas osciller debout) et s’ils souhaitent regarder leur environnement de façon précise ici et là, ils doivent nécessairement contrôler le mouvement de leurs yeux en rapport avec leurs oscillations posturales. Pour mieux comprendre cette idée, si une personne souhaite faire une saccade de 10° sur la gauche (pour atteindre une cible précise) et si cette personne oscille de 1° sur la gauche au même moment, alors elle devra réaliser une saccade de 9° pour atteindre la cible directement (sinon elle devra faire une saccade corrective). Avec le Dr Baudry, nous avons donc fait l’hypothèse que lors de tâches visuelles précises (e.g. recherche de cibles dans l’environnement), le cerveau ne devait peut être pas contrôler l’équilibre comme fin en soi (c’est-à-dire améliorer seulement le contrôle postural), il ne devait peut être pas contrôler les mouvements des yeux comme fin en soi (c’est-à-dire seulement programmer que le mouvement des yeux) mais il devait programmer les mouvements des yeux en relation avec les mouvements du corps. Nous avons également supposé que ce lien utile (cette synergie) entre mouvements des yeux et du corps ne pouvait être possible qu’avec une plus grande implication cognitive (pour calculer 10 – 1 = 9° dans l’exemple ci-dessus). En effet, en fonctionnement normal, les systèmes visuel et postural fonctionnent de façon relativement isolée, ils interagissent peu, sauf de façon automatique. Dans les études scientifiques que nous entreprenons, l’intérêt est donc de tester la valider du modèle synergique et nous utilisons pour cela différents types de tâches visuelles précises (plus ou moins difficiles, diffusées sur petit ou grand écran), dans des conditions posturales plus ou moins difficiles (e.g., les pieds serrés ou écartés), dans des conditions cognitives plus ou moins difficiles (e.g. en comptant à rebours par 7 dans la tête ou sans rien faire d’autre) et avec des participants plus ou moins bien portants (jeunes adultes, personnes âgées, patients parkinsoniens). Dans les expériences, les participants réalisent des tâches visuelles précises (qui nous intéressent pour tester le modèle) et des tâches non précises (exploration libre des images sans but précis), ces dernières étant des tâches contrôles, c’est-à-dire des tâches pour lesquelles aucune synergie entre systèmes visuel et postural n’est attendue. En 2017, nous avons publié une première validation expérimentale du modèle synergique et je souhaite continuer de tester le modèle avec des étudiants et surtout des doctorants, avec de jeune chercheurs intéressés pour savoir comment le cerveau contrôle la vision et le contrôle postural pour réussir des tâches visuelles (et cognitives) plus ou moins complexes.

Cliquez ici si vous voulez en savoir plus sur le protocole expérimental.

Visual, postural and attentionalimpairments in patients with Parkinsn’s disease

(see below for the French version)

My second research interest deals with Parkinson’s disease and how it affects postural control, eye movements and attentional resources. Parkinson’s Disease largely affects postural control, as everybody well know this fact, and it also affects eye movements and visual strategies used to explore the environment. Parkinson’s Disease also impear attentional resources, among other aspects. In research, I am interested in understanding in these impairments at a higher level, i.e. at the level of synergistic impairments between these three aspects. With my colleagues, Prof. Arnand Delval and Prof. Luc Defebvre, neurophysiologist and neurologist and specialist in motor control, we are also interested in the effects of medication and in the severity of the disease. In our studies, we test patients with PD and their healthy controls to better understand the effects of Parkinson Disease in addition to young adults to better understand the effects of age. In this way, we can have a broad picture of PD-related impairments in synergistic relations between postural control, eye movements and attentional resources. In our last project in 2020, the three groups of participants looked at ecological images (rooms in houses) projected onto a large panoramic display to study their behavior in precise tasks (i.e. searching to detect the location of targets within the image), in unprecise tasks (i.e. simply free-viewing images) and also basic – systematically used – fixation tasks.

Version en Français

Titre : Déficiences visuelles, posturales et cognitives liées à la maladie de Parkinson et à l’âge

La maladie de Parkinson affecte la motricité, les patients parkinsoniens étant victimes de tremblements, de rigidité, de lenteur de mouvement et d’hypokinésie pour les symptômes moteurs les plus importants. La littérature valide amplement que les patients parkinsoniens peuvent être instables debout dès le début de leur maladie et que cette instabilité et leur risque de chute s’accroît avec la gravité de la maladie. La maladie de Parkinson affecte également les mouvements des yeux, les stratégies visuelles utilisées et elle dégrave également les capacités cognitives, entre autres. En recherche, je m’intéresse particulièrement à mieux comprendre les déficiences posturales, visuelles et cognitives liées à la maladie de Parkinson (avec et sans médication, aux différents stades de leur maladie) et notamment quelles déficiences sont les plus importantes. Les expériences testent des patients parkinsoniens et les témoins (personnes de même âge et caractéristiques physiques que les patients mais sans aucune maladie) pour comprendre les effets de la maladie mais elles testent également les personnes âgées et les jeunes adultes pour comprendre les effets de l’âge et ainsi mieux évaluer la gravité des déficiences liées à la maladie (qui se surajoutent à celles liées à l’âge). Cette recherche est partie prenante de mon emploi du temps et elle se passe au CHRU de Lille, dans l’hôpital Salengro où j’ai à disposition une salle expérimentale équipée des différents appareils synchronisés. Les participants regardent des images de pièce de maison (écologiques) projetées sur grand écran panoramique (de 180° d’angle visuel) et nous mesurons le mouvement de leurs yeux, le mouvement de leur corps et la difficulté subjective ressentie à réaliser des tâches visuelles en station debout en face de l’écran.

Past research interest (but still open eventually)

 

 

I have been interested in the contribution of the (biomechanical) postural control mechanisms (bodyweight distribution mechanism at the hip level and center of pressure location mechanism at the ankle level) to control upright stance. I am interested in the contributions (amplitude contribution, active contribution) of these mechanisms in different kinds of experimental conditions. My colleagues and I published 4 articles to bring fundamental findings and to discuss the best methodology to use the model (Bonnet, 2012; Bonnet et al., 2013; Bonnet et al., 2014a, 2014b).

Even more previously in the past, I have also been interested in other directions of research:

·       Postural control in patients affected by diabetic neuropathy. Three manuscripts were published on this theme (Bonnet et al., 2009; Bonnet & Ray, 2011; Bonnet & Lepeu, 2011). This work was performed when I was post-doctorate fellow in Michael Turvey’s laboratory (http://ione.psy.uconn.edu/) and during my first year in the LNFP.

·       Postural instability as the cause of motion sickness. This research was the heart of my Ph. D. with Prof. Thomas Stoffregen, http://www.cehd.umn.edu/kin/research/apal/People/Stoffregen.html). Three manuscripts were published on this theme (Bonnet et al., 2006, 2008; Faugloire et al., 2007)

·       The simulation of in-phase and anti-phase modes of coordination in the antero-posterior axis (with Prof. Benoît Bardy, http://www.edm.univ-montp1.fr/, no related publication)

·       The role of plantar cutaneous information in postural control in healthy young adults (with Prof. Jean-Pierre Roll, http://www.univ-provence.fr/gsite/document.php?pagendx=195&project=umr_6149, no related publication)



Recherche d'étudiants / de doctorants

Je cherche des étudiants (M1, M2 et surtout doctorant) pour tester avec moi ce modèle synergique sur Lille. Dans la salle expérimentale, je possède tous les outils (plateforme de force, marqueurs de mouvement, oculomètre mobile, grand écran panoramique où tout type d'image peut être affiché) et tous ces systèmes sont synchronisés pour une utilisation facile et optimale. J'ai des financements pour mes études et j'ai du temps disponible pour aider à la recherche (pour enseigner les fondamentaux de la recherche aux étudiants/doctorants qui voudraient faire de la recherche avec moi). J'espère que vous me contacterez pour en discuter et entrevoir un stage de recherche et/ou thèse avec moi.

General methoodology

 

At the general level, I am interested in the role of the brain to control the upright stance to succeed in visual tasks. Participants (young, older adults, patients with Parkinson’s Disease) perform visual tasks on images projected in front of them. Participants stand upright on a dual force platform (Biometrics), they wear an eye tracker (Pupil-lab glasses) and markers from the Polhemus system put at the head (on the helmet), at the upper back and lower back. All these systems are synchronized with a Matlab script for easy recordings. We also study attentional resources either thanks to a multidimensional questionnaire (NASA-TLX) or in using characteristics of the eye (e.g. pupil dilation). We also study task performance, that is how good were people to find targets and we related these findings with behavioral data.

 

 

 

Version en Français

De façon générale, mes études s’intéressent au rôle du cerveau pour contrôler l’équilibre d’êtres humains debout pour réussir des tâches visuelles. Les participants (jeunes, âgés ou patients parkinsoniens, selon le projet souhaité) réalisent des tâches visuelles sur des images affichées en face d’eux. Les participants sont debout sur une plateforme de force avec une casquette servant à mesurer le mouvement de leurs yeux et trois marqueurs posés au niveau de leur tête, cou et dos. Tous les systèmes marchent ensemble automatiquement pour une utilisation très facile. Les participants remplissent aussi un questionnaire de difficulté mentale relatif à chaque tâche. Les analyses étudient l’influence du contrôle de l’équilibre et de la charge cognitive sur la performance aux tâches visuelles. Je cherche un étudiant M1 pour réaliser une étude financée (subvention déjà obtenue) et (de préférence) qui souhaite réaliser une thèse ensuite.