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Today, falling is a major health problem for aging population. It generates a cascade of health complications such as dependence, social isolation, death, depression, etc. This doctoral work aimed to treat falling via an innovative framework: the theory of complex systems. First, we focus on interpersonal synchronization, i.e. the interaction between two complex systems, and we propose a new methodology to analyze this phenomenon. Next, we show that the complexity matching effect could represent a suitable approach for the study of interpersonal interaction. Therefore, in a second step, we propose a walking rehabilitation protocol based on the phenomenon of complexity matching and allowing to restore the complexity of the locomotion system in the elderly. We show that a regular training of 3 weeks in synchronized walking (elderly subject + young guide) can restore the complexity of walking in seniors (up to 2 months post-protocol). In addition, this restoration of complexity results in a reduction in the fear of falling and an improvement in the overall health of seniors.; La chute constitue, aujourd’hui, une problématique de santé majeure chez la population vieillissante. Elle, engendre une cascade de complications sanitaires tel que la dépendance, l’isolement social, le décès, la dépression, etc. Par conséquent, ce travail doctoral a visé de traiter la chute via une méthodologie innovante : la théorie des système complexes. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la synchronisation interpersonnelle, donc, l’interaction entre deux systèmes complexes, et nous proposons une nouvelle méthodologie pour analyser ce phénomène. Ensuite, nous montrons que l’appariement des complexités pourrait constituer une approche adaptée pour l’étude de l’interaction interpersonnelle. De ce fait, dans un second temps, nous proposons un protocole de réhabilitation à la marche basé sur un phénomène d’appariement des complexités permettant de restaurer la complexité du système de locomotion des personnes âgées. Nous montrons qu’un entraînement régulier de 3 semaines à la marche synchronisée (sujet âgé + guide jeune), permet de restaurer la complexité de la marche chez les seniors de manière pérenne (jusqu’à 2 mois post-protocole). De plus, cette restauration de la complexité obtenue se traduit par une diminution de la peur de chuter et une amélioration de l’état de santé global des seniors.

Maintaining a healthy state relies on many interactions between neural structures largely distributed in the organism and operating at different timescales. This structural complexity participates in the adaptiveness of physiological systems through a multi-level integration providing the control system with critical properties of flexibility, robustness and adaptability. This complexity in neurophysiological control systems can be evaluated through the analysis of their output signals: a complex signal is associated with a complex physiological network, and hence with an efficient control. Nonlinear analyses of physiological signals have proven their ability to characterize such complexity by introducing quantitative markers. These analyses bring new perspectives to the understanding of control strategies participating in health and performance in humans. Particularly, neurophysiological control distribution can be explored under different constraints to reveal adaptation strategies to numerous daily challenges. This way, studying the time course of heart rate, locomotor rhythms and postural sway is a way to explore control strategies contributing to health and performance in humans, in various contexts and under different constraints. In the present work, the frequency content, fractal fluctuations and entropy levels in time series generated by these systems are studied under different conditions. In a context of applied research, the experimental work has been conducted not only in the laboratory but also in ecological situations using connected devices (smartphone). For each situation, a methodological reflection is led to identify the most appropriate complexity analysis method for the control system studied, in line with the measurement devices used (connected devices or laboratory sensors)., Le maintien de conditions physiologiques compatibles avec une bonne santé repose sur de nombreuses interactions entre des structures nerveuses largement distribuées dans l’organisme et qui agissent selon différentes échelles de temps. Cette complexité structurelle permet aux systèmes physiologiques d’être adaptatifs via une intégration multi-niveaux offrant au système de contrôle la capacité d’être flexible, robuste et adaptable. La complexité des systèmes neurophysiologiques de contrôle peut être étudiée par le biais des signaux qu’ils émettent : un signal complexe est le signe d’une structure physiologique complexe et donc d’un contrôle performant. Les analyses non linéaires des signaux physiologiques ont prouvé leur capacité à caractériser cette complexité par l’introduction de marqueurs quantitatifs. Ces analyses apportent de nouvelles perspectives sur la compréhension des stratégies de contrôle qui participent à la santé et à la performance chez l’Homme. En particulier, la distribution du contrôle neurophysiologique peut être explorée sous différentes contraintes pour révéler les stratégies d’adaptation face à des situations auxquelles l’individu est confronté en permanence. Le rythme cardiaque, les rythmes locomoteurs et les oscillations du contrôle postural constituent des objets d’étude pour explorer ces stratégies dans des contextes variés, et sous différentes contraintes. Dans ce travail, les caractéristiques fréquentielles, fluctuations fractales et le niveau d’entropie présents dans les séries temporelles produites par ces systèmes sont étudiées dans différentes conditions. Dans un contexte de recherche appliquée, les expérimentations ont été menées en laboratoire mais aussi en situation écologique grâce à l’utilisation d’objets connectés (smartphone). Pour chaque situation, une réflexion méthodologique est menée pour identifier la méthode d’analyse de la complexité la plus adaptée au système de contrôle étudié, en adéquation avec les outils de mesures utilisés (objets connectés ou capteurs de laboratoire).

Just look at our top athletes, their ability to adapt in record-breaking times during sudden changes in tactical phases, or the near-perfect coordination of Olympic-level synchronized swimmers to understand that human movement cannot be reduced to any model of excessive simplicity. Here we propose an application of the complexity sciences, and more particularly of fractal analysis methods aimed at giving a global picture of the complexity of human movement. In a first step, from the theoretical aspects, until their practical application, we show that the finest evaluation of the fractal exponents requires the combined use of a very specific fractal analysis and physiological task. Then, in a second step, we are interested in the coordination of two complex systems. Starting from several theoretical frameworks existing in the field of human movement sciences, we propose new methods to analyze this synchronization. Finally, all the works that we present are attached to rehabilitation goals and we show that despite a typical alteration of complexity with aging there are simple and effective ways to restore this complexity.; Il suffit d’observer nos athlètes de plus haut niveau, leur capacité à s’adapter dans des temps records lors de changements soudains dans les phases tactiques, ou encore la coordination quasi parfaite des nageuses synchronisées de niveau olympique, pour comprendre que le mouvement humain ne peut se réduire à quelconque modèle d’une simplicité excessive. Nous proposons ici une mise en application des sciences de la complexité, et plus particulièrement des méthodes d’analyse fractale ayant pour but de donner une image globale de la complexité du mouvement humain. Dans un premier temps, en partant des aspects théoriques, jusqu’à leur mise en application pratique, nous montrons que l’évaluation la plus fine des exposants fractals nécessite l’utilisation combinée d’une analyse fractale et d’une tâche physiologique bien spécifique. Puis, dans un deuxième temps, nous nous intéressons à la coordination de deux systèmes complexes. En partant de plusieurs cadres théoriques existant dans le champ des sciences du mouvement humain, nous proposons de nouvelles méthodes pour analyser cette synchronisation. Enfin, l’ensemble des travaux que nous présentons sont attachés à des buts de réhabilitation et nous montrons que malgré une altération typique de la complexité avec l’âge il existe des moyens simple et efficaces de rétablir cette complexité.

Several theoretical frameworks have attempted to account for interpersonal synchronization processes. Cognitive theories suggest that synchronization is achieved through discrete and mutual corrections of asynchronies between the two partners. The dynamic theories are based on the assumption of a continuous coupling between the two systems, conceived as self-sustained oscillators. Finally, the complexity matching model is based on the assumption of a multi-scale coordination between the two interacting systems. As a first step, we develop statistical tests in order to identify, in experimental data, the typical signatures of these three modes of coordination. In particular, we propose a multifractal signature, based on the analysis of correlations between the multifractal spectra characterizing the series produced by the two interacting systems. We also develop a windowed cross-correlation analysis, which aims at revealing the nature of the local synchronization processes. These studies allow us to revisit a number of previous works. We show that if the synchronization of discrete tasks such as tapping relies on discrete correction processes of asynchronies, the synchronization of continuous tasks such as pendulum oscillations is essentially based on the same principles of discrete correction, and not on a continuous coupling of effectors. Our results also indicate that synchronization could be sustained by hybrid mechanisms mixing notably asynchronies correction and complexity matching. Finally we highlight that synchronized walking is based on a dominant effect of complexity matching, especially when partners are closely coupled (arm-in-arm walking). We propose in a second step to exploit this result to test the possibility of a restoration of complexity in the elderly. Aging has indeed been characterized as a process of gradual loss of complexity, and this effect has been particularly documented in the field of locomotion. In particular, it has been shown that the loss of complexity correlates in older people with the propensity to fall. Complex matching theory assumes that two interacting systems tend to align their complexity levels. It also assumes that when two systems of different levels of complexity interact, the more complex system tends to attract the less complex, causing an increase in complexity in the second. We show, in a protocol in which older people are invited to walk arm-in-arm with a younger companion, that synchronization between the two partners is achieved through a complexity matching effect, and that prolonged training in such synchronized walking allows a restoration of the complexity of locomotion in the elderly. This effect persists during a post-test conducted two weeks after the end of the training sessions. This result, in addition to reinforcing one of the essential aspects of the theory of complexity matching, opens new avenues of research for the design of rehabilitation and fall prevention strategies.; Plusieurs cadres théoriques ont tenté de rendre compte des processus de synchronisation interpersonnelle. Les théories cognitivistes suggèrent que la synchronisation est réalisée par le biais d’une correction discrète et mutuelle des asynchronies entre les deux partenaires. Les théories dynamiques reposent sur l’hypothèse d’un couplage continu des deux systèmes, conçus comme oscillateurs auto-entretenus. Enfin le modèle du complexity matching repose sur l’hypothèse d’une coordination multi-échelle entre les deux systèmes en interaction. Dans un premier temps, nous développons des tests statistiques permettant de repérer dans les données expérimentales les signatures typiques de ces trois modes de coordination. Nous proposons notamment une signature multifractale, basée sur l’analyse des corrélations entre les spectres multifractals caractérisant les séries produites par les deux systèmes en interaction. Nous développons également une analyse de cross-corrélation fenêtrée, qui permet de dévoiler les processus locaux de synchronisation mis en œuvre. Ces études nous permettent de revisiter un certain nombre de travaux antérieurs. Nous montrons notamment que si la synchronisation de tâches discrètes telles que le tapping repose en effet sur des processus de correction discrète des asynchronies, la synchronisation de tâches continues telles que les oscillations de pendules est essentiellement basée sur les mêmes principes de correction discrète, et non sur un couplage continu des effecteurs. Nos résultats indiquent également que la synchronisation peut révéler des mécanismes hybrides mixant notamment correction des asynchronies et complexity matching. Enfin nous mettons en évidence que la marche synchronisée met en œuvre un effet dominant de complexity matching, d’autant plus prégnant que les deux partenaires sont étroitement couplés (marche bras-dessus-bras-dessous). Nous proposons dans un second temps d’exploiter ce résultat pour tester la possibilité d’une restauration de la complexité chez les personnes âgées. Le vieillissement a en effet été caractérisé comme un processus de perte graduelle de complexité, et cet effet a été notamment documenté dans le domaine de la locomotion. Il a notamment été montré que la perte de complexité corrélait avec la propension à la chute. La théorie du complexity matching suppose que deux systèmes en interaction tendent à aligner leurs niveaux de complexité. Elle suppose également que lorsque deux systèmes de niveaux différents de complexité interagissent, le système le plus complexe tend à attirer le moins complexe, engendrant un accroissement de la complexité chez le second. Nous montrons, dans un protocole au cours duquel des personnes âgées sont invitées à marcher bras-dessus-bras-dessous avec un accompagnant jeune, que la synchronisation entre les deux partenaires est réalisée au travers d’un effet d’appariement des complexités, et que l’entrainement prolongé en marche synchronisée permet une restauration de la complexité de la locomotion chez les personnes âgées. Cet effet perdure lors d’un post-test réalisé deux semaines après la fin de l’entraînement. Ce résultat, outre le fait qu’il conforte un des aspects essentiels de la théorie du complexity matching, ouvre de nouvelles voies de recherche pour la conception de stratégies de réhabilitation et de prévention de la chute.

Several theoretical frameworks have attempted to account for interpersonal synchronization processes. Cognitive theories suggest that synchronization is achieved through discrete and mutual corrections of asynchronies between the two partners. The dynamic theories are based on the assumption of a continuous coupling between the two systems, conceived as self-sustained oscillators. Finally, the complexity matching model is based on the assumption of a multi-scale coordination between the two interacting systems. As a first step, we develop statistical tests in order to identify, in experimental data, the typical signatures of these three modes of coordination. In particular, we propose a multifractal signature, based on the analysis of correlations between the multifractal spectra characterizing the series produced by the two interacting systems. We also develop a windowed cross-correlation analysis, which aims at revealing the nature of the local synchronization processes. These studies allow us to revisit a number of previous works. We show that if the synchronization of discrete tasks such as tapping relies on discrete correction processes of asynchronies, the synchronization of continuous tasks such as pendulum oscillations is essentially based on the same principles of discrete correction, and not on a continuous coupling of effectors. Our results also indicate that synchronization could be sustained by hybrid mechanisms mixing notably asynchronies correction and complexity matching. Finally we highlight that synchronized walking is based on a dominant effect of complexity matching, especially when partners are closely coupled (arm-in-arm walking). We propose in a second step to exploit this result to test the possibility of a restoration of complexity in the elderly. Aging has indeed been characterized as a process of gradual loss of complexity, and this effect has been particularly documented in the field of locomotion. In particular, it has been shown that the loss of complexity correlates in older people with the propensity to fall. Complex matching theory assumes that two interacting systems tend to align their complexity levels. It also assumes that when two systems of different levels of complexity interact, the more complex system tends to attract the less complex, causing an increase in complexity in the second. We show, in a protocol in which older people are invited to walk arm-in-arm with a younger companion, that synchronization between the two partners is achieved through a complexity matching effect, and that prolonged training in such synchronized walking allows a restoration of the complexity of locomotion in the elderly. This effect persists during a post-test conducted two weeks after the end of the training sessions. This result, in addition to reinforcing one of the essential aspects of the theory of complexity matching, opens new avenues of research for the design of rehabilitation and fall prevention strategies.; Plusieurs cadres théoriques ont tenté de rendre compte des processus de synchronisation interpersonnelle. Les théories cognitivistes suggèrent que la synchronisation est réalisée par le biais d’une correction discrète et mutuelle des asynchronies entre les deux partenaires. Les théories dynamiques reposent sur l’hypothèse d’un couplage continu des deux systèmes, conçus comme oscillateurs auto-entretenus. Enfin le modèle du complexity matching repose sur l’hypothèse d’une coordination multi-échelle entre les deux systèmes en interaction. Dans un premier temps, nous développons des tests statistiques permettant de repérer dans les données expérimentales les signatures typiques de ces trois modes de coordination. Nous proposons notamment une signature multifractale, basée sur l’analyse des corrélations entre les spectres multifractals caractérisant les séries produites par les deux systèmes en interaction. Nous développons également une analyse de cross-corrélation fenêtrée, qui permet de dévoiler les processus locaux de synchronisation mis en œuvre. Ces études nous permettent de revisiter un certain nombre de travaux antérieurs. Nous montrons notamment que si la synchronisation de tâches discrètes telles que le tapping repose en effet sur des processus de correction discrète des asynchronies, la synchronisation de tâches continues telles que les oscillations de pendules est essentiellement basée sur les mêmes principes de correction discrète, et non sur un couplage continu des effecteurs. Nos résultats indiquent également que la synchronisation peut révéler des mécanismes hybrides mixant notamment correction des asynchronies et complexity matching. Enfin nous mettons en évidence que la marche synchronisée met en œuvre un effet dominant de complexity matching, d’autant plus prégnant que les deux partenaires sont étroitement couplés (marche bras-dessus-bras-dessous). Nous proposons dans un second temps d’exploiter ce résultat pour tester la possibilité d’une restauration de la complexité chez les personnes âgées. Le vieillissement a en effet été caractérisé comme un processus de perte graduelle de complexité, et cet effet a été notamment documenté dans le domaine de la locomotion. Il a notamment été montré que la perte de complexité corrélait avec la propension à la chute. La théorie du complexity matching suppose que deux systèmes en interaction tendent à aligner leurs niveaux de complexité. Elle suppose également que lorsque deux systèmes de niveaux différents de complexité interagissent, le système le plus complexe tend à attirer le moins complexe, engendrant un accroissement de la complexité chez le second. Nous montrons, dans un protocole au cours duquel des personnes âgées sont invitées à marcher bras-dessus-bras-dessous avec un accompagnant jeune, que la synchronisation entre les deux partenaires est réalisée au travers d’un effet d’appariement des complexités, et que l’entrainement prolongé en marche synchronisée permet une restauration de la complexité de la locomotion chez les personnes âgées. Cet effet perdure lors d’un post-test réalisé deux semaines après la fin de l’entraînement. Ce résultat, outre le fait qu’il conforte un des aspects essentiels de la théorie du complexity matching, ouvre de nouvelles voies de recherche pour la conception de stratégies de réhabilitation et de prévention de la chute.

This work aims at reassessing classical conceptions of personality traits and states as well as variability related to global self-esteem and physical self, from an idiographic and dynamic approach. This research emphasizes the iterative functioning for adults which corresponds to a simple exponential smoothing model thought as a dynamical adjustment. Moreover, time series are characterized by a fractal process (pink noise) which suggests that the self can be conceived as a complex dynamical system. These conclusions led us reinvestigating the hierarchical structure of global self-esteem and physical self, as well as its functioning using time series analysis. Surpassing recurrent limitations of classical approaches, the application of Dynamical Systems Theory allows providing new insights concerning the mechanisms by which dimensions are interconnected and especially the direction of the causal flow in the model. In conclusion, we provide a heuristic for theory construction, methodology perspectives and clinical applications.; A partir d'une approche idiographique et dynamique, nous avons revisité les conceptions classiques de trait, d'état de personnalité et de variabilité de l'estime globale de soi et du soi physique. Ce travail met en exergue, chez l'adulte, un fonctionnement itératif de moyenne mobile avec différenciation, conçu comme un ajustement dynamique. La mise en évidence de la nature fractale des séries temporelles suggère que le soi puisse être considéré comme un système dynamique complexe. Ces premières conclusions nous ont amené à réévaluer la structure hiérarchique de l'estime globale de soi et du soi physique, non plus dans une perspective nomothétique, mais à partir de séries temporelles individuelles. Dépassant certaines limites des approches classiques, l'utilisation de la théorie des systèmes dynamiques permet d'apporter des réponses quant aux processus d'influence qui gouvernent le fonctionnement de ce système : l'effet réciproque. Ce travail offre de nouvelles perspectives théoriques, méthodologiques et cliniques dans le champ de la psychologie sociale.