Complexity matching processes during the coupling of biological systems: Application to rehabilitation in elderly
Processus d'appariement de complexité lors du couplage de systèmes biologiques: application à la réadaptation chez les personnes âgées
Résumé
Abstract: Several theoretical frameworks could account for interpersonal synchronization. Cognitive theories suggest that synchronization is achieved through discrete corrections of asynchronies. The dynamic theories suppose a continuous coupling between the two systems, conceived as self-sustained oscillators. Finally, complexity matching 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 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 interacting systems. We also develop a windowed cross-correlation analysis, which aims at revealing the nature of the local synchronization processes. We show that if the synchronization of discrete tasks such as tapping relies on discrete correction processes of asynchronies, synchronized walking is based on a dominant effect of complexity matching. We propose in a second step to exploit this result to test the possibility of a restoration of complexity in the elderly. Aging has been characterized as a process of gradual loss of complexity, and considering walking this 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, and 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, which persists during a post-test conducted after two weeks. This result opens new avenues of research for the design of rehabilitation strategies.
Résumé : Plusieurs cadres théoriques rendent compte des processus de synchronisation interpersonnelle. Les théories cognitivistes suggèrent que la synchronisation est réalisée par le biais d’une correction des asynchronies. Les théories dynamiques supposent un couplage continu des deux systèmes, conçus comme oscillateurs auto-entretenus. Enfin le 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 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 systèmes en interaction. Nous développons également une analyse de cross-corrélation fenêtrée, qui permet de dévoiler les processus locaux de synchronisation mis en œuvre. Nous montrons que si la synchronisation de tâches discrètes telles que le tapping repose en effet sur des processus de correction discrète des asynchronies, la marche synchronisée met en œuvre un effet dominant de complexity matching. 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 été caractérisé comme un processus de perte graduelle de complexité, et dans le domaine de la marche cette perte de complexité corrèle avec la propension à la chute. La théorie du complexity matching suppose que deux systèmes en interaction tendent à aligner leurs niveaux de complexité, et 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, qui perdure lors d’un post-test réalisé après deux semaines. Ce résultat ouvre de nouvelles voies pour la conception de stratégies de réhabilitation
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