System Identification of Human Postural Control: A Multimodal Sensory Stimulation Approach for Diagnosing Balance Disorders

This research proposal aims to characterize the joint contributions of- and interactions amongst- sensory modalities in human postural control by applying multimodal sensory stimulation and utilizing data-driven analysis tools. This study builds the foundation for the diagnosis and understanding of balance disorders, a prevalent issue affecting up to half of individuals over 65 and leading to falls, injuries, and reduced quality of life. The project focuses on the intricate interplay between sensory systems and the central nervous system in maintaining human balance. Utilizing a state-of-the-art stance analysis apparatus, the research will employ multimodal sensory stimulation and data-driven analysis tools to characterize the contributions and interactions among sensory modalities in human postural control.We hypothesise that by leveraging System Identification, it will be possible to characterize postural responses to individual and combined sensory stimulation to obtain quantitative dynamic models that capture nonlinear and time-varying behavior. Furthermore, the features of the resulting models will provide insight into the origin and nature of balance disorders. The specific research objectives include model identification of postural control responses to unimodal, bimodal, and multimodal stimulations, as well as validating these models by building proof-of-concept diagnostic tools. These objectives will be pursued over a three-year period and will involve the mentorship of two doctoral students and three undergraduate researchers.The project will leverage advanced system identification methods, including both linear and non-linear approaches, to capture the complexities of balance control. Deep learning techniques, specifically recurrent neural networks, will be integrated to handle high-dimensional time-series data. The project also envisions to validate the developed models by enlisting subjects with diverse balance deficiencies.By employing system identification methods and machine learning algorithms, this project will shed new light on the complex interactions amongst sensory modalities in human postural control. This deeper understanding could revolutionize how we approach the diagnosis and treatment of balance disorders, particularly those that involve multiple causes.By filling the existing gap in the understanding of how sensory systems integrate and prioritize information for balance, especially under challenging conditions or in individuals with sensory impairments, this research aims to develop a comprehensive assessment tool for human balance. The outcome promises to not only advance the scientific understanding of postural control but also to have significant clinical implications, potentially reducing the incidence of falls and improving the well-being of vulnerable populations. This can help make Quebec, and Canada, a leader in developing tools and technologies for non-invasive balance assessment and benefit the Canadian society financially and in terms of physical and mental health. Ce projet de recherche vise à caractériser les contributions conjointes et les interactions entre les modalités sensorielles dans le contrôle postural humain en appliquant une stimulation sensorielle multimodale et en utilisant des outils d'analyse basés sur les données. Cette étude pose les bases pour le diagnostic et la compréhension des troubles de l'équilibre, un problème courant qui affecte jusqu'à la moitié des individus de plus de 65 ans et entraîne des chutes, des blessures et une qualité de vie réduite. Le projet se concentre sur l'interaction complexe entre les systèmes sensoriels et le système nerveux central dans le maintien de l'équilibre humain. En utilisant un appareil d'analyse de la posture de pointe, la recherche emploiera une stimulation sensorielle multimodale et des outils d'analyse basés sur les données pour caractériser les contributions et interactions entre les modalités sensorielles dans le contrôle postural humain.Les objectifs de recherche spécifiques incluent l'identification de modèles de réponses de contrôle postural à des stimulations unimodales, bimodales et multimodales, ainsi que la validation de ces modèles en construisant des outils diagnostiques de preuve de concept. Ces objectifs seront poursuivis sur une période de trois ans et impliqueront le mentorat de deux doctorants et de trois chercheurs de premier cycle. Le projet tirera parti de méthodes avancées d'identification de systèmes, y compris des approches linéaires et non linéaires, pour saisir les complexités du contrôle de l'équilibre. Des techniques d'apprentissage profond, en particulier les réseaux neuronaux récurrents, seront intégrées pour gérer des données sérielles à haute dimension. Le projet envisage également de valider les modèles développés en recrutant des sujets ayant diverses déficiences de l'équilibre.En utilisant des méthodes d'identification de systèmes et des algorithmes d'apprentissage automatique, ce projet apportera un nouvel éclairage sur les interactions complexes entre les modalités sensorielles dans le contrôle postural humain. Cette compréhension plus profonde pourrait révolutionner la manière dont nous abordons le diagnostic et le traitement des troubles de l'équilibre, en particulier ceux qui impliquent plusieurs causes. En comblant le vide existant dans la compréhension de la manière dont les systèmes sensoriels intègrent et hiérarchisent les informations pour l'équilibre, particulièrement dans des conditions difficiles ou chez des individus ayant des déficiences sensorielles, cette recherche vise à développer un outil d'évaluation complet pour l'équilibre humain. Le résultat promet non seulement d'approfondir la compréhension scientifique du contrôle postural, mais aussi d'avoir des implications cliniques significatives, potentiellement en réduisant l'incidence des chutes et en améliorant le bien-être des populations vulnérables. Cela peut contribuer à faire du Québec et du Canada un leader dans le développement d'outils et de technologies pour l'évaluation non invasive de l'équilibre et bénéficier à la société canadienne sur le plan financier et en termes de santé physique et mentale