Multisensory Integration and Perceptual Enhancement

We perceive our environment through multiple sensory channels. Nonetheless, research has traditionally focused on the investigation of sensory processing within single modalities. Thus, investigating how our brain integrates multisensory information is of crucial importance for understanding how organisms cope with a constantly changing and dynamic environment. During my thesis I have investigated how multisensory events impact our perception and brain responses, either when auditory-visual stimuli were presented simultaneously or how multisensory events at one point in time impact later unisensory processing. In "Looming signals reveal synergistic principles of multisensory integration" (Cappe, Thelen et al., 2012) we investigated the neuronal substrates involved in motion detection in depth under multisensory vs. unisensory conditions. We have shown that congruent auditory-visual looming (i.e. approaching) signals are preferentially integrated by the brain. Further, we show that early effects under these conditions are relevant for behavior, effectively speeding up responses to these combined stimulus presentations. In "Electrical neuroimaging of memory discrimination based on single-trial multisensory learning" (Thelen et al., 2012), we investigated the behavioral impact of single encounters with meaningless auditory-visual object parings upon subsequent visual object recognition. In addition to showing that these encounters lead to impaired recognition accuracy upon repeated visual presentations, we have shown that the brain discriminates images as soon as ~100ms post-stimulus onset according to the initial encounter context. In "Single-trial multisensory memories affect later visual and auditory object recognition" (Thelen et al., in review) we have addressed whether auditory object recognition is affected by single-trial multisensory memories, and whether recognition accuracy of sounds was similarly affected by the initial encounter context as visual objects. We found that this is in fact the case. We propose that a common underlying brain network is differentially involved during encoding and retrieval of images and sounds based on our behavioral findings. - Nous percevons l'environnement qui nous entoure à l'aide de plusieurs organes sensoriels. Antérieurement, la recherche sur la perception s'est focalisée sur l'étude des systèmes sensoriels indépendamment les uns des autres. Cependant, l'étude des processus cérébraux qui soutiennent l'intégration de l'information multisensorielle est d'une importance cruciale pour comprendre comment notre cerveau travail en réponse à un monde dynamique en perpétuel changement. Pendant ma thèse, j'ai ainsi étudié comment des événements multisensoriels impactent notre perception immédiate et/ou ultérieure et comment ils sont traités par notre cerveau. Dans l'étude " Looming signals reveal synergistic principles of multisensory integration" (Cappe, Thelen et al., 2012), nous nous sommes intéressés aux processus neuronaux impliqués dans la détection de mouvements à l'aide de l'utilisation de stimuli audio-visuels seuls ou combinés. Nos résultats ont montré que notre cerveau intègre de manière préférentielle des stimuli audio-visuels combinés s'approchant de l'observateur. De plus, nous avons montré que des effets précoces, observés au niveau de la réponse cérébrale, influencent notre comportement, en accélérant la détection de ces stimuli. Dans l'étude "Electrical neuroimaging of memory discrimination based on single-trial multisensory learning" (Thelen et al., 2012), nous nous sommes intéressés à l'impact qu'a la présentation d'un stimulus audio-visuel sur l'exactitude de reconnaissance d'une image. Nous avons étudié comment la présentation d'une combinaison audio-visuelle sans signification, impacte, au niveau comportementale et cérébral, sur la reconnaissance ultérieure de l'image. Les résultats ont montré que l'exactitude de la reconnaissance d'images, présentées dans le passé, avec un son sans signification, est inférieure à celle obtenue dans le cas d'images présentées seules. De plus, notre cerveau différencie ces deux types de stimuli très tôt dans le traitement d'images. Dans l'étude "Single-trial multisensory memories affect later visual and auditory object recognition" (Thelen et al., in review), nous nous sommes posés la question si l'exactitude de ia reconnaissance de sons était affectée de manière semblable par la présentation d'événements multisensoriels passés. Ceci a été vérifié par nos résultats. Nous avons proposé que cette similitude puisse être expliquée par le recrutement différentiel d'un réseau neuronal commun.

Identification of HIV integration sites in infected host genomic DNA.

The integration of the Human Immunodeficiency Virus (HIV) genetic information into the host genome is fundamental for its replication and long-term persistence in the host. Isolating and characterizing the integration sites can be useful for obtaining data such as identifying the specific genomic location of integration or understanding the forces dictating HIV integration site selection. The methods outlined in this article describe a highly efficient and precise technique for identifying HIV integration sites in the host genome on a small scale using molecular cloning techniques and standard sequencing or on a massive scale using 454 pyrosequencing.

Integration of ground-penetrating radar and microgravimetric methods to map shallow caves

Ground-penetrating radar (GPR) and microgravimetric surveys have been conducted in the southern Jura mountains of western Switzerland in order to map subsurface karstic features. The study site, La Grande Rolaz cave, is an extensive system in which many portions have been mapped. By using small station spacing and careful processing for the geophysical data, and by modeling these data with topographic information from within the cave, accurate interpretations have been achieved. The constraints on the interpreted geologic models are better when combining the geophysical methods than when using only one of the methods, despite the general limitations of two-dimensional (2D) profiling. For example, microgravimetry can complement GPR methods for accurately delineating a shallow cave section approximately 10 X 10 mt in size. Conversely, GPR methods can be complementary in determining cavity depths and in verifying the presence of off-line features and numerous areas of small cavities and fractures, which may be difficult to resolve in microgravimetric data.

Interhemispheric visual integration in humans explored by multimodal brain imaging

Résumé: Les récents progrès techniques de l'imagerie cérébrale non invasives ont permis d'améliorer la compréhension des différents systèmes fonctionnels cérébraux. Les approches multimodales sont devenues indispensables en recherche, afin d'étudier dans sa globalité les différentes caractéristiques de l'activité neuronale qui sont à la base du fonctionnement cérébral. Dans cette étude combinée d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et d'électroencéphalographie (EEG), nous avons exploité le potentiel de chacune d'elles, soit respectivement la résolution spatiale et temporelle élevée. Les processus cognitifs, de perception et de mouvement nécessitent le recrutement d'ensembles neuronaux. Dans la première partie de cette thèse nous étudions, grâce à la combinaison des techniques IRMf et EEG, la réponse des aires visuelles lors d'une stimulation qui demande le regroupement d'éléments cohérents appartenant aux deux hémi-champs visuels pour en faire une seule image. Nous utilisons une mesure de synchronisation (EEG de cohérence) comme quantification de l'intégration spatiale inter-hémisphérique et la réponse BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) pour évaluer l'activité cérébrale qui en résulte. L'augmentation de la cohérence de l'EEG dans la bande beta-gamma mesurée au niveau des électrodes occipitales et sa corrélation linéaire avec la réponse BOLD dans les aires de VP/V4, reflète et visualise un ensemble neuronal synchronisé qui est vraisemblablement impliqué dans le regroupement spatial visuel. Ces résultats nous ont permis d'étendre la recherche à l'étude de l'impact que le contenu en fréquence des stimuli a sur la synchronisation. Avec la même approche, nous avons donc identifié les réseaux qui montrent une sensibilité différente à l'intégration des caractéristiques globales ou détaillées des images. En particulier, les données montrent que l'implication des réseaux visuels ventral et dorsal est modulée par le contenu en fréquence des stimuli. Dans la deuxième partie nous avons a testé l'hypothèse que l'augmentation de l'activité cérébrale pendant le processus de regroupement inter-hémisphérique dépend de l'activité des axones calleux qui relient les aires visuelles. Comme le Corps Calleux présente une maturation progressive pendant les deux premières décennies, nous avons analysé le développement de la fonction d'intégration spatiale chez des enfants âgés de 7 à 13 ans et le rôle de la myelinisation des fibres calleuses dans la maturation de l'activité visuelle. Nous avons combiné l'IRMf et la technique de MTI (Magnetization Transfer Imaging) afin de suivre les signes de maturation cérébrale respectivement sous l'aspect fonctionnel et morphologique (myelinisation). Chez lés enfants, les activations associées au processus d'intégration entre les hémi-champs visuels sont, comme chez l'adulte, localisées dans le réseau ventral mais se limitent à une zone plus restreinte. La forte corrélation que le signal BOLD montre avec la myelinisation des fibres du splenium est le signe de la dépendance entre la maturation des fonctions visuelles de haut niveau et celle des connections cortico-corticales. Abstract: Recent advances in non-invasive brain imaging allow the visualization of the different aspects of complex brain dynamics. The approaches based on a combination of imaging techniques facilitate the investigation and the link of multiple aspects of information processing. They are getting a leading tool for understanding the neural basis of various brain functions. Perception, motion, and cognition involve the formation of cooperative neuronal assemblies distributed over the cerebral cortex. In this research, we explore the characteristics of interhemispheric assemblies in the visual brain by taking advantage of the complementary characteristics provided by EEG (electroencephalography) and fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) techniques. These are the high temporal resolution for EEG and high spatial resolution for fMRI. In the first part of this thesis we investigate the response of the visual areas to the interhemispheric perceptual grouping task. We use EEG coherence as a measure of synchronization and BOLD (Blood Oxygenar tion Level Dependent) response as a measure of the related brain activation. The increase of the interhemispheric EEG coherence restricted to the occipital electrodes and to the EEG beta band and its linear relation to the BOLD responses in VP/V4 area points to a trans-hemispheric synchronous neuronal assembly involved in early perceptual grouping. This result encouraged us to explore the formation of synchronous trans-hemispheric networks induced by the stimuli of various spatial frequencies with this multimodal approach. We have found the involvement of ventral and medio-dorsal visual networks modulated by the spatial frequency content of the stimulus. Thus, based on the combination of EEG coherence and fMRI BOLD data, we have identified visual networks with different sensitivity to integrating low vs. high spatial frequencies. In the second part of this work we test the hypothesis that the increase of brain activity during perceptual grouping depends on the activity of callosal axons interconnecting the visual areas that are involved. To this end, in children of 7-13 years, we investigated functional (functional activation with fMRI) and morphological (myelination of the corpus callosum with Magnetization Transfer Imaging (MTI)) aspects of spatial integration. In children, the activation associated with the spatial integration across visual fields was localized in visual ventral stream and limited to a part of the area activated in adults. The strong correlation between individual BOLD responses in .this area and the myelination of the splenial system of fibers points to myelination as a significant factor in the development of the spatial integration ability.

Quantitative integration of high-resolution hydrogeophysical data through Monte-Carlo-type conditional simulations

Geophysical techniques can help to bridge the inherent gap with regard to spatial resolution and the range of coverage that plagues classical hydrological methods. This has lead to the emergence of the new and rapidly growing field of hydrogeophysics. Given the differing sensitivities of various geophysical techniques to hydrologically relevant parameters and their inherent trade-off between resolution and range the fundamental usefulness of multi-method hydrogeophysical surveys for reducing uncertainties in data analysis and interpretation is widely accepted. A major challenge arising from such endeavors is the quantitative integration of the resulting vast and diverse database in order to obtain a unified model of the probed subsurface region that is internally consistent with all available data. To address this problem, we have developed a strategy towards hydrogeophysical data integration based on Monte-Carlo-type conditional stochastic simulation that we consider to be particularly suitable for local-scale studies characterized by high-resolution and high-quality datasets. Monte-Carlo-based optimization techniques are flexible and versatile, allow for accounting for a wide variety of data and constraints of differing resolution and hardness and thus have the potential of providing, in a geostatistical sense, highly detailed and realistic models of the pertinent target parameter distributions. Compared to more conventional approaches of this kind, our approach provides significant advancements in the way that the larger-scale deterministic information resolved by the hydrogeophysical data can be accounted for, which represents an inherently problematic, and as of yet unresolved, aspect of Monte-Carlo-type conditional simulation techniques. We present the results of applying our algorithm to the integration of porosity log and tomographic crosshole georadar data to generate stochastic realizations of the local-scale porosity structure. Our procedure is first tested on pertinent synthetic data and then applied to corresponding field data collected at the Boise Hydrogeophysical Research Site near Boise, Idaho, USA.

Multisensory Integration: Flexible Use of General Operations.

Research into the anatomical substrates and "principles" for integrating inputs from separate sensory surfaces has yielded divergent findings. This suggests that multisensory integration is flexible and context dependent and underlines the need for dynamically adaptive neuronal integration mechanisms. We propose that flexible multisensory integration can be explained by a combination of canonical, population-level integrative operations, such as oscillatory phase resetting and divisive normalization. These canonical operations subsume multisensory integration into a fundamental set of principles as to how the brain integrates all sorts of information, and they are being used proactively and adaptively. We illustrate this proposition by unifying recent findings from different research themes such as timing, behavioral goal, and experience-related differences in integration.

Impacts des technologies de l'information sur les modes de coordination à travers quatre études en systèmes d'information

L'évolution de l'environnement économique, des chaînes de valeur et des modèles d'affaires des organisations augmentent l'importance de la coordination, qui peut être définie comme la gestion des interdépendances entre des tâches réalisées par des acteurs différents et concourants à un objectif commun. De nombreux moyens sont mis en oeuvre au sein des organisations pour gérer ces interdépendances. A cet égard, les activités de coordination bénéficient massivement de l'appui des technologies de l'information et de communication (TIC) qui sont désormais disséminées, intégrées et connectées sous de multiples formes tant dans l'environnement privé que professionnel. Dans ce travail, nous avons investigué la question de recherche suivante : comment l'ubiquité et l'interconnec- tivité des TIC modifient-elles les modes de coordination ? A travers quatre études en systèmes d'information conduites selon une méthodologie design science, nous avons traité cette question à deux niveaux : celui de l'alignement stratégique entre les affaires et les systèmes d'information, où la coordination porte sur les interdépendances entre les activités ; et celui de la réalisation des activités, où la coordination porte sur les interdépendances des interactions individuelles. Au niveau stratégique, nous observons que l'ubiquité et l'interconnectivité permettent de transposer des mécanismes de coordination d'un domaine à un autre. En facilitant différentes formes de coprésence et de visibilité, elles augmentent aussi la proximité dans les situations de coordination asynchrone ou distante. Au niveau des activités, les TIC présentent un très fort potentiel de participation et de proximité pour les acteurs. De telles technologies leur donnent la possibilité d'établir les responsabilités, d'améliorer leur compréhension commune et de prévoir le déroulement et l'intégration des tâches. La contribution principale qui émerge de ces quatre études est que les praticiens peuvent utiliser l'ubiquité et l'interconnectivité des TIC pour permettre aux individus de communi-quer et d'ajuster leurs actions pour définir, atteindre et redéfinir les objectifs du travail commun. -- The evolution of the economic environment and of the value chains and business models of organizations increases the importance of coordination, which can be defined as the management of interdependences between tasks carried out by different actors and con-tributing to a common goal. In organizations, a considerable number of means are put into action in order to manage such interdependencies. In this regard, information and communication technologies (ICT), whose various forms are nowadays disseminated, integrated and connected in both private and professional environments, offer important support to coordination activities. In this work, we have investigated the following research question: how do the ubiquity and the interconnectivity of ICT modify coordination mechanisms? Throughout four information systems studies conducted according to a design science methodology, we have looked into this question at two different levels: the one of strategic alignment between business and information systems strategy, where coordination is about interdependencies between activities; and the one of tasks, where coordination is about interdependencies between individual interactions. At the strategic level, we observe that ubiquity and interconnectivity allow for transposing coordination mechanisms from one field to another. By facilitating various forms of copresence and visibility, they also increase proximity in asynchronous or distant coordination situations. At the tasks level, ICTs offer the actors a very high potential for participation and proximity. Such technologies make it possible to establish accountability, improve common understanding and anticipate the unfolding and integration of tasks. The main contribution emerging from these four studies is that practitioners can use the ubiquity and interconnectivity of ICT in order to allow individuals to communicate and adjust their actions to define, reach and redefine the goals of common work.

Maturation and Functional Integration of New Granule Cells into the Adult Hippocampus.

The adult hippocampus generates functional dentate granule cells (GCs) that release glutamate onto target cells in the hilus and cornus ammonis (CA)3 region, and receive glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inputs that tightly control their spiking activity. The slow and sequential development of their excitatory and inhibitory inputs makes them particularly relevant for information processing. Although they are still immature, new neurons are recruited by afferent activity and display increased excitability, enhanced activity-dependent plasticity of their input and output connections, and a high rate of synaptogenesis. Once fully mature, new GCs show all the hallmarks of neurons generated during development. In this review, we focus on how developing neurons remodel the adult dentate gyrus and discuss key aspects that illustrate the potential of neurogenesis as a mechanism for circuit plasticity and function.