Rôle de l’apport prénatal en acides gras oméga-3 sur le développement à long terme des fonctions visuelles chez les enfants Inuits

La consommation de poisson et de mammifères marins représente une source importante d’acides gras oméga-3 connus pour leurs effets bénéfiques sur le développement des fonctions cérébrales et notamment, sur le développement du système visuel. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle l’exposition prénatale aux acides gras oméga-3 a des effets bénéfiques à long terme, nous avons examiné les fonctions visuelles chez des enfants Inuits d’âge scolaire exposés à de grandes quantités d’oméga-3 durant la période de gestation. Des enfants Inuits (n = 136; moyenne d’âge = 11.3 ans) du nord du Québec (Nunavik) ont participé à cette étude. Un protocole de potentiels évoqués visuels (PEVs) utilisant des stimuli en couleur et en mouvement a été employé afin d’appréhender les réponses parvo- et magnocellulaires respectivement. Les concentrations d’acide docosahexaénoïque (ADH) ont été mesurées à la naissance à partir du sang de cordon ombilical et au moment du testing, reflétant ainsi les expositions pré- et post-natales. Les relations entre les niveaux sanguins d’ADH et les PEVs ont été examinées à l’aide d’analyses de régression multiples, en tenant compte des contaminants environnementaux et d’autres variables potentiellement confondantes. Aucune association significative n’a été trouvée en ce qui concerne les stimuli de mouvement. Cependant, après ajustement pour les covariables, les concentrations d’ADH à la naissance étaient associées à une latence plus courte des composantes N1 et P1 des PEVs couleur. Notre étude démontre, pour la première fois, des effets bénéfiques de l’exposition prénatale à l’ADH sur le système parvocellulaire à l’âge scolaire.

Un oeil sur la langue : aspects neuro-cognitifs du processus de la navigation chez l'aveugle-né

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement.

Réseaux de neurones à relaxation entraînés par critère d'autoencodeur débruitant

L’apprentissage machine est un vaste domaine où l’on cherche à apprendre les paramètres de modèles à partir de données concrètes. Ce sera pour effectuer des tâches demandant des aptitudes attribuées à l’intelligence humaine, comme la capacité à traiter des don- nées de haute dimensionnalité présentant beaucoup de variations. Les réseaux de neu- rones artificiels sont un exemple de tels modèles. Dans certains réseaux de neurones dits profonds, des concepts "abstraits" sont appris automatiquement. Les travaux présentés ici prennent leur inspiration de réseaux de neurones profonds, de réseaux récurrents et de neuroscience du système visuel. Nos tâches de test sont la classification et le débruitement d’images quasi binaires. On permettra une rétroac- tion où des représentations de haut niveau (plus "abstraites") influencent des représentations à bas niveau. Cette influence s’effectuera au cours de ce qu’on nomme relaxation, des itérations où les différents niveaux (ou couches) du modèle s’interinfluencent. Nous présentons deux familles d’architectures, l’une, l’architecture complètement connectée, pouvant en principe traiter des données générales et une autre, l’architecture convolutionnelle, plus spécifiquement adaptée aux images. Dans tous les cas, les données utilisées sont des images, principalement des images de chiffres manuscrits. Dans un type d’expérience, nous cherchons à reconstruire des données qui ont été corrompues. On a pu y observer le phénomène d’influence décrit précédemment en comparant le résultat avec et sans la relaxation. On note aussi certains gains numériques et visuels en terme de performance de reconstruction en ajoutant l’influence des couches supérieures. Dans un autre type de tâche, la classification, peu de gains ont été observés. On a tout de même pu constater que dans certains cas la relaxation aiderait à apprendre des représentations utiles pour classifier des images corrompues. L’architecture convolutionnelle développée, plus incertaine au départ, permet malgré tout d’obtenir des reconstructions numériquement et visuellement semblables à celles obtenues avec l’autre architecture, même si sa connectivité est contrainte.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.

Le système endocannabinoïde dans la rétine du singe : expression, localisation et fonctions

Le cannabis produit de nombreux effets psychologiques et physiologiques sur le corps humain. Les molécules contenues dans cette plante, désignées comme « phytocannabinoïdes », activent un système endogène qu’on appelle le système endocannabinoïde (eCB). Les effets de la consommation de cannabis sur la vision ont déjà été décrits sans cependant de formulation sur les mécanismes sous-jacents. Ces résultats comportementaux suggèrent, malgré tout, la présence de ce système eCB dans le système visuel, et particulièrement dans la rétine. Cette thèse vise donc à caractériser l’expression, la localisation et le rôle du système eCB dans la rétine du singe vervet, une espèce animale ayant un système visuel semblable à celui de l’humain. Nous avons mis au point un protocole expérimental d’immunohistochimie décrit dans l’article apparaissant dans l’Annexe I que nous avons utilisé pour répondre à notre objectif principal. Dans une première série de quatre articles, nous avons ainsi caractérisé l’expression et la localisation de deux récepteurs eCBs reconnus, les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1R) et de type 2 (CB2R), et d’un 3e présumé récepteur aux cannabinoïdes, le récepteur GPR55. Dans l’article 1, nous avons démontré que CB1R et une enzyme clé de ce système, la fatty acid amide hydrolase (FAAH), sont exprimés dans les parties centrale et périphérique de la rétine, et abondamment présents dans la fovéa, une région où l’acuité visuelle est maximale. Dans l’article 2, nous avons localisé le CB2R dans des cellules gliales de la rétine : les cellules de Müller et nous avons proposé un modèle sur l’action de cette protéine dans la fonction rétinienne faisant appel à une cascade chimique impliquant les canaux potassiques. Dans l’article 3, nous avons observé le GPR55 exclusivement dans les bâtonnets qui sont responsables de la vision scotopique et nous avons soumis un deuxième modèle de fonctionnement de ce récepteur par le biais d'une modulation des canaux calciques et sodiques des bâtonnets. Vu que ces 3 récepteurs se retrouvent dans des cellules distinctes, nous avons suggéré leur rôle primordial dans l’analyse de l’information visuelle au niveau rétinien. Dans l’article 4, nous avons effectué une analyse comparative de l’expression du système eCB dans la rétine de souris, de toupayes (petits mammifères insectivores qui sont sont considérés comme l’étape intermédiaire entre les rongeurs et les primates) et de deux espèces de singe (le vervet et le rhésus). Ces résultats nous ont menés à présenter une hypothèse évolutionniste quant à l’apparition et à la fonction précise de ces récepteurs. Dans les articles subséquents, nous avons confirmé notre hypothèse sur le rôle spécifique de ces trois récepteurs par l’utilisation de l’électrorétinographie (ERG) après injection intravitréenne d’agonistes et d’antagonistes de ces récepteurs. Nous avons conclu sur leur influence indéniable dans le processus visuel rétinien chez le primate. Dans l’article 5, nous avons établi le protocole d’enregistrement ERG normalisé sur le singe vervet, et nous avons produit un atlas d’ondes ERG spécifique à cette espèce, selon les règles de l’International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV). Les patrons électrorétinographiques se sont avérés semblables à ceux de l’humain et ont confirmé la similarité entre ces deux espèces. Dans l’article 6, nous avons démontré que le blocage de CB1R ou CB2R entraine une modification de l’électrorétinogramme, tant au niveau photopique que scotopique, ce qui supporte l’implication de ces récepteurs dans la modulation des ondes de l’ERG. Finalement, dans l’article 7, nous avons confirmé le modèle neurochimique proposé dans l’article 3 pour expliquer le rôle fonctionnel de GPR55, en montrant que l’activation ou le blocage de ce récepteur, respectivement par un agoniste (lysophosphatidylglucoside, LPG) ou un antagoniste (CID16020046), entraine soit une augmentation ou une baisse significative de l’ERG scotopique seulement. Ces données, prises ensemble, démontrent que les récepteurs CB1R, CB2R et GPR55 sont exprimés dans des types cellulaires bien distincts de la rétine du singe et ont chacun un rôle spécifique. L’importance de notre travail se manifeste aussi par des applications cliniques en permettant le développement de cibles pharmacologiques potentielles dans le traitement des maladies de la rétine.

Visual Recognition and Categorization on the Basis of Similarities to Multiple Class Prototypes

To recognize a previously seen object, the visual system must overcome the variability in the object's appearance caused by factors such as illumination and pose. Developments in computer vision suggest that it may be possible to counter the influence of these factors, by learning to interpolate between stored views of the target object, taken under representative combinations of viewing conditions. Daily life situations, however, typically require categorization, rather than recognition, of objects. Due to the open-ended character both of natural kinds and of artificial categories, categorization cannot rely on interpolation between stored examples. Nonetheless, knowledge of several representative members, or prototypes, of each of the categories of interest can still provide the necessary computational substrate for the categorization of new instances. The resulting representational scheme based on similarities to prototypes appears to be computationally viable, and is readily mapped onto the mechanisms of biological vision revealed by recent psychophysical and physiological studies.

On the difficulty of feature-based attentional modulations in visual object recognition: A modeling study.

Numerous psychophysical experiments have shown an important role for attentional modulations in vision. Behaviorally, allocation of attention can improve performance in object detection and recognition tasks. At the neural level, attention increases firing rates of neurons in visual cortex whose preferred stimulus is currently attended to. However, it is not yet known how these two phenomena are linked, i.e., how the visual system could be "tuned" in a task-dependent fashion to improve task performance. To answer this question, we performed simulations with the HMAX model of object recognition in cortex [45]. We modulated firing rates of model neurons in accordance with experimental results about effects of feature-based attention on single neurons and measured changes in the model's performance in a variety of object recognition tasks. It turned out that recognition performance could only be improved under very limited circumstances and that attentional influences on the process of object recognition per se tend to display a lack of specificity or raise false alarm rates. These observations lead us to postulate a new role for the observed attention-related neural response modulations.

Visual strategies used during the performance of an obstacle course

Vision is the sense that provides precise information about one’s position in the environment in relation to objects. The visual system is essential to guide people safely when moving around in the environment. The perception that an individual gets from a particular scene of her/his surroundings is accomplished by eye movements. The current study aims to identify differences in visual strategies between 15 women and 15 men within the age range of 18-24 years, who have been given a task to walk through an obstacle course drawn on the laboratory´s floor. They should start and finish at a predefined location. Twelve pylons were used as obstacles to be avoided during the walking.The participants' eye movements were recorded using the Mobile Eye model 1.35. The Wilcoxon-Mann-Whitney Test was used for the statistical analysis. Significant differences occurred between men and women, in the duration of fixations: the men spend more time observing the finishing area than women (z=-1.929, p=.054); and in the number of fixations: before starting the task, the men fixate more often the middle phase of the obstacle course (z=-2.085, p=.037). Once they commence, the women fixate more the points outside the obstacle course than the men (z=-2.093, p=.036).

Judgments of path, not heading, guide locomotion

To steer a course through the world, people are almost entirely dependent on visual information, of which a key component is optic flow. In many models of locomotion, heading is described as the fundamental control variable; however, it has also been shown that fixating points along or near one's future path could be the basis of an efficient control solution. Here, the authors aim to establish how well observers can pinpoint instantaneous heading and path, by measuring their accuracy when looking at these features while traveling along straight and curved paths. The results showed that observers could identify both heading and path accurately (similar to 3 degrees) when traveling along straight paths, but on curved paths they were more accurate at identifying a point on their future path (similar to 5 degrees) than indicating their instantaneous heading (similar to 13 degrees). Furthermore, whereas participants could track changes in the tightness of their path, they were unable to accurately track the rate of change of heading. In light of these results, the authors suggest it is unlikely that heading is primarily used by the visual system to support active steering.

An automated calibration method for non-see-through head mounted displays

Accurate calibration of a head mounted display (HMD) is essential both for research on the visual system and for realistic interaction with virtual objects. Yet, existing calibration methods are time consuming and depend on human judgements, making them error prone. The methods are also limited to optical see-through HMDs. Building on our existing HMD calibration method [1], we show here how it is possible to calibrate a non-see-through HMD. A camera is placed inside an HMD displaying an image of a regular grid, which is captured by the camera. The HMD is then removed and the camera, which remains fixed in position, is used to capture images of a tracked calibration object in various positions. The locations of image features on the calibration object are then re-expressed in relation to the HMD grid. This allows established camera calibration techniques to be used to recover estimates of the display’s intrinsic parameters (width, height, focal length) and extrinsic parameters (optic centre and orientation of the principal ray). We calibrated a HMD in this manner in both see-through and in non-see-through modes and report the magnitude of the errors between real image features and reprojected features. Our calibration method produces low reprojection errors and involves no error-prone human measurements.

Robot-human interaction - practical experiments with a cyborg

This paper presents results to indicate the potential applications of a direct connection between the human nervous system and a computer network. Actual experimental results obtained from a human subject study are given, with emphasis placed on the direct interaction between the human nervous system and possible extra-sensory input. An brief overview of the general state of neural implants is given, as well as a range of application areas considered. An overall view is also taken as to what may be possible with implant technology as a general purpose human-computer interface for the future.

An attempt to extend human sensory capabilities by means of implant technology

In this paper an attempt is described to increase the range of human sensory capabilities by means of implant technology. The key aim is to create an additional sense by feeding signals directly to the human brain, via the nervous system rather than via a presently operable human sense. Neural implant technology was used to directly interface a human nervous system with a computer in a one off trial. The output from active ultrasonic sensors was then employed to directly stimulate the human nervous system. An experimental laboratory set up was used as a test bed to assess the usefulness of this sensory addition.

Linking human and machine brains

A look is taken here at how the use of implant technology is rapidly diminishing the effects of certain neural illnesses and distinctly increasing the range of abilities of those affected. An indication is given of a number of problem areas in which such technology has already had a profound effect, a key element being the need for a clear interface linking the human brain directly with a computer. In order to assess the possible opportunities, both human and animal studies are reported on. The main thrust of the paper is however a discussion of neural implant experimentation linking the human nervous system bi-directionally with the internet. With this in place neural signals were transmitted to various technological devices to directly control them, in some cases via the internet, and feedback to the brain was obtained from such as the fingertips of a robot hand, ultrasonic (extra) sensory input and neural signals directly from another human's nervous system. Consideration is given to the prospects for neural implant technology in the future, both in the short term as a therapeutic device and in the long term as a form of enhancement, including the realistic potential for thought communication potentially opening up commercial opportunities. Clearly though, an individual whose brain is part human - part machine can have abilities that far surpass those with a human brain alone. Will such an individual exhibit different moral and ethical values to those of a human.? If so, what effects might this have on society?

On linking human and machine brains

A look is taken here at how the use of implant technology is rapidly diminishing the effects of certain neural illnesses and distinctly increasing the range of abilities of those affected. An indication is given of a number of problem areas in which such technology has already had a profound effect, a key element being the need for a clear interface linking the human brain directly with a computer. In order to assess the possible opportunities, both human and animal studies are reported on. The main thrust of the paper is, however, a discussion of neural implant experimentation linking the human nervous system bi-directionally with the internet. With this in place, neural signals were transmitted to various technological devices to directly control them, in some cases via the internet, and feedback to the brain was obtained from, for example, the fingertips of a robot hand, and ultrasonic (extra) sensory input and neural signals directly from another human's nervous system. Consideration is given to the prospects for neural implant technology in the future, both in the short term as a therapeutic device and in the long term as a form of enhancement, including the realistic potential for thought communication-potentially opening up commercial opportunities. Clearly though, an individual whose brain is part human-part machine can have abilities that far surpass those with a human brain alone. Will such an individual exhibit different moral and ethical values from those of a human? If so, what effects might this have on society? (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamic modulation of human motor activity when observing actions

Previous studies have demonstrated that when we observe somebody else executing an action many areas of our own motor systems are active. It has been argued that these motor activations are evidence that we motorically simulate observed actions; this motoric simulation may support various functions such as imitation and action understanding. However, whether motoric simulation is indeed the function of motor activations during action observation is controversial, due to inconsistency in findings. Previous studies have demonstrated dynamic modulations in motor activity when we execute actions. Therefore, if we do motorically simulate observed actions, our motor systems should also be modulated dynamically, and in a corresponding fashion, during action observation. Using magnetoencephalography (MEG), we recorded the cortical activity of human participants while they observed actions performed by another person. Here, we show that activity in the human motor system is indeed modulated dynamically during action observation. The finding that activity in the motor system is modulated dynamically when observing actions can explain why studies of action observation using functional magnetic resonance imaging (fMRI) have reported conflicting results, and is consistent with the hypothesis that we motorically simulate observed actions.