Evidence for divided automatic attention

A long-standing debate in the literature is whether attention can form two or more independent spatial foci in addition to the well-known unique spatial focus. There is evidence that voluntary visual attention divides in space. The possibility that this also occurs for automatic visual attention was investigated here. Thirty-six female volunteers were tested. In each trial, a prime stimulus was presented in the left or right visual hemifield. This stimulus was characterized by the blinking of a superior, middle or inferior ring, the blinking of all these rings, or the blinking of the superior and inferior rings. A target stimulus to which the volunteer should respond with the same side hand or a target stimulus to which she should not respond was presented 100 ms later in a primed location, a location between two primed locations or a location in the contralateral hemifield. Reaction time to the positive target stimulus in a primed location was consistently shorter than reaction time in the horizontally corresponding contralateral location. This attentional effect was significantly smaller or absent when the positive target stimulus appeared in the middle location after the double prime stimulus. These results suggest that automatic visual attention can focus on two separate locations simultaneously, to some extent sparing the region in between.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Specific attentional impairments and complex visual hallucinations in eye disease

OBJECTIVE: To test the prediction by the Perception and Attention Deficit (PAD) model of complex visual hallucinations that cognitive impairment, specifically in visual attention, is a key risk factor for complex hallucinations in eye disease. METHODS: Two studies of elderly patients with acquired eye disease investigated the relationship between complex visual hallucinations (CVH) and impairments in general cognition and verbal attention (Study 1) and between CVH, selective visual attention and visual object perception (Study 2). The North East Visual Hallucinations Inventory was used to classify CVH. RESULTS: In Study 1, there was no relationship between CVH (n=10/39) and performance on cognitive screening or verbal attention tasks. In Study 2, participants with CVH (n=11/31) showed poorer performance on a modified Stroop task (p<0.05), a novel imagery-based attentional task (p<0.05) and picture (p<0.05) but not silhouette naming (p=0.13) tasks. Performance on these tasks correctly classified 83% of the participants as hallucinators or non-hallucinators. CONCLUSIONS: The results suggest that, consistent with the PAD model, complex visual hallucinations in people with acquired eye disease are associated with visual attention impairment.

Magnocellular mediated visual-spatial attention and reading ability

This study explores the relationship between attentional processing mediated by visual magnocellular (MC) processing and reading ability. Reading ability in a group of primary school children was compared to performance on a visual cued coherent motion detection task. The results showed that a brief spatial cue was more effective in drawing attention either away or towards a visual target in the group of readers ranked in the upper 25% of the sample compared to lower ranked readers. Regression analysis showed a significant relationship between attentional processing and reading when the effects of age and intellectual ability were removed. Results suggested a stronger relationship between visual attentional and non-word reading compared to irregular word reading. (C) 2004 Lippincott Williams & Wilkins, Inc.

Interval timing in children:effects of auditory and visual pacing stimuli and relationships with reading and attention variables

Motor timing tasks have been employed in studies of neurodevelopmental disorders such as developmental dyslexia and ADHD, where they provide an index of temporal processing ability. Investigations of these disorders have used different stimulus parameters within the motor timing tasks which are likely to affect performance measures. Here we assessed the effect of auditory and visual pacing stimuli on synchronised motor timing performance and its relationship with cognitive and behavioural predictors that are commonly used in the diagnosis of these highly prevalent developmental disorders. Twenty- one children (mean age 9.6 years) completed a finger tapping task in two stimulus conditions, together with additional psychometric measures. As anticipated, synchronisation to the beat (ISI 329 ms) was less accurate in the visually paced condition. Decomposition of timing variance indicated that this effect resulted from differences in the way that visual and auditory paced tasks are processed by central timekeeping and associated peripheral implementation systems. The ability to utilise an efficient processing strategy on the visual task correlated with both reading and sustained attention skills. Dissociations between these patterns of relationship across task modality suggest that not all timing tasks are equivalent.

Local-global processing in early-onset schizophrenia: Evidence for an impairment in shifting the spatial scale of attention

In this study we report the results of two experiments on visual attention conducted with patients with early-onset schizophrenia. These experiments investigated the effect of irrelevant spatial-scale information upon the processing of relevant spatial-scale information, and the ability to shift the spatial scale of attention, across consecutive trials, between different levels of the hierarchical stimulus. Twelve patients with early-onset schizophrenia and matched controls performed local-global tasks under: (1) directed attention conditions with a consistency manipulation and (2) divided-attention conditions. In the directed-attention paradigm, the early-onset patients exhibited the normal patterns of global advantage and interference, and were not unduly affected by the consistency manipulation. Under divided-attention conditions, however, the early-onset patients exhibited a local-processing deficit. The source of this local processing deficit lay in the prolonged reaction time to local targets, when these had been preceded by a global target, but not when preceded by a local target. These findings suggest an impaired ability to shift the spatial scale of attention from a global to a local spatial scale in early-onset schizophrenia. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

Cellular prion protein modulates defensive attention and innate fear-induced behaviour evoked in transgenic mice submitted to an agonistic encounter with the tropical coral snake Oxyrhopus guibei

The cellular prion protein (PrPC) is a neuronal anchored glycoprotein that has been associated with distinct functions in the CNS, such as cellular adhesion and differentiation, synaptic plasticity and cognition. Here we investigated the putative involvement of the PrPC in the innate fear-induced behavioural reactions in wild-type (WT), PrPC knockout (Prnp(0/0)) and the PrPC overexpressing Tg-20 mice evoked in a prey versus predator paradigm. The behavioural performance of these mouse strains in olfactory discrimination tasks was also investigated. When confronted with coral snakes, mice from both Prnp(0/0) and Tg-20 strains presented a significant decrease in frequency and duration of defensive attention and risk assessment, compared to WT mice. Tg-20 mice presented decreased frequency of escape responses, increased exploratory behaviour, and enhancement of interaction with the snake, suggesting a robust fearlessness caused by PrPC overexpression. Interestingly, there was also a discrete decrease in the attentional defensive response (decreased frequency of defensive alertness) in Prnp(0/0) mice in the presence of coral snakes. Moreover, Tg-20 mice presented an increased exploration of novel environment and odors. The present findings indicate that the PrPC overexpression causes hyperactivity, fearlessness, and increased preference for visual, tactile and olfactory stimuli-associated novelty, and that the PrPC deficiency might lead to attention deficits. These results suggest that PrPC exerts an important role in the modulation of innate fear and novelty-induced exploration. (C) 2008 Published by Elsevier B.V.

The pattern and Loci of training-induced brain changes in healthy older adults are predicted by the nature of the intervention.

There is enormous interest in designing training methods for reducing cognitive decline in healthy older adults. Because it is impaired with aging, multitasking has often been targeted and has been shown to be malleable with appropriate training. Investigating the effects of cognitive training on functional brain activation might provide critical indication regarding the mechanisms that underlie those positive effects, as well as provide models for selecting appropriate training methods. The few studies that have looked at brain correlates of cognitive training indicate a variable pattern and location of brain changes - a result that might relate to differences in training formats. The goal of this study was to measure the neural substrates as a function of whether divided attentional training programs induced the use of alternative processes or whether it relied on repeated practice. Forty-eight older adults were randomly allocated to one of three training programs. In the SINGLE REPEATED training, participants practiced an alphanumeric equation and a visual detection task, each under focused attention. In the DIVIDED FIXED training, participants practiced combining verification and detection by divided attention, with equal attention allocated to both tasks. In the DIVIDED VARIABLE training, participants completed the task by divided attention, but were taught to vary the attentional priority allocated to each task. Brain activation was measured with fMRI pre- and post-training while completing each task individually and the two tasks combined. The three training programs resulted in markedly different brain changes. Practice on individual tasks in the SINGLE REPEATED training resulted in reduced brain activation whereas DIVIDED VARIABLE training resulted in a larger recruitment of the right superior and middle frontal gyrus, a region that has been involved in multitasking. The type of training is a critical factor in determining the pattern of brain activation.

Electrostimulation mapping of comprehension of auditory and visual words.

In order to spare functional areas during the removal of brain tumours, electrical stimulation mapping was used in 90 patients (77 in the left hemisphere and 13 in the right; 2754 cortical sites tested). Language functions were studied with a special focus on comprehension of auditory and visual words and the semantic system. In addition to naming, patients were asked to perform pointing tasks from auditory and visual stimuli (using sets of 4 different images controlled for familiarity), and also auditory object (sound recognition) and Token test tasks. Ninety-two auditory comprehension interference sites were observed. We found that the process of auditory comprehension involved a few, fine-grained, sub-centimetre cortical territories. Early stages of speech comprehension seem to relate to two posterior regions in the left superior temporal gyrus. Downstream lexical-semantic speech processing and sound analysis involved 2 pathways, along the anterior part of the left superior temporal gyrus, and posteriorly around the supramarginal and middle temporal gyri. Electrostimulation experimentally dissociated perceptual consciousness attached to speech comprehension. The initial word discrimination process can be considered as an "automatic" stage, the attention feedback not being impaired by stimulation as would be the case at the lexical-semantic stage. Multimodal organization of the superior temporal gyrus was also detected since some neurones could be involved in comprehension of visual material and naming. These findings demonstrate a fine graded, sub-centimetre, cortical representation of speech comprehension processing mainly in the left superior temporal gyrus and are in line with those described in dual stream models of language comprehension processing.

Working memory in Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment (MCI) : assessment and intervention

L’objectif principal de cette thèse est d’examiner et d’intervenir auprès des déficits de la mémoire de travail (MdeT) à l’intérieur de deux populations cliniques : la maladie d’Alzheimer (MA) et le trouble cognitif léger (TCL). La thèse se compose de trois articles empiriques. Le but de la première expérimentation était d’examiner les déficits de MdeT dans le vieillissement normal, le TCL et la MA à l’aide de deux versions de l’empan complexe : l’empan de phrases et l’empan arithmétique. De plus, l’effet de «l’oubli» (forgetting) a été mesuré en manipulant la longueur de l’intervalle de rétention. Les résultats aux tâches d’empan complexe indiquent que la MdeT est déficitaire chez les individus atteints de TCL et encore plus chez les gens ayant la MA. Les données recueillies supportent également le rôle de l’oubli à l’intérieur de la MdeT. L’augmentation de l’intervalle de rétention exacerbait le déficit dans la MA et permettait de prédire un pronostic négatif dans le TCL. L’objectif de la deuxième étude était d’examiner la faisabilité d’un programme d’entraînement cognitif à l’ordinateur pour la composante de contrôle attentionnel à l’intérieur de la MdeT. Cette étude a été réalisée auprès de personnes âgées saines et de personnes âgées avec TCL. Les données de cette expérimentation ont révélé des effets positifs de l’entraînement pour les deux groupes de personnes. Toutefois, l’absence d’un groupe contrôle a limité l’interprétation des résultats. Sur la base de ces données, la troisième expérimentation visait à implémenter une étude randomisée à double-insu avec groupe contrôle d’un entraînement du contrôle attentionnel chez des personnes TCL avec atteinte exécutive. Ce protocole impliquait un paradigme de double-tâche composé d’une tâche de détection visuelle et d’une tâche de jugement alpha-arithmétique. Alors que le groupe contrôle pratiquait simplement la double-tâche sur six périodes d’une heure chacune, le groupe expérimental recevait un entraînement de type priorité variable dans lequel les participants devaient gérer leur contrôle attentionnel en variant la proportion de ressources attentionnelles allouée à chaque tâche. Les résultats montrent un effet significatif de l’intervention sur une des deux tâches impliquées (précision à la tâche de détection visuelle) ainsi qu’une tendance au transfert à une autre tâche d’attention divisée, mais peu d’effets de généralisation à d’autres tâches d’attention. En résumé, les données originales rapportées dans la présente thèse démontrent un déficit de la MdeT dans les maladies neurodégénératives liées à l’âge, avec un gradient entre le TCL et la MA. Elles suggèrent également une préservation de la plasticité des capacités attentionnelles chez les personnes à risque de développer une démence.

Dynamique cérébrale et réserve cognitive en situation d’attention sélective dans le vieillissement normal et les troubles de la cognition : approche neurofonctionnelle

Réalisée en cotutelle avec l'Unité de Formation à la Recherche Lettres Arts et Sciences Humaines - Université Nice-Sophia Antipolis.

Attention! Prêt? On s’enTraine! Étude d’efficacité d’un programme d’entraînement intensif des processus attentionnels chez des jeunes ayant subi un traumatisme craniocérébral

Les dysfonctions attentionnelles suivant un traumatisme craniocérébral (TCC) compliquent souvent la reprise des activités de la vie quotidienne et influencent négativement le pronostic de réinsertion socio-académique et professionnelle. Or, les cliniciens de réadaptation disposent d’un nombre limité d’outils de remédiation cognitive dont l’efficacité est démontrée et qui sont adaptés à une population francophone. Cette étude vise à démontrer l’efficacité d’un protocole d’entrainement intensif des fonctions attentionnelles : « Attention! Prêt? On s’enTraine! » (Séguin, Lahaie & Beauchamp, 2012), basé sur une adaptation française de l’« Attention Process Training-I » (APT-I; Sohlberg & Mateer, 1987). Dix-sept participants ayant subi un TCC et présentant des déficits attentionnels ont reçu 15 séances d’entrainement attentionnel avec le programme « Attention! Prêt? On s’enTraine! » (n = 8) ou de l’aide aux devoirs (n = 9). Suite à l’intervention, les participants du groupe expérimental ont amélioré leur rendement dans plusieurs fonctions ciblées par l’intervention attentionnelle, notamment au niveau du balayage visuel, de l’attention sélective et de l’alternance attentionnelle. De plus, les gains se sont généralisés à des fonctions connexes, puisqu’une meilleure performance a été retrouvée dans des tâches de mémoire de travail, d’inhibition, de flexibilité cognitive et de planification visuoconstructive. La démonstration de l’effet positif d’un entrainement intensif sur le rendement attentionnel pourrait inciter les cliniciens et chercheurs à développer et à valider d’autres protocoles de remédiation cognitive francophones, pour les fonctions attentionnelles ou d’autres sphères de la cognition. Par le fait même, le pronostic fonctionnel de la clientèle pédiatrique en traumatologie en sera potentialisé.

Attention and selection behavior on ‘universal search’ result pages

The ISO norm line 9241 states some criteria for ergonomics of human system interaction. In markets with a huge variety of offers and little possibility of differentiation, providers can gain a decisive competitive advantage by user oriented interfaces. A precondition for this is that relevant information can be obtained for entrepreneurial decisions in this regard. To test how users of universal search result pages use those pages and pay attention to different elements, an eye tracking experiment with a mixed design has been developed. Twenty subjects were confronted with search engine result pages (SERPs) and were instructed to make a decision while conditions “national vs. international city” and “with vs. without miniaturized Google map” were used. Different parameters like fixation count, duration and time to first fixation were computed from the eye tracking raw data and supplemented by click rate data as well as data from questionnaires. Results of this pilot study revealed some remarkable facts like a vampire effect on miniaturized Google maps. Furthermore, Google maps did not shorten the process of decision making, Google ads were not fixated, visual attention on SERPs was influenced by position of the elements on the SERP and by the users’ familiarity with the search target. These results support the theory of Amount of Invested Mental Effort (AIME) and give providers empirical evidence to take users’ expectations into account. Furthermore, the results indicated that the task oriented goal mode of participants was a moderator for the attention spent on ads. Most important, SERPs with images attracted the viewers’ attention much longer than those without images. This unique selling proposition may lead to a distortion of competition on markets.

ERP correlates of shared control mechanisms involved in saccade preparation and in covert attention

We investigated whether attention shifts and eye movement preparation are mediated by shared control mechanisms, as claimed by the premotor theory of attention. ERPs were recorded in three tasks where directional cues presented at the beginning of each trial instructed participants to direct their attention to the cued side without eye movements (Covert task), to prepare an eye movement in the cued direction without attention shifts (Saccade task) or both (Combined task). A peripheral visual Go/Nogo stimulus that was presented 800 ms after cue onset signalled whether responses had to be executed or withheld. Lateralised ERP components triggered during the cue–target interval, which are assumed to reflect preparatory control mechanisms that mediate attentional orienting, were very similar across tasks. They were also present in the Saccade task, which was designed to discourage any concomitant covert attention shifts. These results support the hypothesis that saccade preparation and attentional orienting are implemented by common control structures. There were however systematic differences in the impact of eye movement programming and covert attention on ERPs triggered in response to visual stimuli at cued versus uncued locations. It is concluded that, although the preparatory processes underlying saccade programming and covert attentional orienting may be based on common mechanisms, they nevertheless differ in their spatially specific effects on visual information processing.

Microsaccades distinguish between global and local visual processing

Much is known about the functional mechanisms involved in visual search. Yet, the fundamental question of whether the visual system can perform different types of visual analysis at different spatial resolutions still remains unsettled. In the visual-attention literature, the distinction between different spatial scales of visual processing corresponds to the distinction between distributed and focused attention. Some authors have argued that singleton detection can be performed in distributed attention, whereas others suggest that even such a simple visual operation involves focused attention. Here we showed that microsaccades were spatially biased during singleton discrimination but not during singleton detection. The results provide support to the hypothesis that some coarse visual analysis can be performed in a distributed attention mode.