Les effets de la distance physique sur les processus attentionnels sont dépendants de la similarité distracteur-cible : étude à partir des potentiels reliés aux évènements

L’attention visuelle est un processus cognitif qui priorise le traitement de l’information visuelle d’une région particulière du champ visuel. En électroencéphalographie, la méthode des potentiels reliés aux évènements permet l’extraction de composantes associées à divers processus cognitifs. La N2pc, une composante latéralisée caractérisée par une déflexion négative entre 180 et 300 ms post-stimulus du côté controlatéral à l’hémichamp dans lequel l’attention est déployée, reflète les processus impliqués dans le déploiement de l’attention visuo-spatiale. De nombreuses études antérieures ont soulevé plusieurs facteurs pouvant moduler cette composante, provenant d’autant de processus de bas niveau que de processus de haut niveau. Cette présente étude comporte une série d’expériences qui approfondit les connaissances sur le rôle de l’attention sur le traitement et la représentation des items dans les champs récepteurs des aires extrastriées du cortex visuel. Ces études démontrent ainsi que l’attention peut effectivement éliminer l’influence d’un distracteur dissimilaire à la cible lorsque celui-ci se retrouve dans le même champ visuel que l’item auquel l’attention est attribuée. Cependant, lorsque l’item est similaire à la cible, son influence ne peut être éliminée. De plus, cette présente étude identifie le rôle des filtres précoces et tardifs de haut niveau sur la sélection attentionnelle.

Le développement visuel et cognitif chez les enfants nés à terme ou prématurément

Au cours des 25 dernières années, les recherches sur le développement visuel chez l’humain à l’aide de l’électrophysiologie cérébrale et des potentiels évoqués visuels (PEV) ont permis d’explorer plusieurs fonctions associées au cortex visuel. Néanmoins, le développement de certaines d’entre elles (p. ex. segmentation des textures), tout comme les effets de la prématurité sur celles-ci, sont des aspects qui nécessitent d’être davantage étudiés. Par ailleurs, compte tenu de l’importance de la vision dans le développement de certaines fonctions cognitives (p. ex. lecture, visuomotricité), de plus en plus de recherches s’intéressent aux relations entre la vision et la cognition. Les objectifs généraux de la présente thèse étaient d’étudier le développement visuel chez les enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide de l’électrophysiologie, puis de documenter les impacts de la prématurité sur le développement visuel et cognitif. Deux études ont été réalisées. La première visait à examiner, chez des enfants nés prématurément, le développement des voies visuelles primaires durant la première année de vie et en début de scolarisation, ainsi qu’à documenter leur profil cognitif et comportemental. À l’aide d’un devis semi-longitudinal, dix enfants nés prématurément ont été évalués à l’âge de six mois (âge corrigé) et à 7-8 ans en utilisant des PEV, et des épreuves cognitives et comportementales à l’âge scolaire. Leurs résultats ont été comparés à ceux de 10 enfants nés à terme appariés pour l’âge. À six mois, aucune différence de latence ou d’amplitude des ondes N1 et P1 n’a été trouvée entre les groupes. À l’âge scolaire, les enfants nés prématurément montraient, comparativement aux enfants nés à terme, une plus grande amplitude de N1 dans la condition P-préférentielle et dans celle co-stimulant les voies M et P, et de P1 (tendance) dans la condition M-préférentielle. Aucune différence n’a été trouvée entre les groupes aux mesures cognitives et comportementales. Ces résultats suggèrent qu’une naissance prématurée exerce un impact sur le développement des voies visuelles centrales. L’objectif de la seconde étude était de documenter le développement des processus de segmentation visuelle des textures durant la petite enfance chez des enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide des PEV et d’un devis transversal. Quarante-cinq enfants nés à terme et 43 enfants nés prématurément ont été évalués à 12, 24 ou 36 mois (âge corrigé pour les prématurés à 12 et 24 mois). Les résultats indiquaient une diminution significative de la latence de la composante N2 entre 12 et 36 mois en réponse à l’orientation, à la texture et à la segmentation des textures, ainsi qu’une diminution significative d’amplitude pour l’orientation entre 12 et 24 mois, et pour la texture entre 12 et 24 mois, et 12 et 36 mois. Les comparaisons entre les enfants nés à terme et ceux nés prématurément démontraient une amplitude de N2 réduite chez ces derniers à 12 mois pour l’orientation et la texture. Bien que ces différences ne fussent plus apparentes à 24 mois, nos résultats semblent refléter un délai de maturation des processus visuel de bas et de plus haut niveau chez les enfants nés prématurément, du moins, pendant la petite enfance. En conclusion, nos résultats indiquent que la prématurité, même sans atteinte neurologique importante, altère le développement des fonctions visuelles à certaines périodes du développement et mettent en évidence l’importance d’en investiguer davantage les impacts (p. ex. cognitifs, comportementaux, scolaires) à moyen et long-terme.

Le sens du goût chez l'aveugle congénital

Thèse réalisée en collaboration avec le Département de neurosciences et pharmacologie de l'Université de Copenhague, Danemark.

Étude électrophysiologique de la suppression interoculaire : implication pour l'amblyopie

L’amblyopie est un trouble développemental de la vision binoculaire. Elle est typiquement caractérisée par des atteintes de l’acuité visuelle et de la stéréoscopie. Toutefois, de plus en plus d’études indiquent la présence d’atteintes plus étendues telles que les difficultés d’attention visuelle ou de lecture. L’amblyopie est généralement expliquée par une suppression interoculaire au niveau cortical, considérée comme chronique ou permanente à l’extérieur de la période développementale. Or, un nombre croissant d’études suggèrent que des interactions binoculaires normales seraient présentes chez les amblyopes adultes. Dans une première étude, nous avons tenté d’identifier un marqueur électrophysiologique de la vision binoculaire. Nous avons enregistré des potentiels évoqués visuels chez des observateurs normaux à qui l’on a induit une dysfonction binoculaire. Les interactions binoculaires étaient caractérisées à l’aide de patrons (facilitation, moyennage et suppression) en comparant les réponses monoculaires et binoculaires. De plus, ces interactions étaient quantifiées à partir d’index d’intégration continus en soustrayant la somme des réponses monoculaires de la réponse binoculaire. Les résultats indiquaient que les patrons d’interaction n’étaient pas optimaux pour estimer les performances stéréoscopiques. Ces dernières étaient, en revanche, mieux expliquées par notre index d’intégration binoculaire. Ainsi, cette étude suggère que l’électrophysiologie est un bon prédicteur de la vision binoculaire. Dans une deuxième étude, nous avons examiné les corrélats neuronaux et comportementaux de la suppression interoculaire chez des amblyopes adultes et des observateurs normaux. Des potentiels évoqués visuels stationnaires ont été enregistrés en utilisant un paradigme de suppression par flash. La suppression était modulée par un changement de contraste du stimulus flash (10, 20, 30, ou 100%), ou le suppresseur, qui était présenté soit dans l’œil dominant ou non-dominant (ou amblyope). Sur le plan comportemental, la suppression interoculaire était observée indépendamment de l’œil stimulé par le flash chez les contrôles. Au contraire, chez les amblyopes, la suppression était asymétrique (c’est-à-dire supérieure lorsqu’elle provenait de l’œil dominant), ce qui suggérait une suppression chronique. De manière intéressante, l’œil amblyope a supprimé l’œil dominant à haut niveau de contraste. Sur le plan électrophysiologique, l’effet de suppression interoculaire observé à la région occipitale était équivalent dans chaque groupe. Toutefois, les réponses électrophysiologiques à la région frontale chez les amblyopes n’étaient pas modulées comme celles des contrôles; la suppression de l’œil amblyope était manifeste même à bas contraste. Nous résultats supportent ainsi l’existence d’interaction binoculaire fonctionnelle chez les amblyopes adultes ainsi que l’implication d’un réseau cortical étendu dans la suppression interoculaire. En somme, l’amblyopie est une condition complexe dont les atteintes corticales et les déficits fonctionnels semblent globaux. L’amblyopie ne doit plus être considérée comme limitée à une dysfonction de l’aire visuelle primaire. La suppression interoculaire semble un point central de cette problématique, mais encore beaucoup d’études seront nécessaires afin de déterminer l’ensemble des mécanismes impliqués dans celle-ci.

Réadaptation et performance visuelle chez la personne hémianopsique : une étude de cas portant sur les saccades oculaires et le blindsight.

But: La perte unilatérale du cortex visuel postérieur engendre une cécité corticale controlatérale à la lésion, qu’on appelle hémianopsie homonyme (HH). Celle-ci est notamment accompagnée de problèmes d’exploration visuelle dans l’hémichamp aveugle dus à des stratégies oculaires déficitaires, qui ont été la cible des thérapies de compensation. Or, cette perte de vision peut s’accompagner d’une perception visuelle inconsciente, appelée blindsight. Notre hypothèse propose que le blindsight soit médié par la voie rétino-colliculaire extrastriée, recrutant le colliculus supérieur (CS), une structure multisensorielle. Notre programme a pour objectif d’évaluer l’impact d’un entraînement multisensoriel (audiovisuel) sur la performance visuelle inconsciente des personnes hémianopsiques et les stratégies oculaires. Nous essayons, ainsi, de démontrer l’implication du CS dans le phénomène de blindsight et la pertinence de la technique de compensation multisensorielle comme thérapie de réadaptation. Méthode: Notre participante, ML, atteinte d’une HH droite a effectué un entraînement d’intégration audiovisuel pour une période de 10 jours. Nous avons évalué la performance visuelle en localisation et en détection ainsi que les stratégies oculaires selon trois comparaisons principales : (1) entre l’hémichamp normal et l’hémichamp aveugle; (2) entre la condition visuelle et les conditions audiovisuelles; (3) entre les sessions de pré-entraînement, post-entraînement et 3 mois post-entraînement. Résultats: Nous avons démontré que (1) les caractéristiques des saccades et des fixations sont déficitaires dans l’hémichamp aveugle; (2) les stratégies saccadiques diffèrent selon les excentricités et les conditions de stimulations; (3) une adaptation saccadique à long terme est possible dans l’hémichamp aveugle si l’on considère le bon cadre de référence; (4) l’amélioration des mouvements oculaires est liée au blindsight. Conclusion(s): L’entraînement multisensoriel conduit à une amélioration de la performance visuelle pour des cibles non perçues, tant en localisation qu’en détection, ce qui est possiblement induit par le développement de la performance oculomotrice.

View-Based Strategies for 3D Object Recognition

A persistent issue of debate in the area of 3D object recognition concerns the nature of the experientially acquired object models in the primate visual system. One prominent proposal in this regard has expounded the use of object centered models, such as representations of the objects' 3D structures in a coordinate frame independent of the viewing parameters [Marr and Nishihara, 1978]. In contrast to this is another proposal which suggests that the viewing parameters encountered during the learning phase might be inextricably linked to subsequent performance on a recognition task [Tarr and Pinker, 1989; Poggio and Edelman, 1990]. The 'object model', according to this idea, is simply a collection of the sample views encountered during training. Given that object centered recognition strategies have the attractive feature of leading to viewpoint independence, they have garnered much of the research effort in the field of computational vision. Furthermore, since human recognition performance seems remarkably robust in the face of imaging variations [Ellis et al., 1989], it has often been implicitly assumed that the visual system employs an object centered strategy. In the present study we examine this assumption more closely. Our experimental results with a class of novel 3D structures strongly suggest the use of a view-based strategy by the human visual system even when it has the opportunity of constructing and using object-centered models. In fact, for our chosen class of objects, the results seem to support a stronger claim: 3D object recognition is 2D view-based.

Biologically Plausible Neural Circuits for Realization of Maximum Operations

Object recognition in the visual cortex is based on a hierarchical architecture, in which specialized brain regions along the ventral pathway extract object features of increasing levels of complexity, accompanied by greater invariance in stimulus size, position, and orientation. Recent theoretical studies postulate a non-linear pooling function, such as the maximum (MAX) operation could be fundamental in achieving such invariance. In this paper, we are concerned with neurally plausible mechanisms that may be involved in realizing the MAX operation. Four canonical circuits are proposed, each based on neural mechanisms that have been previously discussed in the context of cortical processing. Through simulations and mathematical analysis, we examine the relative performance and robustness of these mechanisms. We derive experimentally verifiable predictions for each circuit and discuss their respective physiological considerations.

Exact Solution of the Nonlinear Dynamics of Recurrent Neural Mechanisms for Direction Selectivity

Different theoretical models have tried to investigate the feasibility of recurrent neural mechanisms for achieving direction selectivity in the visual cortex. The mathematical analysis of such models has been restricted so far to the case of purely linear networks. We present an exact analytical solution of the nonlinear dynamics of a class of direction selective recurrent neural models with threshold nonlinearity. Our mathematical analysis shows that such networks have form-stable stimulus-locked traveling pulse solutions that are appropriate for modeling the responses of direction selective cortical neurons. Our analysis shows also that the stability of such solutions can break down giving raise to a different class of solutions ("lurching activity waves") that are characterized by a specific spatio-temporal periodicity. These solutions cannot arise in models for direction selectivity with purely linear spatio-temporal filtering.

Biologically motivated model for object detection and identification in real-world scenes

The classical computer vision methods can only weakly emulate some of the multi-level parallelisms in signal processing and information sharing that takes place in different parts of the primates’ visual system thus enabling it to accomplish many diverse functions of visual perception. One of the main functions of the primates’ vision is to detect and recognise objects in natural scenes despite all the linear and non-linear variations of the objects and their environment. The superior performance of the primates’ visual system compared to what machine vision systems have been able to achieve to date, motivates scientists and researchers to further explore this area in pursuit of more efficient vision systems inspired by natural models. In this paper building blocks for a hierarchical efficient object recognition model are proposed. Incorporating the attention-based processing would lead to a system that will process the visual data in a non-linear way focusing only on the regions of interest and hence reducing the time to achieve real-time performance. Further, it is suggested to modify the visual cortex model for recognizing objects by adding non-linearities in the ventral path consistent with earlier discoveries as reported by researchers in the neuro-physiology of vision.

The neural basis of maternal responsiveness to infants: an fMRI study

Using fMRI, we examined the neural correlates of maternal responsiveness. Ten healthy mothers viewed alternating blocks of video: (i) 40 s of their own infant; (ii) 20 s of a neutral video; (iii) 40 s of an unknown infant and (iv) 20 s of neutral video, repeated 4 times. Predominant BOLD signal change to the contrast of infants minus neutral stimulus occurred in bilateral visual processing regions BA minus neutral stimulus occurred in bilateral visual processing regions (BA 38), left amygdala and visual cortex (BA 19), and to the unknown infant minus own infant contrast in bilateral orbitofrontal cortex (BA 10,47) and medial prefrontal cortex (BA 8). These findings suggest that amygdala and temporal pole may be key sites in mediating a mother's response to her infant and reaffirms their importance in face emotion processing and social behaviour.

Neural competition for conscious representation across time: An fMRI study

Background The information processing capacity of the human mind is limited, as is evidenced by the attentional blink (AB) - a deficit in identifying the second of two temporally-close targets (T1 and T2) embedded in a rapid stream of distracters. Theories of the AB generally agree that it results from competition between stimuli for conscious representation. However, they disagree in the specific mechanisms, in particular about how attentional processing of T1 determines the AB to T2. Methodology/Principal Findings The present study used the high spatial resolution of functional magnetic resonance imaging (fMRI) to examine the neural mechanisms underlying the AB. Our research approach was to design T1 and T2 stimuli that activate distinguishable brain areas involved in visual categorization and representation. ROI and functional connectivity analyses were then used to examine how attentional processing of T1, as indexed by activity in the T1 representation area, affected T2 processing. Our main finding was that attentional processing of T1 at the level of the visual cortex predicted T2 detection rates Those individuals who activated the T1 encoding area more strongly in blink versus no-blink trials generally detected T2 on a lower percentage of trials. The coupling of activity between T1 and T2 representation areas did not vary as a function of conscious T2 perception. Conclusions/Significance These data are consistent with the notion that the AB is related to attentional demands of T1 for selection, and indicate that these demands are reflected at the level of visual cortex. They also highlight the importance of individual differences in attentional settings in explaining AB task performance.

Modulation of visually evoked cortical fMRI responses by phase of ongoing occipital alpha oscillations

Using simultaneous electroencephalography as a measure of ongoing activity and functional magnetic resonance imaging (fMRI) as a measure of the stimulus-driven neural response, we examined whether the amplitude and phase of occipital alpha oscillations at the onset of a brief visual stimulus affects the amplitude of the visually evoked fMRI response. When accounting for intrinsic coupling of alpha amplitude and occipital fMRI signal by modeling and subtracting pseudo-trials, no significant effect of prestimulus alpha amplitude on the evoked fMRI response could be demonstrated. Regarding the effect of alpha phase, we found that stimuli arriving at the peak of the alpha cycle yielded a lower blood oxygenation level-dependent (BOLD) fMRI response in early visual cortex (V1/V2) than stimuli presented at the trough of the cycle. Our results therefore show that phase of occipital alpha oscillations impacts the overall strength of a visually evoked response, as indexed by the BOLD signal. This observation complements existing evidence that alpha oscillations reflect periodic variations in cortical excitability and suggests that the phase of oscillations in postsynaptic potentials can serve as a mechanism of gain control for incoming neural activity. Finally, our findings provide a putative neural basis for observations of alpha phase dependence of visual perceptual performance.

Beyond arousal and valence: the importance of the biological versus social relevance of emotional stimuli

The present study addressed the hypothesis that emotional stimuli relevant to survival or reproduction (biologically emotional stimuli) automatically affect cognitive processing (e.g., attention, memory), while those relevant to social life (socially emotional stimuli) require elaborative processing to modulate attention and memory. Results of our behavioral studies showed that (1) biologically emotional images hold attention more strongly than do socially emotional images, (2) memory for biologically emotional images was enhanced even with limited cognitive resources, but (3) memory for socially emotional images was enhanced only when people had sufficient cognitive resources at encoding. Neither images’ subjective arousal nor their valence modulated these patterns. A subsequent functional magnetic resonance imaging study revealed that biologically emotional images induced stronger activity in the visual cortex and greater functional connectivity between the amygdala and visual cortex than did socially emotional images. These results suggest that the interconnection between the amygdala and visual cortex supports enhanced attention allocation to biological stimuli. In contrast, socially emotional images evoked greater activity in the medial prefrontal cortex (MPFC) and yielded stronger functional connectivity between the amygdala and MPFC than did biological images. Thus, it appears that emotional processing of social stimuli involves elaborative processing requiring frontal lobe activity.

Flexibility of representational states in working memory

The relationship between working memory (WM) and attention is a highly interdependent one, with evidence that attention determines the state in which items in WM are retained. Through focusing of attention, an item might be held in a more prioritized state, commonly termed as the focus of attention (FOA). The remaining items, although still retrievable, are considered to be in a different representational state. One means to bring an item into the FOA is to use retrospective cues (‘retro-cues’) which direct attention to one of the objects retained in WM. Alternatively, an item can enter a privileged state once attention is directed towards it through bottom-up influences (e.g. recency effect) or by performing an action on one of the retained items (‘incidental’ cueing). In all these cases, the item in the FOA is recalled with better accuracy compared to the other items in WM. Far less is known about the nature of the other items in WM and whether they can be flexibly manipulated in and out of the FOA. We present data from three types of experiments as well as transcranial magnetic stimulation to early visual cortex to manipulate the item inside FOA. Taken together, our results suggest that the context in which items are retained in WM matters. When an item remains behaviourally relevant, despite not being inside the FOA, re-focusing attention upon it can increase its recall precision. This suggests that a non-FOA item can be held in a state in which it can be later retrieved. However, if an item is rendered behaviourally unimportant because it is very unlikely to be probed, it cannot be brought back into the FOA, nor recalled with high precision. Under such conditions, some information appears to be irretrievably lost from WM. These findings, obtained from several different methods, demonstrate quite considerable flexibility with which items in WM can be represented depending upon context. They have important consequences for emerging state-dependent models of WM.

Architectonic subdivisions of the amygdalar complex of a primitive marsupial (Didelphis aurita)

The architecture of the amygdaloid complex of a marsupial, the opossum Didelphis aurita, was analyzed using classical stains like Nissl staining and myelin (Gallyas) staining, and enzyme histochemistry for acetylcholinesterase and NADPH-diaphorase. Most of the subdivisions of the amygdaloid complex described in eutherian mammals were identified in the opossum brain. NADPH-diaphorase revealed reactivity in the neuropil of nearly all amygdaloid subdivisions with different intensities, allowing the identification of the medial and lateral subdivisions of the cortical posterior nucleus and the lateral subdivision of the lateral nucleus. The lateral, central, basolateral and basomedial nuclei exhibited acetylcholinesterase positivity, which provided a useful chemoarchitectural criterion for the identification of the anterior basolateral nucleus. Myelin stain allowed the identification of the medial subdivision of the lateral nucleus, and resulted in intense staining of the medial subdivisions of the central nucleus. The medial, posterior, and cortical nuclei, as well as the amygdalopiriform area did not exhibit positivity for myelin staining. On the basis of cyto- and chemoarchitectural criteria, the present study highlights that the opossum amygdaloid complex shares similarities with that of other species, thus supporting the idea that the organization of the amygdala is part of a basic plan conserved through mammalian evolution. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.