Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.

L’utilisation de l’information visuelle en reconnaissance d’expressions faciales d’émotion

L’aptitude à reconnaitre les expressions faciales des autres est cruciale au succès des interactions sociales. L’information visuelle nécessaire à la catégorisation des expressions faciales d’émotions de base présentées de manière statique est relativement bien connue. Toutefois, l’information utilisée pour discriminer toutes les expressions faciales de base entre elle demeure encore peu connue, et ce autant pour les expressions statiques que dynamiques. Plusieurs chercheurs assument que la région des yeux est particulièrement importante pour arriver à « lire » les émotions des autres. Le premier article de cette thèse vise à caractériser l’information utilisée par le système visuel pour discriminer toutes les expressions faciales de base entre elles, et à vérifier l’hypothèse selon laquelle la région des yeux est cruciale pour cette tâche. La méthode des Bulles (Gosselin & Schyns, 2001) est utilisée avec des expressions faciales statiques (Exp. 1) et dynamiques (Exp. 2) afin de trouver quelles régions faciales sont utilisées (Exps. 1 et 2), ainsi que l’ordre temporel dans lequel elles sont utilisées (Exp. 2). Les résultats indiquent que, contrairement à la croyance susmentionnée, la région de la bouche est significativement plus utile que la région des yeux pour discriminer les expressions faciales de base. Malgré ce rôle prépondérant de la bouche, c’est toute de même la région des yeux qui est sous-utilisée chez plusieurs populations cliniques souffrant de difficultés à reconnaitre les expressions faciales. Cette observation pourrait suggérer que l’utilisation de la région des yeux varie en fonction de l’habileté pour cette tâche. Le deuxième article de cette thèse vise donc à vérifier comment les différences individuelles en reconnaissance d’expressions faciales sont reliées aux stratégies d’extraction de l’information visuelle pour cette tâche. Les résultats révèlent une corrélation positive entre l’utilisation de la région de la bouche et l’habileté, suggérant la présence de différences qualitatives entre la stratégie des patients et celle des normaux. De plus, une corrélation positive est retrouvée entre l’utilisation de l’œil gauche et l’habileté des participants, mais aucune corrélation n’est retrouvée entre l’utilisation de l’œil droit et l’habileté. Ces résultats indiquent que la stratégie des meilleurs participants ne se distingue pas de celle des moins bons participants simplement par une meilleure utilisation de l’information disponible dans le stimulus : des différences qualitatives semblent exister même au sein des stratégies des participants normaux.

Modulation de l'activité de structures cérébrales sous-corticales par optogénétique

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale.

Sensibilité cérébrale à la lumière en fonction du vieillissement et d’aspects physiologiques fonctionnels de l’œil

Outre ses effets sur le système visuel classique permettant la formation des images, la lumière agit sur plusieurs fonctions « non-visuelles ». Celles-ci incluent la constriction pupillaire, la température corporelle, la sécrétion hormonale, le cycle veille-sommeil, la vigilance et les performances cognitives. Les fonctions non-visuelles sont préférentiellement sensibles aux lumières à longueurs d’ondes courtes (lumière bleue) en comparaison aux longueurs d’ondes plus longues (lumière verte). Il est proposé que le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la sensibilité des fonctions non-visuelles à la lumière. Cette recherche vise à évaluer les effets de l’âge sur la constriction pupillaire et la sensibilité cérébrale à la lumière lors de l’exécution de tâche cognitive. Deux groupes de sujets, 16 jeunes (18-30 ans) et 14 âgés (55-70 ans), ont suivis un protocole de pupillométrie visant à mesurer la dynamique pupillaire lors d’exposition à des lumières bleues et vertes monochromatiques de trois intensités différentes. Les résultats ont montré davantage de constriction en bleu qu’en vert et des effets plus importants suivant l’augmentation de l’intensité lumineuse. Nos résultats ne montrent cependant pas de différence d’âge sur la constriction pupillaire à la lumière suggérant la préservation de cette réponse non-visuelle. Dans un deuxième temps, les mêmes sujets ont exécuté une tâche cognitive en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) tandis qu’ils étaient maintenus dans la noirceur, ou exposés à des lumières bleues. Les résultats ont montré une diminution des effets de la lumière avec l’âge dans le thalamus, l’amygdale, l’insula et l’aire ventrale tegmentale, régions engagées dans la vigilance, l’attention et les processus émotionnels. Les modifications qui s’opèrent sur les différentes fonctions non-visuelles avec l’âge ne semblent pas homogènes. Ces résultats corroborent les évidences animales qui montrent différents seuils de sensibilités à la lumière et la présence de réseaux neuronaux partiellement indépendants pour les diverses réponses non-visuelles. De plus, ils sont les premiers à démontrer que les effets neuronaux stimulants de la lumière bleue sur la cognition sont diminués avec l’âge. Les recherches devront évaluer si cette diminution de sensibilité influence les performances cognitives au cours du vieillissement. Enfin, un raffinement de nos connaissances permettra de mieux adapter l’environnement lumineux avec l’âge.

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.

Identification des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive des objets : une étude en potentiels évoqués

La capacité du système visuel humain à compléter une image partiellement dévoilée et à en dériver une forme globale à partir de ses fragments visibles incomplets est un phénomène qui suscite, jusqu’à nos jours, l’intérêt de nombreux scientifiques œuvrant dans différents milieux de recherche tels que l’informatique, l’ingénierie en intelligence artificielle, la perception et les neurosciences. Dans le cadre de la présente thèse, nous nous sommes intéressés spécifiquement sur les substrats neuronaux associés à ce phénomène de clôture perceptive. La thèse actuelle a donc pour objectif général d’explorer le décours spatio-temporel des corrélats neuronaux associés à la clôture perceptive au cours d’une tâche d’identification d’objets. Dans un premier temps, le premier article visera à caractériser la signature électrophysiologique liée à la clôture perceptive chez des personnes à développement typique dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive reflèteraient l’interaction itérative entre les mécanismes de bas et de haut-niveau et si ceux-ci seraient sollicités à une étape précoce ou tardive lors du traitement visuel de l’information. Dans un deuxième temps, le second article a pour objectif d’explorer le décours spatio-temporel des mécanismes neuronaux sous-tendant la clôture perceptive dans le but de déterminer si les processus de clôture perceptive des personnes présentant un trouble autistique se caractérisent par une signature idiosyncrasique des changements d’amplitude des potentiels évoqués (PÉs). En d’autres termes, nous cherchons à déterminer si la clôture perceptive en autisme est atypique et nécessiterait davantage la contribution des mécanismes de bas-niveau et/ou de haut-niveau. Les résultats du premier article indiquent que le phénomène de clôture perceptive est associé temporellement à l’occurrence de la composante de PÉs N80 et P160 tel que révélé par des différences significatives claires entre des objets et des versions méconnaissables brouillées. Nous proposons enfin que la clôture perceptive s’avère un processus de transition reflétant les interactions proactives entre les mécanismes neuronaux œuvrant à apparier l’input sensoriel fragmenté à une représentation d’objets en mémoire plausible. Les résultats du second article révèlent des effets précoces de fragmentation et d’identification obtenus au niveau de composantes de potentiels évoqués N80 et P160 et ce, en toute absence d’effets au niveau des composantes tardives pour les individus avec autisme de haut niveau et avec syndrome d’Asperger. Pour ces deux groupes du trouble du spectre autistique, les données électrophysiologiques suggèrent qu’il n’y aurait pas de pré-activation graduelle de l’activité des régions corticales, entre autres frontales, aux moments précédant et menant vers l’identification d’objets fragmentés. Pour les participants autistes et avec syndrome d’Asperger, les analyses statistiques démontrent d’ailleurs une plus importante activation au niveau des régions postérieures alors que les individus à développement typique démontrent une activation plus élevée au niveau antérieur. Ces résultats pourraient suggérer que les personnes du spectre autistique se fient davantage aux processus perceptifs de bas-niveau pour parvenir à compléter les images d’objets fragmentés. Ainsi, lorsque confrontés aux images d’objets partiellement visibles pouvant sembler ambiguës, les individus avec autisme pourraient démontrer plus de difficultés à générer de multiples prédictions au sujet de l’identité d’un objet qu’ils perçoivent. Les implications théoriques et cliniques, les limites et perspectives futures de ces résultats sont discutées.

Détection de mouvement par modèle biologique de fusion de donnée inspiré de la rétine humaine

Ce mémoire s'intéresse à la détection de mouvement dans une séquence d'images acquises à l'aide d'une caméra fixe. Dans ce problème, la difficulté vient du fait que les mouvements récurrents ou non significatifs de la scène tels que les oscillations d'une branche, l'ombre d'un objet ou les remous d'une surface d'eau doivent être ignorés et classés comme appartenant aux régions statiques de la scène. La plupart des méthodes de détection de mouvement utilisées à ce jour reposent en fait sur le principe bas-niveau de la modélisation puis la soustraction de l'arrière-plan. Ces méthodes sont simples et rapides mais aussi limitées dans les cas où l'arrière-plan est complexe ou bruité (neige, pluie, ombres, etc.). Cette recherche consiste à proposer une technique d'amélioration de ces algorithmes dont l'idée principale est d'exploiter et mimer deux caractéristiques essentielles du système de vision humain. Pour assurer une vision nette de l’objet (qu’il soit fixe ou mobile) puis l'analyser et l'identifier, l'œil ne parcourt pas la scène de façon continue, mais opère par une série de ``balayages'' ou de saccades autour (des points caractéristiques) de l'objet en question. Pour chaque fixation pendant laquelle l'œil reste relativement immobile, l'image est projetée au niveau de la rétine puis interprétée en coordonnées log polaires dont le centre est l'endroit fixé par l'oeil. Les traitements bas-niveau de détection de mouvement doivent donc s'opérer sur cette image transformée qui est centrée pour un point (de vue) particulier de la scène. L'étape suivante (intégration trans-saccadique du Système Visuel Humain (SVH)) consiste ensuite à combiner ces détections de mouvement obtenues pour les différents centres de cette transformée pour fusionner les différentes interprétations visuelles obtenues selon ses différents points de vue.

Surface Reflectance Recognition and Real-World Illumination Statistics

Humans distinguish materials such as metal, plastic, and paper effortlessly at a glance. Traditional computer vision systems cannot solve this problem at all. Recognizing surface reflectance properties from a single photograph is difficult because the observed image depends heavily on the amount of light incident from every direction. A mirrored sphere, for example, produces a different image in every environment. To make matters worse, two surfaces with different reflectance properties could produce identical images. The mirrored sphere simply reflects its surroundings, so in the right artificial setting, it could mimic the appearance of a matte ping-pong ball. Yet, humans possess an intuitive sense of what materials typically "look like" in the real world. This thesis develops computational algorithms with a similar ability to recognize reflectance properties from photographs under unknown, real-world illumination conditions. Real-world illumination is complex, with light typically incident on a surface from every direction. We find, however, that real-world illumination patterns are not arbitrary. They exhibit highly predictable spatial structure, which we describe largely in the wavelet domain. Although they differ in several respects from the typical photographs, illumination patterns share much of the regularity described in the natural image statistics literature. These properties of real-world illumination lead to predictable image statistics for a surface with given reflectance properties. We construct a system that classifies a surface according to its reflectance from a single photograph under unknown illuminination. Our algorithm learns relationships between surface reflectance and certain statistics computed from the observed image. Like the human visual system, we solve the otherwise underconstrained inverse problem of reflectance estimation by taking advantage of the statistical regularity of illumination. For surfaces with homogeneous reflectance properties and known geometry, our system rivals human performance.

The Logical Problem of Language Change

This paper considers the problem of language change. Linguists must explain not only how languages are learned but also how and why they have evolved along certain trajectories and not others. While the language learning problem has focused on the behavior of individuals and how they acquire a particular grammar from a class of grammars ${cal G}$, here we consider a population of such learners and investigate the emergent, global population characteristics of linguistic communities over several generations. We argue that language change follows logically from specific assumptions about grammatical theories and learning paradigms. In particular, we are able to transform parameterized theories and memoryless acquisition algorithms into grammatical dynamical systems, whose evolution depicts a population's evolving linguistic composition. We investigate the linguistic and computational consequences of this model, showing that the formalization allows one to ask questions about diachronic that one otherwise could not ask, such as the effect of varying initial conditions on the resulting diachronic trajectories. From a more programmatic perspective, we give an example of how the dynamical system model for language change can serve as a way to distinguish among alternative grammatical theories, introducing a formal diachronic adequacy criterion for linguistic theories.

Reciprocal Interactions Between Motion and Form Perception

The processes underlying the perceptual analysis of visual form are believed to have minimal interaction with those subserving the perception of visual motion (Livingstone and Hubel, 1987; Victor and Conte, 1990). Recent reports of functionally and anatomically segregated parallel streams in the primate visual cortex seem to support this hypothesis (Ungerlieder and Mishkin, 1982; VanEssen and Maunsell, 1983; Shipp and Zeki, 1985; Zeki and Shipp, 1988; De Yoe et al., 1994). Here we present perceptual evidence that is at odds with this view and instead suggests strong symmetric interactions between the form and motion processes. In one direction, we show that the introduction of specific static figural elements, say 'F', in a simple motion sequence biases an observer to perceive a particular motion field, say 'M'. In the reverse direction, the imposition of the same motion field 'M' on the original sequence leads the observer to perceive illusory static figural elements 'F'. A specific implication of these findings concerns the possible existence of (what we call) motion end-stopped units in the primate visual system. Such units might constitute part of a mechanism for signalling subjective occluding contours based on motion-field discontinuities.

Detecting Faces in Impoverished Images

The ability to detect faces in images is of critical ecological significance. It is a pre-requisite for other important face perception tasks such as person identification, gender classification and affect analysis. Here we address the question of how the visual system classifies images into face and non-face patterns. We focus on face detection in impoverished images, which allow us to explore information thresholds required for different levels of performance. Our experimental results provide lower bounds on image resolution needed for reliable discrimination between face and non-face patterns and help characterize the nature of facial representations used by the visual system under degraded viewing conditions. Specifically, they enable an evaluation of the contribution of luminance contrast, image orientation and local context on face-detection performance.

Perceiving Illumination Inconsistencies in Scenes

The human visual system is adept at detecting and encoding statistical regularities in its spatio-temporal environment. Here we report an unexpected failure of this ability in the context of perceiving inconsistencies in illumination distributions across a scene. Contrary to predictions from previous studies [Enns and Rensink, 1990; Sun and Perona, 1996a, 1996b, 1997], we find that the visual system displays a remarkable lack of sensitivity to illumination inconsistencies, both in experimental stimuli and in images of real scenes. Our results allow us to draw inferences regarding how the visual system encodes illumination distributions across scenes. Specifically, they suggest that the visual system does not verify the global consistency of locally derived estimates of illumination direction.

Relative Contributions of Internal and External Features to Face Recognition

The central challenge in face recognition lies in understanding the role different facial features play in our judgments of identity. Notable in this regard are the relative contributions of the internal (eyes, nose and mouth) and external (hair and jaw-line) features. Past studies that have investigated this issue have typically used high-resolution images or good-quality line drawings as facial stimuli. The results obtained are therefore most relevant for understanding the identification of faces at close range. However, given that real-world viewing conditions are rarely optimal, it is also important to know how image degradations, such as loss of resolution caused by large viewing distances, influence our ability to use internal and external features. Here, we report experiments designed to address this issue. Our data characterize how the relative contributions of internal and external features change as a function of image resolution. While we replicated results of previous studies that have shown internal features of familiar faces to be more useful for recognition than external features at high resolution, we found that the two feature sets reverse in importance as resolution decreases. These results suggest that the visual system uses a highly non-linear cue-fusion strategy in combining internal and external features along the dimension of image resolution and that the configural cues that relate the two feature sets play an important role in judgments of facial identity.

The Perception of Subjective Surfaces

It is proposed that subjective contours are an artifact of the perception of natural three-dimensional surfaces. A recent theory of surface interpolation implies that "subjective surfaces" are constructed in the visual system by interpolation between three-dimensional values arising from interpretation of a variety of surface cues. We show that subjective surfaces can take any form, including singly and doubly curved surfaces, as well as the commonly discussed fronto-parallel planes. In addition, it is necessary in the context of computational vision to make explicit the discontinuities, both in depth and in surface orientation, in the surfaces constructed by interpolation. It is proposed that subjective surfaces and subjective contours are demonstrated. The role played by figure completion and enhanced brightness contrast in the determination of subjective surfaces is discussed. All considerations of surface perception apply equally to subjective surfaces.

Lower Bounds for Achieving Synchronous Early Stopping Consensus with Orderly Crash Failures

In this paper, we discuss the consensus problem for synchronous distributed systems with orderly crash failures. For a synchronous distributed system of n processes with up to t crash failures and f failures actually occur, first, we present a bivalency argument proof to solve the open problem of proving the lower bound, min (t + 1, f + 2) rounds, for early-stopping synchronous consensus with orderly crash failures, where t < n - 1. Then, we extend the system model with orderly crash failures to a new model in which a process is allowed to send multiple messages to the same destination process in a round and the failing processes still respect the order specified by the protocol in sending messages. For this new model, we present a uniform consensus protocol, in which all non-faulty processes always decide and stop immediately by the end of f + 1 rounds. We prove that the lower bound of early stopping protocols for both consensus and uniform consensus are f + 1 rounds under the new model, and our proposed protocol is optimal.