Dendritic branching of pyramidal cells in the visual cortex of the nocturnal owl monkey: A fractal analysis

The branching structure of neurones is thought to influence patterns of connectivity and how inputs are integrated within the arbor. Recent studies have revealed a remarkable degree of variation in the branching structure of pyramidal cells in the cerebral cortex of diurnal primates, suggesting regional specialization in neuronal function. Such specialization in pyramidal cell structure may be important for various aspects of visual function, such as object recognition and color processing. To better understand the functional role of regional variation in the pyramidal cell phenotype in visual processing, we determined the complexity of the dendritic branching pattern of pyramidal cells in visual cortex of the nocturnal New World owl monkey. We used the fractal dilation method to quantify the branching structure of pyramidal cells in the primary visual area (V1), the second visual area (V2) and the caudal and rostral subdivisions of inferotemporal cortex (ITc and ITr, respectively), which are often associated with color processing. We found that, as in diurnal monkeys, there was a trend for cells of increasing fractal dimension with progression through these cortical areas. The increasing complexity paralleled a trend for increasing symmetry. That we found a similar trend in both diurnal and nocturnal monkeys suggests that it was a feature of a common anthropoid ancestor.

Agrupamento de dados visual interactivo

Com a crescente geração, armazenamento e disseminação da informação nos últimos anos, o anterior problema de falta de informação transformou-se num problema de extracção do conhecimento útil a partir da informação disponível. As representações visuais da informação abstracta têm sido utilizadas para auxiliar a interpretação os dados e para revelar padrões de outra forma escondidos. A visualização de informação procura aumentar a cognição humana aproveitando as capacidades visuais humanas, de forma a tornar perceptível a informação abstracta, fornecendo os meios necessários para que um humano possa absorver quantidades crescentes de informação, com as suas capacidades de percepção. O objectivo das técnicas de agrupamento de dados consiste na divisão de um conjunto de dados em vários grupos, em que dados semelhantes são colocados no mesmo grupo e dados dissemelhantes em grupos diferentes. Mais especificamente, o agrupamento de dados com restrições tem o intuito de incorporar conhecimento a priori no processo de agrupamento de dados, com o objectivo de aumentar a qualidade do agrupamento de dados e, simultaneamente, encontrar soluções apropriadas a tarefas e interesses específicos. Nesta dissertação é estudado a abordagem de Agrupamento de Dados Visual Interactivo que permite ao utilizador, através da interacção com uma representação visual da informação, incorporar o seu conhecimento prévio acerca do domínio de dados, de forma a influenciar o agrupamento resultante para satisfazer os seus objectivos. Esta abordagem combina e estende técnicas de visualização interactiva de informação, desenho de grafos de forças direccionadas e agrupamento de dados com restrições. Com o propósito de avaliar o desempenho de diferentes estratégias de interacção com o utilizador, são efectuados estudos comparativos utilizando conjuntos de dados sintéticos e reais.

Effects of emotional valence and three-dimensionality of visual stimuli on brain activation: an fMRI study

BACKGROUND: Examining changes in brain activation linked with emotion-inducing stimuli is essential to the study of emotions. Due to the ecological potential of techniques such as virtual reality (VR), inspection of whether brain activation in response to emotional stimuli can be modulated by the three-dimensional (3D) properties of the images is important. OBJECTIVE: The current study sought to test whether the activation of brain areas involved in the emotional processing of scenarios of different valences can be modulated by 3D. Therefore, the focus was made on the interaction effect between emotion-inducing stimuli of different emotional valences (pleasant, unpleasant and neutral valences) and visualization types (2D, 3D). However, main effects were also analyzed.METHODS: The effect of emotional valence and visualization types and their interaction were analyzed through a 3x2 repeated measures ANOVA. Post-hoc t-tests were performed under a ROI-analysis approach. RESULTS: The results show increased brain activation for the 3D affective-inducing stimuli in comparison with the same stimuli in 2D scenarios, mostly in cortical and subcortical regions that are related to emotional processing, in addition to visual processing regions. CONCLUSIONS: This study has the potential of clarify brain mechanisms involved in the processing of emotional stimuli (scenarios’ valence) and their interaction with three-dimensionality.

Visual functional analysis in medical imaging

Aims of study: 1) Describe the importance of human visual system on lesion detection in medical imaging perception research; 2) Discuss the relevance of research in medical imaging addressing visual function analysis; 3) Identify visual function tests which could be conducted on observers prior to participation in medical imaging perception research.

Visual binding abilities in the initial and advanced stages of schizophrenia

OBJECTIVE: The study tests the hypothesis that intramodal visual binding is disturbed in schizophrenia and should be detectable in all illness stages as a stable trait marker. METHOD: Three groups of patients (rehospitalized chronic schizophrenic, first admitted schizophrenic and schizotypal patients believed to be suffering from a pre-schizophrenic prodrome) and a group of normal control subjects were tested on three tasks targeting visual 'binding' abilities (Muller-Lyer's illusion and two figure detection tasks) in addition to control parameters such as reaction time, visual selective attention, Raven's test and two conventional cortical tasks of spatial working memory (SWM) and a global local test. RESULTS: Chronic patients had a decreased performance on the binding tests. Unexpectedly, the prodromal group exhibited an enhanced Gestalt extraction on these tests compared both to schizophrenic patients and to healthy subjects. Furthermore, chronic schizophrenia was associated with a poor performance on cortical tests of SWM, global local and on Raven. This association appears to be mediated by or linked to the chronicity of the illness. CONCLUSION: The study confirms a variety of neurocognitive deficits in schizophrenia which, however, in this sample seem to be linked to chronicity of illness. However, certain aspects of visual processing concerned with Gestalt extraction deserve attention as potential vulnerability- or prodrome- indicators. The initial hypothesis of the study is rejected.

Impaired early visual response modulations to spatial information in chronic schizophrenia.

Early visual processing stages have been demonstrated to be impaired in schizophrenia patients and their first-degree relatives. The amplitude and topography of the P1 component of the visual evoked potential (VEP) are both affected; the latter of which indicates alterations in active brain networks between populations. At least two issues remain unresolved. First, the specificity of this deficit (and suitability as an endophenotype) has yet to be established, with evidence for impaired P1 responses in other clinical populations. Second, it remains unknown whether schizophrenia patients exhibit intact functional modulation of the P1 VEP component; an aspect that may assist in distinguishing effects specific to schizophrenia. We applied electrical neuroimaging analyses to VEPs from chronic schizophrenia patients and healthy controls in response to variation in the parafoveal spatial extent of stimuli. Healthy controls demonstrated robust modulation of the VEP strength and topography as a function of the spatial extent of stimuli during the P1 component. By contrast, no such modulations were evident at early latencies in the responses from patients with schizophrenia. Source estimations localized these deficits to the left precuneus and medial inferior parietal cortex. These findings provide insights on potential underlying low-level impairments in schizophrenia.

Visual representation of food in the brain : effects of repeated exposure and gut hormone secretion

The thesis at hand is concerned with the spatio-temporal brain mechanisms of visual food perception as investigated by electrical neuroimaging. Due to the increasing prevalence of obesity and its associated challenges for public health care, there is a need to better understand behavioral and brain processes underlying food perception and food-based decision-making. The first study (Study A) of this thesis was concerned with the role of repeated exposure to visual food cues. In our everyday lives we constantly and repeatedly encounter food and these exposures influence our food choices and preferences. In Study A, we therefore applied electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials to investigate the spatio-temporal brain dynamics linked to the repeated viewing of high- and low-energy food cues (published manuscript: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). In this study, we found that repetitions differentially affect behavioral and brain mechanisms when high-energy, as opposed to low-energy foods and non-food control objects, were viewed. The representation of high-energy food remained invariant between initial and repeated exposures indicating that the sight of high-energy dense food induces less behavioral and neural adaptation than the sight of low-energy food and non-food control objects. We discuss this finding in the context of the higher salience (due to greater motivation and higher reward or hedonic valuation) of energy- dense food that likely generates a more mnemonically stable representation. In turn, this more invariant representation of energy-dense food is supposed to (partially) explain why these foods are over-consumed despite of detrimental health consequences. In Study Β we investigated food responsiveness in patients who had undergone Roux-en-Y gastric bypass surgery to overcome excessive obesity. This type of gastric bypass surgery is not only known to alter food appreciation, but also the secretion patterns of adipokines and gut peptides. Study Β aimed at a comprehensive and interdisciplinary investigation of differences along the gut-brain axis in bypass-operated patients as opposed to weight-matched non-operated controls. On the one hand, the spatio-temporal brain dynamics to the visual perception of high- vs. low-energy foods under differing states of motivation towards food intake (i.e. pre- and post-prandial) were assessed and compared between groups. On the other hand, peripheral gut hormone measures were taken in pre- and post-prandial nutrition state and compared between groups. In order to evaluate alterations in the responsiveness along the gut-brain-axis related to gastric bypass surgery, correlations between both measures were compared between both participant groups. The results revealed that Roux-en- Y gastric bypass surgery alters the spatio-temporal brain dynamics to the perception of high- and low-energy food cues, as well as the responsiveness along the gut-brain-axis. The potential role of these response alterations is discussed in relation to previously observed changes in physiological factors and food intake behavior post-Roux-en-Y gastric bypass surgery. By doing so, we highlight potential behavioral, neural and endocrine (i.e. gut hormone) targets for the future development of intervention strategies for deviant eating behavior and obesity. Together, the studies showed that the visual representation of foods in the brain is plastic and that modulations in neural activity are already noted at early stages of visual processing. Different factors of influence such as a repeated exposure, Roux-en-Y gastric bypass surgery, motivation (nutrition state), as well as the energy density of the visually perceived food were identified. En raison de la prévalence croissante de l'obésité et du défi que cela représente en matière de santé publique, une meilleure compréhension des processus comportementaux et cérébraux liés à la nourriture sont nécessaires. En particulier, cette thèse se concentre sur l'investigation des mécanismes cérébraux spatio-temporels liés à la perception visuelle de la nourriture. Nous sommes quotidiennement et répétitivement exposés à des images de nourriture. Ces expositions répétées influencent nos choix, ainsi que nos préférences alimentaires. La première étude (Study A) de cette thèse investigue donc l'impact de ces exposition répétée à des stimuli visuels de nourriture. En particulier, nous avons comparé la dynamique spatio-temporelle de l'activité cérébrale induite par une exposition répétée à des images de nourriture de haute densité et de basse densité énergétique. (Manuscrit publié: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). Dans cette étude, nous avons pu constater qu'une exposition répétée à des images représentant de la nourriture de haute densité énergétique, par opposition à de la nourriture de basse densité énergétique, affecte les mécanismes comportementaux et cérébraux de manière différente. En particulier, la représentation neurale des images de nourriture de haute densité énergétique est similaire lors de l'exposition initiale que lors de l'exposition répétée. Ceci indique que la perception d'images de nourriture de haute densité énergétique induit des adaptations comportementales et neurales de moindre ampleur par rapport à la perception d'images de nourriture de basse densité énergétique ou à la perception d'une « catégorie contrôle » d'objets qui ne sont pas de la nourriture. Notre discussion est orientée sur les notions prépondérantes de récompense et de motivation qui sont associées à la nourriture de haute densité énergétique. Nous suggérons que la nourriture de haute densité énergétique génère une représentation mémorielle plus stable et que ce mécanisme pourrait (partiellement) être sous-jacent au fait que la nourriture de haute densité énergétique soit préférentiellement consommée. Dans la deuxième étude (Study Β) menée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de perception de la nourriture chez des patients ayant subi un bypass gastrique Roux- en-Y, afin de réussir à perdre du poids et améliorer leur santé. Ce type de chirurgie est connu pour altérer la perception de la nourriture et le comportement alimentaire, mais également la sécrétion d'adipokines et de peptides gastriques. Dans une approche interdisciplinaire et globale, cette deuxième étude investigue donc les différences entre les patients opérés et des individus « contrôles » de poids similaire au niveau des interactions entre leur activité cérébrale et les mesures de leurs hormones gastriques. D'un côté, nous avons investigué la dynamique spatio-temporelle cérébrale de la perception visuelle de nourriture de haute et de basse densité énergétique dans deux états physiologiques différent (pre- et post-prandial). Et de l'autre, nous avons également investigué les mesures physiologiques des hormones gastriques. Ensuite, afin d'évaluer les altérations liées à l'intervention chirurgicale au niveau des interactions entre la réponse cérébrale et la sécrétion d'hormone, des corrélations entre ces deux mesures ont été comparées entre les deux groupes. Les résultats révèlent que l'intervention chirurgicale du bypass gastrique Roux-en-Y altère la dynamique spatio-temporelle de la perception visuelle de la nourriture de haute et de basse densité énergétique, ainsi que les interactions entre cette dernière et les mesures périphériques des hormones gastriques. Nous discutons le rôle potentiel de ces altérations en relation avec les modulations des facteurs physiologiques et les changements du comportement alimentaire préalablement déjà démontrés. De cette manière, nous identifions des cibles potentielles pour le développement de stratégies d'intervention future, au niveau comportemental, cérébral et endocrinien (hormones gastriques) en ce qui concerne les déviances du comportement alimentaire, dont l'obésité. Nos deux études réunies démontrent que la représentation visuelle de la nourriture dans le cerveau est plastique et que des modulations de l'activité neurale apparaissent déjà à un stade très précoce des mécanismes de perception visuelle. Différents facteurs d'influence comme une exposition repetee, le bypass gastrique Roux-en-Y, la motivation (état nutritionnel), ainsi que la densité énergétique de la nourriture qui est perçue ont pu être identifiés.

A neuropsychological instrument measuring age-related cerebral decline in older drivers: development, reliability, and validity of MedDrive.

When facing age-related cerebral decline, older adults are unequally affected by cognitive impairment without us knowing why. To explore underlying mechanisms and find possible solutions to maintain life-space mobility, there is a need for a standardized behavioral test that relates to behaviors in natural environments. The aim of the project described in this paper was therefore to provide a free, reliable, transparent, computer-based instrument capable of detecting age-related changes on visual processing and cortical functions for the purposes of research into human behavior in computational transportation science. After obtaining content validity, exploring psychometric properties of the developed tasks, we derived (Study 1) the scoring method for measuring cerebral decline on 106 older drivers aged ≥70 years attending a driving refresher course organized by the Swiss Automobile Association to test the instrument's validity against on-road driving performance (106 older drivers). We then validated the derived method on a new sample of 182 drivers (Study 2). We then measured the instrument's reliability having 17 healthy, young volunteers repeat all tests included in the instrument five times (Study 3) and explored the instrument's psychophysical underlying functions on 47 older drivers (Study 4). Finally, we tested the instrument's responsiveness to alcohol and effects on performance on a driving simulator in a randomized, double-blinded, placebo, crossover, dose-response, validation trial including 20 healthy, young volunteers (Study 5). The developed instrument revealed good psychometric properties related to processing speed. It was reliable (ICC = 0.853) and showed reasonable association to driving performance (R (2) = 0.053), and responded to blood alcohol concentrations of 0.5 g/L (p = 0.008). Our results suggest that MedDrive is capable of detecting age-related changes that affect processing speed. These changes nevertheless do not necessarily affect driving behavior.

Visual activity predicts auditory recovery from deafness after adult cochlear implantation.

Modern cochlear implantation technologies allow deaf patients to understand auditory speech; however, the implants deliver only a coarse auditory input and patients must use long-term adaptive processes to achieve coherent percepts. In adults with post-lingual deafness, the high progress of speech recovery is observed during the first year after cochlear implantation, but there is a large range of variability in the level of cochlear implant outcomes and the temporal evolution of recovery. It has been proposed that when profoundly deaf subjects receive a cochlear implant, the visual cross-modal reorganization of the brain is deleterious for auditory speech recovery. We tested this hypothesis in post-lingually deaf adults by analysing whether brain activity shortly after implantation correlated with the level of auditory recovery 6 months later. Based on brain activity induced by a speech-processing task, we found strong positive correlations in areas outside the auditory cortex. The highest positive correlations were found in the occipital cortex involved in visual processing, as well as in the posterior-temporal cortex known for audio-visual integration. The other area, which positively correlated with auditory speech recovery, was localized in the left inferior frontal area known for speech processing. Our results demonstrate that the visual modality's functional level is related to the proficiency level of auditory recovery. Based on the positive correlation of visual activity with auditory speech recovery, we suggest that visual modality may facilitate the perception of the word's auditory counterpart in communicative situations. The link demonstrated between visual activity and auditory speech perception indicates that visuoauditory synergy is crucial for cross-modal plasticity and fostering speech-comprehension recovery in adult cochlear-implanted deaf patients.

Cross-frequency coupling in EEG revealed by adaptive oscillation tracking.

Introduction: Neuronal oscillations have been the focus of increasing interest in the neuroscientific community, in part because they have been considered as a possible integrating mechanism through which internal states can influence stimulus processing in a top-down way (Engel et al., 2001). Moreover, increasing evidence indicates that oscillations in different frequency bands interact with one other through coupling mechanisms (Jensen and Colgin, 2007). The existence and the importance of these cross-frequency couplings during various tasks have been verified by recent studies (Canolty et al., 2006; Lakatos et al., 2007). In this study, we measure the strength and directionality of two types of couplings - phase-amplitude couplings and phase-phase couplings - between various bands in EEG data recorded during an illusory contour experiment that were identified using a recently-proposed adaptive frequency tracking algorithm (Van Zaen et al., 2010). Methods: The data used in this study have been taken from a previously published study examining the spatiotemporal mechanisms of illusory contour processing (Murray et al., 2002). The EEG in the present study were from a subset of nine subjects. Each stimulus was composed of 'pac-man' inducers presented in two orientations: IC, when an illusory contour was present, and NC, when no contour could be detected. The signals recorded by the electrodes P2, P4, P6, PO4 and PO6 were averaged, and filtered into the following bands: 4-8Hz, 8-12Hz, 15-25Hz, 35-45Hz, 45-55Hz, 55-65Hz and 65-75Hz. An adaptive frequency tracking algorithm (Van Zaen et al., 2010) was then applied in each band in order to extract the main oscillation and estimate its frequency. This additional step ensures that clean phase information is obtained when taking the Hilbert transform. The frequency estimated by the tracker was averaged over sliding windows and then used to compare the two conditions. Two types of cross-frequency couplings were considered: phase-amplitude couplings and phase-phase couplings. Both types were measured with the phase locking value (PLV, Lachaux et al., 1999) over sliding windows. The phase-amplitude couplings were computed with the phase of the low frequency oscillation and the phase of the amplitude of the high frequency one. Different coupling coefficients were used when measuring phase-phase couplings in order to estimate different m:n synchronizations (4:3, 3:2, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1 and 9:1) and to take into account the frequency differences across bands. Moreover, the direction of coupling was estimated with a directionality index (Bahraminasab et al., 2008). Finally, the two conditions IC and NC were compared with ANOVAs with 'subject' as a random effect and 'condition' as a fixed effect. Before computing the statistical tests, the PLV values were transformed into approximately normal variables (Penny et al., 2008). Results: When comparing the mean estimated frequency across conditions, a significant difference was found only in the 4-8Hz band, such that the frequency within this band was significantly higher for IC than NC stimuli starting at ~250ms post-stimulus onset (Fig. 1; solid line shows IC and dashed line NC). Significant differences in phase-amplitude couplings were obtained only when the 4-8 Hz band was taken as the low frequency band. Moreover, in all significant situations, the coupling strength is higher for the NC than IC condition. An example of significant difference between conditions is shown in Fig. 2 for the phase-amplitude coupling between the 4-8Hz and 55-65Hz bands (p-value in top panel and mean PLV values in the bottom panel). A decrease in coupling strength was observed shortly after stimulus onset for both conditions and was greater for the condition IC. This phenomenon was observed with all other frequency bands. The results obtained for the phase-phase couplings were more complex. As for the phase-amplitude couplings, all significant differences were obtained when the 4-8Hz band was considered as the low frequency band. The stimulus condition exhibiting the higher coupling strength depended on the ratio of the coupling coefficients. When this ratio was small, the IC condition exhibited the higher phase-phase coupling strength. When this ratio was large, the NC condition exhibited the higher coupling strength. Fig. 3 shows the phase-phase couplings between the 4-8Hz and 35-45Hz bands for the coupling coefficient 6:1, and the coupling strength was significantly higher for the IC than NC condition. By contrast, for the coupling coefficient 9:1 the NC condition gave the higher coupling strength (Fig. 4). Control analyses verified that it is not a consequence of the frequency difference between the two conditions in the 4-8Hz band. The directionality measures indicated a transfer of information from the low frequency components towards the high frequency ones. Conclusions: Adaptive tracking is a feasible method for EEG analyses, revealing information both about stimulus-related differences and coupling patterns across frequencies. Theta oscillations play a central role in illusory shape processing and more generally in visual processing. The presence vs. absence of illusory shapes was paralleled by faster theta oscillations. Phase-amplitude couplings were decreased more for IC than NC and might be due to a resetting mechanism. The complex patterns in phase-phase coupling between theta and beta/gamma suggest that the contribution of these oscillations to visual binding and stimulus processing are not as straightforward as conventionally held. Causality analyses further suggest that theta oscillations drive beta/gamma oscillations (see also Schroeder and Lakatos, 2009). The present findings highlight the need for applying more sophisticated signal analyses in order to establish a fuller understanding of the functional role of neural oscillations.

Contrast sensitivity to radial frequencies modulated by Jn and j n Bessel profiles

We measured human contrast sensitivity to radial frequencies modulated by cylindrical (Jo) and spherical (j o) Bessel profiles. We also measured responses to profiles of j o, j1, j2, j4, j8, and j16. Functions were measured three times by at least three of eight observers using a forced-choice method. The results conform to our expectations that sensitivity would be higher for cylindrical profiles. We also observed that contrast sensitivity is increased with the j n order for n greater than zero, having distinct orderly effects at the low and high frequency ends. For n = 0, 1, 2, and 4 sensitivity tended to occur around 0.8-1.0 cpd while for n = 8 and 16 it seemed to shift gradually to 0.8-3.0 cpd. We interpret these results as being consistent with the possibility that spatial frequency processing by the human visual system can be defined a priori in terms of polar coordinates and discuss its application to study face perception.

Mise à jour de la Base de Données Topographiques du Québec à l'aide d'images à très haute résolution spatiale et du progiciel Sigma0 : le cas des voies de communication

Le Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune (MRNF) a mandaté la compagnie de géomatique SYNETIX inc. de Montréal et le laboratoire de télédétection de l’Université de Montréal dans le but de développer une application dédiée à la détection automatique et la mise à jour du réseau routier des cartes topographiques à l’échelle 1 : 20 000 à partir de l’imagerie optique à haute résolution spatiale. À cette fin, les mandataires ont entrepris l’adaptation du progiciel SIGMA0 qu’ils avaient conjointement développé pour la mise à jour cartographique à partir d’images satellitales de résolution d’environ 5 mètres. Le produit dérivé de SIGMA0 fut un module nommé SIGMA-ROUTES dont le principe de détection des routes repose sur le balayage d’un filtre le long des vecteurs routiers de la cartographie existante. Les réponses du filtre sur des images couleurs à très haute résolution d’une grande complexité radiométrique (photographies aériennes) conduisent à l’assignation d’étiquettes selon l’état intact, suspect, disparu ou nouveau aux segments routiers repérés. L’objectif général de ce projet est d’évaluer la justesse de l’assignation des statuts ou états en quantifiant le rendement sur la base des distances totales détectées en conformité avec la référence ainsi qu’en procédant à une analyse spatiale des incohérences. La séquence des essais cible d’abord l’effet de la résolution sur le taux de conformité et dans un second temps, les gains escomptés par une succession de traitements de rehaussement destinée à rendre ces images plus propices à l’extraction du réseau routier. La démarche globale implique d’abord la caractérisation d’un site d’essai dans la région de Sherbrooke comportant 40 km de routes de diverses catégories allant du sentier boisé au large collecteur sur une superficie de 2,8 km2. Une carte de vérité terrain des voies de communication nous a permis d’établir des données de référence issues d’une détection visuelle à laquelle sont confrontés les résultats de détection de SIGMA-ROUTES. Nos résultats confirment que la complexité radiométrique des images à haute résolution en milieu urbain bénéficie des prétraitements telles que la segmentation et la compensation d’histogramme uniformisant les surfaces routières. On constate aussi que les performances présentent une hypersensibilité aux variations de résolution alors que le passage entre nos trois résolutions (84, 168 et 210 cm) altère le taux de détection de pratiquement 15% sur les distances totales en concordance avec la référence et segmente spatialement de longs vecteurs intacts en plusieurs portions alternant entre les statuts intact, suspect et disparu. La détection des routes existantes en conformité avec la référence a atteint 78% avec notre plus efficace combinaison de résolution et de prétraitements d’images. Des problèmes chroniques de détection ont été repérés dont la présence de plusieurs segments sans assignation et ignorés du processus. Il y a aussi une surestimation de fausses détections assignées suspectes alors qu’elles devraient être identifiées intactes. Nous estimons, sur la base des mesures linéaires et des analyses spatiales des détections que l’assignation du statut intact devrait atteindre 90% de conformité avec la référence après divers ajustements à l’algorithme. La détection des nouvelles routes fut un échec sans égard à la résolution ou au rehaussement d’image. La recherche des nouveaux segments qui s’appuie sur le repérage de points potentiels de début de nouvelles routes en connexion avec les routes existantes génère un emballement de fausses détections navigant entre les entités non-routières. En lien avec ces incohérences, nous avons isolé de nombreuses fausses détections de nouvelles routes générées parallèlement aux routes préalablement assignées intactes. Finalement, nous suggérons une procédure mettant à profit certaines images rehaussées tout en intégrant l’intervention humaine à quelques phases charnières du processus.

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.

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.