A Neural Model of 3D Shape-From-Texture: Multiple-Scale Filtering, Boundary Grouping, and Surface Filling-In

A neural model is presented of how cortical areas V1, V2, and V4 interact to convert a textured 2D image into a representation of curved 3D shape. Two basic problems are solved to achieve this: (1) Patterns of spatially discrete 2D texture elements are transformed into a spatially smooth surface representation of 3D shape. (2) Changes in the statistical properties of texture elements across space induce the perceived 3D shape of this surface representation. This is achieved in the model through multiple-scale filtering of a 2D image, followed by a cooperative-competitive grouping network that coherently binds texture elements into boundary webs at the appropriate depths using a scale-to-depth map and a subsequent depth competition stage. These boundary webs then gate filling-in of surface lightness signals in order to form a smooth 3D surface percept. The model quantitatively simulates challenging psychophysical data about perception of prolate ellipsoids (Todd and Akerstrom, 1987, J. Exp. Psych., 13, 242). In particular, the model represents a high degree of 3D curvature for a certain class of images, all of whose texture elements have the same degree of optical compression, in accordance with percepts of human observers. Simulations of 3D percepts of an elliptical cylinder, a slanted plane, and a photo of a golf ball are also presented.

Multi-Area Visuotopic Map Complexes in Macaque Striate and Extra-striate Cortex

We propose that a simple, closed-form mathematical expression--the Wedge-Dipole mapping--provides a concise approximation to the full-field, two-dimensional topographic structure of macaque V1, V2, and V3. A single map function, which we term a map complex, acts as a simultaneous descriptor of all three areas. Quantitative estimation of the Wedge-Dipole parameters is provided via 2DG data of central-field V1 topography and a publicly available data set of full-field macaque V1 and V2 topography. Good quantitative agreement is obtained between the data and the model presented here. The increasing importance of fMRI-based brain imaging motivates the development of more sophisticated two-dimensional models of cortical visuotopy, in contrast to the one-dimensional approximations that have been in common use. One reason is that topography has traditionally supplied an important aspect of "ground truth", or validation, for brain imaging, suggesting that further development of high-resolution fMRI will be facilitated by this data analysis. In addition, several important insights into the nature of cortical topography follows from this work. The presence of anisotropy in cortical magnification factor is shown to follow mathematically from the shared boundary conditions at the V1-V2 and V2-V3 borders, and therefore may not causally follow from the existence of columnar systems in these areas, as is widely assumed. An application of the Wedge-Dipole model to localizing aspects of visual processing to specific cortical areas--extending previous work in correlating V1 cortical magnification factor to retinal anatomy or visual psychophysics data--is briefly discussed.

Functional parcellation of attentional control regions of the brain.

Recently, a number of investigators have examined the neural loci of psychological processes enabling the control of visual spatial attention using cued-attention paradigms in combination with event-related functional magnetic resonance imaging. Findings from these studies have provided strong evidence for the involvement of a fronto-parietal network in attentional control. In the present study, we build upon this previous work to further investigate these attentional control systems. In particular, we employed additional controls for nonattentional sensory and interpretative aspects of cue processing to determine whether distinct regions in the fronto-parietal network are involved in different aspects of cue processing, such as cue-symbol interpretation and attentional orienting. In addition, we used shorter cue-target intervals that were closer to those used in the behavioral and event-related potential cueing literatures. Twenty participants performed a cued spatial attention task while brain activity was recorded with functional magnetic resonance imaging. We found functional specialization for different aspects of cue processing in the lateral and medial subregions of the frontal and parietal cortex. In particular, the medial subregions were more specific to the orienting of visual spatial attention, while the lateral subregions were associated with more general aspects of cue processing, such as cue-symbol interpretation. Additional cue-related effects included differential activations in midline frontal regions and pretarget enhancements in the thalamus and early visual cortical areas.

The frontal eye field sends predictively remapped visual signals to the superior colliculus

We perceive a stable visual world even though saccades often move our retinas. One way the brain may achieve a stable visual percept is through predictive remapping of visual receptive fields: just before a saccade, the receptive field of many neurons moves from its current location ("current receptive field") to the location it is expected to occupy after the saccade ("future receptive field"). Goldberg and colleagues found such remapping in cortical areas, e.g. in the frontal eye field (FEF), as well as in the intermediate layers of the superior colliculus (SC). In the present study we investigated the source of the SC's remapped visual signals. Do some of them come from the FEF? We identified FEF neurons that project to the SC using antidromic stimulation. For neurons with a visual response, we tested whether the receptive field shifted just prior to making a saccade. Saccadic amplitudes were chosen to be as small as possible while clearly separating the current and future receptive fields; they ranged from 5-30 deg. in amplitude and were directed contraversively. The saccadic target was a small red spot. We probed visual responsiveness at the current and future receptive field locations using a white spot flashed at various times before or after the saccade. Predictive remapping was indicated by a visual response to a probe flashed in the future receptive field just before the saccade began. We found that many FEF neurons projecting to the SC exhibited predictive remapping. Moreover, the remapping was as fast and strong as any previously reported for FEF or SC. It is clear, therefore, that remapped visual signals are sent from FEF to SC, providing direct evidence that the FEF is one source of the SC's remapped visual signals. Because remapping requires information about an imminent saccade, we hypothesize that remapping in FEF depends on corollary discharge signals such as those ascending from the SC through MD thalamus (Sommer and Wurtz 2002).

A voxel based morphometry study investigating brain structural changes in first episode psychosis.

Schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BP) are associated with neuropathological brain changes, which are believed to disrupt connectivity between brain processes and may have common properties. Patients at first psychotic episode are unique, as one can assess brain alterations at illness inception, when many confounders are reduced or absent. SCZ (N=25) and BP (N=24) patients were recruited in a regional first episode psychosis MRI study. VBM methods were used to study gray matter (GM) and white matter (WM) differences between patient groups and case by case matched controls. For both groups, deficits identified are more discrete than those typically reported in later stages of illness. SCZ patients showed some evidence of GM loss in cortical areas but most notable were in limbic structures such as hippocampus, thalamus and striatum and cerebellum. Consistent with disturbed neural connectivity WM alterations were also observed in limbic structures, the corpus callosum and many subgyral and sublobar regions in the parietal, temporal and frontal lobes. BP patients displayed less evidence of volume changes overall, compared to normal healthy participants, but those changes observed were primarily in WM areas which overlapped with regions identified in SCZ, including thalamus and cerebellum and subgyral and sublobar sites. At first episode of psychosis there is evidence of a neuroanatomical overlap between SCZ and BP with respect to brain structural changes, consistent with disturbed neural connectivity. There are also important differences however in that SCZ displays more extensive structural alteration.

Brain activity during ankle proprioceptive stimulation predicts balance performance in young and older adults

Proprioceptive information from the foot/ankle provides important information regarding body sway for balance control, especially in situations where visual information is degraded or absent. Given known increases in catastrophic injury due to falls with older age, understanding the neural basis of proprioceptive processing for balance control is particularly important for older adults. In the present study, we linked neural activity in response to stimulation of key foot proprioceptors (i.e., muscle spindles) with balance ability across the lifespan. Twenty young and 20 older human adults underwent proprioceptive mapping; foot tendon vibration was compared with vibration of a nearby bone in an fMRI environment to determine regions of the brain that were active in response to muscle spindle stimulation. Several body sway metrics were also calculated for the same participants on an eyes-closed balance task. Based on regression analyses, multiple clusters of voxels were identified showing a significant relationship between muscle spindle stimulation-induced neural activity and maximum center of pressure excursion in the anterior-posterior direction. In this case, increased activation was associated with greater balance performance in parietal, frontal, and insular cortical areas, as well as structures within the basal ganglia. These correlated regions were age- and foot-stimulation side-independent and largely localized to right-sided areas of the brain thought to be involved in monitoring stimulus-driven shifts of attention. These findings support the notion that, beyond fundamental peripheral reflex mechanisms, central processing of proprioceptive signals from the foot is critical for balance control.

Evidence for chronic morbillivirus infection in the Mediterranean striped dolphin (Stenella coeruleoalba)

In the summer of 1990 an epizootic infection caused by a morbillivirus (DMV) killed several thousand striped dolphins (Stenella coeruleoalba) in the Mediterranean Sea. In 1991 and 1992 the epizootic reached Italian and Greek waters. The infection by DMV in the acute period of the epizootic caused encephalitis, pneumonia and depletion of lymph nodes. After 1990, the systemic infection apparently disappeared from the Catalonian coast, giving way to cases of chronic infection of the CNS. Dolphins that died between 1991 and May 1994 were necropsied, and investigated for lesions due to DMV, and for the presence of morbillivirus antigen in tissues. Encephalitis occurred in 6 dolphins in which DMV antigen was demonstrated in the CNS and which were without lesions or antigen in other, non-nervous tissues. Inflammatory lesions, gliosis, and DMV antigen decreased in density and amount from cerebral grey matter, through the thalamic areas to the medulla oblongata. The cerebellum was usually spared. Lesions consisted of non-suppurative encephalitis, with diffuse gliosis and glial nodules and neuronophagia, and loss of neurons. Perivascular cuffing of lymphocytes and plasma cells was present in the cerebral cortex and the white matter beneath the cortex. Multinucleate syncytia were not detected in any of the dolphins. The haemagglutinin of DMV was detected mainly in neurons in the cerebral cortical areas. There was no clear relationship between the presence and amount of DMV antigen and the density or chronicity of lesions. Viral inclusions were seen in haematoxylin and eosin stained sections in 3/6 dolphins, principally in the nucleus and the cytoplasm of neurons. In the immunoperoxidase stained sections, dense granular deposits of chromogen, similar to viral inclusions, were evident in all 6 dolphins. The change in the distribution of lesions and of DMV antigen, from systemic to localized in the CNS, and the clustering of systemic DMV infections in the first four months of the epizootic, giving rise to sporadic occurrence of local CNS infection in the subsequent four years, as well as the chronic nature of the CNS lesions, which closely resembles subacute sclerosing panencephalitis, strongly support the existence of a chronic morbillivirus infection in the striped dolphin, as a delayed consequence of the 1990 epizootic.

Integrated multi-scale architecture of the cortex with application to computer vision

Tese de dout., Engenharia Electrónica e de Computadores, Faculdade de Ciência e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007

Étude du rôle de la dopamine et de la sérotonine dans l’effet atténuateur des antipsychotiques et de l’OSU-6162 sur la récompense induite par la stimulation du faisceau médian prosencéphalique chez le rongeur

La voie mésocorticolimbique est constitutée d’un ensemble d’éléments nerveux issus de l’aire tegmentaire ventrale mésencéphalique et projettant vers des régions corticales et sous-corticales. Les neurones à dopamine (DA) qui en font partie modulent plusieurs fonctions cognitives dont l’attention, l’apprentissage et la récompense. L’activité nerveuse des cellules à DA augmente lorsque l’organisme anticipe et reçoit une récompense, ainsi qu’au cours de la phase d’apprentissage des comportements d’appétence. Or, si l’activité dopaminergique de la voie mésocorticolimbique est désordonnée, voire aberrante, des stimuli neutres deviennent saillants et prennent une signification erronée. Cette anomalie fonctionnelle du système dopaminergique pourrait être à l’origine des symptômes psychotiques observés dans la schizophrénie. Cette hypothèse est renforcée par le fait que les médicaments antipsychotiques efficaces ont tous une activité antagoniste aux récepteurs à DA de type 2 (D2); les antipsychotiques dits classiques (i.e. halopéridole) possèdent une forte affinité pour les récepteurs D2 tandis que les antipsychotiques dits atypiques (i.e. clozapine) présentent une plus forte affinité pour les récepteurs à sérotonine de type 2a (5-HT2a) que pour les récepteurs D2. Les antipsychotiques atypiques semblent plus efficaces contre les symptômes négatifs (i.e. anhédonie) de la schizophrénie et induisent moins d’effets moteurs extrapyramidaux et de dysphorie que les antipsychotiques classiques. Il a été proposé que l’efficacité des antipsychotiques atypiques soit expliqué par leur double action antagoniste aux récepteurs 5-HT2a et D2. Afin de mieux comprendre les mécanismes de ces médicaments, nous avons étudié leurs effets sur la récompense en utilisant le modèle d’autostimulation intracérébrale (ASI) chez le rongeur. Le but de la première étude était d’évaluer l’effet d’un antagoniste sélectif des récepteurs 5-HT2a, le M100907, sur la récompense et sur l’atténuation de la récompense induite par l’halopéridole. L’hypothèse était que l’atténuation de la récompense induite par l’ajout du M100907 à l’halopéridole serait similaire à celle induite par la clozapine. Dans une seconde étude, l’effet sur la récompense d’un agoniste partiel aux récepteurs D2, l’OSU-6162, a été caractérisé sous deux conditions : i) en condition de base et ii) lorsque la neurotransmission dopaminergique est altérée par l’administration systémique de quinpirole, un agoniste des récepteurs D2/D3. Les hypothèses étaient que l’OSU-6162 i) atténuerait la récompense induite par la stimulation et ii) empêcherait l’atténuation et la facilitation de la récompense induites par le quinpirole. Les données obtenues montrent que le M100907 n’altère pas la récompense par lui-même mais réduit l’atténuation de la récompense induite par l’halopéridole. La co-administration du M100907 et de l’halopéridole induit une atténuation de la récompense d’amplitude similaire à celle induite par la clozapine, ce qui suggère que l’activité antagoniste aux récepteurs 5-HT2a de la clozapine contribue à son efficacité. Les données de la seconde étude montrent que l’OSU-6162 atténue la récompense, de manière dose-dépendante, ainsi que la facilitation, mais pas l’atténuation de la récompense induite par le quinpirole. Cette dernière observation suggère que l’OSU-6162 agit comme un antagoniste fonctionnel aux récepteurs D2 post-synaptiques. Un ensemble de données suggèrent que le comportement d’ASI constitue un modèle valide permettant d’évaluer l’efficacité antipsychotique potentielle de nouvelles molécules. Le comportement d’ASI est atténué par les antipsychotiques cliniquement efficaces mais est peu ou pas modifié par des molécules dépourvues d’activité antipsychotique. Les données obtenues dans cette thèse permettent de supposer que l’OSU-6162 possède une activité antipsychotique de nature atypique, et cela sans altérer la neurotransmission sérotoninergique.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Impact d’une sieste sur plasticité cérébrale induite par stimulation magnétique transcrânienne

Chez l’humain, différents protocoles de stimulation magnétique transcrânienne répétée (SMTr) peuvent être utilisés afin de manipuler expérimentalement la plasticité cérébrale au niveau du cortex moteur primaire (M1). Ces techniques ont permis de mieux comprendre le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité cérébrale. Récemment, une étude a montré que lorsqu’une première session de stimulation SMTr au niveau de M1 est suivie d’une nuit de sommeil, l’induction subséquente de la plasticité par une deuxième session SMTr est augmentée. La présente étude a investigué si ce type de métaplasticité pouvait également bénéficier d’une sieste diurne. Quatorze sujets en santé ont reçu deux sessions de intermittent theta burst stimulation (iTBS) connue pour son effet facilitateur sur l’excitabilité corticale. Les sessions de stimulation étaient séparées par une sieste de 90 minutes ou par une période équivalente d’éveil. L’excitabilité corticale était quantifiée en terme d’amplitude des potentiels évoqués moteurs (PEM) mesurés avant et après chaque session de iTBS. Les résultats montrent que la iTBS n’est pas parvenue à augmenter de manière robuste l’amplitude des PEMs lors de la première session de stimulation. Lors de la deuxième session de stimulation, la iTBS a produit des changements plastiques variables et ce peu importe si les sujets ont dormi ou pas. Les effets de la iTBS sur l’excitabilité corticale étaient marqués par une importante variabilité inter et intra-individuelle dont les possibles causes sont discutées.

Réorganisation neurofonctionnelle permettant le maintien des habiletés d’évocation lexicale lors du vieillissement

Le maintien de performances cognitives optimales au cours du vieillissement a été associé à des changements adaptatifs au niveau de l’activité cérébrale relative à diverses habiletés qui tendent à décliner avec l’âge. Peu d’études ont toutefois évalué cette réorganisation neurofonctionnelle dans le cadre des habiletés de communication, notamment en ce qui concerne le langage expressif. Or, considérant que plusieurs composantes langagières demeurent généralement intègres chez les aînés, il s’avère nécessaire d’explorer davantage les mécanismes cérébraux sous-jacents afin de mieux cerner les déterminants du vieillissement cognitif réussi. L’objectif de la présente thèse est d’examiner en détail les effets de l’âge sur les patrons d’activations et les interactions fonctionnelles entre les substrats neuraux contribuant aux habiletés de communication expressive. Deux études en neuroimagerie fonctionnelle, ayant recours à des approches méthodologiques distinctes, ont ainsi été menées à l’aide d’un paradigme mixte novateur et d’une tâche auto-rythmée d’évocation lexicale sémantique et orthographique, effectuée par des participants jeunes et âgés présentant plusieurs années de scolarisation. S’intéressant spécifiquement aux patrons d’activations associés à un rendement élevé à cette tâche, la première étude révèle que le maintien des habiletés d’évocation lexicale lors du vieillissement s’accompagne de changements neurofonctionnels superficiels chez les adultes âgés performants. Par contre, la seconde étude indique que les interactions fonctionnelles entre les régions corticales contribuant aux productions lexicales déclinent considérablement avec l’âge, sans qu’il y ait toutefois d’impact au plan comportemental. Cet effet du vieillissement sur l’intégration fonctionnelle du réseau de l’évocation sémantique et orthographique est aussi exacerbé par la difficulté de la tâche, ce qui s’exprime par des perturbations locales de la connectivité fonctionnelle. Somme toute, cette thèse démontre qu’une réorganisation neurofonctionnelle afin de maintenir les habiletés d’évocation lexicale au cours du vieillissement s’avère superflue chez les adultes âgés instruits et performants, et ce, malgré une diminution des interactions fonctionnelles au sein des réseaux corticaux sous-jacents. Ces résultats reflètent possiblement une perte d’efficience neurale avec l’âge, toutefois insuffisante pour avoir un impact comportemental chez des individus bénéficiant de facteurs de protection susceptibles de favoriser le vieillissement réussi, ce qui est discuté à la lumière du concept de réserve cognitive.

Traitement vocal et vieillissement normal : apports comportementaux et neurofonctionnels

La voix est tout sauf un stimulus auditif ordinaire. Pour cause, elle prend son importance de manière très précoce chez l’Homme lorsque, dans l’environnement amniotique, le fœtus entend pour la toute première fois la voix de sa mère. C’est en quelque sorte par l’intermédiaire de cette voix que les premiers contacts avec le monde extérieur, mais également avec l’Autre, s’effectuent. Le statut particulier de la voix humaine perdure au fil du développement, devenant plus tard le principal médium véhiculant le langage oral, si significatif pour l’Homme. En parallèle, et de manière tout aussi adaptative, elle permet la transmission d’informations non langagières renseignant sur l’identité, l’état émotionnel mais également le statut social de chaque individu. C’est ainsi que simplement en entendant la voix d’une personne inconnue, il est généralement possible d’en extrapoler son âge, son genre, mais également d’avoir une idée assez précise de l’état émotionnel dans lequel elle se trouve. Les capacités permettant d’extraire de la voix les divers éléments informationnels qu’elle contient ne seraient toutefois pas stables au fil du temps. Ainsi, le vieillissement normal semble associé à des difficultés de traitement des informations vocales de nature langagière, mais également non langagière. De nombreuses études se sont intéressées au déclin des capacités de traitement du discours avec l’âge. Beaucoup moins de travaux ont cependant considéré les conséquences du vieillissement sur le domaine paralinguistique et, lorsque des travaux s’y sont attardés, c’est essentiellement la sphère affective qui a été investiguée. En raison de ce peu d’études, mais également de leur focus portant spécifiquement sur la sphère émotionnelle, il est extrêmement ardu de généraliser les résultats obtenus au traitement vocal général. La présente thèse s’est donc intéressée aux capacités de traitement de la voix dans le vieillissement normal. La première étude de cette thèse (Article 1) avait pour objectif d’évaluer l’impact du vieillissement normal sur les capacités comportementales de traitement paralinguistique vocal non émotionnel. Pour ce faire, une batterie informatisée composée de quatre tâches a été élaborée : la batterie d’évaluation de la perception vocale (Batterie EPV; tâches de catégorisation de genre, de discrimination de sources sonores, adaptative de discrimination et de mémorisation). Cette batterie permettait de comparer les performances d’adultes jeunes et âgés lors du traitement de stimuli vocaux et non vocaux, mais également lors du traitement de divers stimuli vocaux. Cette première étude met en évidence, pour trois des quatre tâches comportementales, des performances inférieures chez les adultes âgés et ce, malgré le contrôle statistique des contributions du déclin auditif et cognitif. Pour les aînés, le traitement de stimuli vocaux, en comparaison au traitement de stimuli non vocaux, n’était toutefois pas systématiquement inférieur à celui des jeunes adultes. Sans que les performances ne puissent être prédites par la mesure cognitive utilisée comme covariable (performances au MoCA), il appert que les demandes cognitives inhérentes aux tâches participent à ces différences intergroupes. Le second article de ce travail visait quant à lui à explorer à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’influence du vieillissement normal sur les réseaux neuronaux sous-tendant le traitement de l’information vocale, une telle investigation n’ayant jamais été effectuée auparavant. Pour ce faire, une tâche d’écoute passive (permettant le contraste de blocs de sons vocaux et non vocaux) ainsi qu’une tâche adaptative de discrimination ont été utilisées. La tâche adaptative, basée sur une type de protocole psycoacoustique « up-down », assurait l’obtention de niveau de performance équivalent entre les deux groupes, une condition nécessaire pour la comparaison de groupe au niveau neurofonctionnel. La comparaison des adultes jeunes et âgés n’a mis en évidence aucune disparité quant au recrutement des aires répondant préférentiellement à la voix : les aires vocales temporales (AVT). Ce résultat suggère que l’âge n’affecte pas la mobilisation des aires spécialisées dans le traitement de la voix. Néanmoins, à l’extérieur des AVT et chez les aînés, le sous recrutement d’une portion du cortex auditif a été observé, en parallèle au recrutement additionnel de régions pariétale, temporale et frontale (Article 2 – Étude 1). Lors de la réalisation d’une tâche adaptative de discrimination, contrairement à ce qui était attendu, les seuils de discrimination des deux groupes d’âges étaient comparables. Pour effectuer la tâche, les participants âgés ont cependant recruté un réseau neuronal plus étendu que celui des jeunes adultes, et pour les aînés, l’activation additionnelle de régions frontale et temporale sous-tendaient la réalisation de la tâche (Article 2 - Étude 2). Les données comportementales présentées dans cette thèse suggèrent que l’effet délétère que semble avoir le vieillissement normal sur les capacités de traitement paralinguistique vocal affectif est également retrouvé lors du traitement d’informations vocales émotionnellement neutres. En parallèle, la mise en place de phénomènes de plasticité cérébrale est objectivée. Ces derniers ne toucheraient cependant pas les réseaux spécialisés dans le traitement de la voix, qui seraient recrutés de manière comparable par les adultes jeunes et âgés. Néanmoins, la tâche d’écoute passive a mis en évidence la présence, chez les aînés, du recrutement sous-optimal d’une portion du cortex auditif (gyrus temporal transverse). En parallèle, et ce pour les deux tâches, des réseaux neuronaux surnuméraires étaient sollicitées par les adultes âgés, permettant potentiellement d’assurer, chez les ainés, le maintien de performances adéquates.

Changements corticaux et sous-corticaux des événements du sommeil lent au cours du vieillissement

Les avancées techniques et méthodologiques de la neuroscience ont permis de caractériser le sommeil comme un état actif et dynamique où des événements neuronaux cohésifs organisent les fonctions cérébrales. Les fuseaux de sommeil et les ondes lentes sont les marqueurs électroencéphalographiques de ces événements, et la mesure de leurs paramètres reflète et nuance les interactions neuronales à l’oeuvre pendant le sommeil lent. Considérant leur implication dans les fonctions hypniques et cognitives, les événements du sommeil lent sont particulièrement pertinents à l’étude du vieillissement, où l’intégrité de ces fonctions est mise au défi. Le vieillissement normal s’accompagne non seulement de réductions importantes des paramètres composant les événements du sommeil lent, mais aussi de modifications précises de l’intégrité anatomique et fonctionnelle du cerveau. Récemment, les études ont souligné la régulation locale des événements du sommeil lent, dont l’évolution avec l’âge demeure toutefois peu explorée. Le présent ouvrage se propose de documenter les liens unissant la neurophysiologie du sommeil, le vieillissement normal et l’activité régionale du cerveau par l’évaluation topographique et hémodynamique des événements du sommeil lent au cours du vieillissement. Dans une première étude, la densité, la durée, l’amplitude et la fréquence des fuseaux de sommeil ont été évaluées chez trois groupes d’âge au moyen de l’analyse topographique et paramétrique de l’électroencéphalogramme. Dans une seconde étude, les variations hémodynamiques associées à l’occurrence et modulées par l’amplitude des ondes lentes ont été évaluées chez deux groupes d’âge au moyen de l’électroencéphalographie combinée à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Globalement, les résultats obtenus ont indiqué : 1) une dichotomie des aires corticales antérieures et postérieures quant aux effets d’âge sur les paramètres des fuseaux de sommeil; 2) des variations de la réponse hémodynamique associées aux ondes lentes dans une diversité de régions corticales et sous-corticales chez les personnes âgées. Ces résultats suggèrent la réorganisation fonctionnelle de l’activité neuronale en sommeil lent à travers l’âge adulte, soulignent l’utilité et la sensibilité des événements du sommeil lent comme marqueurs de vieillissement cérébral, et encouragent la recherche sur l’évolution des mécanismes de plasticité synaptique, de récupération cellulaire et de consolidation du sommeil avec l’âge.

Biologically Plausible Neural Model for the Recognition of Biological Motion and Actions

The visual recognition of complex movements and actions is crucial for communication and survival in many species. Remarkable sensitivity and robustness of biological motion perception have been demonstrated in psychophysical experiments. In recent years, neurons and cortical areas involved in action recognition have been identified in neurophysiological and imaging studies. However, the detailed neural mechanisms that underlie the recognition of such complex movement patterns remain largely unknown. This paper reviews the experimental results and summarizes them in terms of a biologically plausible neural model. The model is based on the key assumption that action recognition is based on learned prototypical patterns and exploits information from the ventral and the dorsal pathway. The model makes specific predictions that motivate new experiments.