The role of medial parieto occipital cortex in visuospatial attention and reach planning: electrophysiological studies in human and non-human primates

We usually perform actions in a dynamic environment and changes in the location of a target for an upcoming action require both covert shifts of attention and motor planning update. In this study we tested whether, similarly to oculomotor areas that provide signals for overt and covert attention shifts, covert attention shifts modulate activity in cortical area V6A, which provides a bridge between visual signals and arm-motor control. We performed single cell recordings in monkeys trained to fixate straight-ahead while shifting attention outward to a peripheral cue and inward again to the fixation point. We found that neurons in V6A are influenced by spatial attention demonstrating that visual, motor, and attentional responses can occur in combination in single neurons of V6A. This modulation in an area primarily involved in visuo-motor transformation for reaching suggests that also reach-related regions could directly contribute in the shifts of spatial attention necessary to plan and control goal-directed arm movements. Moreover, to test whether V6A is causally involved in these processes, we have performed a human study using on-line repetitive transcranial magnetic stimulation over the putative human V6A (pV6A) during an attention and a reaching task requiring covert shifts of attention and reaching movements towards cued targets in space. We demonstrate that the pV6A is causally involved in attention reorienting to target detection and that this process interferes with the execution of reaching movements towards unattended targets. The current findings suggest the direct involvement of the action-related dorso-medial visual stream in attentional processes, and a more specific role of V6A in attention reorienting. Therefore, we propose that attention signals are used by the V6A to rapidly update the current motor plan or the ongoing action when a behaviorally relevant object unexpectedly appears at an unattended location.

Hemispheric asymmetry in visuospatial attention assessed with transcranial magnetic stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to study visuospatial attention processing in ten healthy volunteers. In a forced choice recognition task the subjects were confronted with two symbols simultaneously presented during 120 ms at random positions, one in the left and the other in the right visual field. The subject had to identify the presented pattern out of four possible combinations and to press the corresponding response key within 2 s. Double-pulse TMS (dTMS) with a 100-ms interstimulus interval (ISI) and an intensity of 80% of the stimulator output (corresponding to 110-120% of the motor threshold) was applied by a non-focal coil over the right or left posterior parietal cortex (PPC, corresponding to P3/P4 of the international 10-20 system) at different time intervals after onset of the visual stimulus (starting at 120 ms, 270 ms and 520 ms). Double-pulse TMS over the right PPC starting at 270 ms led to a significant increase in percentage of errors in the contralateral, left visual field (median: 23% with TMS vs 13% without TMS, P=0.0025). TMS applied earlier or later showed no effect. Furthermore, no significant increase in contra- or ipsilateral percentage of errors was found when the left parietal cortex was stimulated with the same timing. These data indicate that: (1) parietal influence on visuospatial attention is mainly controlled by the right lobe since the same stimulation over the left parietal cortex had no significant effect, and (2) there is a vulnerable time window to disturb this cortical process, since dTMS had a significant effect on the percentage of errors in the contralateral visual hemifield only when applied 270 ms after visual stimulus presentation.

Activation in mesolimbic and visuospatial neural circuits elicited by smoking cues: evidence from functional magnetic resonance imaging.

OBJECTIVE: The authors sought to increase understanding of the brain mechanisms involved in cigarette addiction by identifying neural substrates modulated by visual smoking cues in nicotine-deprived smokers. METHOD: Event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to detect brain activation after exposure to smoking-related images in a group of nicotine-deprived smokers and a nonsmoking comparison group. Subjects viewed a pseudo-random sequence of smoking images, neutral nonsmoking images, and rare targets (photographs of animals). Subjects pressed a button whenever a rare target appeared. RESULTS: In smokers, the fMRI signal was greater after exposure to smoking-related images than after exposure to neutral images in mesolimbic dopamine reward circuits known to be activated by addictive drugs (right posterior amygdala, posterior hippocampus, ventral tegmental area, and medial thalamus) as well as in areas related to visuospatial attention (bilateral prefrontal and parietal cortex and right fusiform gyrus). In nonsmokers, no significant differences in fMRI signal following exposure to smoking-related and neutral images were detected. In most regions studied, both subject groups showed greater activation following presentation of rare target images than after exposure to neutral images. CONCLUSIONS: In nicotine-deprived smokers, both reward and attention circuits were activated by exposure to smoking-related images. Smoking cues are processed like rare targets in that they activate attentional regions. These cues are also processed like addictive drugs in that they activate mesolimbic reward regions.

L'incidence de l'alternance des taches sur les processus de l'attention : indices électrophysiologiques chez l'humain.

Connue pour augmenter les temps de réponse et les erreurs, l’alternance des tâches est considérée par les industriels comme un point de friction humain depuis plusieurs décennies. Pourtant malgré l’important nombre d’études sur l’alternance des tâches, peu s'intéressent à l'électrophysiologie humaine et au déploiement de l’attention visuospatiale. Le travail qui suit décrit notre incursion destinée à approfondir les connaissances autant sur les paradigmes d’alternance de tâche que les composantes électrophysiologiques typiquement reliées au déploiement de l’attention visuospatiale telles la N2pc ou la Ppc récemment décrite par Corriveau et al. (2012). Afin d’examiner les modulations des composantes électrophysiologiques sus nommées en fonction des coûts d’alternance, un paradigme d’alternance des tâches regroupant des blocs mixtes (avec alternance) et des blocs purs (sans alternance) a été utilisé. Les résultats démontrent un impact du coût d’alternance sur la latence de la N2pc, ce qui reflète comme attendu d’un processus de contrôle cognitif descendant sur la sélection attentionnelle visospatiale. De manière plus surprenante, des modulations de Ppc ont été observées, tandis que cette composante était jusqu’alors comprise comme une composante principalement reliée à une activité ascendante de bas niveau de traitement. Cette modulation de Ppc suggère l'existence d’un autre mécanisme de modulation attentionnelle antérieur à la N2pc.

Endogenous-like orienting of visual attention in rats

This study investigated the orienting of visual attention in rats using a 3-hole nose-poke task analogous to Posner, Information processing in cognition: the Loyola Symposium, Erlbaum, Hillsdale, (1980) covert attention task for humans. The effects of non-predictive (50% valid and 50% invalid) and predictive (80% valid and 20% invalid) peripheral visual cues on reaction times and response accuracy to a target stimulus, using Stimuli-Onset Asynchronies (SOAs) varying between 200 and 1,200 ms, were investigated. The results showed shorter reaction times in valid trials relative to invalid trials for both subjects trained in the non-predictive and predictive conditions, particularly when the SOAs were 200 and 400 ms. However, the magnitude of this validity effect was significantly greater for subjects exposed to predictive cues, when the SOA was 800 ms. Subjects exposed to invalid predictive cues exhibited an increase in omission errors relative to subjects exposed to invalid non-predictive cues. In contrast, valid cues reduced the proportion of omission errors for subjects trained in the predictive condition relative to subjects trained in the non-predictive condition. These results are congruent with those usually reported for humans and indicate that, in addition to the exogenous capture of attention promoted by both predictive and non-predictive peripheral cues, rats exposed to predictive cues engaged an additional slower process equivalent to human`s endogenous orienting of attention. To our knowledge, this is the first demonstration of an endogenous-like process of covert orienting of visual attention in rats.

Automatic attention lateral asymmetry in visual discrimination tasks

There is evidence that automatic visual attention favors the right side. This study investigated whether this lateral asymmetry interacts with the right hemisphere dominance for visual location processing and left hemisphere dominance for visual shape processing. Volunteers were tested in a location discrimination task and a shape discrimination task. The target stimuli (S2) could occur in the left or right hemifield. They were preceded by an ipsilateral, contralateral or bilateral prime stimulus (S1). The attentional effect produced by the right S1 was larger than that produced by the left S1. This lateral asymmetry was similar between the two tasks suggesting that the hemispheric asymmetries of visual mechanisms do not contribute to it. The finding that it was basically due to a longer reaction time to the left S2 than to the right S2 for the contralateral S1 condition suggests that the inhibitory component of attention is laterally asymmetric.

Absence of placeholders abolishes exogenous attention effect in a peripheral cueing procedure

Most studies of exogenous visuospatial attention use placeholders indicating the regions where the stimuli appear on the screen. Preliminary results from our laboratory provided evidence that the attentional effect is more frequently observed when placeholders are used in these experimental procedures. Four experiments were carried out. Experiment 1 aimed at confirming the finding that the attentional effect of a spatially non-informative cue (S1) observed in the presence of placeholders disappears in their absence. The results confirmed this finding. Experiments 2, 3, and 4 examined several possible processes that could explain this finding. Experiment 2 investigated if the contribution of a faster disengagement of attention from the cued location or a stronger forward masking could explain the absence of attentional effect when no placeholders were used. Experiment 3 investigated if increased difficulty in discrimination of the target (S2) from S1 would favor the appearance of the attentional effect in the absence of placeholders. Experiment 4 investigated if an insufficient focusing of attention towards the cued location could explain the absence of attentional effect when no placeholders were used. The results of the three experiments indicated that placeholders act by reducing the discriminability of the S2. This would presumably lead to the adoption of an attentional set that favors the mobilization of attention by the S1

Human brain regions required for the dividing and switching of attention between two features of a single object

This combined PET and ERP study was designed to identify the brain regions activated in switching and divided attention between different features of a single object using matched sensory stimuli and motor response. The ERP data have previously been reported in this journal [64]. We now present the corresponding PET data. We identified partially overlapping neural networks with paradigms requiring the switching or dividing of attention between the elements of complex visual stimuli. Regions of activation were found in the prefrontal and temporal cortices and cerebellum. Each task resulted in different prefrontal cortical regions of activation lending support to the functional subspecialisation of the prefrontal and temporal cortices being based on the cognitive operations required rather than the stimuli themselves. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Pseudoneglect and visual attention networks

Pseudoneglect represents the tendency for healthy individuals to show a slight but consistent bias in favour of stimuli appearing in the left visual field. The bias is often measured using variants of the line bisection task. An accurate model of the functional architecture of the visuospatial attention system must account for this widely observed phenomenon, as well as for modulation of the direction and magnitude of the bias within individuals by a variety of factors relating to the state of the participant and/or stimulus characteristics. To date, the neural correlates of pseudoneglect remain relatively unmapped. In the current thesis, I employed a combination of psychophysical measurements, electroencephalography (EEG) recording and transcranial direct current stimulation (tDCS) in an attempt to probe the neural generator(s) of pseudoneglect. In particular, I wished to utilise and investigate some of the factors known to modulate the bias (including age, time-on-task and the length of the to-be-bisected line) in order to identify neural processes and activity that are necessary and sufficient for the lateralized bias to arise. Across four experiments utilising a computerized version of a perceptual line bisection task, pseudoneglect was consistently observed at baseline in healthy young participants. However, decreased line length (experiments 1, 2 and 3), time-on-task (experiment 1) and healthy aging (experiment 3) were all found to modulate the bias. Specifically, all three modulations induced a rightward shift in subjective midpoint estimation. Additionally, the line length and time-on-task effects (experiment 1) and the line length and aging effects (experiment 3) were found to have additive relationships. In experiment 2, EEG measurements revealed the line length effect to be reflected in neural activity 100 – 200ms post-stimulus onset over source estimated posterior regions of the right hemisphere (RH: temporo-parietal junction (TPJ)). Long lines induced a hemispheric asymmetry in processing (in favour of the RH) during this period that was absent in short lines. In experiment 4, bi-parietal tDCS (Left Anodal/Right Cathodal) induced a polarity-specific rightward shift in bias, highlighting the crucial role played by parietal cortex in the genesis of pseudoneglect. The opposite polarity (Left Cathodal/Right Anodal) did not induce a change in bias. The combined results from the four experiments of the current thesis provide converging evidence as to the crucial role played by the RH in the genesis of pseudoneglect and in the processing of visual input more generally. The reduction in pseudoneglect with decreased line length, increased time-on-task and healthy aging may be explained by a reduction in RH function, and hence contribution to task processing, induced by each of these modulations. I discuss how behavioural and neuroimaging studies of pseudoneglect (and its various modulators) can provide empirical data upon which accurate formal models of visuospatial attention networks may be based and further tested.

Mapping and modulating spatial attention asymmetries in young and older adults

Healthy young adults demonstrate a group-level, systematic preference for stimuli presented in the left side of space relative to the right (‘pseudoneglect’) (Bowers & Heilman, 1980). This results in an overestimation of features such as size, brightness, numerosity and spatial frequency in the left hemispace, probably as a result of right cerebral hemisphere dominance for visuospatial attention. This spatial attention asymmetry is reduced in the healthy older population, and can be shifted entirely into right hemispace under certain conditions. Although this rightward shift has been consistently documented in behavioural experiments, there is very little neuroimaging evidence to explain this effect at a neuroanatomical level. In this thesis, I used behavioural methodology and electroencephalography (EEG) to map spatial attention asymmetries in young and older adults. I then use transcranial direct current stimulation (tDCS) to modulate these spatial biases, with the aim of assessing age-related differences in response to tDCS. In the first of three experiments presented in this thesis, I report in Chapter Two that five different spatial attention tasks provide consistent intra-task measures of spatial bias in young adults across two testing days. There were, however, no inter-task correlations between the five tasks, indicating that pseudoneglect is at least partially driven by task-dependent patterns of neural activity. In Chapter Three, anodal tDCS was applied separately to the left (P5) and right (P6) posterior parietal cortex (PPC) in young and older adults, with an aim to improve the detection of stimuli appearing in the contralateral visual field. There were no age differences in response to tDCS, but there were significant differences depending on baseline performance. Relative to a sham tDCS protocol, tDCS applied to the right PPC resulted in maintained visual detection across both visual fields in adults who were good at the task at baseline. In contrast, left PPC tDCS resulted in reduced detection sensitivity across both visual fields in poor performers. Finally, in Chapter Four, I report a right-hemisphere lateralisation of EEG activity in young adults that was present for long (but not short) landmark task lines. In contrast, older adults demonstrated no lateralised activity for either line length, thus providing novel evidence of an age-related reduction of hemispheric asymmetry in older adults. The results of this thesis provide evidence of a highly complex set of factors that underlie spatial attention asymmetries in healthy young and older adults.

Suivez le guide : études comportementales et électrophysiologiques du rôle des contrôles attentionnels descendants dans le déploiement de l’attention visuospatiale

La capture contingente de l’attention est un phénomène dans lequel les mécanismes d’orientation endogène et exogène de l’attention interagissent, de sorte qu’une propriété qui est pertinente à la tâche en cours, et donc qui fait l’objet de contrôles attentionnels descendants, endogènes, capture l’attention de façon involontaire, exogène, vers sa position spatiale. Dans cette thèse, trois aspects de ce phénomène ont été étudiés. Premièrement, en explorant le décours temporel de la capture contingente de l’attention et la réponse électrophysiologique à des distracteurs capturant ainsi l’attention, il a été établi que le déficit comportemental symptomatique de cette forme de capture était lié à un déploiement de l’attention visuospatiale vers la position du distracteur, et que ce traitement spatialement sélectif pouvait être modulé par le partage d’autres propriétés entre le distracteur et la cible. Deuxièmement, l’utilisation des potentiels liés aux événements a permis de dissocier l’hypothèse de capture contingente de l’attention et l’hypothèse de capture pure de l’attention. Selon cette interprétation, un stimulus ne peut capturer l’attention aux stades préattentifs de traitement que s’il présente le plus fort signal ascendant parmi tous les stimuli présents. Les contrôles attentionnels descendants ne serviraient donc qu’à désengager l’attention d’un tel stimulus. Les résultats présentés ici vont à l’encontre d’une telle interprétation, puisqu’un déploiement de l’attention visuospatiale, indexé par la présence d’une N2pc, n’a été observé que lorsqu’un distracteur périphérique possédait une caractéristique pertinente à la tâche en cours, même lorsque ses propriétés de bas niveau n’étaient pas plus saillantes que celles des autres items présents. Finalement, en utilisant un paradigme où la cible était définie en fonction de son appartenance à une catégorie alphanumérique, il a été démontré que des contrôles attentionnels en faveur d’un attribut conceptuel pouvaient guider l’attention visuospatiale de façon involontaire, rejetant une nouvelle fois l’hypothèse de la capture pure de l’attention.

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.

Effets du vieillissement sur les index électrophysiologiques de l’évaluation des relations spatiales en mémoire de travail visuelle

Le processus de vieillissement humain est un processus complexe qui varie grandement d’une personne à l’autre. Malgré l’ampleur des recherches faites sur le sujet, il reste encore beaucoup à explorer et à comprendre. Cette thèse propose trois expériences qui nous permettent d’améliorer notre compréhension des changements qui s’opèrent dans la mémoire de travail visuelle et l’attention visuospatiale avec la prise en âge. La première expérience propose d’examiner les changements dans les capacités de mémoire de travail visuelle entre des jeunes adultes, des adultes âgés sains et des personnes atteintes de trouble cognitif léger (TCL). De plus, grâce à un suivi fait avec les personnes ayant un TCL, nous avons pu examiner si des différences existaient au niveau comportemental entre les âgés qui ont déclinés vers un type de démence et ceux dont l’état est resté stable. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour étudier les effets du vieillissement sur le cerveau. Les tests neuropsychologiques et les tâches comportementales présentées dans la première expérience en sont un exemple. La neuroimagerie peut aussi s’avérer particulièrement utile. En effet, certaines mesures électrophysiologiques, aussi appelées potentiels reliés aux évènements (PRE), sont associées à des fonctions cognitives précises. Ces composantes nous permettent de suivre ces processus et d’observer les modulations causées par les caractéristiques des stimuli ou l’âge par exemple. C’est le cas de la N2pc (négativité 2 postérieure controlatérale) et de la SPCN (sustained posterior contralateral negativity), des composantes électrophysiologiques liées respectivement à l’attention visuospatiale et la mémoire de travail visuelle. On connait bien ces deux composantes ainsi que les facteurs qui les modulent, or elles sont peu utilisées pour les changements qui occurrent dans l’attention et la mémoire de travail visuelle dans le cadre du processus de vieillissement. Les deuxième et troisième expériences proposent d’utiliser une tâche de recherche visuelle (nombre d’items de couleur et identification d’une relation spatiale entre deux items de couleur) afin d’explorer les changements observables sur ces composantes électrophysiologiques. La deuxième expérience examine l’efficacité d’un paradigme à présentations multiples (‘multiple frame’) afin de mesurer la N2pc et la SPCN chez de jeunes adultes. La troisième expérience a pour but d’examiner les effets du vieillissement normal sur l’amplitude et la latence de la N2pc et la SPCN en utilisant le même type de tâche de recherche visuelle.

La neurotoxicité développementale associée au méthylmercure, au plomb et aux biphényles polychlorés : l’attention et le traitement visuel à l’étude

L’influence des contaminants environnementaux (CE) a été largement étudié en contexte d’exposition aigüe et d’intoxication. Qu’en est-il d’une exposition chronique à plus faibles doses sur le développement cognitif et sensoriel des enfants? Les études longitudinales de la présente thèse ont été réalisées au Nunavik. Bien que géographiquement éloignée des centres industriels, la communauté inuite est exposée aux CE via leur transport par les courants atmosphériques et océaniques ainsi que par leur bioaccumulation dans le poisson et les mammifères marins. Puisque l’alimentation autochtone traditionnelle, notamment la chair de béluga, est encore fréquemment consommée par la communauté, une proportion substantielle d’enfants inuits est exposée in utero aux CE. Ceux-ci sont également continuellement exposés à ces agents neurotoxiques durant leur développement postnatal. Or, la variation considérable dans l’adoption de l’alimentation traditionnelle au sein de la communauté représente une opportunité pour étudier la relation entre les niveaux d’exposition aux CE et le développement cognitif et sensoriel des enfants. Bien que certains déficits aient déjà été mis en lien avec l’exposition chronique aux CE dans la littérature, la présente thèse s’intéressa à cette relation plus spécifiquement chez les enfants inuits vivant dans le Grand Nord et plus exposés aux CE en raison de leur alimentation. Par ailleurs, les protocoles qui ont été développés pour cette thèse permettront d’évaluer des aspects qui ont été peu étudiés en lien avec les CE, soit l’attention visuospatiale et le traitement visuel cérébral précoce. Dans le premier volet de cette thèse, la relation entre trois CE et l’attention visuospatiale a été étudiée à l’aide d’une version adaptée de la tâche de Posner (M.I. Posner et al., 1980). Cette tâche psychophysique a été administrée à des enfants inuits (âge moyen = 11.2 ans) dont les niveaux d’exposition au mercure (Hg), au plomb (Pb) et aux biphényles polychlorés (BPCs) ont été documentés durant les périodes pré et postnatale. Les expositions in utero au Pb et aux BPCs ont été significativement associées à de l’impulsivité et de l’inattention, respectivement, alors que l’exposition postnatale au Pb a été associée à des temps de réaction plus longs. Bien qu’aucune relation spécifique avec l’attention visuospatiale n’ait été trouvée, les résultats de cette étude suggèrent que l’exposition aux CE est associée à une diminution des capacités attentionnelles générales chez les enfants résidant au Nunavik. Dans le second volet, le traitement cérébral précoce de l’information visuelle a été examiné à l’aide de potentiels évoqués visuels auprès d’enfants de la même communauté (âge moyen = 10.9 ans). La concentration de Hg dans le sang de cordon ombilical mesurée à la naissance a été associée à une réduction de l’amplitude et à une augmentation de la latence de la composante N75. L’exposition prénatale au Pb a quant à elle été associée à un délai dans la latence de la composante N150. Les résultats obtenus suggèrent ainsi que l’exposition aux métaux lourds, en particulier durant la période gestationnelle, serait associée à des altérations dans le développement visuel. Les résultats présentés dans cette thèse soutiennent l’hypothèse selon laquelle le cerveau en développement est vulnérable lors d’une exposition chronique aux CE, et cela même à des niveaux de concentration inférieurs aux limites recommandées par les organismes de santé publique. Les résultats permettent également d’apporter un éclairage nouveau sur les déficits cognitifs et sensoriels associés aux CE.

Gaze fixations predict brain activation during the voluntary regulation of picture-induced negative affect

Recent studies have identified a distributed network of brain regions thought to support cognitive reappraisal processes underlying emotion regulation in response to affective images, including parieto-temporal regions and lateral/medial regions of prefrontal cortex (PFC). A number of these commonly activated regions are also known to underlie visuospatial attention and oculomotor control, which raises the possibility that people use attentional redeployment rather than, or in addition to, reappraisal as a strategy to regulate emotion. We predicted that a significant portion of the observed variance in brain activation during emotion regulation tasks would be associated with differences in how participants visually scan the images while regulating their emotions. We recorded brain activation using fMRI and quantified patterns of gaze fixation while participants increased or decreased their affective response to a set of affective images. fMRI results replicated previous findings on emotion regulation with regulation differences reflected in regions of PFC and the amygdala. In addition, our gaze fixation data revealed that when regulating, individuals changed their gaze patterns relative to a control condition. Furthermore, this variation in gaze fixation accounted for substantial amounts of variance in brain activation. These data point to the importance of controlling for gaze fixation in studies of emotion regulation that use visual stimuli.