Les stimuli naturels projetés sur nos rétines nous fournissent de l’information visuelle riche. Cette information varie le long de propriétés de « bas niveau » telles que la luminance, le contraste, et les fréquences spatiales. Alors qu’une partie de cette information atteint notre conscience, une autre partie est traitée dans le cerveau sans que nous en soyons conscients. Les propriétés de l’information influençant l’activité cérébrale et le comportement de manière consciente versus non-consciente demeurent toutefois peu connues. Cette question a été examinée dans les deux derniers articles de la présente thèse, en exploitant les techniques psychophysiques développées dans les deux premiers articles. Le premier article présente la boîte à outils SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization), développée afin de permettre le contrôle des propriétés de bas niveau de l'image dans MATLAB. Le deuxième article décrit et valide la technique dite des bulles fréquentielles, qui a été utilisée tout au long des études de cette thèse pour révéler les fréquences spatiales utilisées dans diverses tâches de perception des visages. Cette technique offre les avantages d’une haute résolution au niveau des fréquences spatiales ainsi que d’un faible biais expérimental. Le troisième et le quatrième article portent sur le traitement des fréquences spatiales en fonction de la conscience. Dans le premier cas, la méthode des bulles fréquentielles a été utilisée avec l'amorçage par répétition masquée dans le but d’identifier les fréquences spatiales corrélées avec les réponses comportementales des observateurs lors de la perception du genre de visages présentés de façon consciente versus non-consciente. Les résultats montrent que les mêmes fréquences spatiales influencent de façon significative les temps de réponse dans les deux conditions de conscience, mais dans des sens opposés. Dans le dernier article, la méthode des bulles fréquentielles a été combinée à des enregistrements intracrâniens et au Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005), dans le but de cartographier les fréquences spatiales qui modulent l'activation de structures spécifiques du cerveau (l'insula et l'amygdale) lors de la perception consciente versus non-consciente des expressions faciales émotionnelles. Dans les deux régions, les résultats montrent que la perception non-consciente s'effectue plus rapidement et s’appuie davantage sur les basses fréquences spatiales que la perception consciente. La contribution de cette thèse est donc double. D’une part, des contributions méthodologiques à la recherche en perception visuelle sont apportées par l'introduction de la boîte à outils SHINE ainsi que de la technique des bulles fréquentielles. D’autre part, des indications sur les « corrélats de la conscience » sont fournies à l’aide de deux approches différentes. / Natural stimuli impinging on our retinas provide us with a wealth of visual information. This information varies along “low-level” features, such as luminance, contrast, and spatial frequency (SF). Whereas some of this information reaches our awareness, some of it is processed in the brain without us ever becoming aware of it (i.e., non-consciously). A remaining question is precisely which SFs influence brain activation and behavior consciously vs. non-consciously. The aim of this thesis was to address this question using state-of the-art psychophysical techniques. The first article introduces the SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization) toolbox for controlling low-level image properties in MATLAB. The second article describes and validates the SF Bubbles technique, which was used throughout the studies in this thesis to map SF tuning for various face perception tasks with a high SF resolution and low experimental bias. The third and fourth articles focus on SF processing as a function of awareness. In the former, SF Bubbles was employed together with repetition priming and masking to investigate which SFs are correlated with observers’ behavioral responses during conscious vs. non-conscious face-gender perception. The results show that the same SFs significantly influenced response times in both prime awareness conditions but, surprisingly, in opposite ways. In the latter, SF Bubbles was combined with intracranial recordings from awake human patients and Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005). This allowed us to map the SFs that modulate activation in specific brain structures (the insula and the amygdala) during the conscious vs. non-conscious perception of emotional facial expressions. The results for both regions demonstrate that non-conscious perception relied on low SFs more and was faster than conscious perception. The contribution made in this thesis is thus two-fold: methodological contributions to visual perception research are made by introducing the SHINE toolbox and the SF Bubbles technique, and insights into the “informational correlates” of consciousness are provided from two different angles.

Les stimuli naturels projetés sur nos rétines nous fournissent de l’information visuelle riche. Cette information varie le long de propriétés de « bas niveau » telles que la luminance, le contraste, et les fréquences spatiales. Alors qu’une partie de cette information atteint notre conscience, une autre partie est traitée dans le cerveau sans que nous en soyons conscients. Les propriétés de l’information influençant l’activité cérébrale et le comportement de manière consciente versus non-consciente demeurent toutefois peu connues. Cette question a été examinée dans les deux derniers articles de la présente thèse, en exploitant les techniques psychophysiques développées dans les deux premiers articles. Le premier article présente la boîte à outils SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization), développée afin de permettre le contrôle des propriétés de bas niveau de l'image dans MATLAB. Le deuxième article décrit et valide la technique dite des bulles fréquentielles, qui a été utilisée tout au long des études de cette thèse pour révéler les fréquences spatiales utilisées dans diverses tâches de perception des visages. Cette technique offre les avantages d’une haute résolution au niveau des fréquences spatiales ainsi que d’un faible biais expérimental. Le troisième et le quatrième article portent sur le traitement des fréquences spatiales en fonction de la conscience. Dans le premier cas, la méthode des bulles fréquentielles a été utilisée avec l'amorçage par répétition masquée dans le but d’identifier les fréquences spatiales corrélées avec les réponses comportementales des observateurs lors de la perception du genre de visages présentés de façon consciente versus non-consciente. Les résultats montrent que les mêmes fréquences spatiales influencent de façon significative les temps de réponse dans les deux conditions de conscience, mais dans des sens opposés. Dans le dernier article, la méthode des bulles fréquentielles a été combinée à des enregistrements intracrâniens et au Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005), dans le but de cartographier les fréquences spatiales qui modulent l'activation de structures spécifiques du cerveau (l'insula et l'amygdale) lors de la perception consciente versus non-consciente des expressions faciales émotionnelles. Dans les deux régions, les résultats montrent que la perception non-consciente s'effectue plus rapidement et s’appuie davantage sur les basses fréquences spatiales que la perception consciente. La contribution de cette thèse est donc double. D’une part, des contributions méthodologiques à la recherche en perception visuelle sont apportées par l'introduction de la boîte à outils SHINE ainsi que de la technique des bulles fréquentielles. D’autre part, des indications sur les « corrélats de la conscience » sont fournies à l’aide de deux approches différentes. / Natural stimuli impinging on our retinas provide us with a wealth of visual information. This information varies along “low-level” features, such as luminance, contrast, and spatial frequency (SF). Whereas some of this information reaches our awareness, some of it is processed in the brain without us ever becoming aware of it (i.e., non-consciously). A remaining question is precisely which SFs influence brain activation and behavior consciously vs. non-consciously. The aim of this thesis was to address this question using state-of the-art psychophysical techniques. The first article introduces the SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization) toolbox for controlling low-level image properties in MATLAB. The second article describes and validates the SF Bubbles technique, which was used throughout the studies in this thesis to map SF tuning for various face perception tasks with a high SF resolution and low experimental bias. The third and fourth articles focus on SF processing as a function of awareness. In the former, SF Bubbles was employed together with repetition priming and masking to investigate which SFs are correlated with observers’ behavioral responses during conscious vs. non-conscious face-gender perception. The results show that the same SFs significantly influenced response times in both prime awareness conditions but, surprisingly, in opposite ways. In the latter, SF Bubbles was combined with intracranial recordings from awake human patients and Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005). This allowed us to map the SFs that modulate activation in specific brain structures (the insula and the amygdala) during the conscious vs. non-conscious perception of emotional facial expressions. The results for both regions demonstrate that non-conscious perception relied on low SFs more and was faster than conscious perception. The contribution made in this thesis is thus two-fold: methodological contributions to visual perception research are made by introducing the SHINE toolbox and the SF Bubbles technique, and insights into the “informational correlates” of consciousness are provided from two different angles.

De nombreux arguments, issus notamment de la neurophysiologie visuelle, suggèrent que la perception visuelle d'une scène débute par une extraction des différentes fréquences spatiales en suivant une stratégie d'analyse « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière en basses fréquences spatiales (BFS) fournirait un aperçu global de la de la scène qui serait, ensuite, affinée par l'analyse plus tardive de l'information fine en hautes fréquences spatiales (HFS). L'objectif de cette thèse est de spécifier les mécanismes neuro-fonctionnels et cognitifs du traitement des fréquences spatiales et des scènes naturelles et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Dans une première étude en IRMf (Expérience 1), nous avons montré la coexistence, au niveau du cortex occipital, d'un traitement rétinotopique et hémisphérique des fréquences spatiales. Par ailleurs, nous avons montré que des régions sélectives aux scènes, au sein du gyrus parahippocampique et du cortex retrosplenial, étaient également impliquées dans le traitement des fréquences spatiales. Dans les études IRMf suivantes (Expériences 2, 3 et 4), nous nous sommes particulièrement intéressés au traitement des fréquences spatiales et à la stratégie d'analyse « coarseto- fine » dans ces régions sélectives. Dans la seconde partie de ces travaux, nous avons montré que la stratégie de catégorisation « coarse-to-fine » observée chez le jeune adulte sain, devenait flexible avec l'âge (Expérience 5). Afin de préciser les interactions rétino-corticales, nous avons étudié les performances de catégorisation de patients atteints de dégénérescence maculaire liée à l'âge, pathologie caractérisée par des lésions de la rétine centrale supposée à l'origine de la voie de traitement des HFS. Nous avons démontré un déficit comportemental (Expériences 6 et 7) du traitement des HFS, associé à une hypoactivité du cortex occipital chez ces patients (Expérience 8). Ces travaux permettent de préciser les mécanismes impliqués dans la perception de scènes. / As suggested by evidence from visual neurophysiology, scene perception could begin by the extraction of different spatial frequencies following a “coarse-to-fine” analysis. The rapid analysis of coarse information in low spatial frequencies (LSF) would provide a global overview of the scene which would then be refined by later analysis of fine information in high spatial frequencies (HSF). The aim of this thesis is to specify the neuro-functional and cognitive mechanisms of spatial frequency and natural scene processing as well as their evolution during normal and pathological aging. In a first fMRI study (Experiment 1), we showed the coexistence of retinotopic and hemispheric processing for spatial frequencies in occipital cortex. In addition, we showed that scene selective regions in the parahippocampal gyrus and retrosplenial cortex were also involved in the processing of spatial frequencies. Therefore, in the following fMRI studies (Experiments 2, 3 and 4), we were particularly interested in spatial frequency processing and "coarse-to-fine" analysis in these selective regions. In the second part of this work, we showed that the “coarse-to-fine” strategy observed in healthy young adults becomes flexible with increasing age (Experiment 5). To clarify the retina-cortex interactions, we studied the categorization performance of patients with age-related macular degeneration. This pathology is characterized by lesions of the central retina, which is thought to be the origin of the visual pathway conveying HSF. We have demonstrated a behavioral deficit (Experiments 6 and 7) of HSF processing linked to hypoactivity of occipital cortex in these patients (Experiment 8). These works clarify the mechanisms involved in scene perception.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Notre système visuel extrait d'ordinaire l'information en basses fréquences spatiales (FS) avant celles en hautes FS. L'information globale extraite tôt peut ainsi activer des hypothèses sur l'identité de l'objet et guider l'extraction d'information plus fine spécifique par la suite. Dans les troubles du spectre autistique (TSA), toutefois, la perception des FS est atypique. De plus, la perception des individus atteints de TSA semble être moins influencée par leurs a priori et connaissances antérieures. Dans l'étude décrite dans le corps de ce mémoire, nous avions pour but de vérifier si l'a priori de traiter l'information des basses aux hautes FS était présent chez les individus atteints de TSA. Nous avons comparé le décours temporel de l'utilisation des FS chez des sujets neurotypiques et atteints de TSA en échantillonnant aléatoirement et exhaustivement l'espace temps x FS. Les sujets neurotypiques extrayaient les basses FS avant les plus hautes: nous avons ainsi pu répliquer le résultat de plusieurs études antérieures, tout en le caractérisant avec plus de précision que jamais auparavant. Les sujets atteints de TSA, quant à eux, extrayaient toutes les FS utiles, basses et hautes, dès le début, indiquant qu'ils ne possédaient pas l'a priori présent chez les neurotypiques. Il semblerait ainsi que les individus atteints de TSA extraient les FS de manière purement ascendante, l'extraction n'étant pas guidée par l'activation d'hypothèses. / Our visual system usually samples low spatial frequency (SF) information before higher SF information. The coarse information thereby extracted can activate hypotheses in regard to the object's identity and guide further extraction of specific finer information. In autism spectrum disorder (ASD) however, SF perception is atypical. Moreover, individuals with ASD seem to rely less on their prior knowledge when perceiving objects. In the present study, we aimed to verify if the prior according to which we sample visual information in a coarse-to-fine fashion is existent in ASD. We compared the time course of SF sampling in neurotypical and ASD subjects by randomly and exhaustively sampling the SF x time space. Neurotypicals were found to sample low SFs before higher ones, thereby replicating the finding from many other studies, but characterizing it with much greater precision. ASD subjects were found, for their part, to extract SFs in a more fine-to-coarse fashion, extracting all relevant SFs upon beginning. This indicated that they did not possess a coarse-to-fine prior. Thus, individuals with ASD seem to sample information in a purely bottom-up fashion, without the guidance from hypotheses activated by coarse information.

La plupart des développements qui ont été effectués ces dernières années dans le domaine de la RMN rapide ont permis d’accélérer considérablement l’acquisition des expériences multidimensionnelles. Cependant, dans le cas de l’étude des interactions proton-proton, qui constituent des sondes structurales précieuses des molécules, l’ensemble du processus analytique demeure une tâche difficile et longue pour les chimistes. Une raison est la complexité et la quantité des informations rendues disponibles qui contribue au profil spectral global, même dans le cas de molécules de petites et moyennes tailles. En l’état de l’art actuel, il était difficile d’optimiser simultanément la résolution des spectres de corrélations et la durée d’analyse nécessaires pour les acquérir et les exploiter. Ce projet de thèse avait pour but de développer une approche RMN nouvelle et générale basée sur un encodage spatial fréquentiel de l’échantillon afin de simplifier et d’accélérer l’étude de molécules plus ou moins complexes. L’encodage spatial fréquentiel permet de contrôler sélectivement les évolutions de spins dans des régions localisées de l’échantillon et de les combiner dans des spectres RMN haute résolution dans lesquels le contenu analytique est aisément accessible. Dans une première partie, la théorie de l’encodage spatial en fréquence est présentée. Une méthode de simulation du signal RMN encodé est présentée, puis utilisée pour décrire la localisation du processus d’excitation sélective d’un système de spin modèle, en allant de l’analyse d’une cohérence unique vers la reconstruction du spectre encodé à travers le tube RMN. En parallèle, l’influence du champ magnétique sur la largeur de coupe et de sensibilité de ce type d’expériences est également étudiée grâce à cet outil de simulation. Dans une deuxième partie, deux développements méthodologiques sont présentés. Tout d’abord, l’expérience PCR-COSY donne accès, en un seul spectre, à la mesure totalement éditée et attribuable des couplages scalaires proton-proton pour une molécule donnée. Ensuite, l’expérience push-G-SERF permet de mesurer l’ensemble des couplages impliquant un proton sélectionné à partir d’un spectre présentant des signaux J-résolus dans la dimension indirecte et -résolus dans la dimension directe du spectre. Dans une troisième partie, les expériences basées sur un encodage spatial de l’échantillon sont appliquées à l’analyse conformationnelle d’un saccharide synthétique. Tout d’abord, les avantages et inconvénients de la mise en œuvre des techniques d’encodage spatial en fréquence à très haut champ sont discutés. Enfin, une stratégie d’analyse conformationnelle basée sur la spectroscopie J-éditée est présentée et appliquée avec succès à l’étude de cet oligosaccharide. / Most of the developments that have been made during the last years in the field of fast NMR have allowed for considerably accelerating the acquisition of multidimensional experiments. However, the analysis of proton-proton spin interactions, which are very important structural probes in molecules, still constitutes a tedious and time-consuming analytical process for most of the chemists. One reason is the complexity and the high number of homonuclear couplings that contribute to the overall lineshape in proton spectra, even for small or medium-sized compounds. It is thus nowadays very difficult to optimize both the resolution of correlation spectra, and the experimental time needed to acquire them, using state of the art high resolution methods. This thesis project aimed at developing a novel and general approach based on a spatial frequency encoding of the NMR sample in order to simplify and thus to accelerate the analysis of complex molecular systems. Spatial frequency encoding consists in controlling selectively spin evolutions in localized regions of the sample, and in combining them into high resolution experiments whose analytical content is easily accessible. In a first part, the theory of spatial frequency encoding is presented. A general method for simulating the encoded NMR signal is introduced, and it is applied to describe the localized selective excitation process of a model spin system, from the analysis of a single spin coherence, to the reconstruction of the whole NMR spectrum encoded throughout the sample. The magnetic field dependence of the slice selection process, as well as the overall sensitivity is also addressed through this simulation tool. In a second part, two methodological developments are presented. Firstly, the PCR-COSY experiment gives access, in a single spectrum, to a fully edited and assignable measurement of all the proton-proton scalar couplings in a given molecule. Secondly, the push-G-SERF experiment allows for measuring all the couplings involving a selected proton on correlations showing a J-resolved and a -resolved structure in the indirect and direct domain of the resulting 2D spectrum, respectively. In a third part, high-resolution experiments based on a spatial frequency encoding of the sample are applied to the conformational analysis of a synthetic saccharide. First, advantages and drawbacks of an implementation of spatial frequency encoded techniques at very high field are discussed. Then, a conformational analysis strategy based on J-edited spectroscopy is introduced, and successfully applied to the study of this oligosaccharide.

Five image processing algorithms are proposed to measure the average orientation, eccentricity and size of cells in images of biological tissue. These properties, which can be embodied by an elliptical 'composite cell', are crucial for biomechanical tissue models. To automatically determine these properties is challenging due to the diverse nature of the image data, with tremendous and unpredictable variability in illumination, cell pigmentation, cell shape and cell boundary visibility. One proposed algorithm estimates the composite cell properties directly from the input tissue image, while four others estimate the properties from frequency domain data. The accuracy and stability of the algorithms are quantitatively compared through application to a wide variety of real images. Based on these results, the best algorithm is selected.

Five image processing algorithms are proposed to measure the average orientation, eccentricity and size of cells in images of biological tissue. These properties, which can be embodied by an elliptical 'composite cell', are crucial for biomechanical tissue models. To automatically determine these properties is challenging due to the diverse nature of the image data, with tremendous and unpredictable variability in illumination, cell pigmentation, cell shape and cell boundary visibility. One proposed algorithm estimates the composite cell properties directly from the input tissue image, while four others estimate the properties from frequency domain data. The accuracy and stability of the algorithms are quantitatively compared through application to a wide variety of real images. Based on these results, the best algorithm is selected.

This thesis study focuses on the realization of an online cue based Motor Imagery (MI) Brain Computer Interface (BCI). For this purpose, some signal processing and classification methods are investigated. Specifically, several time-spatial-frequency methods, namely the Short Time Fourier Transform (STFT), Common Spatial Frequency Patterns (CSFP) and the Morlet Transform (MT) are implemented on a 2-class MI BCI system. Distinction Sensitive Learning Vector Quantization (DSLVQ) method is used as a feature selection method. The performance of these methodologies is evaluated with the linear and nonlinear Support Vector Machines (SVM), Multilayer Perceptron (MLP) and Naive Bayesian (NB) classifiers. The methodologies are tested on BCI Competition IV dataset IIb and an average kappa value of 0.45 is obtained on the dataset. According to the classification results, the algorithms presented here obtain the 4th level in the competition as compared to the other algorithms in the competition. Offline experiments are performed in METU Brain Research Laboratories and Hacettepe Biophysics Department on two subjects with the original cue-based MI BCI paradigm. Average prediction accuracy of the methods on a 2-class BCI is evaluated to be 76.26% in these datasets. Furthermore, two online BCI applications are developed: the ping-pong game and the electrical wheelchair control. For these applications, average classification accuracy is found to be 70%. During the offline experiments, the performance of the developed system is observed to be highly dependent on the subject training and experience. According to the results, the EEG channels P3 and P4, which are considered to be irrelevant with the motor imagination, provided the best classification performance on the offline experiments. Regarding the observations on the experiments, this process is related to the stimulation mechanism in the cue based applications and consequent visual evoking effects on the subjects.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal