L'attention visuospatiale est un mécanisme de sélection et de traitement d'information qui se manifeste explicitement par l'orientation de la tête ou du regard. En anticipation d'une nouvelle information, le foyer de l'attention s'oriente implicitement en vision périphérique pour dissocier l'orientation du regard et du foyer implicite vers deux emplacements distincts. Dans cette situation, la réaction à une cible qui apparaît à l'emplacement du foyer implicite s'améliore par rapport aux autres cibles qui pourraient s'afficher dans un emplacement non-attendu. La problématique de la thèse est d'étudier comment détecter l'emplacement du foyer de l'attention implicite par décodage de l'activité cérébrale mesurée en électro-encéphalographie (EEG) avant l'affichage d'une cible visuelle dans 3 expériences réalisées chez des sujets sains. La première expérience aborde la problématique dans une condition où l'indication sur l'emplacement de la cible est globalement non-informative pour les sujets. Cependant, leur activité cérébrale suggère que ce type d'indication a tendance à induire un état d'alerte, de préparation ou d'orientation de l'attention dans le temps plutôt que dans l'espace. En lien avec ce résultat, la deuxième expérience aborde la problématique dans une condition ambiguë où l'attention du sujet s'oriente vers un emplacement sans lien systématique avec le contenu des indications. / Visuospatial attention is an information selection and processing mechanism whose overt manifestations consist of head or gaze shifts. In anticipation to new information, the focus of attention can also covertly shift to peripheral vision to share attention between two distinct locations: the overt one (center of gaze) and the covert one in periphery. In such a situation, the reaction to a target appearing at the focus of attention is enhanced with respect to targets appearing at unattended locations. This thesis addresses the problem of detecting the location of covert attention by decoding neural activity measured by electroencephalography (EEG) before target onset in 3 experiments on healthy subjects. The first experiment uses visuospatial cues that are non-informative about the target location. However, the neural activity reflects that non-informative cues tend to bring the subjects into a state related to alertness, motor preparation or temporal expectation rather than a spatial shift of attention. According to this result, the second experiment uses an ambiguous precueing condition in which the sujet's attention is shifted to spatial locations which bear a non-systematic relation to the information contained in the cues. With these ambiguous cues, we find that the proportion of targets displayed at unattended locations is equivalent to a non-informative condition, and that reaction speed and accuracy are dramatically impacted.

Nous sommes fonctionnellement et structurellement asymétriques. La symétrie parfaite que nous expérimentons subjectivement en observant l'espace qui nous entoure est, dans une certaine mesure, une illusion. La cognition visuospatiale, comme indiqué par les tâches de bissection de lignes, est généralement biaisée à gauche chez les sujets sains et à droite suite à des lésions de l'hémisphère droit causant la Négligence Spatiale Unilatérale (NSU). Ces biais peuvent être modulés et l'adaptation prismatique (AP) a démontré sa capacité à réduire les symptômes de la NSU et à induire des comportements similaires à la NSU chez les individus sains. La question de savoir comment ce type d'adaptation sensorimotrice module la cognition spatiale est encore débattue. L'objectif de cette thèse était d'utiliser des approches comportementales et physiologiques, pour examiner les mécanismes sous-jacents des effets de l'AP sur la cognition visuospatiale d'individus sains. Dans une 1ère étude comportementale, nous avons observé la présence d'une dynamique temporelle des effets survenant après l'AP. Suite à ce premier résultat, nous avons testé sur une période de temps plus longue les effets faisant suite à l'AP déviant la vision vers la droite ou la gauche, et nous avons dévoilé, dans une 2ème étude, des dynamiques temporelles différentes en fonction de la direction de l'AP. Dans une 3ème étude, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour étudier la physiologie sous-tendant la modulation visuospatiale efficacement induite par l'AP. Les résultats de cette thèse appellent à un raffinement des modèles actuels de l'action de l'AP sur la cognition visuospatiale / We are functionally and structurally asymmetric. The perfect symmetry we subjectively experience through vision of the space around us is, to some extent, an illusion. Visuospatial cognition, as indexed by performance on line bisection tasks, is generally biased leftward in healthy individuals and pathologically rightward after right brain damage causing unilateral spatial neglect (USN). These biases can be modulated and prism adaptation (PA) is capable of both alleviating USN symptoms and inducing a rightward shift (the so-called “neglect-like behavior”) in healthy individuals. How this type of sensorimotor adaptation modulates spatial cognition is still debated. The goal of this thesis was to use both behavioral and physiological approaches to investigate the underlying mechanisms of PA’s effects on visuospatial cognition in healthy individuals. In a first behavioral study we found the presence of a temporal dynamic in PA after-effects. Based on this first finding we tested, over a longer period of time the PA after-effects following both right and leftward PA and unveiled, with the second study, different temporal dynamics depending on PA direction. In a third study we used transcranial magnetic stimulation to investigate the physiology underlying the effective visuospatial modulation induced by PA. The results of this thesis call for a refinement of the current models of PA action on visuospatial cognition

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. / The deleterious impact of environmental contaminants (EC) has been extensively studied in acute exposure and poisoning events. What about the chronic exposure to lower doses on cognitive and sensory development of children? The longitudinal studies of this thesis were conducted in Nunavik. Although geographically distant from industrial centers, the Inuit community is exposed to EC via their transport by atmospheric and oceanic currents and their bioaccumulation in fish and sea mammals. Since traditional native foods, especially beluga meat, are still frequently consumed by this community, a substantial proportion of Inuit infants are exposed in utero to EC. Inuit children are also continuously exposed to these neurotoxic agents during postnatal development. The considerable variation in consumption of traditional food within this community provides an opportunity to investigate the relation between degree of exposure to EC and the effects on cognitive and sensory development of children. Although some deficits have already been related with chronic exposure to environmental contaminants in the literature, this thesis is interested more specifically at these relations in Inuit children living up North. Furthermore, the protocols that were developed for this thesis will evaluate new aspects related to EC, which are the visuospatial attention and the early brain visual processing. The first part of this thesis was designed to assess the effect of three EC on visuospatial attention with a modified Posner paradigm (M.I. Posner, et al., 1980). This psychophysical task was administered to Inuit children (mean age = 11.2 years) for whom the levels of exposure to mercury (Hg), lead (Pb) and polychlorinated biphenyls (PCBs) were documented for pre and postnatal periods. In utero exposures to Pb and PCBs were significantly associated with greater impulsivity and inattention, respectively, while current exposure to Pb was significantly associated with longer reaction times. Although no specific effect has been found on visuospatial attention, the results of this study suggest that exposure to EC is associated with decreased in general attentional abilities in children living in Nunavik. In the second part, early brain processing of visual information was assessed using visual evoked potentials with children from the same community (mean age = 10.9 years). Cord blood Hg level measured at birth was associated with a reduction of the amplitude and an increase of the latency of the N75 component. Prenatal exposure to Pb was associated with a delay of the N150 latency. These results suggest that heavy metal exposure, in particular during the gestational period, is associated with alterations in visual development. The results presented in this thesis support the hypothesis that the developing brain is vulnerable during a chronic exposure to EC, even at concentration levels below the limits recommended by public health agencies. The results also shed new light on cognitive and sensory deficits associated with EC.

L’objectif principal de cette thèse était d’obtenir, via l’électrophysiologie cognitive, des indices de fonctionnement post-traumatisme craniocérébral léger (TCCL) pour différents niveaux de traitement de l’information, soit l’attention sélective, les processus décisionnels visuoattentionnels et les processus associés à l’exécution d’une réponse volontaire. L’hypothèse centrale était que les mécanismes de production des lésions de même que la pathophysiologie caractérisant le TCCL engendrent des dysfonctions visuoattentionnelles, du moins pendant la période aiguë suivant le TCCL (i.e. entre 1 et 3 mois post-accident), telles que mesurées à l’aide d’un nouveau paradigme électrophysiologique conçu à cet effet. Cette thèse présente deux articles qui décrivent le travail effectué afin de rencontrer ces objectifs et ainsi vérifier les hypothèses émises. Le premier article présente la démarche réalisée afin de créer une nouvelle tâche d’attention visuospatiale permettant d’obtenir les indices électrophysiologiques (amplitude, latence) et comportementaux (temps de réaction) liés aux processus de traitement visuel et attentionnel précoce (P1, N1, N2-nogo, P2, Ptc) à l’attention visuelle sélective (N2pc, SPCN) et aux processus décisionnels (P3b, P3a) chez un groupe de participants sains (i.e. sans atteinte neurologique). Le deuxième article présente l’étude des effets persistants d’un TCCL sur les fonctions visuoattentionelles via l’obtention des indices électrophysiologiques ciblés (amplitude, latence) et de données comportementales (temps de réaction à la tâche et résultats aux tests neuropsychologiques) chez deux cohortes d’individus TCCL symptomatiques, l’une en phase subaigüe (3 premiers mois post-accident), l’autre en phase chronique (6 mois à 1 an post-accident), en comparaison à un groupe de participants témoins sains. Les résultats des articles présentés dans cette thèse montrent qu’il a été possible de créer une tâche simple qui permet d’étudier de façon rapide et peu coûteuse les différents niveaux de traitement de l’information impliqués dans le déploiement de l’attention visuospatiale. Par la suite, l’utilisation de cette tâche auprès d’individus atteints d’un TCCL testés en phase sub-aiguë ou en phase chronique a permis d’objectiver des profils d’atteintes et de récupération différentiels pour chacune des composantes étudiées. En effet, alors que les composantes associées au traitement précoce de l’information visuelle (P1, N1, N2) étaient intactes, certaines composantes attentionnelles (P2) et cognitivo-attentionnelles (P3a, P3b) étaient altérées, suggérant une dysfonction au niveau des dynamiques spatio-temporelles de l’attention, de l’orientation de l’attention et de la mémoire de travail, à court et/ou à long terme après le TCCL, ceci en présence de déficits neuropsychologiques en phase subaiguë surtout et d’une symptomatologie post-TCCL persistante. Cette thèse souligne l’importance de développer des outils diagnostics sensibles et exhaustifs permettant d’objectiver les divers processus et sous-processus cognitifs susceptible d’être atteints après un TCCL. / The main objective of this thesis was to obtain, using cognitive electrophysiology, biomarkers of mild traumatic brain injury (TBI) for different levels of information processing such as selective attention, visuo-attentional decision making and processes associated with the execution of a deliberate response. The fundamental assumption was that the lesion-producing mechanisms as well as the pathophysiology associated with mTBI leads to visuo-attentional dysfunctions, at least during the sub-acute period following the mTBI (i.e. between 1 and 3 months post-trauma), as measured by a novel electrophysiological paradigm developed for this purpose. This thesis presents two articles describing the work accomplished to meet these objectives, and verify the underlying assumptions. The first article presents the approach used to create a novel visuo-spatial attention task enabling the identification of electrophysiological (amplitude, latency) and behavioural (reaction time) indexes related to early visual and attentional processing (P1, N1, N2-nogo, P2, Ptc), selective visual attention (N2pc, SPCN) and decision-making processes (P3b, P3a) in a group of normal participants (i.e. without neurological injury). The second article presents a study of the persisting effects of a mTBI on visuo-attentional functions through the identification of targeted electrophysiological markers (amplitude, latency), and from behavioural data (task-related reaction time and neuropsychological tests results) in two cohorts of symptomatic mTBI individuals, one during the sub-acute phase (3 first months post-injury), the other during the chronic phase (6 months to 1 year post-injury), in comparison to a group of normal control participants. The results presented in this thesis indicate that it was has been possible to create a simple, rapid and low-cost task enabling the study of the various levels of information processing involved in the deployment of visuospatial attention. Subsequently, the use of this task in patients with mTBI tested during the sub-acute phase or the chronic phase allowed to identify differential impairment and recovery profiles for each of the components studied. Indeed, while the early components associated with early visual information processing (P1, N1, N2) were intact, certain attentional (P2) and cognitive-attentionnal (the P3a, P3b) components were affected, suggesting dysfunction in the spatio-temporal dynamics of attention, orientation of attention, and working memory, in the short- and/or long-term following mTBI, this is the presence of neuropsychological deficits mostly in the sub-acute phase and of persisting post-mTBI symptomatology. This thesis emphasizes the importance of developing sensitive and comprehensive diagnostic tools allowing to objectively identify the various cognitive processes and sub-processes that are likely to be affected after a mTBI.

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. / Contingent involuntary orienting is a phenomenon in which endogenous and exogenous attentional mechanisms interact, such that an item captures attention only if it shares an attribute that is relevant for the task at hand. Hence, top-down attentional control settings are established endogenously in favour of the relevant attribute, but stimuli sharing this attribute draw attention to their location involuntarily. The present thesis explores three aspects of this phenomenon. First, by studying the time course of this contingent capture effect, and by measuring event-related potentials (ERPs) to capturing distractors, it has been established that the performance deficits linked to contingent capture are in fact due to a deployment of visuospatial attention to the location of the distractor. Moreover, this spatially selective processing of the capturing distractor can be modulated if the distractor shares another target attribute, beside the target defining attribute. The ERP technique also permitted the dissociation of the contingent involuntary orienting hypothesis and the pure capture with brief attentional dwell time hypothesis. According to the latter interpretation, only salient singletons have the ability to capture attention at preattentive stages of processing. Therefore, top-down attentional control settings serve only to disengage attention from the location of such singletons when they do not share target features. The present results argue against this interpretation, because a deployment of visuospatial attention, indexed by the presence of the N2pc, was observed only in response to peripheral distractors sharing the target-defining attribute, even when all items in the stimulus displays were equated in terms of bottom-up salience. Lastly, when alphanumeric category was used to define the target, it was shown that top-down attentional control settings in favour of such conceptual attributes could be successfully implemented and used to guide visuospatial attention in an exogenous fashion, providing further evidence against the pure capture hypothesis.

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

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. / Contingent involuntary orienting is a phenomenon in which endogenous and exogenous attentional mechanisms interact, such that an item captures attention only if it shares an attribute that is relevant for the task at hand. Hence, top-down attentional control settings are established endogenously in favour of the relevant attribute, but stimuli sharing this attribute draw attention to their location involuntarily. The present thesis explores three aspects of this phenomenon. First, by studying the time course of this contingent capture effect, and by measuring event-related potentials (ERPs) to capturing distractors, it has been established that the performance deficits linked to contingent capture are in fact due to a deployment of visuospatial attention to the location of the distractor. Moreover, this spatially selective processing of the capturing distractor can be modulated if the distractor shares another target attribute, beside the target defining attribute. The ERP technique also permitted the dissociation of the contingent involuntary orienting hypothesis and the pure capture with brief attentional dwell time hypothesis. According to the latter interpretation, only salient singletons have the ability to capture attention at preattentive stages of processing. Therefore, top-down attentional control settings serve only to disengage attention from the location of such singletons when they do not share target features. The present results argue against this interpretation, because a deployment of visuospatial attention, indexed by the presence of the N2pc, was observed only in response to peripheral distractors sharing the target-defining attribute, even when all items in the stimulus displays were equated in terms of bottom-up salience. Lastly, when alphanumeric category was used to define the target, it was shown that top-down attentional control settings in favour of such conceptual attributes could be successfully implemented and used to guide visuospatial attention in an exogenous fashion, providing further evidence against the pure capture hypothesis.

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