Academisch proefschrift--Utrecht. / Bibliography: p. 187-212.

Thesis (M.D.)—Boston University

Thesis (M.S.) -- Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: Segmentation; ITK; CMake; Level set; Geodesic; FastMarching; Laplacian; Canny edge. Includes bibliographical references (p. 128-132).

Many theories of decision-making consider pain, monetary loss, and other forms of punishment to be interchangeable quantities that are processed by the same neural system. For example, standard reinforcement learning models utilize a single reinforcement term to represent both monetary losses and pain signals. By contrast, I propose that 1) pain signals present unique computational challenges, 2) these challenges are addressed in humans and other animals by anterior cingulate cortex (ACC), and 3) pain is regulated by cognitive control during goal-directed tasks, using principles of the hierarchical reinforcement learning model of the ACC (HRL-ACC). To show this, I conducted 3 studies. In Study 1, I conducted an electrophysiological study to investigate the effect of task goals on event-related brain potentials (ERPs) during conditions where pain and reward are used. Specifically, I investigated whether feedback stimuli predicting forthcoming pain would elicit the reward positivity, an ERP component that is more positive-going to positive feedback than to negative feedback, when the goal of the task is to find electrical shocks. Contrary to my predictions, a standard reward positivity was not elicited by pain feedback in this task. In Study 2, I conducted three behavioral experiments wherein the subjective costs of mild electrical shocks were equated with monetary losses for each individual participant using a calibration procedure. I hypothesized that decision-making behavior in face of painful events and decision making behavior in the face of monetary losses would be different from each other despite the outcomes (pain vs. monetary loss) being equated for their subjective costs. This prediction was confirmed, demonstrating that the costs associated with pain and monetary losses differ in more than just magnitude. In Study 3, to explain these results, I developed an extension to an existing computational framework, the HRL-ACC model. The present model provides insight into choice behaviour in the pain and monetary loss (ML) conditions by showing that cognitive control levels converge to an average level across trials. In the pain condition, cognitive control fluctuates from trial to trial in a systematic fashion, causing trials with low shock levels to be over-valued and shocks with high-shock levels to be undervalued. By contrast, in the ML condition cognitive wanes across trials because it is not needed and the model displays normative behavior. These findings are in line with psychological approaches to pain treatment and provide neuro-cognitive explanations that underlie their mechanisms. In line with the HRL-ACC theory, I propose that the ACC regulates pain by motivating good performance in the face of physical punishments (but not monetary losses) in order to achieve long-term goals that are produced by ACC. / Graduate / 2021-08-18

La même entrée sensorielle ne provoque pas toujours la même réaction. Dans les expériences en laboratoire, un stimulus donné peut engendrer une réponse différente à chaque nouvel essai, en particulier à proximité du seuil sensoriel. Ce phénomène est généralement attribué à une source de bruit non spécifique qui affecte la représentation sensorielle du stimulus ou le processus décisionnel. Dans cette thèse, nous examinons l'hypothèse selon laquelle cette variabilité des réponses peut être attribuée en partie à des fluctuations mesurables et spontanées de l'état cérébral. Dans ce but, nous développons et évaluons deux ensembles d'outils. L’un est un ensemble de modèles et de méthodes psychophysiques permettant de suivre les variations de la performance perceptive avec une bonne résolution temporelle et avec précision, sur différentes échelles de temps. Ces méthodes s’appuient sur des procédures adaptatives initialement développées pour mesurer efficacement les seuils de perception statiques et sont étendues ici dans le but de suivre des seuils qui varient au cours du temps. Le deuxième ensemble d'outils que nous développons comprend des méthodes d'analyse de données pour extraire de signaux d’électroencéphalographie (EEG) une quantité prédictive de la performance comportementale à diverses échelles de temps. Nous avons appliqué ces outils à des enregistrements conjoints d’EEG et de données comportementales collectées pendant que des auditeurs normo-entendants réalisaient une tâche de discrimination de fréquence sur des stimuli auditifs proche du seuil de discrimination. Contrairement à ce qui a été rapporté dans la littérature concernant des stimuli visuels, nous n'avons pas trouvé de preuve d’un quelconque effet des oscillations EEG spontanées de basse fréquence sur la performance auditive. En revanche, nous avons trouvé qu'une part importante de la variabilité des jugements peut s’expliquer par des effets de l'historique récent des stimuli et des réponses sur la décision prise à un moment donné. / The same sensory input does not always trigger the same reaction. In laboratory experiments, a given stimulus may elicit a different response on each trial, particularly near the sensory threshold. This is usually attributed to an unspecific source of noise that affects the sensory representation of the stimulus or the decision process. In this thesis we explore the hypothesis that response variability can in part be attributed to measurable, spontaneous fluctuations of ongoing brain state. For this purpose, we develop and test two sets of tools. One is a set of models and psychophysical methods to follow variations of perceptual performance with good temporal resolution and accuracy on different time scales. These methods rely on the adaptive procedures that were developed for the efficient measurements of static sensory thresholds and are extended here for the purpose of tracking time-varying thresholds. The second set of tools we develop encompass data analysis methods to extract from electroencephalography (EEG) signals a quantity that is predictive of behavioral performance on various time scales. We applied these tools to joint recordings of EEG and behavioral data acquired while normal listeners performed a frequency-discrimination task on near-threshold auditory stimuli. Unlike what was reported in the literature for visual stimuli, we did not find evidence for any effects of ongoing low-frequency EEG oscillations on auditory performance. However, we found that a substantial part of judgment variability can be accounted for by effects of recent stimulus-response history on an ongoing decision.

Au quotidien, notre attention sélective nous permet de sélectionner les informations pertinentes au regard de notre tâche et d'ignorer celles qui ne le sont pas, afin de maintenir un comportement cohérent avec nos buts. Néanmoins, dans certaines situations, un stimulus complètement non-pertinent peut capturer notre attention contre notre volonté et, de ce fait, produire un phénomène de distraction. La distraction a initialement été considérée comme essentiellement dépendante de la saillance perceptive des distracteurs. Cependant, de récentes études ont mis en évidence que les stimuli associés à l'obtention d'une récompense (i.e., disposant d'une histoire de récompense) sont également susceptibles de produire des effets de distraction particulièrement robustes et persistants (indépendamment de leur pertinence pour la tâche en cours et de leur saillance perceptive). Parallèlement, tout un autre champ de recherche a été consacré à l’étude du contrôle attentionnel qui peut être mis en place afin de prévenir une distraction par des stimuli visuellement saillants. Cependant, à ce jour, très peu de travaux ont tenté de manipuler la qualité du contrôle attentionnel qui peut être instauré pour éviter la distraction par des stimulus associés à une récompense. L'objectif de notre travail était donc de déterminer si, et si oui, dans quelles conditions, ces distracteurs pouvaient être ignorés efficacement ou, au contraire, pouvaient résister au contrôle attentionnel. Dans sept études, nous avons associé des stimuli visuels initialement neutres à une récompense (monétaire ou sociale) afin d’étudier leur impact sur les performances lorsqu’ils apparaissaient comme distracteurs dans des tâches recherche visuelle. Nous avons manipulé la qualité du contrôle attentionnel en faisant varier les contraintes perceptives (i.e., charge perceptive : Études 1 et 2), cognitives (i.e., charge cognitive : Étude 3) ou sensorielles (i.e., dégradation sensorielle : Études 4-7) imposées par la tâche. Nous avons mis en évidence que l'interférence provoquée par un distracteur associé à une forte récompense monétaire, contrairement à celle provoquée par des distracteurs uniquement saillants, peut résister à l'augmentation de la charge perceptive (Étude 1). L'analyse des potentiels cérébraux évoqués par ces distracteurs (Etude 2) suggère que cet effet puisse résulter d’une capture attentionnelle (N2pc) accrue en charge perceptive faible et d’une suppression attentionnelle (Pd) moins efficace en charge perceptive forte pour ces distracteurs. Contrairement à nos attentes, aucun effet de la récompense n'a été observé dans l’étude manipulant la charge cognitive (Étude 3), nous conduisant à proposer que notre manipulation ait pu drainer les ressources cognitives nécessaires à l'apprentissage de l’association distracteur-récompense. Ensuite, nous avons montré que l'augmentation de la pression temporelle (Étude 4-5), réputée pour favoriser la sélection précoce d'une cible, peut au contraire, dans certaines conditions, entrainer une plus grande difficulté à ignorer les distracteurs. Pour autant, dans ces conditions, le simple fait que des distracteurs récompensés puissent apparaître semble impacter encore plus négativement la sélection d'une cible que la pression temporelle elle-même. Enfin, nos deux dernières études (Études 6-7) ont mobilisé un cadre expérimental plus écologique, impliquant la recherche de cibles dans des photographies de scènes routières prises du point de vue d’un conducteur d’automobile et l’apparition de distracteurs récompensés sur l’écran d’un smartphone présent dans l’habitacle. Nous avons mis en évidence que la dégradation sensorielle de la cible (via une augmentation de l'intensité du brouillard) entraine une distraction plus importante pour des distracteurs associés à une récompense sociale, en particulier pour les personnes présentant un niveau élevé de FoMO (Fear of Missing Out ; peur de manquer une expérience sociale). [...] / In our daily activities, selective attention allow us to select task-relevant information among irrelevant ones, in order to maintain consistent, goal-directed behavior. However, sometimes, a completely irrelevant stimulus can capture our attention against our will and, as a result, produce a distraction phenomenon. Distraction was initially considered to be essentially dependent on the perceptual salience of the distractors. Nevertheless, recent studies have shown that stimuli associated with reward outcome (i.e., with a reward history) are also likely to produce particularly robust and persistent distraction effects (regardless of their relevance to the task at hand and their perceptual salience). Alongside, a large body of works has been devoted to the study of attentional control, which could prevent distraction by perceptually salient distractors. However, to date, very little work has attempted to manipulate the quality of the attentional control that could be implemented to avoid distraction by reward history. The objective of our work was therefore to determine whether, and if so, under what conditions, reward-distractors could be ignored or, on the contrary, could resist attentional control. Seven studies were conducted with neutral visual stimuli associated with (monetary or social) reward outcome, in order to investigate how they could affect task performance when they appeared as distractors in visual search tasks. Attentional control was manipulated by varying the perceptual (i.e., perceptual load: Studies 1 and 2), cognitive (i.e., cognitive load: Study 3) or sensory (i.e., sensory degradation: Studies 4-7) demands imposed by the task. We have shown that high-reward distractor interference resists to perceptual load increase, unlike that caused by only salient distractor (Study 1). Our event-related potentials study (Study 2) suggests that this effect may be due to an enhanced attentional capture (N2pc) under low perceptual load and by a less effective attentional suppression (Pd) under high perceptual load for high-reward distractors. Next, contrary to our expectations, no effect of reward history was observed when manipulating cognitive load (Study 3), leading us to propose that our manipulation could have drained the cognitive resources necessary to learn the distractor-reward association. Then, we have shown that the increase in time pressure (Studies 4-5), known to promote the early selection of relevant targets, could also enhanced the difficulty to ignore distractors under some circumstances. Nevertheless, in these conditions, the mere fact that rewarded distractors may appear seems to increase the difficulty to ignore the distractors, more than the time pressure itself. Finally, our last two studies (Studies 6-7) mobilized a more ecological visual search task, involving pictures of driving situations taken from a driver point-of-view, in which reward distractors were displayed on the screen of a smartphone in the vehicle cabin. The sensory degradation of the target (achieved by increasing the fog density outside the car) has led to greater distraction for distractors paired with a social reward, especially for people with a high level of FoMO (Fear of Missing Out; that is, the pervasive apprehension that others might be having rewarding social experiences from which one is absent). These results are discussed in the light of the literature on distraction by reward history and attentional control, in order to integrate the reward history into these models. Moreover, our observations are discussed under the scope of applied researches that focused on driver distraction, in which our work has a particular resonance.

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