La question du rôle de l'expérience et de l'imagerie visuelle dans la perception et l'identification haptique d'images aux traits en relief par des individus aveugles et voyants constitue la question de recherche de cette thèse. La thèse présente quatre études expérimentales qui portent sur la perception d'images tactiles non figuratives (des patterns de lignes simples) et figuratives (visages expressifs, objets communs). Les résultats montrent que 1-Des individus aveugles peuvent reconnaitre des patterns simples avec un niveau de performance comparable à celui des individus voyants. 2- La stratégie que les personnes aveugles utilisent pour répondre à cette tâche dépend de leur proportion de temps de vie sans expérience visuelle. 3-Il n'y a pas plus de différence de performance entre individus aveugles de naissance et voyants avec des images figuratives. 4-Des individus forts en imagerie visuospatiale sont plus performants que des faibles imageurs pour identifier des images tactiles d'objets communs. En conclusion, la perception haptique des images tactiles, figuratives ou non, s'avère globalement possible sans le recours de l'expérience visuelle ou de l'imagerie visuelle. Le type d'imagerie mentale impliqué dans la compréhension des images tactiles dépend des individus (statut visuel, expérience visuelle, aptitude en imagerie visuospatiale). Des perspectives sur le contrôle de la complexité des images et l'analyse des mouvements d'exploration par une technologie innovante sont proposées.

Comment le cerveau humain parvient-il à conceptualiser des idées abstraites ? Quelle est en particulier l’origine de l’activité mathématique lorsqu'elle est associée à un haut niveau d’abstraction ? La question de savoir si la pensée mathématique peut exister sans langage intéresse depuis longtemps les philosophes, les mathématiciens et les enseignants. Elle commence aujourd’hui à être abordée par les neurosciences cognitives. Alors que les études précédentes se sont principalement focalisées sur l’arithmétique élémentaire, mon travail de thèse privilégie l’étude de la manipulation d’idées mathématiques plus avancées et des processus cérébraux impliqués dans leur apprentissage. Les travaux présentés dans cette thèse révèlent que : (1) la réflexion sur des concepts mathématiques de haut niveau appris depuis de nombreuses années n’implique pas les aires du langage ; (2) l’activité mathématique, quels qu’en soient la difficulté et le domaine, implique systématiquement des régions classiquement associées à la manipulation des nombres et de l’espace, y compris chez des personnes non-voyantes; (3) l’apprentissage non-verbal de règles géométriques repose sur un langage de la pensée indépendant du langage parlé naturel. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles questions en neurosciences. Par exemple, l’apprentissage de concepts mathématiques enseignés à l’école par le truchement des mots se passe-t-il également du langage ? Ou enfin, que signifie réellement "faire des mathématiques" pour le cerveau humain ? / How does the human brain conceptualize abstract ideas? In particular, what is the origin of mathematical activity, especially when it is associated with high-level of abstraction? Is mathematical thought independent of language? Cognitive science has now started to investigate this question that has been of great interest to philosophers, mathematicians and educators for a long time. While studies have so far focused on basic arithmetic processing, my PhD thesis aims at further investigating the cerebral processes involved in the manipulation and learning of more advanced mathematical ideas. I have shown that (1) advanced mathematical reflection on concepts mastered for many years does not recruit the brain circuits for language; (2) mathematical activity systematically involves number- and space-related brain regions, regardless of mathematical domain, problem difficulty, and participants' visual experience; (3) non-verbal acquisition of geometrical rules relies on a language of thought that is independent of natural spoken language. Finally, altogether these results raise new questions and pave the way to further investigations in neuroscience: - is the human ability for language also irrelevant to advanced mathematical acquisition in schools where knowledge is taught verbally? - What is the operational definition of the fields of “mathematics” and “language” at the brain level?

La question du rôle de l’expérience et de l’imagerie visuelle dans la perception et l’identification haptique d’images aux traits en relief par des individus aveugles et voyants constitue la question de recherche de cette thèse. La thèse présente quatre études expérimentales qui portent sur la perception d’images tactiles non figuratives (des patterns de lignes simples) et figuratives (visages expressifs, objets communs). Les résultats montrent que 1-Des individus aveugles peuvent reconnaitre des patterns simples avec un niveau de performance comparable à celui des individus voyants. 2- La stratégie que les personnes aveugles utilisent pour répondre à cette tâche dépend de leur proportion de temps de vie sans expérience visuelle. 3-Il n’y a pas plus de différence de performance entre individus aveugles de naissance et voyants avec des images figuratives. 4-Des individus forts en imagerie visuospatiale sont plus performants que des faibles imageurs pour identifier des images tactiles d’objets communs. En conclusion, la perception haptique des images tactiles, figuratives ou non, s’avère globalement possible sans le recours de l’expérience visuelle ou de l’imagerie visuelle. Le type d’imagerie mentale impliqué dans la compréhension des images tactiles dépend des individus (statut visuel, expérience visuelle, aptitude en imagerie visuospatiale). Des perspectives sur le contrôle de la complexité des images et l’analyse des mouvements d’exploration par une technologie innovante sont proposées. / The issue of the role of visual experience and imagery in the haptic perception of raised-line pictures by blind and sighted people is addressed by the present research. The thesis presents four experimental studies focusing on the perception of non figurative (simple line patterns) and figurative (expressive faces, common objects) tactile pictures. Results show that 1- Blind people can recognize simple patterns with the same accuracy level than sighted people. 2- Strategies used by blind people depend on their lifetime proportion without of visual experience. 3- There is no difference in performance between congenitally blind and sighted with figurative pictures perception. 4- Individuals with high visuospatial skills are more accurate than low imagers in identifying tactile pictures of common objects. In conclusion, haptic perception of tactile pictures, whether figurative or not, seems to be possible without recourse to visual experience or imagery. Our results suggest that the nature of mental imagery used in tactile picture comprehension tasks is subject-dependent (visual status, visual experience, visual imagery capacities). Perspectives regarding how to control for picture complexity control and how to analyze exploratory movements using an innovative technology are set up.

Cette recherche a pour but d’évaluer le rôle de la vision et de la proprioception pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main chez l’humain. L’orientation spatiale de la main est une composante importante des mouvements d’atteinte et de saisie. Toutefois, peu d’attention a été portée à l’étude de l’orientation spatiale de la main dans la littérature. À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer spécifiquement l’influence des informations sensorielles et de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle en temps réel de l'orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le premier objectif était d’étudier la contribution de la vision et de la proprioception dans des tâches de perception et de mouvement d’orientation de la main. Dans la tâche de perception (orientation-matching task), les sujets devaient passivement ou activement aligner une poignée de forme rectangulaire avec une cible fixée dans différentes orientations. Les rotations de l’avant-bras et du poignet étaient soit imposées par l’expérimentateur, soit effectuées par les sujets. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées (letter posting task 1), les sujets ont réalisé des mouvements d’atteinte et de rotation simultanées de la main afin d’insérer la poignée rectangulaire dans une fente fixée dans les mêmes orientations. Les tâches ont été réalisées dans différentes conditions sensorielles où l’information visuelle de la cible et de la main était manipulée. Dans la tâche perceptive, une augmentation des erreurs d’orientation de la main a été observée avec le retrait des informations visuelles concernant la cible et/ou ou la main. Lorsque la vision de la main n’était pas permise, il a généralement été observé que les erreurs d’orientation de la main augmentaient avec le degré de rotation nécessaire pour aligner la main et la cible. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées, les erreurs ont également augmenté avec le retrait des informations visuelles. Toutefois, les patrons d’erreurs étaient différents de ceux observés dans la tâche de perception, et les erreurs d’orientation n’ont pas augmenté avec le degré de rotation nécessaire pour insérer la poignée dans la fente. En absence de vision de la main, il a été observé que les erreurs d’orientation étaient plus petites dans la tâche de mouvement que de perception, suggérant l’implication de la proprioception pour le contrôle de l’orientation spatiale de la main lors des mouvements d’orientation et d’atteinte simultanées. Le deuxième objectif de cette recherche était d’étudier l’influence de la vision et de la proprioception dans le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main. Dans une tâche d’orientation de la main suivie d’une atteinte manuelle (letter posting task 2), les sujets devaient d’abord aligner l’orientation de la même poignée avec la fente fixée dans les mêmes orientations, puis réaliser un mouvement d’atteinte sans modifier l’orientation initiale de la main. Une augmentation des erreurs initiales et finales a été observée avec le retrait des informations visuelles. Malgré la consigne de ne pas changer l’orientation initiale de la main, une diminution des erreurs d’orientation a généralement été observée suite au mouvement d’atteinte, dans toutes les conditions sensorielles testées. Cette tendance n’a pas été observée lorsqu’aucune cible explicite n’était présentée et que les sujets devaient conserver l’orientation de départ de la main pendant le mouvement d’atteinte (mouvement intransitif; letter-posting task 3). La diminution des erreurs pendant l’atteinte manuelle transitive vers une cible explicite (letter-posting task 2), malgré la consigne de ne pas changer l’orientation de la main pendant le mouvement, suggère un mécanisme de corrections automatiques pour le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le troisième objectif de cette recherche était d’évaluer la contribution de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main. Des sujets aveugles ont été testés dans les mêmes tâches de perception et de mouvement. De manière générale, les sujets aveugles ont présenté les mêmes tendances que les sujets voyants testés dans la condition proprioceptive (sans vision), suggérant que l’expérience visuelle n’est pas nécessaire pour le développement d’un mécanisme de correction en temps réel de l’orientation spatiale de la main basé sur la proprioception. / The goal of this research was to study the contribution of vision and proprioception to the perception and control of hand orientation in human subjects. Spatial orientation of the hand is an important component of reaching and grasping movements. However, not much attention has been given to spatial hand orientation in the literature. To our knowledge, this study is the first to specifically investigate the influence of sensory information for the perception and on-line control of hand orientation during natural reaching movement to stationary targets. The first objective of this research was to study the contribution of vision and proprioception in perceptual orientation-matching and motor letter posting tasks. In the perceptual orientation-matching task, subjects attempted to passively or actively align a match handle, to a target that was fixed in different orientations. In the passive perceptual task, passive rotations of the forearm and wrist were imposed by the experimenter; whereas in the active perceptual task, the rotations were actively executed by the subjects. In letter posting task 1, subjects simultaneously reached and rotated the right hand to insert a match handle into a target slot fixed in the same orientations. The tasks were performed in different sensory conditions where the visual information about the target and the hand was manipulated. In the perceptual orientation-matching task, augmentation of hand orientation errors was observed with the withdrawal of visual information related to either the target and/or the hand. When full vision was not allowed, hand orientation errors were larger overall when larger rotations of the wrist were required to match the target, whether the rotations were made actively by the subject or were imposed passively by the experimenter. In letter posting task 1, augmentation of hand orientation errors was also observed with the withdrawal of visual information related to either the target and/or the hand. However, errors patterns were different from those observed in the perceptual task, and hand orientation errors were not larger for larger target orientations. Without vision of the hand, final hand orientation errors were smaller overall in letter-posting task 1 than in the orientation-matching task. This suggests the implication of the proprioceptive information for the control of spatial hand orientation during reach-and-orient movements. The second objective of this research was to study the influence of vision and proprioception in on-line control of spatial hand orientation. In letter posting task 2, subjects first aligned their hand to the angle of the target and then reached to it with the instruction not to change their initial hand orientation. The augmentation of initial and final errors was observed with the withdrawal of vision. Although subjects were instructed to not change their hand orientation, in all sensory condition tested, hand orientation changed overall during reaching in a way that reduced the initial orientation errors. This trend did not occur when there was no explicitly defined target toward which the subjects reached (letter-posting task 3; intransitive movement). The reduction in hand orientation errors during transitive reach in letter-posting task 2, even when told not to change it, suggests the engagement of an automatic error correction mechanism for hand orientation during natural reaching movements toward stationary targets. The third objective of this research was to investigate the contribution of visual experience to the perception and control of spatial orientation of the hand. Blind subjects were tested in the same perceptual and motor tasks. Overall, no differences were observed between performance of blind subjects and normally-sighted subjects tested without vision (proprioceptive condition), suggesting that prior visual experience is not necessary for the development of an on-line error correction mechanism for hand orientation guided by proprioceptive inputs.

Cette recherche a pour but d’évaluer le rôle de la vision et de la proprioception pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main chez l’humain. L’orientation spatiale de la main est une composante importante des mouvements d’atteinte et de saisie. Toutefois, peu d’attention a été portée à l’étude de l’orientation spatiale de la main dans la littérature. À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer spécifiquement l’influence des informations sensorielles et de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle en temps réel de l'orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le premier objectif était d’étudier la contribution de la vision et de la proprioception dans des tâches de perception et de mouvement d’orientation de la main. Dans la tâche de perception (orientation-matching task), les sujets devaient passivement ou activement aligner une poignée de forme rectangulaire avec une cible fixée dans différentes orientations. Les rotations de l’avant-bras et du poignet étaient soit imposées par l’expérimentateur, soit effectuées par les sujets. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées (letter posting task 1), les sujets ont réalisé des mouvements d’atteinte et de rotation simultanées de la main afin d’insérer la poignée rectangulaire dans une fente fixée dans les mêmes orientations. Les tâches ont été réalisées dans différentes conditions sensorielles où l’information visuelle de la cible et de la main était manipulée. Dans la tâche perceptive, une augmentation des erreurs d’orientation de la main a été observée avec le retrait des informations visuelles concernant la cible et/ou ou la main. Lorsque la vision de la main n’était pas permise, il a généralement été observé que les erreurs d’orientation de la main augmentaient avec le degré de rotation nécessaire pour aligner la main et la cible. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées, les erreurs ont également augmenté avec le retrait des informations visuelles. Toutefois, les patrons d’erreurs étaient différents de ceux observés dans la tâche de perception, et les erreurs d’orientation n’ont pas augmenté avec le degré de rotation nécessaire pour insérer la poignée dans la fente. En absence de vision de la main, il a été observé que les erreurs d’orientation étaient plus petites dans la tâche de mouvement que de perception, suggérant l’implication de la proprioception pour le contrôle de l’orientation spatiale de la main lors des mouvements d’orientation et d’atteinte simultanées. Le deuxième objectif de cette recherche était d’étudier l’influence de la vision et de la proprioception dans le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main. Dans une tâche d’orientation de la main suivie d’une atteinte manuelle (letter posting task 2), les sujets devaient d’abord aligner l’orientation de la même poignée avec la fente fixée dans les mêmes orientations, puis réaliser un mouvement d’atteinte sans modifier l’orientation initiale de la main. Une augmentation des erreurs initiales et finales a été observée avec le retrait des informations visuelles. Malgré la consigne de ne pas changer l’orientation initiale de la main, une diminution des erreurs d’orientation a généralement été observée suite au mouvement d’atteinte, dans toutes les conditions sensorielles testées. Cette tendance n’a pas été observée lorsqu’aucune cible explicite n’était présentée et que les sujets devaient conserver l’orientation de départ de la main pendant le mouvement d’atteinte (mouvement intransitif; letter-posting task 3). La diminution des erreurs pendant l’atteinte manuelle transitive vers une cible explicite (letter-posting task 2), malgré la consigne de ne pas changer l’orientation de la main pendant le mouvement, suggère un mécanisme de corrections automatiques pour le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le troisième objectif de cette recherche était d’évaluer la contribution de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main. Des sujets aveugles ont été testés dans les mêmes tâches de perception et de mouvement. De manière générale, les sujets aveugles ont présenté les mêmes tendances que les sujets voyants testés dans la condition proprioceptive (sans vision), suggérant que l’expérience visuelle n’est pas nécessaire pour le développement d’un mécanisme de correction en temps réel de l’orientation spatiale de la main basé sur la proprioception. / The goal of this research was to study the contribution of vision and proprioception to the perception and control of hand orientation in human subjects. Spatial orientation of the hand is an important component of reaching and grasping movements. However, not much attention has been given to spatial hand orientation in the literature. To our knowledge, this study is the first to specifically investigate the influence of sensory information for the perception and on-line control of hand orientation during natural reaching movement to stationary targets. The first objective of this research was to study the contribution of vision and proprioception in perceptual orientation-matching and motor letter posting tasks. In the perceptual orientation-matching task, subjects attempted to passively or actively align a match handle, to a target that was fixed in different orientations. In the passive perceptual task, passive rotations of the forearm and wrist were imposed by the experimenter; whereas in the active perceptual task, the rotations were actively executed by the subjects. In letter posting task 1, subjects simultaneously reached and rotated the right hand to insert a match handle into a target slot fixed in the same orientations. The tasks were performed in different sensory conditions where the visual information about the target and the hand was manipulated. In the perceptual orientation-matching task, augmentation of hand orientation errors was observed with the withdrawal of visual information related to either the target and/or the hand. When full vision was not allowed, hand orientation errors were larger overall when larger rotations of the wrist were required to match the target, whether the rotations were made actively by the subject or were imposed passively by the experimenter. In letter posting task 1, augmentation of hand orientation errors was also observed with the withdrawal of visual information related to either the target and/or the hand. However, errors patterns were different from those observed in the perceptual task, and hand orientation errors were not larger for larger target orientations. Without vision of the hand, final hand orientation errors were smaller overall in letter-posting task 1 than in the orientation-matching task. This suggests the implication of the proprioceptive information for the control of spatial hand orientation during reach-and-orient movements. The second objective of this research was to study the influence of vision and proprioception in on-line control of spatial hand orientation. In letter posting task 2, subjects first aligned their hand to the angle of the target and then reached to it with the instruction not to change their initial hand orientation. The augmentation of initial and final errors was observed with the withdrawal of vision. Although subjects were instructed to not change their hand orientation, in all sensory condition tested, hand orientation changed overall during reaching in a way that reduced the initial orientation errors. This trend did not occur when there was no explicitly defined target toward which the subjects reached (letter-posting task 3; intransitive movement). The reduction in hand orientation errors during transitive reach in letter-posting task 2, even when told not to change it, suggests the engagement of an automatic error correction mechanism for hand orientation during natural reaching movements toward stationary targets. The third objective of this research was to investigate the contribution of visual experience to the perception and control of spatial orientation of the hand. Blind subjects were tested in the same perceptual and motor tasks. Overall, no differences were observed between performance of blind subjects and normally-sighted subjects tested without vision (proprioceptive condition), suggesting that prior visual experience is not necessary for the development of an on-line error correction mechanism for hand orientation guided by proprioceptive inputs.