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Hemianopia is a disorder where a patient loses vision in one half of their visual field, following damage to the post-chiasmal visual pathway. If the hemianopia does not spontaneously resolve within the first few months, the prognosis for recovery is poor, with very few patients recovering vision in the affected area of the visual field. The reasons for this are unclear, although it is likely that both degeneration and plasticity in the visual system have an impact on patient outcome. The goal of this research is to investigate the changes that occur in hemianopia, and how these differ for lesions at different locations in the visual pathway and with differing underlying pathologies. Patients with hemianopia arising from different causes were recruited, including 17 with a hemianopia acquired in adulthood, 9 with congenital hemianopia, and 6 patients with hemianopia due to posterior cortical atrophy (PCA). Structural, functional, and diffusion-weighted MRI data were acquired for each patient, in order to examine changes in the structural and function of the visual pathways. Analyses focused on either atrophy, or plasticity and residual function. Atrophy was assessed in acquired and congenital hemianopia by quantifying transneuronal degeneration in the optic tract, which was present in all patients with long-term lesions. Degeneration was also assessed more generally in PCA, who have substantial loss of white and grey matter in posterior brain regions. Investigation of plasticity and residual function focused on the motion processing area (MT), quantifying the level of functional activity in MT, and assessing whether subcortical pathways from the pulvinar to MT exist in hemianopia. A wide degree of variation existed between patients in the extent to which motion processing was preserved, which had no clear link to lesion location, however was related to the size of the lesion.

Mémoire de maîtrise présenté en vue de l'obtention de la maîtrise en psychologie (M. Sc) / Contexte : L’hémianopsie homonyme (HH) a un impact significatif sur les activités quotidiennes, et les méthodes actuelles d’évaluation des personnes ayant une amputation du champ visuel ne permettent pas de combiner l’évaluation de la vision centrale et périphérique. Objectifs : Cette étude visait à valider un film d’animation innovant comme nouvel outil d’évaluation pour mesurer l’étendue du champ visuel aveugle, à établir une norme auprès d’une population contrôle en bonne santé visuelle et à déterminer le niveau de faisabilité du test. Méthodologie : La vidéo d’animation présentait une série de personnages à détecter. Elle était présentée sur 160° répartis sur 3 moniteurs d’ordinateur. Un eye-tracker était utilisé pour vérifier la stabilisation de la tête et le contrôle de la fixation. Quarante participants en bonne santé, âgés de 18 à 75 ans, ont été recrutés. Résultats : La plupart des animations ont été perçues par des participants contrôle sains, ce qui a permis d’établir une norme pour le test. Concernant l’appréciation du test, 60 % des participants l’ont beaucoup apprécié, 29 % l’ont aimé et 11 % ont eu une opinion neutre. Conclusion : Cet outil écologique évalue simultanément la vision centrale et la vision périphérique à l’aide d’un film d’animation. Avec des normes établies à partir d’une population générale ayant une vision saine et un accueil positif des participants, cet outil pourrait être utilisé pour évaluer et dépister les personnes suspectées d’avoir une HH, en particulier chez les enfants. / Background: Homonymous hemianopia (HH) has a significant impact on daily activities, and current methods of assessing people with visual field amputation don’t combine assessment of central and peripheral vision. Objectives: The aim of this study was to validate an innovative animated film as a new assessment tool for measuring the extent of the blind visual field, to establish a standard in a visually healthy control population, and to determine the test’s feasibility. Methodology: The animated video presented a series of characters that needed to be detected. It was presented in 160 degrees on 3 computer monitors. An eye tracker was used to check head stabilization and fixation control. Forty healthy participants aged between 18 and 75 were recruited. Results: Most of the animations were perceived by healthy control participants, helping to establish a standard for the test. In terms of appreciation of the test, 60% of participants liked it a lot, 29% liked it and 11% had a neutral opinion. Conclusion: This ecological tool simultaneously assesses central and peripheral vision using an animated film. With standards based on a general population with healthy vision and a positive reception from participants, this tool could be used to assess and screen people suspected of having HH, particularly in children.

La répercussion d'un trouble visuel sur le traitement de scènes naturelles a été abordée selon trois approches : 1) une approche comportementale dans le but d'étudier la perception visuelle en champ central et en champs latéralisés, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques à la suite d'une lésion occipitale unilatérale ; 2) une approche fonctionnelle à l'aide d'une étude en IRMf afin d'évaluer tout d'abord l'incidence de la demande cognitive sur une tâche visuelle, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques, en champ central, puis d'observer l'impact d'une lésion occipitale droite et gauche sur la réorganisation corticale ; 3) enfin, une approche neuropsychologique dans le but d'étudier l'effet d'un entraînement visuel dans le champ aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités visuelles inconscientes. Nous avons observé un impact différent sur le traitement visuel en champ central selon la latéralisation de la lésion occipitale (droite ou gauche). L'analyse visuelle est plus perturbée à la suite d'une lésion occipitale droite. Les données acquises en IRMf ont permis également de constater une différence des patterns d'activation selon la latéralisation de la lésion occipitale. Enfin, nous avons observé que l'entrainement dans le champ visuel aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités de perception implicite : blindsight, permet d'obtenir une amélioration du champ visuel de manière quantifiable. / Visual processing of natural scenes images was investigated in healthy individuals and patients with homonymous hemianopia (after a unilateral occipital damage) using three methods : 1) behavioral studies where stimuli were presented in the central and lateralized visual fields; 2) fMRI paradigm to assess the cerebral network underlying natural scenes processing in the central visual field and to assess consequences of right or left occipital lesion on brain reorganization ; 3) a neuropsychological study where the efficiency of visual training in the blind visual field of hemianopics patients, using blindsight, was investigated. Results showed that occipital lesion side selectively modulates visual performances and pattern of cortical activation. In patients with right occipital damage, performances were severely altered although both hemlispheres were recruited. Yet, in patients with left brain damage, performances were less degraded and the right hemisphere was recruited whatever the visual task. Finally, we observed that explicit (conscious) visual detection can be restored (at least partly) in the blind visual field by using implicit (unconscious) visual capacities.

Une façon d'explorer visuellement notre monde consiste à déplacer très rapidement nos yeux pour en analyser le contenu. Dans certaines circonstances, ces mouvements oculaires, appelés saccades, peuvent perdre de leur précision. Fort heureusement notre cerveau est capable de corriger cette imprécision en ajustant progressivement la taille de ces saccades grâce à des mécanismes de plasticité cérébrale : c'est l'adaptation saccadique. L'adaptation saccadique est souvent utilisée comme modèle d'étude des mécanismes de plasticité visuo-motrice. Nous faisons également l'hypothèse qu'elle puisse servir d'outil thérapeutique. Dans cette thèse, nous nous sommes essentiellement intéressés à l'adaptation des saccades volontaires en augmentation d'amplitude chez des sujets contrôles et chez des patients souffrant d'une amputation homonyme du champ visuel (hémianopsie latérale homonyme). Les expériences 1 à 3, réalisées chez le sujet contrôle, ont permis de découvrir les repères utilisés par le cerveau pour réaliser cette adaptation sensori-motrice et coder l' environnement visuel (expérience 1 ), et les mécanismes d'adaptation saccadique quand la cible visuelle n'est pas directement codée (remapping dans l'expérience 2 et cible virtuelle dans l'expérience 3). Enfin l'expérience 4 propose une application clinique du protocole d'adaptation des anti-saccades utilisé lors de l'expérience 3, dans un but thérapeutique de rééducation comportementale de patients hémianopsiques / One way to visually explore our environment consists to rapidly displace our eyes to analyze its content. Under certain circumstances, these ocular movements called saccades can become inaccurate. Fortunately our brain is able to correct this inaccuracy by progressively adjusting the size of saccades thanks to plasticity mechanisms called saccadic adaptation. Saccadic adaptation is often used as a model to study visuo-motor plasticity. We also suggest that it could be used as a rehabilitation tool. ln this thesis, we were interested in outward adaptation of voluntary saccades in healthy subjects and patients suffering from a half visual field loss for both eyes (lateral homonymous hemianopia). Experiments 1 to 3, performed on healthy subjects, gave us opportunity to acquired complementary knowledge on the reference frame used by the brain to code its environment (experience 1) and on adaptation mechanisms when a visual target is not directly coded (remapping in experiment 2 virtual target in experiment 3). Finally, experiment 4 suggests to clinically implement the anti-saccades adaptation protocol used in experiment 3, as a new rehabilitation tool tested in hemianopie patients

L'imagerie mentale visuelle est généralement accompagnée de mouvements spontanés des yeux qui ne sont pas arbitraires mais reflètent le contenu spatial de cette imagerie. Ce travail de thèse avait pour principal objectif l'utilisation de l'enregistrement des mouvements oculaires afin d'étudier les représentations mentales chez les sujets sains et les sujets atteints de lésions cérébrales et ainsi d'en explorer les mécanismes, la dynamique, les référentiels et les substrats neuronaux. Nous avons enregistré les mouvements des yeux pendant le rappel des villes de France à partir de la mémoire à long terme, soit en ayant recours à l'imagerie mentale de la carte de France, soit avec un accès sémantique (tâche de fluence verbale). Ce paradigme a été réalisé dans 3 situations différentes : chez les sujets sains avec le regard libre, chez les sujets sains avec le regard fixé et chez les sujets atteints de négligence spatiale unilatérale et/ou hémianopsie latérale homonyme (HLH) avec le regard libre. En utilisant la corrélation bi-dimensionelle (BDR) entre les positions oculaires et les positions GPS des villes évoquées par le sujet, nous avons pu réaliser dans ces trois situations une analyse individuelle. Chez les sujets sains en regard libre, nous avons démontré que l'imagerie mentale se construit de façon séquentielle, et fragmentée, et que la corrélation significative est une signature individuelle de l'utilisation de l'imagerie visuelle. Chez les sujets sains avec le regard fixe, nous avons mis en évidence l'existence de microsaccades qui reflètent toujours le contenu spatial de l'imagerie mentale pour la plupart des individus. Chez les négligents, la représentation mentale de la carte de France était perturbée aussi bien dans le référentiel allocentrique (absence de cohérence spatiale pour les villes de la moitié gauche) que dans le référentiel égocentrique (carte mentale décalée du côté ipsilésionnel). Chez les patients avec HLH, la représentation mentale était décalée du côté contra-lésionnel, mais était spatialement cohérente dans le référentiel allocentrique. Cette nouvelle approche méthodologique et statistique a permis de discuter les différentes interprétations théoriques de la littérature concernant les liens entre mouvements des yeux et imagerie mentale, et d'étudier les troubles de représentation spatiale faisant suite à la lésion du cortex visuel primaire et du réseau pariéto-frontal droit, substrats respectifs du tampon visuel et de la fenêtre attentionnelle / analyse des relations spatiales dans le modèle d'imagerie de Kosslyn / Visual mental imagery is usually accompanied by spontaneous eye movements that are not random but reflect the spatial content of the imagery. The main objective of this thesis was to use eye movements recording in order to explore the mechanisms, the dynamics, the reference frames and the neural processes of spatial representations in healthy subjects and brain damaged patients.We recorded eye movements during the verbal recall of french cities from long-term memory, either through mental imagery of the map of France, or through a semantic access (verbal fluency task). This paradigm was carried out in three different situations: In healthy subjects with free gaze, in healthy subjects with fixed gaze and in patients with unilateral spatial neglect and / or homonymous hemianopia with free gaze. Using bi-dimensional regression (BDR) between ocular positions when cities were evoked and GPS positions of these cities, we could provide an individual analysis in each of these three situations.In healthy subjects with free gaze, we demonstrated that mental imagery is built sequentially and fragmented, and that significant correlation is a signature, at an individual level, of the use of visual imagery. In healthy subjects with central gaze fixation, we have demonstrated that the remaining microsaccades still reflect the spatial content of the imagery in most individuals. In patients with hemineglect, the mental representation of the map of France was disturbed both in the allocentric reference frame (lack of spatial coherence for cities of the left side) and in the egocentric reference frame (mental map shifted ipsilesionally). In subjects with hemianopia, the mental image was shifted contralesionally but was spatially coherent in the allocentric frame.These results are discussed in the light of the different theories on eye movements and mental imagery found in the literature and in particular with respect to the Kosslyn model of imagery in which the primary visual cortex (damaged in hemianopia) corresponds to the substratum of the visual buffer and the right parieto-frontal network to the substratum of the the attentional window and the spatial properties processing system

La saccade oculaire, i.e. mouvement très rapide des yeux, permet d’amener l’objet d’intérêt sur la fovéa, afin que le système visuel puisse analyser ses propriétés. Malgré l’importance du cortex occipital dans le traitement de l’information visuelle, son rôle dans la génération de saccades est encore peu connu. Pour ce faire, l’hémianopsie latérale homonyme consécutive à une atteinte unilatérale du cortex occipital (i.e. amputation de l’hémichamp visuel controlésionnel) peut être considérée comme modèle d’étude. En effet, malgré la perte de la vision consciente, certains patients sont capables de répondre à un stimulus présenté dans l’hémichamp controlésionnel. Ces capacités préservées, appelées vision aveugle, peuvent être de nature attentionnelle et/ou motrice. Le but de cette thèse est ainsi d’étudier l’implication du cortex occipital dans la génération de saccades. En manipulant les propriétés spatiales et temporelles du point de fixation, de la cible ou d’un distracteur, les paramètres des saccades de ces patients ont été examinés en étudiant différents types de saccades (volontaires et réactives) ainsi que des effets connus pour moduler les paramètres saccadiques (effets d’un distracteur et adaptation saccadique). Parallèlement, les capacités de vision aveugle ont été examinées à partir de différentes tâches perceptives (détection et discrimination), nécessitant une réponse verbale, manuelle (appui-bouton) et/ou oculomotrice (saccade et fixation). Malgré la perte de la conscience visuelle du stimulus présenté dans l’hémichamp controlésionnel, des capacités de vision aveugle sont attestées par la réalisation d’une action oculomotrice sur ce stimulus. La dichotomie observée dans ces capacités en fonction de la nécessité de réaliser une action sur la stimulation visuelle suppose une implication du cortex occipital dans les mécanismes de sélection pour l’action et pour la perception. Par ailleurs, une dissociation est observée dans l’atteinte des paramètres saccadiques. Si l’initiation de la saccade – reflétée par la latence - est altérée dans les deux hémichamps ipsi- et controlésionnel, le calcul de la métrique de la saccade – reflétée par l’amplitude - est spécifiquement altéré dans l’hémichamp controlésionnel. Ainsi, nos résultats sont en faveur d’une implication du cortex occipital dans la génération des saccades oculaires ainsi qu’en faveur d’un modèle fonctionnel de génération de saccades à deux voies de traitement parallèles dédiées respectivement à l’initiation et à la métrique de la saccade. / Saccadic eye movements are rapid and necessary to targeting the interesting object in our visual environment. Despite the crucial role of the occipital cortex in the visual process, its implication in the saccadic generation is poorly studied. To examine this, we can use one pathological model, the homonymous hemianopia (i.e. loss of contralateral visual hemifield to unilateral occipital lesion). Despite the loss of conscious vision, some patients can be able to react at one stimulus presented in the contralesional hemifield. These residual abilities, named blindsight, can be observed in attentional and/or motor tasks. The aim of this thesis is examine the parameters of saccades in hemianopic patients, through the study of saccade types (voluntary and reflexive saccades) and classical effects on the modulation of saccadic parameters (gap effect and distractor effects, by manipulating the spatial and temporal characteristics of the fixation point, the target or a distractor). Furthermore, the residual abilities are investigated by perceptual tasks (detection or discrimination) with different types of response: verbal, manual (key press) and motor (saccade or fixation). Overall, despite the loss of conscious perception of the target presented in the contralesional hemifield, residual abilities are found as showed by the saccadic execution toward the target, with a dichotomy depending on the need to perform an action on the visual stimulation. This suggests that the role of the occipital cortex is not the same in the selection mechanism for the action and the perception. Concerning to saccadic programming, dissociation is found in the saccadic parameters. The saccadic initiation, studied by with the saccade latency, is altered in both ipsi- and contralesional hemifields but the saccade metric, studied by the saccade amplitude, is altered in the contralesional hemifield. This suggests that the occipital cortex is implicated in the saccade generation and that saccade programing involves two pathways for the initiation and the metric of saccades.

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