京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18124号 / 医博第3844号 / 新制||医||1001(附属図書館) / 30982 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 金子 武嗣, 教授 大森 治紀, 教授 渡邉 大 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

<p>To solicit the attention or determine the intentions of another, we use our eyes. While many animals appear to use eyes as an important behavioral cue, for humans, these cues are especially critical. The power of the eyes to attract and direct attention shapes human behavior from an early age and likely serves as a foundation for social skill acquisition, ranging from simple, friendly eye contact to complex, spoken language, even to our almost mystical ability to empathize and "see the world through another's eyes". Humans have transformed our environment through our economic alliances and military competitions, and our individual successes and failures depend critically on social skills built on a foundation of shared attention. When these abilities break down, as in autism, pervasive social awkwardness can challenge the close relationship of individuals with their friends, family, and community. Nonetheless, we know almost nothing about the brain mechanisms that have evolved to process social cues and convert them into a rich experience of shared attention. To investigate this process, we explored the ability of human and nonhuman primates to follow the attention of other individuals. First, we characterized natural gaze-following behavior using a novel telemetric device in socially-interacting prosimian primates, and later in monkeys and humans responding to gaze cues in the lab. Finally, we examined the neuronal responses to gaze cues in a macaque posterior parietal area implicated in attention control--the lateral intraparietal area, LIP. Our findings suggest that gaze-following abilities may be widespread in social primates, relying on conserved, homologous brain pathways; and that they may not be informationally-encapsulated reflexes, but rather are densely interwoven with diverse social processes. Indeed, we found gaze cues influenced neurons in LIP, part of the dorsal frontoparietal attention network. Finally, we report that "mirror" neurons in parietal areas may thus play a role not only in representing perceived bodily actions, but also perceived mental states such as observed attention.</p> / Dissertation

Regarder ou saisir un objet constituent, à première vue, des actes simples et triviaux. De tels mouvements nécessitent, entre autres, l’existence de complexes processus entre entrées sensorielles et sorties motrices afin de compenser l’effet de la variabilité sensorimotrice inhérente au système. Un concept clé décrit ces processus de contrôle : les modèles internes. Il s’agit de représentations dynamiques de l’état de nos appareils sensorimoteurs, inscrites au sein d’un réseau d’aires cérébrales, permettant la comparaison entre un mouvement désiré (parfait) et le mouvement réalisé (bruité). Lorsqu’une différence est perçue suite à cette comparaison, un signal d’erreur motrice (EM) serait envoyé afin d’ajuster le mouvement en cours d’exécution. Nous avons réalisé une première étude chez l’Homme afin de définir le rôle des modèles internes lors d’un acte sensorimoteur simple: la saccade oculaire. Une tâche originale nous a permis d’introduire du bruit moteur artificiel (saut de cible intrasaccadique) durant une séquence saccadique. Les résultats valident l’existence d’un mécanisme de contrôle sensorimoteur optimal et confirme la prédiction d’un modèle basé sur la théorie des filtres de Kalman, pondérant la «confiance» accordée aux mouvements désirés versus réalisés en fonction de leur fiabilité (l’inverse de leur variance). Nous nous sommes alors attachés à rechercher les substrats cérébraux du calcul de l’EM en adaptant nos paradigmes chez le macaque rhésus. Nous avons enregistré l’activité électrophysiologique neuronale unitaire puis réalisé des inactivations réversibles au sein de l’aire latérale intrapariétale (LIP), région clé pour l’intégration visuo-saccadique. Nos résultats suggèrent que le cortex pariétal serait impliqué dans l’ajustement moteur du système saccadique. Le cortex pariètal pourrait ainsi accumuler des évidences (signaux d’erreur donnés par la copie d’efférence et les retours sensoriels) quant à la présence d’erreur oculomotrice puis inciter le reste du réseau saccadique à corriger cette dernière. Ce mécanisme permettrait alors d’optimiser la plupart des actions motrices réalisées dans des contextes sensorimoteurs constamment bruités / Looking at or grasping an object are simple and trivial actions. However, these types of movements require complex processing of sensory and motor information in order to compensate for the natural variability within the sensorimotor system. A key concept describes these control processes: internal models. These models are dynamical representations of the state of our effectors, supported by a network of cerebral areas, which allow the comparison between the desired movement (perfect) and the realised movement (noisy). When a difference is perceived, a motor error (ME) signal is sent in order to adjust the ongoing movement. We performed a first study with human subjects to define the role of internal models during a simple sensorimotor action: a saccade. We developed an original task in order to introduce artificial motor noise (intrasaccadic target jump) during a sequence of saccades. These results validates the existence of an optimal sensorimotor control mechanism and confirms the predictions of a model based on the Kalman filter theory. This optimal control implies a balance between the reliability given to the desired movements versus the executed movements as a function of their uncertaincy (correlate to their variability). We then investigated the neural substrates of the ME estimation by adapting our protocols for use with rhesus monkeys. We recorded the electrophysiological activity of unitary neurons and performed reversible inactivations in the lateral intraparietal area (LIP), a key area for visuo-saccadic integration. Our results suggest, therefore, that the parietal cortex plays a role in the motor adjustment of the saccadic system. We postulate that parietal cortex could accumulate evidence (i.e. error signal given by efferent copy and sensorial feedback) on the necessity to perform a corrective saccade. When the amount of evidence exceeds an error threshold, the decision to trigger a correction could be made. This process could allow the optimization of these motor actions within noisy sensorimotor context

L’attention visuelle est un phénomène primordial pour la perception visuelle de notre environnement. Elle correspond à l’ensemble des mécanismes qui permettent la sélection d’information visuelle dans le but de la traiter en particulier. Lorsque volontaire, son orientation est considérée comme lente, contrairement à l’orientation de l’attention visuelle involontaire, qui est rapide et réflexive. Grâce à une étude de psychophysique humaine, nous montrons que le déplacement volontaire de l’attention est rapide mais qu’un ensemble de processus cognitifs ont jusqu’à présent masquer ce phénomène.Au niveau cérébral, l’orientation de l’attention visuelle est sous tendue par un réseau d’aires,impliquant le champ oculomoteur frontal (FEF) et l’aire latérale intrapariétale (LIP). En enregistrant l’activité unitaire des neurones de ces 2 aires de 2 macaques Rhésus impliqués dans une tâche de détection de cible nécessitant l’orientation volontaire de l’attention visuelle,nous montrons que ces 2 aires jouent un rôle différent. Ainsi FEF semble impliqué dans l’orientation des capacités attentionnellles et représente également la sélection de l’objet important. LIP n’est pas impliqué dans l’orientation de l’attention visuelle, en revanche, ses neurones présentent une réponse cognitive spécifique de la détection de la cible. Nos résultats suggèrent que FEF contrôle l’orientation volontaire de l’attention visuelle alors que LIP sert à la détection de la cible.Qui plus est, nous montrons l’existence dans FEF d’une nouvelle classe de cellules impliqués dans le contrôle exécutif des fonctions cognitives et notamment attentionnelles / Visual attention is a critical process to a correct perception of our visual environment.This term includes all mechanisms involved in the selection of information in order to processit in priority. It is generally proposed that voluntary orientation of attentional capacity is a220slow and sustained process, while unvoluntary orientation is fast. We show here by apsychophysical study that voluntary orientation is in fact a rapid process that is easely maskedby others cognitiv process of general engagement.This phenomenon is sustained by a large network of cerebral areas, including the Frontal Eye Field (FEF), and the Lateral IntraParietal area (LIP). We recorded neuronal activity of 2monkey’s FEF and LIP neuronal activity while they were engaged in a attentional task. Weshow here that these 2 areas play 2 crucial differents roles. Contrary to FEF, that is highlyinvolved in attentional orientation and engagement, LIP neuronal activity present few attentional modulations. LIP and FEF cells present large cognitive activities selectives to selection of the important event of the task. We hypothesis that FEF controles the voluntary orientation of visual attention while LIP detects the target.More over, we highly the existence of a new FEF’s cell category involved in the executive control of cognitives function (as attentional).