Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La théorie dominante suggérant une séparation entre une vision consciente pour la perception et une vision non consciente pour l'action au sein du système visuel fut particulièrement discutée au cours des dernières décennies. La thèse défendue ici se positionne dans le cadre d'une approche alternative reposant sur une évaluation conjointe des réponses motrice et perceptive en présence de stimuli au seuil perceptif. Les travaux réalisés dans ce contexte ont initialement porté sur les temps de réaction et ont contribué au développement d'un modèle psychophysique postulant que les réponses perceptives et motrices dépendraient d'un signal sensoriel unique mais de seuils de décision spécifiques. Les trois études réalisées au cours de cette thèse ont permis de tester ces propositions à partir de travaux portant sur le contrôle moteur manuel. Tout en confirmant une forte association entre les traitements visuels pour la perception et pour l'action, ces travaux ont permis de mettre en évidence un rôle important des conditions expérimentales (par exemple le contraste des stimuli et la présence ou non d'un masque visuel) dans les résultats obtenus. Les résultats se sont révélés compatibles avec les modèles neurophysiologiques du masquage visuel qui postulent que la réponse neurale à une stimulation visuelle est constituée d'une vague d'activation feedforward associée à la présence physique de la stimulation et de boucles de rétroaction liées à la perception consciente de celle-ci. Nos travaux ont également permis d'adapter au contrôle moteur manuel le modèle de décision à signal unique initialement développé dans le cadre des études portant sur les temps de réaction. / The dominant position of a separation between a conscious vision for perception and an unconscious vision for action within the visual system has been particularly discussed in the last decades. The present dissertation is to be placed in the context of an alternative approach consisting in evaluating jointly both perceptual and motor responses in the presence of near-treshold visual stimuli. Previous work within this framework, which have mainly concerned reaction times, have contributed to develop a psychophysical model in which perceptual and motor decision are taken relatively to the same single incoming signal but are based on different tresholds. The three studies conducting during this PhD aimed to testing these proposals in experiments involving manual motor control. While confirming the strong link between perceptual and motor processing within the visual system, the results obtained in these studies underlined the importance of experimental parameters such as the contrast of the stimuli and the presence of visual masks. These results are congruent with neurophysiological models of visual masking, which postulate that the neural response to a visual stimulus is composed of a transient feedforward sweep of activation related to the presence of as stimulus and recurrent feedback loops linked to the conscious perception of this stimulus. Our work also led to the adaptation to manual motor control of the single signal decisional model initially developed on the basis of reaction time studies.

La théorie dominante suggérant une séparation entre une vision consciente pour la perception et une vision non consciente pour l'action au sein du système visuel fut particulièrement discutée au cours des dernières décennies. La thèse défendue ici se positionne dans le cadre d'une approche alternative reposant sur une évaluation conjointe des réponses motrice et perceptive en présence de stimuli au seuil perceptif. Les travaux réalisés dans ce contexte ont initialement porté sur les temps de réaction et ont contribué au développement d'un modèle psychophysique postulant que les réponses perceptives et motrices dépendraient d'un signal sensoriel unique mais de seuils de décision spécifiques. Les trois études réalisées au cours de cette thèse ont permis de tester ces propositions à partir de travaux portant sur le contrôle moteur manuel. Tout en confirmant une forte association entre les traitements visuels pour la perception et pour l'action, ces travaux ont permis de mettre en évidence un rôle important des conditions expérimentales (par exemple le contraste des stimuli et la présence ou non d'un masque visuel) dans les résultats obtenus. Les résultats se sont révélés compatibles avec les modèles neurophysiologiques du masquage visuel qui postulent que la réponse neurale à une stimulation visuelle est constituée d'une vague d'activation feedforward associée à la présence physique de la stimulation et de boucles de rétroaction liées à la perception consciente de celle-ci. Nos travaux ont également permis d'adapter au contrôle moteur manuel le modèle de décision à signal unique initialement développé dans le cadre des études portant sur les temps de réaction.

L'étude de fonctions cognitives telles que le langage, la conscience et a fortiori leurs relations, constitue un défi aux confins de la médecine et des neurosciences cognitives. Le traitement sémantique procure à nos expériences perceptuelles un niveau de représentation abstrait, permettant une variété de fonctions conceptuelles. Dans ce travail, nous avons voulu explorer les relations entre le traitement sémantique verbal et la conscience en adoptant une double approche : d'une part en étudiant des sujets sains en condition de perception consciente et inconsciente (en utilisant une technique de masquage visuel), et d'autre part en étudiant des patients présentant un trouble de la conscience. Au travers de ce travail, nous apportons des arguments en faveur de l'existence de représentations sémantiques verbales inconscientes. Nous proposons également que les deux signatures cérébrales observées en potentiels évoqués (N400 puis LPC/P600) puissent s'intégrer dans un modèle à deux temps : premier temps inconscient (correspondant à la N400), puis second temps conscient (correspondant à la LPC/P600). En explorant les différences entre traitement conscient et non conscient, nous montrons que le traitement sémantique non conscient est sensible aux influences descendantes conscientes, ce qui réfute une conception strictement automatique de la cognition inconsciente. Nos résultats apportent également un nouveau regard sur les mécanismes de résolution d'ambiguïté sémantique. L'exploration des capacités cognitives telles que le traitement sémantique verbal, chez des patients présentant un trouble de la conscience, devrait permettre des avancées notables dans leur prise en charge. / The study of cognitive functions so complex such as language and consciousness, and of their interactions, is a challenge at the boundaries between medicine (intensive care, anesthesia, neurology) and cognitive neuroscience. Semantic processing provides our perceptual experiences with a level of abstraction allowing a variety of conceptual functions such as object recognition, social cognition, or language. In this thesis, we explored the relationships between verbal semantic processing and consciousness using a double approach: first, by studying healthy subjects in conscious and unconscious condition (using visual masking), and secondly by studying patients with disorders of consciousness. Through this work we provided empirical evidence of unconscious semantic representations. We then proposed that the two main brain signatures of semantic processing observed in ERPs (N400 and LPC / P600) could be integrated in a two stages model: a first unconscious stage (corresponding to the N400), followed or not by a second stage of processing corresponding to conscious semantics (LPC / P600). Exploring the differences between conscious and nonconscious processing, we showed that nonconscious semantic processing is sensitive to conscious top-down influences. These results refute a strictly automatic conception of unconscious cognition. Our results also shed new light on the respective roles of the two hemispheres in the resolution of semantic ambiguity. The exploration of high-level cognitive abilities, - such a verbal semantic processing - in patients affected with disorder of consciousness should enable significant advancements in their medical management.

L'entrée visuelle rétinienne est discontinue. D'une part les saccades causent un énorme mouvement de l'image sur la rétine 3 à 4 fois par seconde, qui devrait résulter en un floutage des hautes fréquences spatiales et une forte impression de mouvement. D'autre part, les clignements des yeux induisent une diminution temporaire drastique de la luminance toutes les 3 à 4 secondes. Dans des conditions de vision écologiques, ces conséquences visuelles des saccades et des clignements des yeux ne sont pas consciemment perçues et le monde extérieur semble continu et net : deux phénomènes que l'on peut désigner sous le terme d'omission saccadique et d'omission des clignements des yeux. Dans cette thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment le système visuel s'accommode de ces interruptions et quels sont les mécanismes qui contribuent à la continuité perceptive autour des saccades et des clignements des yeux. Deux principaux éléments pourraient contribuer à ces omissions : l'entrée visuelle elle-même et un mécanisme extra-rétinien qui informerait le cerveau de l'interruption à venir qui agirait en modifiant le traitement de l'information autour des saccades et des clignements des yeux. Dans une première série d'expériences, nous avons étudié les caractéristiques du masquage du smear saccadique, c'est à dire dans quelle mesure la présence d'images pré et post saccadiques nettes permet de rendre compte de l'omission du smear saccadique. Plus précisément, nous avons élaboré une méthode de mesure objective du masquage du smear et examiné son étendue spatiale et son origine périphérique ou centrale. A l'aide de cette nouvelle méthode, nous avons répliqué les résultats de masquage du smear et mis en évidence que ce masquage a lieu après le site d'interaction binoculaire et résiste à des séparations spatiales entre smear et masque jusqu'à 6 deg. Dans une deuxième étude nous avons comparé la sensibilité à des réseaux sinusoïdaux de basse fréquence spatiale autour des saccades et en fixation lorsque l'entrée visuelle simule les conséquences visuelles des saccades. De plus, nous avons cherché à établir si la plus importante diminution de la sensibilité observée pour de vraies saccades en comparaison des saccades simulées peut être expliquée par les propriétés cinématiques des mouvements oculaires. L'objectif de la troisième étude était de déterminer si le masquage est suffisant pour rendre compte de l'absence de percept de mouvement autour des saccades. Pour ce faire, nous avons présenté en fixation, un stimulus dont le contenu fréquentiel est similaire à celui des scènes naturelles. Ce stimulus était présenté en mouvement avec un profil similaire à celui d'une saccade. Il pouvait être précédé et suivi de l'image statique avant et après le mouvement. Les résultats indiquent que l'amplitude du mouvement perçu diminue considérablement en présence des masques, sans toutefois annuler totalement tout percept de mouvement pour des longues durées de masques. Dans une dernière série d'études nous nous sommes intéressés à la perception de la durée autour des clignements des yeux. Dans la première expérience nous avons quantifié la contribution de la durée d'un clignement des yeux à la durée d'une période d'obscurité plus longue et dans la seconde expérience, nous avons étudié la perception de la durée d'un objet interrompu ou non par un clignement des yeux. Les résultats de ces deux expériences suggèrent l'implication d'un mécanisme extra-rétinien qui supprime la durée perçue de la période d'obscurité causée par les clignements des yeux mais pas la durée des objets visuels chevauchés par le clignement. Pris dans leur ensemble ces résultats précisent notre compréhension des contributions relatives des mécanismes rétiniens et extra-rétiniens à l'omission saccadique et l'omission des clignements des yeux. / The retinal input is discontinuous. On the one hand saccades, that occur 3-4 times a minute, cause a huge motion of the image on the retina that should result in smearing of the high frequencies of the image and perceived motion. On the other hand eye blinks induce drastic transient decreases in luminance every 3-4 seconds. Under real-world conditions, those visual consequences of saccades and blinks are barely noticed and the world appears continuous and sharp: two phenomena that can be referred to as saccadic and blink omission. In this thesis we were interested in understanding how the visual system deals with these interruptions and which mechanisms contribute to perceived continuity around saccades and blinks. Two main elements could contribute to those omissions: the visual input itself and an extra-retinal mechanism informing the brain of the impending interruption that would affect information processing around saccades and blinks. In a first series of experiments we studied the characteristics of masking of the saccadic smear, the extent to which clear and still pre- and post-saccadic images are responsible for the perceptual omission of saccadic smear. In particular, we designed an objective method to measure smear masking and studied its spatial extent and whether it is of peripheral or central origin. We replicated previous results of saccadic masking with this new method and found that smear masking seems to take place after the site of binocular interaction and survives separations between smear and mask as much as 6 deg. In a second study we compared sensitivity to low-frequency gratings around saccades and in fixation when the visual input simulates the visual consequences of saccades. Moreover we tried to determine whether the greater decrease in sensitivity around real, as compared to simulated, saccades that we found could be accounted for by the cinematic properties of the eye movement. The goal of the third study was to determine if masking was sufficient to explain the lack of perceived motion during saccades. To do that we presented, during fixation, a natural scene-like stimulus moving at saccadic speeds that could be preceded and followed by the initial or final static image. Results indicate that the amplitude of perceived motion considerably decreased in the presence of pre- and post-masks, even though motion was still perceived for long mask durations. In a final series of studies, we probed duration perception around blinks. In a first experiment we quantified the contribution of the duration of a blink to a longer period of darkness and in a second experiment we tested the perceived duration of an object interrupted or not by a blink. Results suggest the involvement of an extra-retinal mechanism that suppresses the perceived duration of the darkness caused by the blink, but not the duration of visual objects that straddle the blink. Taken together these results refine our understanding of the relative contributions of retinal and extra-retinal mechanisms to saccadic and blink omission.

Les opérations géométriques appliquées aux maillages 3D introduisent des dis torsions géométriques qui peuvent être visibles pour un observateur humain. Dans cette thèse, nous étudions l’impact perceptuel de ces distorsions. Plus précisément, notre objectif est de calculer le seuil à partir duquel les distorsions géométriques locales deviennent visibles. Afin d’atteindre notre but, nous définissons tout d’abord des caractéristiques perceptuelles pour les maillages 3D. Nous avons ensuite effectué une étude expérimentale des propriétés du système visuel humain (sensibilité au contraste et effet du masquage visuel) en observant un maillage 3D. Les résultats de ces expériences sont finalement utilisés pour proposer un algorithme qui calcule le seuil de visibilité relatif à une distorsion locale. L’algorithme proposé s’adapte aux différentes conditions d’affichage (résolution et taille de l’écran), d’illumination et au type de rendu. Enfin, nous montrons l’utilité d’un tel algorithme en intégrant le seuil de visibilité dans le pipeline de plusieurs opérations géométriques (ex: simplification, subdivision adaptative) / Geometric operations applied to a 3D mesh introduce geometric distortion in the form of vertex displacement that can be visible to a human observer. In this thesis, we have studied the perceptual impact of these geometric distortions. More precisely, our goal is to compute the threshold beyond which a local geometric distortion becomes visible. In order to reach this goal, we start by evaluating perceptually relevant properties on 3D meshes. We have then performed a series of psychophysical experiments in which we measured the visibility threshold relative to various properties of the Human Visual System (contrast sensitivity and visual masking). The results of these experiments allowed us to propose an algorithm that computes the visibility threshold relative to a local geometric distortion. This algorithm is capable of adapting to the different display condition of 3D meshes (resolution, display size, illumination condition and rendering). Finally, we showcase the utility of our work by integrating the developed perceptual method in several geometric operations such as mesh simplification and adaptive subdivision