L’activité psychologique spontanée contribue de façons importantes à notre expérience du monde qui nous entoure. Cette thèse s’intéresse à l’atténuation spontanée des mécanismes sensoriels cérébraux, qui constitue un important déterminant du découplage attentionnel, menant à une expérience de « mind-wandering » (vagabondage/errance de la pensée). Cet état de mind-wandering se caractérise par une augmentation spontanée de pensées sans lien avec la tâche en cours de réalisation, qui vont varier au cours du temps et interférer avec les processus cognitives. Certain processus de découplage sensoriel apparaissent très précocement après une stimulation, alors que d’autres, comme l’attention sélective, apparaissent plus tardivement. La recherche s’est principalement intéressée aux effets du mind-wandering sur les processus cognitifs, mais nous ne savons que peu de chose sur les processus sensoriels précoces au cours du mind-wandering et sur leur dynamique temporelle. Dans cette thèse, nous nous intéresserons principalement au développement temporel précoce de l’atténuation sensorielle qui précède un état de mind-wandering. Nous chercherons, plus particulièrement, à déterminer si cette atténuation sensorielle est un processus qui se développe progressivement ou s’il s’agit d’un évènement de découplage soudain, qui déclenche alors à un changement cognitif global amenant à un état de mind-wandering. Nous avons développé une nouvelle approche expérimentale, inspiré de la tâche classique de SART (Sustained Attention to Response Task), et basée sur la mesure de l’évaluation en continue de performance psychophysique individuelle. Ceci était réalisé en sondant les participants par une question, lorsque leurs temps de réponse (RT) dépassaient de plus ou moins deux fois la déviation standard (SD) de leur temps de réponse moyen. Les résultats montrent que l’état de mind-wandering est généralement précédé par des temps de réponses plus court, en comparaison aux essais dans lesquels le sujet est focalisé sur la tâche. Plus particulièrement, il est possible de prédire de façons fiables les épisodes de mind-wandering à partir de la différence de temps de réponse entre les deux derniers essaies précédent la question. Ainsi, l’état de mind-wandering suit une augmentation de courte durée de la variabilité comportementale avec une durée comprise entre 2,5 et 10 secondes. Dans une seconde étude, nous avons exploré les corrélats electrophysiologiques de la dynamique de l’atténuation sensorielle précédent les phases de mind-wandering au cours d’une version modifiée de la tâche de SART. Nous avons décrit les modulations de l’activité cérébrale dans plusieurs régions du cortex visuel pendant les épisodes de mind-wandering. Les résultats montrent une modulation de composantes associées au traitement sensoriel précoce (augmentation de P1 et diminution de N1) juste avant le report par les participants d’épisodes de mind-wandering. Ce résultat suggère une diminution des ressources neuronales associées aux traitements visuels précoces du stimulus visuel. Le mind-wandering augmente également l’amplitude d’une composante plus tardive, entre 300 et 500ms, suggérant une augmentation de la préparation à la réponse. Cette thèse apporte ainsi, pour la première fois, une description de l’organisation temporelle précoce du découplage sensoriel précédent l’experience de mind-wandering. En effet, le mind-wandering apparait comme étant fortement associé à une atténuation précoce et abrupte des processus sensoriels. Ainsi, le cours découplage sensoriel (quelques centaines de ms) peut alors entrainer un long et dramatique état de conscience tel que le mind-wandering. / Spontaneous psychological activity substantially contributes to our everyday experience of the external world. This thesis focuses on spontaneous attenuation of sensory processing in the human brain, an important determinant of attentional decoupling, which results in mind-wandering experience. Mind wandering is characterized by the spontaneous rise of thoughts unrelated with the ongoing task, which varies over time and interferes with the current cognitive processes. Some sensory decoupling processes arise very early after an event, whereas others, such as selective attention processes, take place later on. Previous research mainly focused on the general effects of mind-wandering on cognitive processing, but little is known about the early sensory processes during mind wandering and about their temporal dynamics. This thesis focuses on the study of the temporal development of early sensory attenuation previous to mind-wandering experiences. Specifically, we addressed whether this sensory attenuation is a process that develops gradually or whether it is an abrupt decoupling event that consequently triggers a global cognitive change towards a mind-wandering experience. We developed a new experimental approach, inspired by the classic sustained attention to response task (SART), based on the continuous, online assessment of individual psychophysical performance. Probe questions were asked whenever response times (RTs) exceeded 2 SD from the participant’s average RT. Results showed that mind-wandering reports were generally preceded by slower RTs, as compared to trials preceding on-task reports. Specifically, we could reliably predict mind-wandering episodes based on the response time difference between the last and the second-to-last trials. Thus, mind-wandering follow an abrupt increase in behavioral variability, lasting between 2.5 and 10 seconds. In a second study, we addressed the electrophysiological correlates of the dynamics of the sensory attenuation prior to mind-wandering experiences during the performance of a modified version of the RT task. We described the modulation of the brain activity in different regions of the visual cortex during mind-wandering episodes. We found modulations of components related to early sensory processing (increase of P1 and decrease of N1), shortly before participants reported mind-wandering episodes. This suggests a decrease of neural resources related with the early visual processing of the sensory input. Mind wandering also increased the amplitude of a late component peaking around 300-500 ms, perhaps because of increased preparation of response. Overall, this thesis provides for the first time a clear description of the early temporal organization of the sensory decoupling prior to mind-wandering experiences. In particular, mind wandering appears to be strongly linked to early, abrupt sensory attenuation. Thus, short-lasting sensory decoupling (a few hundreds ms) can thus determine a prolonged and dramatic consciousness state such as mind wandering.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(教育学) / 甲第20127号 / 教博第204号 / 新制||教||167(附属図書館) / 京都大学大学院教育学研究科教育科学専攻 / (主査)准教授 野村 理朗, 教授 齊藤 智, 教授 Emmanuel MANALO / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Education) / Kyoto University / DGAM

Le Vagabondage de la Pensée (VP) est un état d’inattention particulier que chacun expérience au quotidien et qui consiste,pour un individu en un changement de l’orientation de son attention vers des pensées personnelles. Dans le cas de la conduiteautomobile, le VP a de nombreux effets négatifs générant un risque accru d’être impliqué et responsable d’un accident.L’objectif de cette thèse était d’abord de mieux décrire l’impact du VP sur les variables physiologiques et comportementales duconducteur afin de dresser une liste des indicateurs sensibles à cet état. Le VP en agissant comme une tâche additionnelle à laconduite, consommerait une partie des ressources cognitives du conducteur. Il convenait donc de rechercher, par une approcheexpérimentale, un indicateur de l’effort cognitif en conduite automobile. Comme la multiplicité des pensées et de leurscaractéristiques pourraient créer différents niveaux de risque pour le conducteur, il apparaissait pertinent d’étudier l’impact de ces différentes formes d’inattention sur la conduite.Les résultats des différents travaux menés montrent que la variation du rythme cardiaque est sensible à l’effort cognitif enconduite simulée. Une solution possible pour améliorer cet indicateur en vue d’atteindre une détection temps réel de l’effortcognitif, a été proposée à un concours international : le Valeo Innovation Challenge de 2016. Un second indicateur a étéidentifié : le regard du conducteur lorsque celui-ci est en VP est plus fixe que lors d’épisodes d’attention vers la conduite. Enfin,l’analyse des mesures électroencéphalographiques a révélé que le VP diminue l’attention allouée aux différentes étapes (sensorielle et cognitive) du traitement de l’information visuelle en conduite simulée. Ainsi, l’effet de différents types de pensée sur le comportement oculaire, le traitement de l’information visuelle et sur l’indicateur d’effort mis en évidence a renseigné le degré d’interférence de différents types de pensée sur l’activité de conduite.Les résultats de cette thèse montrent qu’il semble prometteur d’aller encore plus loin dans la recherche d’indicateurs sensiblesau vagabondage et possiblement aux autres états internes du conducteur pour pallier leurs effets négatifs sur l’activité deconduite. La mise en commun par une technique de fusion de données, des indicateurs sensibles au VP pourrait permettre, dans le futur, de créer des algorithmes à même de superviser le conducteur. L’automatisation progressive des véhicules couplée à une surveillance intelligente des conducteurs pourrait permettre de limiter le risque d’accident et les coûts humains, sociétaux et économiques qui leur sont imputables. / Mind-Wandering (MW) is a particular state of inattention that everyone experience in daily tasks. It involves a change of anindividual attentional focus, from the main activity to personal thoughts. During driving, MW has many negative effectsenhancing the risk of being involved and responsible for a car accident.The objective of this thesis was to better describe the impact of MW on drivers’ physiological and behavioral variables to drawup a list of sensitive indicators to this state. MW, acting as an additional task to driving, would consume some of driver'scognitive resources. It was therefore necessary to search, by an experimental approach, an indicator of cognitive effort in driving.As the multiplicity of thoughts and their characteristics could create different levels of risk for the driver, it seemed relevant tostudy the impact of these different forms of inattention on driving.Results of various work conducted, show that heart rate change is sensitive to cognitive effort during simulated driving. A possible solution to improve this indicator and try to achieve a real-time detection of cognitive effort has been proposed to an international competition: the 2016 Valeo Innovation Challenge. Another indicator has been identified: driver's eyes appeared to be more staring during MW than during episodes of attention dedicated to driving. Lastly, analysis of electroencephalographicmeasurements revealed that MW decreases attention allocated to the different stages (sensory and cognitive) of visual information processing during simulated driving. Thus, the effect of different types of thoughts on ocular behavior, visual information processing, and on the cognitive effort indicator previously highlighted, informed about the degree of interference of different types of thoughts on the driving activity.The results of this thesis show that it seems promising to go even further in the search for indicators sensitive to MW and possibly other internal states to mitigate their negative effects on the driving activity. Gathering MW sensitive indicators, using atechnique of data fusion, could allow, in the future, the possibility to create algorithms able to supervise the driver. The gradualautomation of vehicles coupled with intelligent monitoring of drivers could limit the risk of accidents and human, societal andeconomic costs that are attributable to them.

Des niveaux d'automatisation élevés sont intégrés dans les environnements critiques pour satisfaire la demande croissante de systèmes plus sûrs. Cette philosophie déplace les opérateurs vers un rôle de supervision et crée de nouveaux problèmes appelés problèmes de performance liés à la sortie de boucle (SDB). L'émergence de pensées sans lien avec ici et maintenant, ou divagation attentionnelle (DA), pourrait affecter les opérateurs dans des situations de SDB par le biais du découplage perceptuel induit. Cette thèse a étudié la dynamique de la DA dans les situations de SDB et son influence sur les opérateurs. Nous avons en premier lieu examiné les preuves dans la littérature pointant vers un lien entre le problème de performance lié à la SDB et la DA. Nous avons complété cette analyse théorique en rapportant la tendance des pilotes (collectée avec un questionnaire) à rencontrer plus de problèmes avec leur pilote automatique pour ceux ayant une plus grande propension au MW non lié à la tâche. Nous avons ensuite mené trois expériences dans des conditions de SDB. Nous avons observé une augmentation significative des épisodes de DA dans les situations de SDB quelle que soit la fiabilité du système, par rapport aux conditions manuelles. Les épisodes de DA étaient également accompagnés d'un découplage perceptuel vis-à-vis de la tâche créé par la DA non lié à la tâche. Ce découplage était visible sur des rapports de demande mentale ainsi que les signaux oculométriques et encéphalographiques. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent la possibilité d'utiliser des marqueurs physiologiques de la DA dans des environnements de SDB complexes. Nous discutons de nouvelles perspectives d'utilisation des marqueurs de la DA pour caractériser les problèmes de performance liés à la SDB. Sans vouloir arrêter aveuglément l'émergence de la DA, qui pourrait être bénéfique pour les opérateurs, les recherches futures devraient se concentrer sur la conception de systèmes capables de gérer la DA et d'identifier les informations nécessaires pour faciliter la rentrée de l'opérateur dans la boucle de contrôle. / Higher levels of automation are progressively integrated in critical environments to satisfy the increasing demand for safer systems. Such philosophy moves operators to a supervisory role, also called out-of-the-loop (OOTL) situations. Unfortunately, OOTL situations also create a new kind of human-machine interaction issues, called OOTL performance problem. The dramatic consequences of OOTL performance problem stress the need to identify which mechanisms could influence their appearance. The emergence of thoughts unrelated to the here and now, labeled mind wandering (MW), could affect operators in OOTL situations through the perceptual decoupling induced. This thesis investigates MW dynamic in OOTL situations and its influence on operators. We firstly reviewed the evidences in the literature underlining a link between OOTL performance problem and MW. We completed theoretical insights by reporting pilots' tendency (collected with a questionnaire) to encounter more problems with autopilots when experiencing more task-unrelated MW. Then, we conducted three experiments in OOTL conditions using an obstacle avoidance task. With non-expert population and sessions longer than 45 minutes, we observed a significant increase of MW in OOTL situations compared to manual conditions, independently of system reliability. MW episodes were also accompanied by a perceptual decoupling from the task induced by task-unrelated MW. This decoupling was visible on reports of mental demand as well as oculometric (pupil size, blinks) and encephalographic (N1 component, alpha activity) signals. Overall, our results demonstrate the possibility to use physiological markers of MW in complex OOTL environments. We discuss new perspectives towards the use of MW markers to characterize the OOTL performance problem. Instead of blindly stopping MW episodes, which could have benefits for operators, future research should focus on designing systems able to cope with MW and identify information needed to facilitate the reentry in the control loop when needed.

It sometimes happens that we finish reading a passage of text just to realize that we have no idea what we just read. During these episodes of mindless reading our mind is elsewhere yet the eyes still move across the text. The phenomenon of mindless reading is common and seems to be widely recognized in lay psychology. However, the scientific investigation of mindless reading has long been underdeveloped. Recent progress in research on mindless reading has been based on self-report measures and on treating it as an all-or-none phenomenon (dichotomy-hypothesis). Here, we introduce the levels-of-inattention hypothesis proposing that mindless reading is graded and occurs at different levels of cognitive processing. Moreover, we introduce two new behavioral paradigms to study mindless reading at different levels in the eye-tracking laboratory. First (Chapter 2), we introduce shuffled text reading as a paradigm to approximate states of weak mindless reading experimentally and compare it to reading of normal text. Results from statistical analyses of eye movements that subjects perform in this task qualitatively support the ‘mindless’ hypothesis that cognitive influences on eye movements are reduced and the ‘foveal load’ hypothesis that the response of the zoom lens of attention to local text difficulty is enhanced when reading shuffled text. We introduce and validate an advanced version of the SWIFT model (SWIFT 3) incorporating the zoom lens of attention (Chapter 3) and use it to explain eye movements during shuffled text reading. Simulations of the SWIFT 3 model provide fully quantitative support for the ‘mindless’ and the ‘foveal load’ hypothesis. They moreover demonstrate that the zoom lens is an important concept to explain eye movements across reading and mindless reading tasks. Second (Chapter 4), we introduce the sustained attention to stimulus task (SAST) to catch episodes when external attention spontaneously lapses (i.e., attentional decoupling or mind wandering) via the overlooking of errors in the text and via signal detection analyses of error detection. Analyses of eye movements in the SAST revealed reduced influences from cognitive text processing during mindless reading. Based on these findings, we demonstrate that it is possible to predict states of mindless reading from eye movement recordings online. That cognition is not always needed to move the eyes supports autonomous mechanisms for saccade initiation. Results from analyses of error detection and eye movements provide support to our levels-of-inattention hypothesis that errors at different levels of the text assess different levels of decoupling. Analyses of pupil size in the SAST (Chapter 5) provide further support to the levels of inattention hypothesis and to the decoupling hypothesis that off-line thought is a distinct mode of cognitive functioning that demands cognitive resources and is associated with deep levels of decoupling. The present work demonstrates that the elusive phenomenon of mindless reading can be vigorously investigated in the cognitive laboratory and further incorporated in the theoretical framework of cognitive science. / Beim Lesen passiert es manchmal dass wir zum Ende einer Textpassage gelangen und dabei plötzlich bemerken dass wir keinerlei Erinnerung daran haben was wir soeben gelesen haben. In solchen Momenten von gedankenverlorenem Lesen ist unser Geist abwesend, aber die Augen bewegen sich dennoch über den Text. Das Phänomen des gedankenverlorenen Lesens ist weit verbreitet und scheint in der Laienpsychologie allgemein anerkannt zu sein. Die wissenschaftliche Untersuchung von gedankenverlorenem Lesen war jedoch lange Zeit unzureichend entwickelt. Neuerer Forschungsfortschritt basierte darauf gedankenverlorenes Lesen durch Selbstberichte zu untersuchen und als ein Phänomen zu behandeln das entweder ganz oder gar nicht auftritt (Dichotomie-Hypothese). Hier stellen wir die ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese auf, dass gedankenverlorenes Lesen ein graduelles Phänomen ist, das auf verschiedenen kognitiven Verarbeitungsstufen entsteht. Wir stellen zudem zwei neue Verhaltensparadigmen vor um verschiedene Stufen von gedankenverlorenem Lesen im Augenbewegungslabor zu untersuchen. Als erstes (in Kapitel 2) stellen wir das Lesen von verwürfeltem Text vor als ein Paradigma um Zustände von schwach gedankenverlorenem Lesen experimentell anzunähern, und vergleichen es mit dem Lesen von normalem Text. Die Ergebnisse von statistischen Augenbewegungsanalysen unterstützen qualitativ die ‚Unaufmerksamkeits’-Hypothese, dass kognitive Einflüsse auf Augenbewegungen beim Lesen von verwürfeltem Text reduziert ist, und die ‚Foveale Beanspruchungs’-Hypothese, dass die Reaktion der zoom lens visueller Aufmerksamkeit auf lokale Textschwierigkeit beim Lesen von verwürfeltem Text verstärkt ist. Wir stellen eine weiterentwickelte Version des SWIFT Modells (SWIFT 3) vor, welches die zoom lens der Aufmerksamkeit implementiert, und validieren dieses Modell am Lesen von verwürfeltem und normalem Text (Kapitel 3). Simulationen des SWIFT 3 Modells unterstützen die ‚Unaufmerksamkeits’ und die ‚Foveal Beanspruchungs’-Hypothese in einem vollständig quantitativen Modell. Zudem zeigen sie, dass die zoom lens der Aufmerksamkeit ein wichtiges Konzept ist um Augenbewegungen in Aufgaben zum Lesen und gedankenverlorenen Lesen zu erklären. Als zweites (Kapitel 4) stellen wir den sustained attention to stimulus task (SAST) vor um Episoden von spontaner externer Unaufmerksamkeit (also Entkopplung der Aufmerksamkeit oder Abschweifen der Gedanken) in einem Paradigma über Verhaltensparameter wie das Übersehen von Fehlern im Text und Signal-Detektions-Analysen von Fehlerentdeckung zu messen. Augenbewegungsanalysen im SAST decken abgeschwächte Einflüsse von kognitiver Textverarbeitung während gedankenverlorenem Lesen auf. Basierend auf diesen Befunden zeigen wir, dass es möglich ist Zustände von gedankenverlorenem Lesen online, also während dem Lesen, aus Augenbewegungen vorherzusagen bzw. abzulesen. Dass höhere Kognition nicht immer notwendig ist um die Augen zu bewegen unterstützt zudem autonome Mechanismen der Sakkadeninitiierung. Ergebnisse aus Analysen von Fehlerdetektion und Augenbewegungen unterstützen unsere ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese, dass Fehler auf verschiedenen Textebenen verschiedene Stufen von Entkopplung messen. Analysen der Pupillengröße im SAST (Kapitel 5) bieten weitere Unterstützung für die ‚Stufen der Unaufmerksamkeit’-Hypothese, sowie für die Entkopplungs-Hypothese, dass abschweifende Gedanken eine abgegrenzte kognitiver Funktionsweise darstellen, welche kognitive Ressourcen benötigt und mit tiefen Stufen von Unaufmerksamkeit zusammenhängt. Die aktuelle Arbeit zeigt, dass das flüchtige Phänomen des gedankenverlorenen Lesens im kognitiven Labor mit strengen Methoden untersucht und weitergehend in den theoretischen Rahmen der Kognitionswissenschaft eingefügt werden kann.

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