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

Nous sommes de plus en plus nombreux, jeunes ou âgés, à travailler devant un écran en milieu professionnel. Cette activité de travail peut induire une charge mentale et une fatigue importante, qui peuvent à leur tour générer, chez les personnes âgées notamment, des problèmes de santé. Dans ce contexte, il est donc important de développer et de déployer des solutions de surveillance de l’état psychophysiologique et d’alerte du travailleur sur écran.La charge mentale et la fatigue sont des phénomènes psychophysiologiques multidimensionnels. Des routines de travail inappropriées sont susceptibles d’accélèrr le développement de la fatigue, qui peut s’accompagner d’une diminution des ressources cognitives disponibles et d’une augmentation des erreurs. Les micro-pauses font partie des solutions possibles pour retarder, si elles sont mises en place de manière appropriée, l’apparition de la fatigue et de ses effets corollaires. L'oculométrie est une technologie prometteuse permettant la quantification de la charge mentale et des niveaux de fatigue. Ce travail doctoral avait pour objectif principal d’évaluer si, et dans quelle mesure, l'oculométrie, en association avec la charge mentale et la fatigue, peut être utilisée comme outil de détection précoce de la fatigue, et comme moyen de paramétrage de micro-pauses à mettre en œuvre afin de ralentir et/retarder le développement de la fatigue durant l’exécution d’un travail sur ordinateur.Pour répondre à cet objectif, trois études (I-III) portant sur 58 individus jeunes et âgés ont été conduites. Une tâche expérimentale, se rapprochant de celle qu’uin travailleur peut réaliser sur ordinateur, a été développée pour induire une charge mentale de trois niveaux d’intensités croissantes. Les positions du regard et les réponses pupillaires ont été enregistrées pendant l'exécution de cette tâche afin de détecter les événements oculaires et de calculer ainsi les paramètres oculomoteurs tels que la durée de fixation par exemple.Dans l'étude I, cette tâche a été effectuée à deux jours d’intervalle et dans un ordre contrebalancé. Les performances à la tâche et la charge de travail ont d’une part été mesurées. Dix-neuf paramètres oculomoteurs ont, d’autre part, été calculés pour évaluer leur sensibilité à la charge mentale, et leur fiabilité sur plusieurs jours.Dans l'étude II, le développement de la fatigue a été étudié au moyen des mesures oculométriques au cours de l'exécution de la tâche pendant 40 minutes, alors que les mesures de la fatigue subjective et de la performance ont été acquises. Un modèle prédictif du développement de la fatigue a été conçu sur la base des données d’oculomotricité recueillies dans l'étude II. Un système de biofeedback en temps réel basé sur l'oculométrie a été mis en œuvre. Son principe de fonctionnement repose sur la détection de la fatigue à l'aide du modèle développé, et le déclenchement de micro-pauses dès lors qu’un état de fatigue est détecté, afin de ralentir sa progression durant l’exécution de la tâche. L'efficacité et la robustesse de ce système de contrôle en boucle fermée ont été comparées à des micro-pauses déclenchées de manière automatique en termes de charge de travail perçue et de précision de la détection de la fatigue sur toute la journée.Nos résultats ont mis en évidence la fiabilité et la sensibilité d’un ensemble de paramètres oculomoteurs permettant d’estimer la charge mentale et la fatigue chez les personnes jeunes et âgées. Le biofeedback basé sur l’oculométrie a permis la planification des micro-pauses, qui, en comparaison à des micro-pauses déclenchées de manière automatique, ont réduit de manière significative la charge de travail perçue et le développement de la fatigue.Dans leur ensemble, les résultats suggèrent que le système de biofeedback oculométrique développé dans le cadre de ce travail doctoral peut représenter une solution prometteuse pouvant contribuer à un travail sur ordinateur productif et sain. / Computer work, as a prevalent occupation, involves different levels of mental load and fatigue with possible negative health effects. The population aging has also led to increased elderly workers highlighting the need for protective measures.Mental load and fatigue are multidimensional psychophysiological phenomena. Inefficient work routines accelerate fatigue development, associated with declined cognitive resources and increased errors. Micro-breaks are strategic solutions to counteract fatigue subject to design constraints, e.g. timing plan. Eye tracking is a promising technology for the quantification of mental load and fatigue levels. The oculometrics were aimed to be studied in association with age, mental load and fatigue, allowing early detection of fatigue, and thereby applying biologically-valid micro-breaks to decelerate fatigue development.Upon this, three Studies (I-III) involving 58 young and elderly individuals were conducted. A task, resembling computer work, was developed to induce mental load. Gaze positions and pupillary responses were recorded during the task execution to detect ocular events (saccades, fixations, and blinks), and thereby computing oculometrics e.g. fixation duration. In Study I, the task was performed on three load levels in a counterbalanced order across two days. Between-day reliability and mental-load sensitivity of 19 oculometrics were assessed, besides measuring performance and perceived workload. In Study II, fatigue development was explored in oculometrics during 40-min performance of the task while subjective fatigue and performance metrics were obtained. A predictive model of fatigue was developed in Study III based on the ocular data collected in Study II. An oculometrics-based biofeedback system was implemented in real time to detect fatigue using the developed model, which triggered micro-breaks upon fatigue detections to counteract it during the task. The optimality of the system was compared with self-triggering micro-breaks in terms of fatigue trends and workload.A group of oculometrics was sensitive and reliable to reflect mental load and fatigue in the young and elderly individuals. Similar trends in the oculometrics were observed with increased mental load and fatigue levels, implying shared neural systems for both conditions. Although age-related differences were exhibited in some oculometrics, age did not directly contribute to the predictive model of fatigue. The oculometrics-based biofeedback provided an improved solution for timing plan of micro-breaks in reducing workload and fatigue development compared with self-triggering micro-breaks. The oculometrics-biofeedback system made a benchmark towards productive and healthy computer work.

Nous avons expliqué comment le système visuel intègre les informations de mouvement en manipulant la distribution de vitesse locale à l'aide d'une classe bien contrôlée de stimuli de texture aléatoires à large bande appelée Motion Clouds (TM), avec des spectres de fréquence spatio-temporels naturalistes continus. Nos résultats montrent que le gain et la précision des poursuites se détériorent à mesure que la variabilité de la fréquence de stimulation augmente. Dans l'expérience de discrimination de vitesse perceptuelle, nous avons constaté que les MC ayant une largeur de bande légèrement supérieure à la vitesse étaient perçus comme se déplaçant plus rapidement. Cependant, au-delà d'une bande passante critique, la perception d'une vitesse constante a été perdue. Dans une troisième expérience de discrimination, nous avons constaté que pour les contrôleurs multimédias à large bande passante, les participants ne pouvaient plus discriminer la direction du mouvement. Ces résultats suggèrent que lorsqu’on augmente la bande passante de petites à grandes vitesses, l’observateur expérimente différents régimes de perception. Nous avons finalement réalisé une expérience d’échelle de différence de vraisemblance maximale avec nos stimuli MC afin d’étudier ces différents régimes de perception possibles. Nous avons identifié trois régimes dans la plage des valeurs de différence de vitesse testées qui correspondraient à la cohérence de mouvement, à la transparence de mouvement et à l'incohérence complète. / It is still not fully understood how the visual system integrates motion information across different spatial and temporal frequencies, in order to build a coherent percept of the global motion under complex, noisy naturalistic conditions. We addressed this question by manipulating local speed distribution (i.e. speed bandwidth Bv) using a well-controlled class of broadband random-texture stimuli called Motion Clouds (MCs), with continuous naturalistic spatiotemporal frequency spectra (Sanz-Leon et al., 2012,; Simoncini et al., 2012).Our results show that pursuit gain and precision deteriorate as stimulus speed variability increases. In the perceptual speed discrimination experiment, we found that MCs with moderately larger speed bandwidth were perceived as moving faster. However, beyond a critical bandwidth (Bv > 0.5 °/s), the perception of a coherent speed was lost. In a third direction discrimination experiment, we found that for large bandwidth MCs participants could no longer discriminate motion direction. These results suggest that when increasing speed bandwidth from a small to a large range, the observer experiences different perceptual regimes. We finally ran a Maximum Likelihood Difference Scaling (Knoblauch & Maloney, 2008) experiment with our MC stimuli to investigate these different possible perceptual regimes. We identified three regimes across the range of tested values of velocity difference, that would correspond to motion coherency (and speed integration), motion transparency and complete incoherency.

Avec ce travail, nous avons voulu mettre l'accent sur la validité externe des expérimentations et nous focaliser sur des situations dynamiques naturelles. Or dans ce type de situation, les traitements top-down, découlant des connaissances préalables et de l'objectif, guident préférentiellement l'allocation de l'attention, tandis que les traitements bottom-up (caractéristiques des entrées perceptives) ont une influence mineure. Ce travail est donc centré sur l'attention top-down. La situation choisie est une approche de carrefour en conduite automobile, les sous-tâches étudiées sont le contrôle du véhicule (la trajectoire) et la décision de s'arrêter ou non au carrefour. Deux objectifs opérationnels sont investigués à travers l'analyse des mouvements oculaires : 1/ distinguer les sous-tâches de contrôle du véhicule et de prise de décision, 2/ distinguer les processus de la sous-tâche de prise de décision. Pour chaque objectif, une approche qualitative puis quantitative sont explorées. Des techniques de classification supervisées ont notamment été utilisées pour distinguer les différents processus. Deux études ont été conduites afin de répondre à ces objectifs, une en simulateur de conduite et une en situation réelle de conduite, mettant toutes deux en scène des approches de carrefours. / In this work, we focus on the external validity of experiments and on natural dynamic situations. In this type of situation, the top-down treatments resulting from prior knowledge and goal preferably guide the allocation of attention, while the bottom-up treatments (characteristics of perceptual input) play a minor role. This work is then focused on top-down attention. The chosen situation is an approach of driving crossroads, the studied subtasks are the control of vehicle (trajectory) and the decision to stop or not at the crossroads. Two operational objectives are investigated by analyzing eye movements: 1/ discriminating the vehicle's control and decision making subtasks, 2/ discriminating the process of the decision making subtask. For each objective, we explore a qualitative and quantitative approach. In particular, supervised techniques of classification have been used to distinguish the different processes. Two studies were conducted in order to meet these objectives, one with a driving simulator and one in a real situation of driving, both involving approaches to crossroads.

Conduire un véhicule dans le brouillard requiert d’intégrer de l’information visuelle bruitée avec des attentes sur la scène routière pour rechercher des indices visuels importants pour la navigation. Les tâches d’identification et de recherche visuelle peuvent être vues comme des processus de prise de décision où l’information est accumulée et où des attentes sur l’objet et son contexte sont intégrées. L’accumulation d’information est souvent modélisée comme un processus passif. Cette thèse vise à mettre en avant des mécanismes actifs, intégrant les attentes sur la cible (sur sa position, sur son identité) et de l’information sensorielle dégradée (e.g., brouillard). Nous avons employé le paradigme de mouse-tracking, permettant d’inférer des aspects dynamiques du processus de prise de décision via les mouvements de la souris d’ordinateur. L’Étude 1 évalue l’effet du contexte dans la catégorisation de cible et suggère un compromis entre rapidité et exactitude de l’accumulation d’évidence pouvant être vu comme influençant activement la décision. Mais elle n’évalue pas directement la collecte active d’évidence. Les Études 2 et 3 incluent la mesure de la détection et vérification de la cible via les mouvement des yeux lors de la recherche visuelle dans des scènes dégradée. Les attentes sur la localisation (Étude 2) et sur l’identité de la cible (Étude 3) sont manipulées. Ces études éclairent les contributions de la détection et de la vérification dans l’accumulation d’évidence pour la réponse cible absente et cible présente. Pour conclure, nous proposons une ébauche de modèle de prise de décision intégrant une dynamique entre accumulation d’évidence et système oculomoteur. / Driving a vehicle in the fog requires the integration of noisy visual information with expectations about the visual road scene, in order to search for visual clues important for navigating. The visual search and identification of relevant objects can be seen as decision-making processes where sensory information is accumulated and where the expectations about the target object and its context are integrated. The accumulation of information is often modelled as a passive process. This thesis focuses on the contribution of active mechanisms integrating expectations about the target (its identity, its location) with degraded sensory information (with fog or artificial noise). We used the mouse-tracking paradigm, allowing to infer dynamic aspects of the decision-making process through a computer mouse movements. Study 1 evaluates the effect of the context for categorizing a target and suggests a trade-off between the speed and accuracy of the evidence accumulation process which can be seen as actively influencing the decision. But this study cannot directly evaluate the active collection of evidence. In Studies 2 and 3, target detection and verification are directly measured through eye movements during visual search tasks in visually degraded scenes. We manipulated the expectations about the location (Study 2) and the target’s identity (Study 3). These studies emphasize the contributions of the detection and verification processes in the accumulation of evidence toward the target present and target absent responses. In conclusion, we propose the draft of a decision-making model which integrates the dynamics between the accumulation of evidence, and the oculomotor system.

Ce travail de thèse vise à évaluer le rôle des afférences cutanées plantaires dans le contrôle postural et oculomoteur en manipulant l’extéroception plantaire à l’aide de stimulations mécaniques plantaires fines. La 1ère étude a montré que des éléments médio-plantaires fins externes (EME) et surtout internes (EMI) améliorent la stabilité orthostatique et postériorisent le CPP de sujets jeunes et sains lors de mouvements des yeux. Ils ont aussi une action spécifique sur la vergence (pas sur les saccades) : les EMI augmentent l’amplitude phasique de divergence et diminuent la partie tonique, autrement dit agissent surtout sur la composante pré-programmée du mouvement ; alors que les EME agissent sur la convergence en augmentant son amplitude tonique, composante contrôlée sous influence de la rétroaction visuelle. Les inserts influent de manière directe sur le contrôle postural et oculomoteur par des voies spécifiques et indépendantes. La 2ème étude explique la variabilité des réponses des sujets de la 1ère. Nous avons mesuré leur degré d’utilisation des afférences extéroceptives plantaires par la méthode du Quotient Plantaire (QP = Surface CPP mousse / Surface CPP sol dur X 100). Un QP<100 suggère une Inefficience des Afférences Plantaires (IAP) : les sujets IAP ne présentent plus d’amélioration de leur stabilité ni aucune modification de la vergence avec les inserts plantaires. Nous proposons que cette situation soit non physiologique et relève d’un dysfonctionnement non douloureux latent des récepteurs plantaires, opposant les sujets IAP aux sujets ayant un QP normal. La 3ème étude a investigué les rapports entre l’utilisation des afférences plantaires et visuelles chez de jeunes adultes sains avec la méthode du QP et du Quotient du Romberg (QR). Elle mis en évidence l’existence d’une utilisation synergique des afférences visuelles et plantaires en vision de près, uniquement chez les sujets au QP normal. Les sujets IAP ont un QR plus bas que les sujets au QP normal, en vision de près et sur sol dur uniquement. Sur mousse, leur QR des sujets IAP augmente ; les yeux fermés, leur QP augmente, ce qui objective une asynergie visuo-podale. La 4ème étude, sur la même population, a montré qu’un EME bilatéral augmente l’esophorie, uniquement de loin et chez les sujets IAP. La 5ème étude a révélé l’influence de l’extéroception plantaire sur la perception de la Verticale Visuelle Subjective (VVS) sur la même population. Elle a montré une diminution de l’erreur vers la gauche de près chez les sujets au QP normal avec un EME droit, ainsi qu’une diminution de l’erreur absolue de loin chez les sujets IAP avec un EMI bilatéral. L’ensemble de ces travaux consolide au plan théorique l’importance des afférences plantaires aussi bien pour le contrôle orthostatique, le contrôle de la vergence, la perception de la VVS et l’alignement des yeux (phories). Ils démontrent que l’utilisation de ces afférences est variable selon les sujets et ont des implications cliniques pluridisciplinaires. / This thesis aims at assessing the role of plantar cutaneous afferents in postural and oculomotor control by manipulating plantar exteroception with thin mechanical plantar stimulations. The 1st study showed that lateral, and even more medial mid-foot plantar inserts (LAS / MAS) improve stability in quiet stance and induce a backward shift of the CoP of young healthy subjects during eye movements. They also have a specific action upon vergence (not saccades): MAS increase the phasic amplitude of divergence and decrease its tonic part, in other words they mainly act on the pre-programmed component of the movement; whereas LAS act upon convergence, increasing its tonic amplitude, which is under the influence of visual retroaction. The inserts have a direct influence upon postural and oculomotor control through specific and independent paths. The 2nd study explained the variability of the subjects’ answers of the former. We measured their degree of reliance upon plantar cutaneous afferents with the Plantar Quotient method (PQ = Surface CoP foam / Surface CoP firm gorund X 100). A PQ<100 suggest a Plantar Extercoeptive Inefficency (PEI): PEI subjects do not show any improvement of their stability or any modification of vergence with the inserts. We propose that this situation is non-physiological and results from a non-noxious latent dysfunction of the sole receptors, opposing the PEI subjects to those who have a normal PQ. The 3rd study investigated the relationship between the use of plantar and visual afferents in young healthy subjects with the method of the PQ and Romberg Quotient (RQ). It has evidenced the existence of a synergic use of visual and plantar afferents in close-distance vision, only among normal PQ subjects. The PEI subjects have a significantly lower RQ than the others only at close distance on firm ground. On foam, their RQ increases; eyes closed, their PQ increases, which objectifies a visual-podal asynergy. The 4th study, on the same population, showed that a bilateral LAS increase esophoria only at far distance and among the PEI subjects. The 5th study revealed the influence of plantar exteroception upon the perception of verticality on the same population. It has brought out a decrease of the leftward error at near distance among the normal PQ subjects with a right LAS, and a decrease of the absolute error at far distance among the PEI subjects with a bilateral MAS. Taken together, these studies support, from a theoretical point of view, the importance of plantar afferents for postural control as well as vergence control, SVV estimation and eyes alignment (phorias). They demonstrate that the use of these afferents depends on the subjects and have multidisciplinary clinical implications.