Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Lors de la locomotion, un large patron de mouvement visuel, appelé flux optique, est perçu par l'observateur. Les éléments de l'environnement accélèrent et agrandissent plus ils s'éloignent du point vers lequel il se dirige. Chez le chat, quelques études ont suggéré l'implication de la zone postéro­médiane du cortex suprasylvien latéral (PMLS) dans l'analyse du flux optique. Afin d'étudier plus en détail la participation du cortex PMLS dans cette analyse complexe, nous avons d'abord vérifié si les neurones de cette aire pouvaient coder la direction de divers stimuli mimant le flux optique, par l'enregistrement de l'activité unitaire. Nous avons également vérifié l'importance de différents paramètres des stimuli utilisés, comme les gradients de taille et de vitesse. Enfin, la position des champs récepteurs (CR) dans le champ visuel a été étudiée. Nos résultats démontrent qu'environ le tiers des neurones (83/131 cellules : 66%) testés aux stimuli de flux optique ont répondu à au moins un type de stimulus utilisé. De ces cellules sensibles aux stimulations de flux optique, une population de neurones (66 des 86 cellules) a été sélective à une direction particulière le long de l'axe frontal. La majorité de ces cellules a préféré la direction d'expansion qui correspond à la locomotion vers l'avant. Les neurones ayant des CR centraux ont répondu de façon similaire lorsque les gradients de vitesse et de taille étaient présents ou non. Par contre, les neurones ayant des CR périphériques ont démontré une autre tendance. Ces cellules répondaient presque exclusivement lorsque l'origine du mouvement était placé à l'aire centrale. Aussi, les cellules ayant des CR périphériques ont codé les indices qui sont propres au flux optique (gradients). Nos résultats suggèrent l'implication du cortex PMLS dans l'analyse du flux optique. Également, les résultats ont relevé une différence entre l'analyse du flux optique faite par les cellules ayant des CR centraux et ceux ayant des CR périphériques, ce qui nous amène à suggérer l'existence d'une dichotomie fonctionnelle au sein du cortex PMLS.

La perception visuelle ne se résume pas à la simple perception des variations de la quantité de lumière qui atteint la rétine. L’image naturelle est en effet composée de variation de contraste et de texture que l’on qualifie d’information de deuxième ordre (en opposition à l’information de premier ordre : luminance). Il a été démontré chez plusieurs espèces qu’un mouvement de deuxième ordre (variation spatiotemporelle du contraste ou de la texture) est aisément détecté. Les modèles de détection du mouvement tel le modèle d’énergie d’Adelson et Bergen ne permettent pas d’expliquer ces résultats, car le mouvement de deuxième ordre n’implique aucune variation de la luminance. Il existe trois modèles expliquant la détection du mouvement de deuxième ordre : la présence d’une circuiterie de type filter-rectify-filter, un mécanisme de feature-tracking ou simplement l’existence de non-linéarités précoces dans le traitement visuel. Par ailleurs, il a été proposé que l’information visuelle de deuxième ordre soit traitée par une circuiterie neuronale distincte de celle qui traite du premier ordre. Bon nombre d’études réfutent cependant cette théorie et s’entendent sur le fait qu’il n’y aurait qu’une séparation partielle à bas niveau. Les études électrophysiologiques sur la perception du mouvement de deuxième ordre ont principalement été effectuées chez le singe et le chat. Chez le chat, toutefois, seules les aires visuelles primaires (17 et 18) ont été extensivement étudiées. L’implication dans le traitement du deuxième ordre de l’aire dédiée à la perception du mouvement, le Sulcus syprasylvien postéro-médian latéral (PMLS), n’est pas encore connue. Pour ce faire, nous avons étudié les profils de réponse des neurones du PMLS évoqués par des stimuli dont la composante dynamique était de deuxième ordre. Les profils de réponses au mouvement de deuxième ordre sont très similaires au premier ordre, bien que moins sensibles. Nos données suggèrent que la perception du mouvement par le PMLS serait de type form-cue invariant. En somme, les résultats démontrent que le PMLS permet un traitement plus complexe du mouvement du deuxième ordre et sont en accord avec son rôle privilégié dans la perception du mouvement. / Visual perception is not limited to the perception of the quantity of light that reaches the retina. The natural scene is in fact composed of contrast and texture variations which are classified as second-order information (in opposition to first-order for luminance). Moreover, second-order motion (spatiotemporal variation of contrast or texture) can easily be detected in several different species even though it cannot be explained by motion detection mechanisms such as the energy model (Adelson and Bergen). Indeed, second-order motion does not involve any luminance variation and cannot be detected by a classical receptor field based on an energy model. Three models are proposed for second-order detection: a filter-rectify-filter circuit, feature-tracking mechanisms or the presence of early non-linearity in the visual system. It was suggested that first- and second-order decoding are performed by distinct pathways. This theory is still debated, but it is generally accepted that they may be partially separated in the early stages of the visual systems. The majority of electrophysiological studies on second-order perception were performed on monkeys and cats. However, even if the cat’s area 17 and 18 responses were greatly studied, the motion dedicated region, the Posteromedial lateral suprasylvian sulcus (PMLS), is still to be evaluated. We performed extracellular recordings in the PMLS to measure the response profiles of its composing neurons to second-order motion. PMLS first- and second-order profiles are similar, but second-order tunings are less selective. Our data suggest that the PMLS performs form-cue invariant processing and accomplishes a more complex decoding of second-order motion.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

We discuss a full-waveform based material profile reconstruction in two-dimensional heterogeneous semi-infinite domains. In particular, we try to image the spatial variation of shear moduli/wave velocities, directly in the time-domain, from scant surficial measurements of the domain's response to prescribed dynamic excitation. In addition, in one-dimensional media, we try to image the spatial variability of elastic and attenuation properties simultaneously. To deal with the semi-infinite extent of the physical domains, we introduce truncation boundaries, and adopt perfectly-matched-layers (PMLs) as the boundary wave absorbers. Within this framework we develop a new mixed displacement-stress (or stress memory) finite element formulation based on unsplit-field PMLs for transient scalar wave simulations in heterogeneous semi-infinite domains. We use, as is typically done, complex-coordinate stretching transformations in the frequency-domain, and recover the governing PDEs in the time-domain through the inverse Fourier transform. Upon spatial discretization, the resulting equations lead to a mixed semi-discrete form, where both displacements and stresses (or stress histories/memories) are treated as independent unknowns. We propose approximant pairs, which numerically, are shown to be stable. The resulting mixed finite element scheme is relatively simple and straightforward to implement, when compared against split-field PML techniques. It also bypasses the need for complicated time integration schemes that arise when recent displacement-based formulations are used. We report numerical results for 1D and 2D scalar wave propagation in semi-infinite domains truncated by PMLs. We also conduct parametric studies and report on the effect the various PML parameter choices have on the simulation error. To tackle the inversion, we adopt a PDE-constrained optimization approach, that formally leads to a classic KKT (Karush-Kuhn-Tucker) system comprising an initial-value state, a final-value adjoint, and a time-invariant control problem. We iteratively update the velocity profile by solving the KKT system via a reduced space approach. To narrow the feasibility space and alleviate the inherent solution multiplicity of the inverse problem, Tikhonov and Total Variation (TV) regularization schemes are used, endowed with a regularization factor continuation algorithm. We use a source frequency continuation scheme to make successive iterates remain within the basin of attraction of the global minimum. We also limit the total observation time to optimally account for the domain's heterogeneity during inversion iterations. We report on both one- and two-dimensional examples, including the Marmousi benchmark problem, that lead efficiently to the reconstruction of heterogeneous profiles involving both horizontal and inclined layers, as well as of inclusions within layered systems. / text

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Parmi la multitude de fonctions que le système visuel effectue, la perception du mouvement est l'une des plus importantes. Il a été clairement démontré qu'il existe des sites cérébraux spécifiques pour la détection, l'analyse et l'intégration du mouvement. De façon classique, les mécanismes neurophysiologiques qui sous-tendent ces processus sont attribués aux aires corticales. Le thalamus quant à lui, est généralement considéré comme un « relais passif », c'est à dire qui transmet l'information sensorielle vers le cortex sans modifier le signal entrant. Le but de ce projet sera de préciser les mécanismes nerveux impliqués dans la perception et l'intégration du mouvement et plus précisément, la contribution des régions cérébrales sous-corticales et corticales intimement liés par des connexions réciproques. Ces régions sont: le complexe LP-pulvinar, situé dans le thalamus, l'aire extra-striée postero-médiane suprasylvienne (PMLS) et le cortex ectosylvien visuel antérieur (AEV); deux régions corticales ayant un rôle spécialisé dans l'analyse du mouvement. Les expériences ont été réalisées sur des chats adultes normaux anesthésiés. Une microélectrode d'enregistrement a été descendue dans ces trois sites afin d'enregistrer l'activité des neurones. Les réponses neuronales à des réseaux sinusoïdaux, des patrons texturés (« bruit visuel ») et des « plaids » ont été caractérisé pour étudier les mécanismes qui sous-tendent l'intégration du mouvement au niveau cellulaire. Afin de caractériser d'avantage ce lien, l'influence des aires corticales sur les propriétés thalamiques a été déterminée par inactivation locale réversible (i.e. micro-injection de l'acide y-aminobutyrique; GABA) ou par inactivation permanente plus vaste (i.e. ablation chirurgicale). Les résultats de cette étude se résument comme suit : 1) les propriétés des réponses neuronales du PMLS au bruit visuel sont similaires à celles du LP-pulvinar. Ce résultat suggère que les processus d'analyse impliquant une boucle cortico-thalamique PMLS-LP sont comparables au niveau cortical et sous-cortical. 2) les neurones du PMLS et du LP peuvent coder le mouvement relatif entre un objet et son arrièreplan. De plus, l'inactivation réversible du LP perturbe ces réponses au niveau du PMLS. Ces résultats sont essentiels dans l'établissement d'un lien fonctionnel entre ces deux régions quant à l'analyse de certains aspects du mouvement. 3) certains neurones du complexe LP-pulvinar sont capables d'intégrer l'information directionnelle telle que définie par des « plaids ». Ceci constitue la première démonstration de propriétés de haut-niveau en dehors du cortex. De plus, cette découverte suggère que le LP-pulvinar participe de façon parallèle et en coopération avec le cortex dans l'analyse de scènes visuelles complexes via l'exploitation des boucles cortico-thalamiques. Les résultats de cette étude sont importants non seulement pour appuyer des notions théoriques novatrices sur le rôle du thalamus, mais aussi dans le but de réévaluer et de préciser les mécanismes nerveux qui sous-tendent la perception du mouvement et l'intégration sensorielle en général. / Among the multitude of functions the visual system carries out, the perception of motion is one of the most important. It has been clearly demonstrated that the visual system contains numerous specialised areas implicated in the detection, analysis, and integration of motion. Classically, the neurophysiological mechanisms underlying these processes have been uniquely attributed to regions of the cerebral cortex. The thalamus for its part, has generally been regarded as a passive relay transferring information to the cortex without any modification of the sensory signal. The purpose of this study is to investigate the neurophysiological mechanisms implicated in the perception and integration of motion and more specifically, delineate the contribution of cortical and subcortical structures that are intimately related via reciprocal connections. These areas are: the LP-pulvinar complex; located in the thalamus, and the extrastriate posteromedial lateral suprasylvian (PMLS) and anterior ectosylvian visual (AEV) cortical areas; two regions whose role in motion analysis are well established. Experiments were carried out on normal adult anaesthetised cats. A recording microelectrode was descended in one of the aforementioned areas to record neuronal activity. Neuronal responses to drifting sine-wave gratings, moving texture patterns ("visual noise"), and "plaid patterns" were recorded in order to investigate the mechanisms underlying the integration of motion information at the neuronal level. As a continuation of the study, the influence of cortical motion areas on recorded thalannic responses will be determined by local reversible deactivation (i.e. microinjection of y-aminobutyric acid; GABA) or by irreversible deactivation (i.e. surgical ablation). The results of the study are as follows: 1) Response properties of PMLS neurons to moving texture patterns are similar to those found in the LP-pulvinar connplex. These results suggest that motion processing along both components of the PMLS-LP cortico-thalamic loop is carried out within a similar envelope of analysis. 2) Neurons in both PMLS and LP are able to code the relative motion of an object with respect to its background. Furthermore, reversible deactivation of LP disrupts these responses in PMLS. These results are important in establishing that both these areas are functionally linked in the analysis of specific aspects of motion. 3) The fact that pattern-selective responses to moving plaids can be found in the LP-pulvinar complex suggests that this area is capable of carrying out higher-order motion computations. The importance of this later results is two-fold. First, these findings represent the first demonstration that higher-order properties exists outside extrastriate cortical areas. Second, they further suggest that certain thalamic nuclei, via the establishment of cortico-thalamic loops, participate in parallel and in co-operation with the cortex in the analysis of complex visual scenes. The results of this study are important not only to reinforce current and novel theoretical notions regarding the role of the thalamus, but also in the re-evaluation of the neurophysiological mechanisms involved in motion perception and sensory integration as a whole.