Lorsqu’ils explorent leur environnement, les humains comme les autres animaux ont la capacité d’utiliser de nombreuses sources d’information afin d’estimer la distance qu’ils parcourent. Le flux optique est un indice important dans la perception de la distance parcourue. De plus, il a été montré que l’ajout d’un point de vue oscillant à une simulation visuelle de mouvement propre vers l’avant modulait cette perception. A travers ce travail, nous nous sommes intéressés à tester si la perception de la distance parcourue était également affectée par un point de vue oscillant, mimant de manière plus ou moins fidèle les mouvements de la tête lors de la marche. Dans six premières expériences, il était demandé aux participants stationnaires, confrontés à un flux optique simulant leur propre mouvement vers l’avant, d’indiquer quand ils pensaient avoir atteint la position d’une cible distante initialement perçue. Une expérience subséquentes s'est intéressée à déterminer si l’absence de ces oscillations jouait un rôle important dans l’estimation de la distance parcourue lorsqu’ils marchaient sur un tapis roulant. Enfin, dans une dernière expérience nous avons développé une mesure dynamique de la distance parcourue à travers l’utilisation d’une tâche demandant aux participants de pointer continuellement la position d’une cible distante initialement perçue. Dans l’ensemble, nos résultats montrent qu’un point de vue oscillant joue un rôle important dans la perception visuelle du mouvement propre et que de nombreux paramètres semblent être impliqués dans ce processus, incluant les informations visuelles et proprioceptives mais également l’aspect écologique de la marche naturelle. / When exploring their environment, humans and other animals have the ability to use many sources of information to estimate the distance they travel. Several studies have shown that optic flow is a significant cue to perceive distance travelled. Furthermore, it was found that adding various viewpoint oscillations to a purely translational optic flow, simulating forward self-motion, modulated this perception. In a series of experiments, we tested whether the perception of distance travelled was also affected by viewpoint oscillation, similar to head motion during natural walking. A first series of experiments, participants were exposed to an immersive optic flow simulating forward self-motion and they were asked to indicate when they thought they had reached the remembered position of a previously seen target. Two further experiments aimed to test whether the idiosyncrasy of viewpoint oscillations affects the perception of distance travelled in stationary observers and whether the absence of their own viewpoint oscillation played an important role in subjects’ estimates, while they were walking on a treadmill. And finally, in a last experiment we tried to develop a dynamic measure of distance travelled to a previously seen target, with a continuous pointing task method. Overall, our results show that viewpoint oscillations play an important role in visual self-motion perception and that several parameters (including visual information, proprioceptive information and ecological aspects of natural walking) seem to be involved in this process.

Nous avons étudié, chez l'homme, les bases neurales de la perception du relief à partir du mouvement visuel, en utilisant l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Au cours de ce travail, l'élaboration et l'analyse des protocoles expérimentaux en imagerie sont apparues comme des problèmes à part entière, très liés aux questions neurophysiologiques posées par l'expérimentateur. Dans ce document, nous introduisons la notion de cartographie fonctionnelle afin de mettre en évidence le rôle de l'imagerie fonctionnelle en neurosciences. Nous détaillons ensuite le contexte théorique et expérimental de la perception visuelle du mouvement et des formes. En ce qui concerne les méthodes, nous présentons brièvement la technique d'IRMf. Nous expliquons également les principes du dessin de protocole en imagerie, notamment des protocoles dits événementiels, et nous exposons les méthodes d'analyse du signal IRMf utilisées. Nous décrivons enfin plusieurs expériences: l'une d'elles a été réalisée spécifiquement pour la mise en oeuvre de l'approche événementielle en IRMf; les autres sont des applications dédiées à l'étude du système visuel, présentées dans une perspective méthodologique. Trois séries d'expériences ont été réalisées pour explorer la perception des formes 3D à partir du mouvement. Les deux premières ont été effectuées en vision passive, en présentant aux sujets plusieurs stimuli de mouvement visuel, contenant ou non une information 3D. La troisième fait intervenir une tâche dirigeant l'attention des sujets vers diverses caractéristiques d'une surface 3D en mouvement. La richesse des thèmes abordés au cours de ce travail nous a notamment permis de nous interroger sur la notion de hiérarchie de traitement visuel, la ségrégation des voies dorsale et ventrale et l'influence de l'attention sur l'activité corticale.

L´évolution des technologies d´imagerie cérébrale alliée aux développement d´algorithmes spécifiques de traitement d´images permettent d´améliorer nos connaissances sur le fonctionnement du cerveau, en particulier s´agissant de la perception visuelle. L´objectif de ce travail de thèse est de contribuer à la compréhension des aires corticales impliquées dans la perception visuelle du mouvement chez l´homme, en analysant l´information des signaux de différentes modalités complémentaires d´Imagerie par Resonance Magnétique (IRM).<br /><br />Une première partie concerne l´identification individuelle des aires visuelles de bas niveau. Nous détaillons la méthode de cartographie rétinotopique par IRM fonctionnelle (IRMf) que nous avons developpée, depuis la conception des stimuli visuels à l´analyse anatomo-fonctionnelle finale. Par ailleurs, une localisation fonctionnelle du complexe hMT/V5+ est obtenue par un paradigme en bloc. Ces méthodes, optimisées suivant certains paramètres de la stimulation, permettent d´extraire pour tout individu des Régions d´Intérêt homogènes.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous proposons une caractérisation fonctionnelle des différentes aires visuelles primaires. En se fondant sur le paradigme récent d´IRM d´adaptation qui permet d´étudier la sensibilité d´une région cérébrale à des variations quantitatives d´un paramètre de la stimulation, nous démontrons une différenciation de la sensibilité à la direction du mouvement dans les aires etudiées.<br /><br />Enfin, nous décrivons une expérience combinant les modalités d´IRMf et d´IRM de diffusion (IRMd) dans le but d´étudier la connectivité anatomique au sein du cortex visuel primaire. Cette caractérisation, établie en s´appuyant sur des algorithmes récents de cartographie des fibres de matière blanche, donne des indices sur le réseau d´aires notamment impliquées dans le traitement du mouvement visuel.

Les statistiques mettent en évidence une augmentation importante du risque et de la gravité des accidents par temps de brouillard. Par ailleurs, les études de trafic menées sur autoroute montrent généralement une réduction des intervalles par temps de brouillard et indiquent que cette réduction ne peut pas être expliquée uniquement par la nécessité de garder le contact visuel avec le véhicule lièvre. Partant de ce constat, nous avons cherché à mieux comprendre les causes de la diminution des intervalles par temps de brouillard. Nous avons testé trois hypothèses selon lesquelles le brouillard affecte les mécanismes perceptifs et perceptivo-moteurs impliqués dans la régulation de l'intervalle et dans le contrôle de la trajectoire. La première hypothèse est celle d'une surestimation de la distance intervéhiculaire en condition de brouillard. Les travaux antérieurs ayant montré une surestimation importante de la distance intervéhiculaire en condition de brouillard très dense, nous avons cherché à préciser les conditions d'apparition de ce phénomène à travers deux expérimentations de jugement perceptif. Nos résultats montrent que la surestimation se limite aux conditions de brouillard extrêmement dense où très peu d'indices de distance sont disponibles. La réduction des intervalles par temps de brouillard ne peut donc pas être expliquée par une surestimation de la distance intervéhiculaire. La seconde hypothèse étudiée concerne la sensibilité au mouvement relatif (i.e., l'éloignement ou le rapprochement du véhicule lièvre). Nous supposons (i) qu'en réduisant le contraste du véhicule lièvre ou en masquant sa silhouette, le brouillard rend la perception du mouvement relatif plus difficile et (ii) que les conducteurs réduisent leur intervalle de façon à maintenir le seuil de perception du mouvement relatif au même niveau qu'en condition de visibilité normale. Au cours de deux expérimentations, nous avons mesuré le seuil de perception du mouvement relatif sous la forme d'un temps de réponse. Les résultats confirment le volet perceptif de notre hypothèse et montrent plus particulièrement que la sensibilité au mouvement relatif est largement dégradée lorsque les informations fournies par la silhouette du véhicule lièvre ne sont pas disponibles. Afin de tester le second volet de notre hypothèse portant sur les mécanismes du contrôle de l'intervalle, nous avons mené une expérience de suivi de véhicule où la tâche de contrôle de l'intervalle était rendue difficile par les variations de vitesse du véhicule lièvre. Les participants ont adopté différentes stratégies, dont l'une visant à se rapprocher du véhicule lièvre de façon à voir correctement sa silhouette et à augmenter ainsi la sensibilité au mouvement relatif, ce qui confirme le second volet de notre hypothèse. Pour finir, nous avons cherché à savoir si les exigences liées à la tâche de contrôle de la trajectoire sont en cause dans l'adoption d'intervalles courts par temps de brouillard. La littérature laisse en effet supposer que le suivi d'un véhicule lièvre de près facilite le contrôle de trajectoire en condition de brouillard, tout en évitant les erreurs de positionnement latéral. L'expérience de suivi de véhicule que nous avons menée, où les exigences du contrôle de directionnel étaient importantes, n'a pas confirmé cette hypothèse. Il n'est en effet apparu aucun bénéfice perceptivo-moteur à suivre le véhicule lièvre de près en condition de brouillard. Nous constatons néanmoins que le véhicule lièvre est utilisé comme guide en condition de brouillard. L'ensemble des résultats suggère que l'adaptation des conducteurs face à la réduction de la sensibilité au mouvement relatif due au brouillard contribue à la diminution des intervalles par temps de brouillard. Nous proposons des perspectives d'applications basées sur cette interprétation.

La perception visuelle du mouvement est essentielle à l’exécution de déplacements sécuritaires ainsi qu’à l’interaction efficace avec notre environnement. C’est pourquoi il est nécessaire de comprendre la nature des mécanismes responsables de l’analyse de l’information sur le mouvement, ainsi que l’effet du vieillissement sur la réponse de ces mécanismes. Deux études seront présentées. La première avait pour but l’analyse des mécanismes responsables de la perception du mouvement de rotation fractale, nouveau stimulus introduit par Benton, O’Brien & Curran (2007). Ce type de stimulus a été créé afin d’isoler les mécanismes sensibles à la forme. Plusieurs auteurs ont suggéré que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre utiliseraient les indices de position afin d’extraire l’information sur le mouvement (Seiffert & Cavanagh, 1998). Ainsi, la présente étude visait à déterminer si la rotation fractale est analysée par de tels mécanismes. Les résultats obtenus suggèrent que les mécanismes sensibles à la rotation fractale seraient basés sur l’orientation; tandis que ceux sensibles à la rotation de premier ordre, basés sur l’énergie. De plus, une certaine dissociation des mécanismes responsables du traitement de la rotation fractale et de premier ordre serait présente. La deuxième étude avait pour but, quant à elle, d’établir l’effet du vieillissement sur l’intégration du mouvement de premier et deuxième ordre. Les résultats indiquent que les mécanismes sensibles au mouvement de deuxième ordre seraient davantage affectés, comparativement à ceux de premier ordre. Ainsi, les fonctions visuelles requérant une intégration corticale de plus haut niveau seraient davantage affectées par l’effet du vieillissement. / Motion perception ensures the execution of safe navigation, as well as efficient interaction with the environment. As such, it is essential to understand the nature of mechanisms ensuring motion perception, as well as effects of aging on their response. Two studies will be presented. The first aimed at identifying the nature of mechanisms responsible for the perception of fractal rotation, a novel stimulus introduced by Benton et al. (2007). This stimulus has been created to isolate form sensitive mechanisms. Several authors have suggested that second-order motion sensitive mechanisms use position cues to extract motion (Seiffert & Cavanagh, 1998). Hence, the following study aimed at determining whether fractal rotation is analyzed by such mechanisms or not. Results suggest fractal rotation sensitive mechanisms use orientation changes, whereas first-order sensitive mechanisms use energy. Moreover, dissociation between first-order and fractal rotation mechanisms has been observed. The second study aimed at establishing the effect of aging on first- and second-order motion integration. Results indicate second-order sensitive mechanisms would be more affected by aging, than first-order mechanisms. Accordingly, visual functions requiring higher order cortical integration are more likely to be more affected by aging.

Dans ce travail de thèse, nous avons tout d’abord étudié comment l’information de mouvement est intégrée pour estimer la vitesse d’une texture aléatoire afin de la suivre réflexivement avec les yeux ou d’estimer perception son déplacement. Dans une seconde série d’études, nous avons étudié comment la distribution spatiale du contraste dans une texture affecte à la fois les mouvements oculaires de fixation et la reconnaissance perceptive. A ces fins, nous avons utilisé un nouvel ensemble de stimuli visuels, des textures pseudo-naturelles dans lesquelles on peut finement contrôler la statistique (moyenne, variance) des fréquences spatiales et/ou temporelles. La première partie explore l’intégration et le décodage de information fréquentielle spatio-temporelle visuelle pour les réponses de poursuite réflexes et la discrimination perceptive. Nous montrons que l’action tire complètement partie de la richesse du stimuli en intégrant sur toute la distribution pour estimer la vitesse : accélération initiale, précision et robustesse sont améliorées. Au contraire, la performance perceptive décroit pour des stimuli à bandes passantes larges. Cette dissociation se maintient sur une large place d’intégration temporelle. La seconde partie élargie cette approche à la distribution spatiale de l’information et à ces différentes échelles. Nous montrons que le comportement oculaire de fixation dépend de la composition fréquentielle d’une texture, en termes de moyenne et de fréquence. Saccade et micro-saccades se distribuent au cours de la fixation de façon coordonnée en fonction de cette statistique. In fine, cette dernière joue sur la carte de salience calculée à partir de l’image. / We focused on the impact of the statistical distributions of visual information on these various behavioral responses. We asked first how motion information is integrated to estimate speed in order to perform either a speed discrimination task or to control reflexive tracking eye movements. Next, we investigated how spatial distribution in textures affects both pattern recognition and fixational eye movements. To do so, we used a set of artificial stimuli that are naturalistic textures where we can maintain a tight control on their information contents as for instance their spatio-temporal frequency bandwidth. The first studies compared speed information decoding for ocular following eye movements and perceptual speed discrimination. We found a strong dissociation where ocular following take full advantage by the enlargement of the spatio-temporal frequency bandwidth while perceptual speed discrimination is largely impaired for large bandwidth stimuli. Such dissociation remains over a large temporal integration window. We propose an adaptive gain control mechanism to explain this opposite dependencies. The second series of experimental studies investigate the properties of fixation eye movements (microsaccade and saccade) as a function of the mean and variance of the spatial frequency content of visual static textures. We show that several characteristics of fixational saccades (location, direction and amplitude) varied systematically with the distribution of spatial frequencies. The spatial distribution of the fixation zones could be best predicted from the saliency maps of the stimuli.

Ces travaux de thèse portent sur la mise en place d’une stratégie de sonification qui vise à proposer un retour sonore pouvant se substituer au bruit moteur dans les véhicules électriques, rendant au conducteur les informations qu’il transmet habituellement sur la dynamique du véhicule.Pour cela, nous nous sommes basés sur une première phase d’analyse qui nous a permis d’étudier comment le bruit automobile influence notre perception du mouvement. A partir de deux expériences menées en simulateur de conduite, nous avons pu relier le retour sonore et la vitesse perçue par le conducteur, définissant ainsi la métaphore du bruit moteur sur laquelle s’appuie le contrôle des sons de synthèse.De façon similaire au bruit moteur, le retour sonore proposé informe le conducteur par l’intermédiaire de sa variation de hauteur tonale. Pour arriver à un son qui informe le conducteur efficacement et qui reste acceptable sur toute la gamme de vitesse du véhicule, nous nous sommes appuyés sur l’illusion de glissando infini de Shepard-Risset, qui nous permet de donner un retour d’information précis grâce à une hauteur tonale qui varie rapidement tout en restant contenue dans une plage de fréquence restreinte.L’apport de cette stratégie a enfin été testé lors de deux expériences, la première portant sur l’influence de ce retour sonore sur la perception de la vitesse des conducteurs, la seconde sur leur comportement dans une tâche de freinage. Ces deux études ont montré un effet significatif du retour sonore qui suggère que ces informations sont bien intégrées par les conducteurs, faisant de ces sons un candidat prometteur pour devenir le « bruit moteur » des véhicules de demain. / This thesis aims to build an auditory display to sonify electric vehicles. Our goal consisted in bringing back to the driver the motion information, which is usually provided by the combustion engine noise.The first stage of this work consisted in analyzing how automotive noises can influence drivers’ perception of motion. We conducted two driving simulator experiments to study drivers’ speed perception in presence of different automotive noises. These results provided a link between the acoustic feedback and the speed perceived by the driver, on which we based our sonification strategy.Similarly to combustion engine noise, the acoustic feedback proposed in this work informs the driver via its pitch variation. We used the Shepard Risset glissando illusion to sonify the whole speed range of the vehicle. Pitch circularity in the construction of these sounds provides a precise information on small speed variation with fast pitch variations, and is in addition restrained within a narrow bandwith.We then tested the contribution of this strategy in two experiments. The first dealt with the influence of the proposed sounds on drivers’ speed perception ; the second with their behavior in a common braking task. These studies showed that the drivers easily integrate the information brought by this sound, and that it influences their perception of motion and modifies their driving behavior. These inputs make the proposed sound a good candidate to become the new « engine noise » of future electric cars.

Dans cette thèse, nous avons étudié le problème de l'estimation de mouvement chez les mammifères et nous proposons que passer à l’échelle des modèles ancrés dans la biologie pour les applications du monde réel peut nous donner de nouvelles perspectives en vision biologique. En utilisant un modèle classique qui décrit l'activité des neurones dans les aires corticales V1 et MT du cerveau des primates, nous avons proposé une architecture montante pour l'estimation de mouvement et l’avons évaluée sur des exemples de référence de vision par ordinateur (une première pour ce type de modèles), révélant des lacunes telles que le manque de sélectivité au niveau des frontières de mouvement et l'absence d'association spatiale du champ de vitesses. Pour y remédier, nous avons proposé deux extensions, une stratégie d’intégration modulée par la forme pour minimiser les erreurs aux discontinuités de texture et un schéma de régression pour le décodage. Ces extensions ont amélioré la précision de l'estimation, mais aussi souligné à nouveau le débat sur le rôle des différents types de cellules dans le codage mouvement, par exemple le rôle relatif des cellules “pattern” par rapport aux cellules “component”. Pour comprendre cela, nous avons utilisé un modèle de champs neuronaux représentant une population de cellules MT pour comprendre le rôle des récurrences. Nos résultats montrent qu'une variété de comportements peuvent être reproduits, ils expliquent les changements dynamiques en fonction des stimuli, et nous conduisent à remettre en cause les régimes élevés d'inhibition généralement choisis dans la littérature. / In this thesis, we studied the problem of motion estimation in mammals and propose that scaling up models rooted in biology for real world applications can give us fresh insights into the biological vision. Using a classic model that describes the activity of directionally-selective neurons in V1 and MT areas of macaque brain, we proposed a feedforward V1-MT architecture for motion estimation and benchmarked it on computer vision datasets (first publicly available evaluation for this kind of models), revealing interesting shortcomings such as lack of selectivity at motion boundaries and lack of spatial association of the flow field. To address these, we proposed two extensions, a form modulated pooling strategy to minimize errors at texture boundaries and a regression based decoding scheme. These extensions improved estimation accuracy but also reemphasized the debate about the role of different cell types (characterized by their tuning curves) in encoding motion, for example relative role of pattern cells versus component cells. To understand this, we used a phenomenological neural fields model representative of a population of directionally tuned MT cells to check whether different tuning behaviors could be reproduced by a recurrently interacting population or if we need different types of cells explicitly. Our results indicated that a variety of tuning behavior can be reproduced by a minimal network, explaining dynamical changes in the tuning with change of stimuli leading us to question the high inhibition regimes typically considered by models in the literature.

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

La perception du mouvement propre met en jeu différents systèmes sensoriels (principalement visuel, vestibulaire et somatosensoriel). Ces informations sont traitées par le système nerveux central pour élaborer une représentation tridimensionnelle des mouvements de la tête et du corps dans l'espace, permettant ainsi des fonctions comme l'orientation spatiale, la perception des distances (distances relatives et distances parcourues), le maintien de l'équilibre et de la posture. La perception au niveau du récepteur périphérique ne reflète que très rarement la sensation consciente du mouvement. L'étude de la perception du mouvement doit donc s'intéresser aux interactions entre les différentes modalités sensorielles, plus qu'à l'étude de chaque canal sensoriel séparément. Les signaux provenant des différents systèmes sensoriels peuvent ne pas congruer, générant des situations d'illusions et de conflits sensoriels étudiées par l'ergonomie cognitive.