L'ensemble des résultats de cette thèse a été obtenu grâce à une tâche de catégorisation dans<br />laquelle les sujets devaient effectuer une réponse motrice rapide sur la base d'informations<br />visuelles incomplètes. L'utilisation d'un protocole de masquage a permis de visualiser au cours<br />du temps le décours des traitements impliqués dans la reconnaissance d'objets. Les résultats<br />obtenus confirment non seulement que les traitements visuels sont extrêmement robustes et<br />rapides (Chapitre 2), mais aussi que les informations accumulées dans le système sensoriel<br />peuvent être transformées en signal décisionnel pour guider la réponse du sujet de manière<br />efficace, en fonction du type d'effecteur utilisé (manuel ou oculaire - Chapitre 3) et du niveau de<br />représentation requis dans la tâche (détection, catégorisation, identification - Chapitre 4). 40 à 50<br />millisecondes de SOA semblent être suffisantes pour extraire la majorité de l'information<br />pertinente dans la tâche de catégorisation animal/non-animal, un délai qui est encore plus court<br />lorsqu'il s'agit de catégoriser des visages. Cette latence est tout à fait compatible avec l'idée que<br />la reconnaissance d'objet s'appuie d'abord sur un transfert rapide, feed-forward et massivement<br />parallèle des premières informations tout au long du parcours cortical visuel.

Après un rapide rappel des principaux résultats de la psychologie et des neurosciences de la vision, illustrés par le schéma de Kosslyn, le parcours de six modèles computationnels de reconnaissance nous amène à discuter des principales alternatives élaborées pour décrire le traitement visuel – généralement compris comme complexe et récurrent. Le temps requis par ce traitement apparaît comme un critère crucial de décision sur son fonctionnement et d'affinement de notre compréhension.<br />Nous constatons que les données d'électrophysiologie disponibles ne permettent pas de disposer clairement de ce critère. Nous mettons alors en oeuvre une tâche expérimentale visant à mesurer le temps nécessaire au système visuel humain pour analyser des scènes naturelles contenant ou non un animal. Les résultats montrent que ce traitement peut être extrêmement rapide, d'une durée inférieure à 150ms. Cette première mesure est complétée par quatre expériences visant à mieux cerner cette contrainte temporelle, en variant les positions des images, leurs couleurs et la tâche. Cette vitesse du traitement visuel des scènes naturelles se montre particulière-ment robuste et constante : lors de présentations par hémichamps parafovéaux, lorsque l'attention n'est pas focalisée sur le lieu d'apparition du stimulus, et en l'absence de couleur comme indice de recon-naissance. Les résultats attenants montrent aussi que les catégorisations d'images contenant des formes simples et la détection de la présence de couleurs ne sont pas plus rapides. <br />La catégorisation "animal" semble d'autant plus résulter d'un mécanisme automatique que sa trace électrophysiologique est encore présente lorsqu'une autre tâche occupe les sujets.<br />Les bases cérébrales de la tâche ont été recherchées à l'aide de modèles dipolaires ainsi qu'avec la création d'un protocole événementiel d'imagerie cérébrale RMN analogue à celui mis en oeuvre en électrophysiologie. Nous montrons que cette tâche de<br />catégorisation implique de manière différentiée les aires visuelles extrastriées 19 et 31, le gyrus fusiforme et les cortex cingulaires postérieurs. Dans les aires visuelles, un effet de suppression d'activité neuronale lié à la présence d'une cible semble mettre en évidence le mécanisme de compétition postulée dans certains modèles.<br />Ces résultats plaident en faveur de mécanismes directs et rapides de la reconnaissance visuelle : traitement essentiellement ascendants (sans boucles) sans recentrage des stimuli latéralisés ; l'attention focalisée, la couleur et une forte acuité ne<br />sont pas nécessaires à la reconnaissance d'objets dans des scènes complexes.<br />La reconnaissance visuelle postulée comme mécanisme nécessitant des traitements<br />récurrents et des représentations complexes semble ainsi céder la place à de simples détections parallèles de traits visuels, en eux-mêmes suffisants à la représentation mentale des scènes. Dans ce cadre, la décision visuelle - le stimulus présent est adéquat à la tâche prévue – pourrait être l'extraction de ces représentations au moyen de l'inhibition des assemblées neuronales non sélectionnées.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier la dynamique des traitements cognitifs permettant la reconnaissance rapide d'objets dans les scènes naturelles. Afin d'obtenir des réponses comportementales précoces, nous avons utilisé un protocole de choix saccadique, dans lequel les sujets devaient diriger leur regard le plus rapidement possible vers l'image contenant l'objet cible parmi deux images affichées à l'écran. Ce protocole a d'abord permis de mettre en évidence des différences de temps de traitement entre les catégories d'objets, avec un avantage particulier pour la détection des visages humains. En effet, lorsque ceux-ci sont utilisés comme cible, les premières saccades sélectives apparaissent dès 100 ms ! Nous nous sommes donc intéressés aux mécanismes permettant une détection aussi rapide et avons montré qu'un attribut bas-niveau pourrait être utilisé pour détecter et localiser les visages dans notre champ visuel en une fraction de seconde. Afin de mieux comprendre la nature des représentations précoces mises en jeu, nous avons mené deux nouvelles études qui nous ont permis de montrer que les saccades les plus rapides ne seraient pas influencées par les informations contextuelles, et seraient basées sur une information rudimentaire. Enfin, j'ai proposé un modèle simple de décision, basé sur des différences de temps de traitement neuronal entre catégories, qui permet de reproduire fidèlement nos résultats expérimentaux. L'ensemble de ces résultats, mis en perspective avec les connaissances actuelles sur les bases neuronales de la reconnaissance d'objet, démontre que le protocole de choix saccadique, en donnant accès à une fenêtre tempo- relle inaccessible jusqu'alors par les études comportementales, s'avère un outil de choix pour les recherches à venir sur la reconnaissance rapide d'objets.

La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) est la première cause de cécité chez les sujets âgés dans les pays industrialisés. Les questionnaires sur la qualité de vie suggèrent que les patients rencontrent des difficultés dans la recherche d'objets et dans leurs déplacements. En effet, les objets apparaissent rarement isolés dans leur environnement naturel. Ils apparaissent dans un contexte spatial qui peut les masquer en partie et le contraste d'une scène naturelle peut varier au cours de la journée. Nous étudions la capacité de reconnaissance des objets et des scènes naturelles chez les patients DMLA en utilisant des photographies de scènes naturelles. Nous nous sommes intéressés à la reconnaissance des scènes naturelles, puis à la capacité de discrimination figure/fond, à l'effet du contraste sur la reconnaissance des objets, et à la navigation spatiale dans un environnement virtuel. Nous avons comparé la performance de patients avec une DMLA à celle de sujets avec vision normale appariés en âge aux patients. Nos résultats montrent que les patients DMLA sont capables de catégoriser des scènes naturelle ou urbaine, et de discriminer une scène d'intérieur d'une scène extérieur avec un niveau de précision élevé, ce qui est en faveur des modèles centrés sur la scène. Ils détectent mieux un objet lorsque celui-ci était séparé du fond par un espace blanc et lorsque l'objet est présenté dans son contexte naturel que lorsqu'il est présenté sur un fond non structuré et non significatif ; ce qui indique que le fond est traité normalement en vision périphérique. Ils présentent plus de difficultés que les sujets avec vision normale pour détecter un objet dans une scène achromatique dont le contraste est réduit. Une étude sur la navigation spatiale met en évidence une compression de la représentation de l'espace: les sujets avec une DMLA sous-estiment plus la distance virtuelle que les sujets avec vision normale dans la tâche de navigation spatiale. Ces résultats peuvent avoir des applications pratiques dans la rééducation, dans la mise en page des textes et des magazines et dans l'agencement de l'environnement spatial des personnes âgés souffrant de DMLA afin d'améliorer la recherche d'objets, la mobilité et diminuer le risque de chute.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est la première cause de cécité chez les sujets âgés dans les pays industrialisés. Les questionnaires sur la qualité de vie suggèrent que les patients rencontrent des difficultés dans la recherche d’objets et dans leurs déplacements. En effet, les objets apparaissent rarement isolés dans leur environnement naturel. Ils apparaissent dans un contexte spatial qui peut les masquer en partie et le contraste d’une scène naturelle peut varier au cours de la journée. Nous étudions la capacité de reconnaissance des objets et des scènes naturelles chez les patients DMLA en utilisant des photographies de scènes naturelles. Nous nous sommes intéressés à la reconnaissance des scènes naturelles, puis à la capacité de discrimination figure/fond, à l’effet du contraste sur la reconnaissance des objets, et à la navigation spatiale dans un environnement virtuel. Nous avons comparé la performance de patients avec une DMLA à celle de sujets avec vision normale appariés en âge aux patients. Nos résultats montrent que les patients DMLA sont capables de catégoriser des scènes naturelle ou urbaine, et de discriminer une scène d’intérieur d’une scène extérieur avec un niveau de précision élevé, ce qui est en faveur des modèles centrés sur la scène. Ils détectent mieux un objet lorsque celui-ci était séparé du fond par un espace blanc et lorsque l’objet est présenté dans son contexte naturel que lorsqu’il est présenté sur un fond non structuré et non significatif ; ce qui indique que le fond est traité normalement en vision périphérique. Ils présentent plus de difficultés que les sujets avec vision normale pour détecter un objet dans une scène achromatique dont le contraste est réduit. Une étude sur la navigation spatiale met en évidence une compression de la représentation de l’espace: les sujets avec une DMLA sous-estiment plus la distance virtuelle que les sujets avec vision normale dans la tâche de navigation spatiale. Ces résultats peuvent avoir des applications pratiques dans la rééducation, dans la mise en page des textes et des magazines et dans l’agencement de l’environnement spatial des personnes âgés souffrant de DMLA afin d’améliorer la recherche d’objets, la mobilité et diminuer le risque de chute. / AMD (Age Related Macular Degeneration) is the leading cause of blindness in western countries. Quality of life Questionnaires indicate that people with AMD exhibit difficulties in finding objects and in mobility. In the natural environment, objects seldom appear in isolation. They appear in their natural setting in which they can be masked by other objects. The contrast of a scene may also change, as light varies as a function of the hour in the day and the light source. The objective of the study was to access objects and scene recognition impairments in people with AMD. We studied the perception of natural scenes, figure/ground discrimination, the effect of contrast on object recognition in achromatic scenes, and then navigation and spatial memory in a virtual environment. Performance was compared for people with AMD and age matched normally sighted controls. The results show that scene gist recognition can be accomplished with high accuracy with the low spatial resolution of peripheral vision, which supports the “scene centered approach” in scene recognition. Figure/ground discrimination is impaired in AMD. A white space surrounding the object is sufficient to improve its recognition and to facilitate figure/ground segregation. Performance is also improved when the object is displayed on its natural setting than when it appears on a non structured, non significant background. Sensitivity for the detection of a target object in achromatic scenes is impaired in AMD patients, who are more affected by contrast reductions than normally sighted people. A study on spatial nagigation showed a compression of space representation. People with AMD underestimate the virtual distance in a spatial navigation task. The results of our studies have implications for rehabilitation, for improving texts and magazines destined to people with low vision and for the improvement of the spatial environment of people suffering from AMD in order to facilitate mobility, object search and reduce the risk of falls.

Dans un monde régi par les lois physiques, notre cerveau est capable d'extraire des invariants et de générer des attentes pour préciser notre percept visuel. Pourtant, en éclairant une pièce, ou en naviguant à travers les chaînes de télévision, nous comprenons quasi-instantanément l'essence de ces nouvelles scènes naturelles. A quelle vitesse peut-on extraire une représentation sémantique globale des scènes? Quelle est l'influence du contexte sur la reconnaissance de l'objet d'intérêt? Quelles sont les informations visuelles nécessaires et la nature des traitements sous-jacents? Les deux premiers articles démontrent notre capacité à reconnaître la catégorie superordonnée du contexte d'une scène en moins de 400 ms tandis que l'accès au niveau basique nécessite 50 ms de traitement additionnel. Ils démontrent aussi que la présence d'objets saillants interfère sur la catégorisation rapide du contexte. Ces temps de traitements très similaires à ceux enregistrés dans la catégorisation rapide d'objets suggèrent un traitement global et parallèle de l'ensemble de la scène. Le troisième article montre que la congruence (incongruence) du contexte avec l'objet influence immédiatement le traitement de l'objet et le dernier précise les informations visuelles à la base de l'analyse du contexte. Je défends ainsi l'idée d'interactions bidirectionnelles précoces entre les traitements visuels ascendants et parallèles de l'objet et du contexte et recherche dans une dernière étude la latence minimale de ces interactions en remplaçant réponse manuelle par réponse oculaire. L'implication de ces résultats fondamentaux est discutée dans la perspective des recherches à venir.

Cette thèse porte sur le traitement rapide des informations visuelles contenues dans les scènes naturelles. Elle s'articule en deux chapitres constitués chacun d'une revue de la littérature et d'articles présentant des travaux expérimentaux réalisés au cours de celle-ci.<br />Le chapitre 1 s'intéresse tout d'abord au degré de parallélisme dans le traitement des scènes naturelles.<br />Contrairement aux modèles sériels qui postulent que les objets sont analysés l'un après l'autre, une revue<br />détaillée de la littérature suggère une grande part de parallélisme dans le traitement visuel. Les deux<br />premiers articles de cette thèse portent sur la catégorisation d'objets dans les scènes naturelles et suggèrent que l'interférence entre représentations d'objets aurait lieu principalement au niveau décisionnel, probablement dans les aires frontales. La seconde partie du chapitre 1 s'intéresse au parallélisme de traitement qui permet d'extraire le sens du contexte général d'une scène. L'article 3 décrit l'efficacité du système visuel à extraire rapidement le sens global d'une scène et suggère que celui-ci pourrait interagir en parallèle avec la catégorisation des objets. L'article 4 tente de mieux cerner la participation des facteurs visuels ascendants et descendants dans l'analyse des scènes naturelles. Parmi toutes les catégories, les visages humains pourraient être traités de façon très particulière. <br />Le chapitre 2 discute certains arguments en faveur d'une spécificité des mécanismes impliqués. Des explications alternatives y sont proposées permettant d'envisager un modèle unique de traitement visuel pour toutes les catégories d'objets. L'article 5 montre qu'au niveau comportemental les visages d'êtres humains dans des scènes naturelles ne sont pas traités plus rapidement que d'autres catégories d'objets familiers. L'article 6 tente de déterminer le temps de traitement de ces stimuli au niveau électrophysiologique. Plusieurs hypothèses sont discutées. L'article 7 montre que la N170 n'est pas aussi spécifique des visages d'êtres humains que communément admis. Ce qui semble leur être spécifique est l'ampleur de l'effet d'inversion<br />au niveau comportemental et électrophysiologique. Tous ces résultats sont discutés dans le cadre des<br />modèles actuels du traitement visuel.

L'analyse visuelle de scènes débute par l'extraction en parallèle de l'information à différentes fréquences spatiales, en suivant un mode de traitement par défaut « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière (« coarse ») en basses fréquences spatiales fournirait un aperçu global de la scène, qui serait ensuite affiné par l'analyse des détails de la scène (« fine ») en hautes fréquences spatiales. L'objectif de cette thèse a été de préciser les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes. A travers deux études comportementales, nous avons tout d'abord montré qu'une analyse « coarse-to-fine » est plus avantageuse pour la catégorisation rapide de scènes, et ce, indépendamment de la valeur de contraste de luminance associée aux différentes fréquences spatiales (Expériences 1 et 2). Des études en IRMf nous ont par la suite permis de mettre en évidence l'implication d'un large réseau cérébral lors de l'analyse « coarse-to-fine » des scènes, incluant les aires visuelles primaires et occipito-temporales, mais également le cortex frontal inférieur (Expérience 3). Une analyse de la connectivité a révélé que lors de cette analyse, le cortex frontal inférieur exercerait une influence « top-down » sur le cortex visuel primaire et les gyri fusiforme et parahippocampique au sein du cortex occipito-temporal. Ces résultats soulignent le rôle du cortex visuel primaire comme région intégrative, codant à la fois les afférences rétino-thalamiques et les influences « top-down » de régions supérieures. Nous avons également observé que le gyrus frontal inférieur et le gyrus fusiforme participaient activement à l'intégration de l'information sémantique contenue dans les basses et hautes fréquences spatiales d'une scène (Expérience 4). Enfin, nous avons spécifiquement étudié le traitement des fréquences spatiales au sein de régions occipito-temporales sélectives aux scènes : la « parahippocampal place area » (PPA), le cortex retrosplenial et l'« occipital place area ». Nous avons montré que ces trois régions participent de façon distincte au traitement des fréquences spatiales dans les scènes (Expérience 5) et qu'une stratégie d'analyse « coarse-to-fine » serait privilégiée par la PPA (Expérience 6). Les résultats de ces travaux nous permettent de conforter et de préciser les modèles actuels de la catégorisation visuelle de scènes basés sur un traitement fréquentiel de l'information visuelle. / Visual analysis begins with the parallel extraction of different attributes at different spatial frequencies following a predominantly coarse-to-fine default processing sequence. Rapid processing of low spatial frequency information would permit a coarse parsing of the visual input, prior to the detailed analysis of fine information in high spatial frequencies. Our aim was to further address the neural bases of spatial frequency processing during scene categorization. We first demonstrated in two behavioral studies that a coarse-to-fine processing is indeed an advantageous strategy for rapid scene categorization, and is independent of the luminance contrast values associated with the different spatial frequencies (Experiments 1 and 2). In two fMRI studies, we showed first the involvement of a large cerebral network during coarse-to-fine processing of scenes, including early visual and occipito-temporal areas, but also the inferior frontal cortex. Effective connectivity analysis revealed that the inferior frontal gyrus exerts top-down influence on the early visual cortex as well as on the parahippocampal and fusiform gyri in the occipito-temporal cortex (Experiment 3). These results highlight the role of the primary visual cortex in integrating top-down influences from frontal areas to retino-thalamic incoming signals. We also evidenced that the inferior frontal and fusiform gyri actively participate to the integration of the semantic information contained in low and high spatial frequency (Experiment 4). Finally, we specifically investigated the spatial frequency processing of scenes within scene-selective areas of the occipito-temporal cortex: the parahippocampal place area (PPA), the retrosplenial cortex, and the occipital place area. We demonstrated that these regions participate differently in the spatial frequency processing of scenes (Experiment 5) and that a coarse-to-fine processing is favored within the PPA (Experiment 6). Overall, results allow us to refine current model of visual scene categorization based on a spatial frequency analysis.

De nombreux arguments, issus notamment de la neurophysiologie visuelle, suggèrent que la perception visuelle d'une scène débute par une extraction des différentes fréquences spatiales en suivant une stratégie d'analyse « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière en basses fréquences spatiales (BFS) fournirait un aperçu global de la de la scène qui serait, ensuite, affinée par l'analyse plus tardive de l'information fine en hautes fréquences spatiales (HFS). L'objectif de cette thèse est de spécifier les mécanismes neuro-fonctionnels et cognitifs du traitement des fréquences spatiales et des scènes naturelles et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Dans une première étude en IRMf (Expérience 1), nous avons montré la coexistence, au niveau du cortex occipital, d'un traitement rétinotopique et hémisphérique des fréquences spatiales. Par ailleurs, nous avons montré que des régions sélectives aux scènes, au sein du gyrus parahippocampique et du cortex retrosplenial, étaient également impliquées dans le traitement des fréquences spatiales. Dans les études IRMf suivantes (Expériences 2, 3 et 4), nous nous sommes particulièrement intéressés au traitement des fréquences spatiales et à la stratégie d'analyse « coarseto- fine » dans ces régions sélectives. Dans la seconde partie de ces travaux, nous avons montré que la stratégie de catégorisation « coarse-to-fine » observée chez le jeune adulte sain, devenait flexible avec l'âge (Expérience 5). Afin de préciser les interactions rétino-corticales, nous avons étudié les performances de catégorisation de patients atteints de dégénérescence maculaire liée à l'âge, pathologie caractérisée par des lésions de la rétine centrale supposée à l'origine de la voie de traitement des HFS. Nous avons démontré un déficit comportemental (Expériences 6 et 7) du traitement des HFS, associé à une hypoactivité du cortex occipital chez ces patients (Expérience 8). Ces travaux permettent de préciser les mécanismes impliqués dans la perception de scènes. / As suggested by evidence from visual neurophysiology, scene perception could begin by the extraction of different spatial frequencies following a “coarse-to-fine” analysis. The rapid analysis of coarse information in low spatial frequencies (LSF) would provide a global overview of the scene which would then be refined by later analysis of fine information in high spatial frequencies (HSF). The aim of this thesis is to specify the neuro-functional and cognitive mechanisms of spatial frequency and natural scene processing as well as their evolution during normal and pathological aging. In a first fMRI study (Experiment 1), we showed the coexistence of retinotopic and hemispheric processing for spatial frequencies in occipital cortex. In addition, we showed that scene selective regions in the parahippocampal gyrus and retrosplenial cortex were also involved in the processing of spatial frequencies. Therefore, in the following fMRI studies (Experiments 2, 3 and 4), we were particularly interested in spatial frequency processing and "coarse-to-fine" analysis in these selective regions. In the second part of this work, we showed that the “coarse-to-fine” strategy observed in healthy young adults becomes flexible with increasing age (Experiment 5). To clarify the retina-cortex interactions, we studied the categorization performance of patients with age-related macular degeneration. This pathology is characterized by lesions of the central retina, which is thought to be the origin of the visual pathway conveying HSF. We have demonstrated a behavioral deficit (Experiments 6 and 7) of HSF processing linked to hypoactivity of occipital cortex in these patients (Experiment 8). These works clarify the mechanisms involved in scene perception.

La répercussion d'un trouble visuel sur le traitement de scènes naturelles a été abordée selon trois approches : 1) une approche comportementale dans le but d'étudier la perception visuelle en champ central et en champs latéralisés, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques à la suite d'une lésion occipitale unilatérale ; 2) une approche fonctionnelle à l'aide d'une étude en IRMf afin d'évaluer tout d'abord l'incidence de la demande cognitive sur une tâche visuelle, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques, en champ central, puis d'observer l'impact d'une lésion occipitale droite et gauche sur la réorganisation corticale ; 3) enfin, une approche neuropsychologique dans le but d'étudier l'effet d'un entraînement visuel dans le champ aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités visuelles inconscientes. Nous avons observé un impact différent sur le traitement visuel en champ central selon la latéralisation de la lésion occipitale (droite ou gauche). L'analyse visuelle est plus perturbée à la suite d'une lésion occipitale droite. Les données acquises en IRMf ont permis également de constater une différence des patterns d'activation selon la latéralisation de la lésion occipitale. Enfin, nous avons observé que l'entrainement dans le champ visuel aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités de perception implicite : blindsight, permet d'obtenir une amélioration du champ visuel de manière quantifiable. / Visual processing of natural scenes images was investigated in healthy individuals and patients with homonymous hemianopia (after a unilateral occipital damage) using three methods : 1) behavioral studies where stimuli were presented in the central and lateralized visual fields; 2) fMRI paradigm to assess the cerebral network underlying natural scenes processing in the central visual field and to assess consequences of right or left occipital lesion on brain reorganization ; 3) a neuropsychological study where the efficiency of visual training in the blind visual field of hemianopics patients, using blindsight, was investigated. Results showed that occipital lesion side selectively modulates visual performances and pattern of cortical activation. In patients with right occipital damage, performances were severely altered although both hemlispheres were recruited. Yet, in patients with left brain damage, performances were less degraded and the right hemisphere was recruited whatever the visual task. Finally, we observed that explicit (conscious) visual detection can be restored (at least partly) in the blind visual field by using implicit (unconscious) visual capacities.