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

La durée d'analyse d'une scène visuelle complexe constitue une contrainte biologique fondamentale pour les modèles théoriques du traitement neuronal de l'information visuelle. La mesure d'indices psychophysiques et électrophysiologiques lors d'une tâche de catégorisation visuelle rapide permet de démontrer que le système visuel humain transforme une scène visuelle complexe en une représentation de haut niveau, portant une valeur sémantique ou comportementale, en seulement 150 ms. Ce résultat est indépendant du caractère naturel ou artificiel de la catégorie cible utilisée. L'activité cérébrale enregistrée avant 150 ms reflète les propriétés physiques du stimulus, et n'est pas corrélée avec le comportement du sujet. D'un point de vue théorique, quels mécanismes neuronaux peuvent sous-tendre une telle capacité?<br />L'architecture hiérarchique du système visuel des primates et les délais de conduction électrique suggèrent que l'information visuelle circule majoritairement vers l'avant, et qu' un seul potentiel d'action par neurone pourra coder l'information entre 2 étapes successives. Ceci exclut le codage par fréquence d'émission de potentiels d'action, classiquement utilisé par les modèles de la vision. J'illustre cependant le fait que l'information visuelle peut être encodée par les dates relatives d'émission des potentiels d'action sur une population neuronale, l'information la plus saillante étant toujours représentée par les premières décharges. La structure temporelle de la première vague de potentiels d'action générée par la rétine en réponse à une stimulation visuelle peut porter explicitement l'information. Cette vague se propageant à travers le système est régénérée à chaque étape de traitement, et sa structure temporelle peut être modifiée par (i) la sélectivité des neurones corticaux, (ii) des interactions latérales et (iii) des influences attentionnelles provenant d'aires cérébrales centrales.

La théorie du traitement visuel rapide se base sur un codage par latence de l'information visuelle, et explique ainsi sa rapidité. Nous démontrons dans cette thèse qu'un mécanisme de plasticité synaptique dépendant des temps de décharges, la STDP, permet, au sein de cette théorie, d'expliquer la formation de sélectivités neuronales à même de produire des réponses rapides et sélectives. Par STDP, un neurone va concentrer ses poids synaptiques sur les entrées les plus précoces, une loi qui se traduit au niveau des populations par l'émergence de représentations inspirées de la voie ventrale, lorsque le système est exposé à des images naturelles.<br />Nous montrons de plus, par une expérience de psychophysique, que le traitement visuel rapide est non seulement précis mais qu'il présente aussi une quasi-invariance à la rotation des images.

La connaissance orthographique des mots est indispensable au développement d'une lecture experte et rapide et d'une écriture correcte. L'acquisition de ces connaissances orthographiques lexicales est un processus complexe, encore mal compris. Cette acquisition se ferait en grande partie de façon implicite au cours de la lecture. Elle dépendrait alors de la qualité du décodage, d'autres facteurs restant à préciser. Des données théoriques et certains premiers résultats empiriques ont suggéré que le traitement visuel simultané de toutes les lettres du mot est un facteur important pour l'acquisition de son orthographe spécifique. Dans ce travail de thèse, cette hypothèse est testée d'une part par des études de régression, d'autre part par des études expérimentales. Les analyses de régression étudient le lien entre l'empan visuo-attentionnel (EVA), estimant les capacités maximales de traitement visuel simultané, et les connaissances orthographiques lexicales. Les résultats montrent une relation significative entre l'EVA et les connaissances orthographiques lexicales lorsque celles-ci sont évaluées par une épreuve de production écrite ou par un test d'auto-apprentissage. Cette relation est spécifique aux connaissances lexicales puisqu'elle ne se généralise pas à l'orthographe grammaticale. Elle existe indépendamment des capacités de mémoire de travail visuo-spatiale et de lecture. Les études expérimentales, tant chez l'enfant que chez l'adulte, explorent toutes le rôle du traitement visuel simultané sur l'acquisition des connaissances orthographiques en situation d'auto-apprentissage. Cette exploration est conduite en contrastant, pendant une lecture de mots nouveaux, une condition expérimentale où le traitement visuel simultané est possible avec une autre condition où ce type de traitement est impossible. Les résultats mettent en évidence un avantage de la condition avec traitement visuel simultané possible, sur la mémorisation de l'orthographe des mots nouveaux. Cet avantage n'est pas dû à des différences de temps de présentation ou de temps de traitement des items entre les deux conditions et confirme donc que, au-delà des capacités de lecture-décodage, les capacités de traitement visuel simultané sont directement impliquées dans l'acquisition des connaissances orthographiques lexicales.

La connaissance orthographique des mots est indispensable au développement d’une lecture experte et rapide et d’une écriture correcte. L’acquisition de ces connaissances orthographiques lexicales est un processus complexe, encore mal compris. Cette acquisition se ferait en grande partie de façon implicite au cours de la lecture. Elle dépendrait alors de la qualité du décodage, d’autres facteurs restant à préciser. Des données théoriques et certains premiers résultats empiriques ont suggéré que le traitement visuel simultané de toutes les lettres du mot est un facteur important pour l’acquisition de son orthographe spécifique. Dans ce travail de thèse, cette hypothèse est testée d’une part par des études de régression, d’autre part par des études expérimentales. Les analyses de régression étudient le lien entre l’empan visuo-attentionnel (EVA), estimant les capacités maximales de traitement visuel simultané, et les connaissances orthographiques lexicales. Les résultats montrent une relation significative entre l’EVA et les connaissances orthographiques lexicales lorsque celles-ci sont évaluées par une épreuve de production écrite ou par un test d’auto-apprentissage. Cette relation est spécifique aux connaissances lexicales puisqu’elle ne se généralise pas à l’orthographe grammaticale. Elle existe indépendamment des capacités de mémoire de travail visuo-spatiale et de lecture. Les études expérimentales, tant chez l’enfant que chez l’adulte, explorent toutes le rôle du traitement visuel simultané sur l’acquisition des connaissances orthographiques en situation d’auto-apprentissage. Cette exploration est conduite en contrastant, pendant une lecture de mots nouveaux, une condition expérimentale où le traitement visuel simultané est possible avec une autre condition où ce type de traitement est impossible. Les résultats mettent en évidence un avantage de la condition avec traitement visuel simultané possible, sur la mémorisation de l’orthographe des mots nouveaux. Cet avantage n’est pas dû à des différences de temps de présentation ou de temps de traitement des items entre les deux conditions et confirme donc que, au-delà des capacités de lecture-décodage, les capacités de traitement visuel simultané sont directement impliquées dans l’acquisition des connaissances orthographiques lexicales. / Word orthographic knowledge is necessary to develop expert and fast reading and correct orthographic production. Lexical orthographic acquisition is a complex and largely unknown process. This acquisition is mostly implicit during reading. It would depend on phonological decoding and on other factors not précised yet. Both theoretical and empirical data suggest that the simultaneous visual processing made during word reading could influence lexical orthographic acquisition. This hypothesis is assessed with both regression analyses and experimental studies. Regression analyses examine the relation between visual attention span (VAS), which estimates the maximal simultaneous processing abilities, and the lexical orthographic knowledge. Results show a significant relation between VAS and lexical orthographic knowledge when this knowledge is assessed with a dictation task or with a self-teaching test. This relation is specific because it doesn’t extent to grammatical orthographic knowledge. It exists independently of both visual-spatial working memory and reading skills. Experimental studies, both on children and adults, investigate the role of simultaneous visual processing on lexical orthographic acquisition during self-teaching. This investigation was done with two experimental conditions during the reading of novel words. In the whole word condition, the entire letter-string of a novel word was available at once, while in the partial word condition only sub-lexical parts of the word letter string were available at once. The results show an advantage of the whole word condition on the memorization of novel word orthographic forms. This advantage is not explained by differences of presentation time or of processing time between the two conditions, and confirms that, beyond the phonological decoding skills, simultaneous visual processing abilities of entire words are involved in lexical orthographic acquisition.

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

Les variations d’efficacité du traitement visuel dans le temps ont été étudiées par échantillonnage temporel aléatoire. Vingt-quatre adultes ont identifié des stimuli composés de bruit blanc visuel et d’images d’objets familiers (expérience 1) ou de visages célèbres (expérience 2). Le ratio signal-bruit variait à travers le temps selon des fonctions d’échantillonnage générées par l’intégration d’ondes sinusoïdales de différentes fréquences (5 à 55 Hz) et de phases et amplitudes aléatoires. Des vecteurs de classification (VC) temporels ont été calculés en soustrayant la somme pondérée des ratios signal-bruit associés aux mauvaises réponses de celle associée aux bonnes réponses. Des images de classification (IC) temps-fréquence ont été obtenues en appliquant la même procédure aux résultats d’analyses temps-fréquence réalisées sur la fonction d’échantillonnage de chaque essai. Les VC temporels des deux expériences sont très variables entre les participants. Par contre, les IC temps-fréquence sont remarquablement similaires à travers les participants (cohérence inter-sujets de .93 et .57 pour l’expérience 1 et 2 respectivement). Des comparaisons par test t nous indiquent de nombreuses différences entre les IC temps-fréquence des objets et visages familiers, mais aussi des objets non familiers et des mots analysés dans des études précédentes. Ainsi, ces IC sont sensibles à la classe de stimuli présentés, mais aussi à la familiarité de ces derniers. Les résultats témoignent d’une variation rapide dans l’efficacité de l’encodage visuel durant les 200 premières millisecondes d’exposition au stimulus et suggèrent que les IC du domaine temps-fréquence reflètent un aspect hautement fondamental du traitement visuel, hypothétiquement rattaché aux oscillations cérébrales. / Variations in visual processing effectiveness through time were investigated using random temporal stimulus sampling. Twenty-four adults named photographs of either familiar objects (experiment 1) or famous faces (experiment 2). Stimuli were made by a linear combination of the target image and high density white visual noise. Signal-to-noise ratio varied throughout the 200 ms stimulus duration. A new temporal sampling function was generated on each trial by the integration of random amplitude and phase sinusoidal waves of frequency between 5 and 55 Hz (in 5 Hz steps). Temporal classification vectors (CV) were calculated by subtracting the weighted sum of the signal-to-noise ratio associated to errors from that associated to correct responses. Time-frequency classification images (CI) were obtained by applying the same procedure on the outcome of time-frequency analyses applied to the sampling functions of each trial. In both experiments, the temporal CVs were highly variable across participants, but the time-frequency CIs were remarkably similar across participants (inter-subject coherence of .93 and .57 for experiments 1 and 2 respectively). T-tests revealed multiple differences between the time-frequency CIs obtained with familiar objects and faces, but also with non-familiar objects and words analyzed in previous studies. Therefore, theses CIs are sensitive to stimulus type, but also to stimulus familiarity. The present results indicate rapid variations of visual encoding effectiveness in the initial 200 ms of stimulus exposure and suggests that the time-frequency CIs tap a highly fundamental aspect of visual processing, hypothetically linked to brain oscillations.

Le fonctionnement visuel est sujet à des modification avec le vieillissement sain. Que ce soit l’identification, le traitement ou la perception d’un stimulus visuel, l’avancée en âge peut s’accompagner d’une altération de la vision. Afin d’investiguer les caractéristiques temporelles du traitement visuel dans le vieillissement sain, la présente étude utilise une tâche de reconnaissance d’images achromatiques d’objets communs à l’aide de la technique d’échantillonnage temporel aléatoire. Cette technique permet de révéler les mécanismes oscillatoires visuels en jeux dans la réalisation d’une tâche perceptive. 32 participants, divisés en deux groupes de 16, soit des jeunes adultes (18 - 35 ans) et des personnes âgées entre 60 et 85 ans ont pris part à l’étude. Les résultats qu’offrent la technique d’échantillonnage temporel sont appelés des images de classification (IC) et montrent la variation de l’efficacité du traitement visuel à travers le temps et dans le domaine temps-fréquence. Pour chacun des domaines, les IC sont également décomposées selon leurs spectres de puissance et de phase par une analyse de Fourier. Les résultats montrent des différences significatives entre les groupes pour les IC temporelles et temps-fréquence. De plus, autant dans le domaine temporel que temps-fréquence, ce sont les spectres de phase qui se distinguent significativement entre les deux groupes alors que les spectres de puissance des IC ne diffèrent pas. Il apparaît donc que les mécanismes oscillatoires en jeu pour la réalisation de la tâche de reconnaissance d’objets sont différents d’un groupe à l’autre. Spécifiquement, il s’agirait de la chronologie de leur engagement dans la tâche qui diffère. / Visual function is subject to some modifications with healthy aging. Whether it is the identification, processing, or perception of a visual stimulus, advancing age can be accompanied by an alteration of vision. To investigate the temporal characteristics of visual processing in healthy aging, the present study uses a recognition task of achromatic images of common object using the random temporal sampling technique. This technique reveals the visual oscillatory mechanisms at play in the realization of a perceptual task. 32 participants, divided into two groups of 16, young adults (18-35 years old) and elderly between 60 and 85 years old took part in this study. The results of the temporal sampling technique are called classification images (CI) and show the variation of visual processing efficiency across time and time-frequency domain. For each domain, CIs were also decomposed according to their power and phase spectra by Fourier analysis. The results show significant differences between groups for the time and time-frequency CIs. In addition, both in the time and time-frequency domains, it is the phase spectra that differ significantly between groups whereas the power spectra do not differ. It thus appears that the oscillatory mechanisms involved in carrying out object recognition are different from one group to another. Specifically, it is the timing of the engagement of these oscillatory mechanisms that differs between groups.

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base. / Repeated visual processing of an unfamiliar face suppresses neural activity in face-specific areas of the occipito-temporal cortex. This "repetition suppression" (RS) is a primitive mechanism involved in learning of unfamiliar faces, which can be detected through amplitude reduction of the N170 event-related potential (ERP). The dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) exerts top-down influence on early visual processing. However, its contribution to N170 RS and learning of unfamiliar faces remains unclear. Transcranial direct current stimulation (tDCS) transiently increases or decreases cortical excitability, as a function of polarity. We hypothesized that DLPFC excitability modulation by tDCS would cause polarity-dependent modulations of N170 RS during encoding of unfamiliar faces. tDCS-induced N170 RS enhancement would improve long-term recognition reaction time (RT) and/or accuracy rates, whereas N170 RS impairment would compromise recognition ability. Participants underwent three tDCS conditions in random order at ~72 hour intervals: right anodal/left cathodal, right cathodal/left anodal and sham. Immediately following tDCS conditions, an EEG was recorded during encoding of unfamiliar faces for assessment of P100 and N170 visual ERPs. P300 was analyzed to detect prefrontal function modulation. Recognition tasks were administered ~72 hours following encoding. Results indicate the right anodal/left cathodal condition facilitated N170 RS and induced larger P300 amplitudes, leading to faster recognition RT. Conversely, the right cathodal/left anodal condition caused increases in N170 amplitudes and RT, but did not affect P300. These data are the first to demonstrate that DLPFC excitability modulation can influence early visual encoding of unfamiliar faces, highlighting the importance of DLPFC in basic learning mechanisms.

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base. / Repeated visual processing of an unfamiliar face suppresses neural activity in face-specific areas of the occipito-temporal cortex. This "repetition suppression" (RS) is a primitive mechanism involved in learning of unfamiliar faces, which can be detected through amplitude reduction of the N170 event-related potential (ERP). The dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) exerts top-down influence on early visual processing. However, its contribution to N170 RS and learning of unfamiliar faces remains unclear. Transcranial direct current stimulation (tDCS) transiently increases or decreases cortical excitability, as a function of polarity. We hypothesized that DLPFC excitability modulation by tDCS would cause polarity-dependent modulations of N170 RS during encoding of unfamiliar faces. tDCS-induced N170 RS enhancement would improve long-term recognition reaction time (RT) and/or accuracy rates, whereas N170 RS impairment would compromise recognition ability. Participants underwent three tDCS conditions in random order at ~72 hour intervals: right anodal/left cathodal, right cathodal/left anodal and sham. Immediately following tDCS conditions, an EEG was recorded during encoding of unfamiliar faces for assessment of P100 and N170 visual ERPs. P300 was analyzed to detect prefrontal function modulation. Recognition tasks were administered ~72 hours following encoding. Results indicate the right anodal/left cathodal condition facilitated N170 RS and induced larger P300 amplitudes, leading to faster recognition RT. Conversely, the right cathodal/left anodal condition caused increases in N170 amplitudes and RT, but did not affect P300. These data are the first to demonstrate that DLPFC excitability modulation can influence early visual encoding of unfamiliar faces, highlighting the importance of DLPFC in basic learning mechanisms.