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Université Pierre Mendès France - Grenoble II Laboratoire de Psychologie & Neur

Université Pierre Mendès France - Grenoble II Laboratoire de Psychologie & NeuroCognition, CNRS - UMR 5105 THÈSE Présentée en vue de l'obtention du Doctorat de Psychologie Cognitive Soutenue publiquement le 3 Décembre 2003 Par Carole PEYRIN ________________________________________ RECONNAISSANCE DES SCENES NATURELLES : APPROCHE NEUROCOGNITIVE DE LA SPECIALISATION HEMISPHERIQUE DU TRAITEMENT DES FREQUENCES SPATIALES ________________________________________ Directeurs de thèse : Professeur Christian MARENDAZ et Docteur Christoph SEGEBARTH _________________ Composition du Jury : Docteur Muriel BOUCART (rapporteur) Docteur Jean-François DEMONET Professeur Michel IMBERT (rapporteur) Professeur Theodor LANDIS Professeur Christian MARENDAZ Docteur Christoph SEGEBARTH RECONNAISSANCE DES SCENES NATURELLES : APPROCHE NEUROCOGNITIVE DE LA SPECIALISATION HEMISPHERIQUE DU TRAITEMENT DES FREQUENCES SPATIALES Résumé Une explication théorique de la reconnaissance visuelle repose sur l'idée que l'analyse visuelle débute par une extraction en parallèle des différentes caractéristiques visuelles élémentaires du champ visuel à différentes échelles (fréquences) spatiales. Dans cette perspective théorique, la reconnaissance visuelle "ultra-rapide" suivrait une logique de traitement 'Coarse-to-Fine' : l'information "grossière" issue des basses fréquences spatiales (BFs) véhiculées rapidement permettrait une première reconnaissance que validerait ou non l'information "fine" issue des hautes fréquences spatiales (HFs) plus tardives. Ce travail est consacré à l'étude, par une approche neurocognitive, de la nature et de la dynamique des processus perceptivo-cognitifs impliqués dans la reconnaissance visuelle de scènes naturelles en se focalisant sur la spécialisation hémisphérique du traitement des fréquences spatiales (SHFs). Nous avons montré, dans une expérience en psychologie cognitive, une SHFs classique, i.e. une supériorité de l’hémisphère droit dans le traitement des BFs et de l’hémisphère gauche dans le traitement des HFs. Nous avons utilisé la technique de l'IRMf afin d'identifier les substrats anatomiques cérébraux impliqués dans le traitement des fréquences spatiales et de localiser les aires corticales qui sous-tendent une SHFs. Nos données IRMf confortent l'hypothèse d'une reconnaissance visuelle rapide basée sur l'analyse des BFs. Par ailleurs, au moyen d'une méthode de comparaison statistique inter-hémisphérique, nous avons observé une SHFs classique localisée dans le cortex occipital (au niveau du gyrus occipital moyen). Une étude de cas menée sur une patiente atteinte d'une hémianopsie latérale homonyme gauche complète, à la suite d'une embolisation du cortex visuel primaire droit, a révélé que cette intervention chirurgicale affectait davantage le traitement des BFs que celui des HFs. Cette observation, cohérente avec nos données comportementales et d'IRMf, suggère le rôle primordial du cortex visuel primaire dans la SHFs. Enfin, les résultats d'une dernière expérience en psychologie cognitive suggèrent que la SHFs est fonction de la contrainte temporelle : lorsque cette contrainte est forte, une SHFs classique est obtenue alors que, pour une contrainte temporelle moindre, un avantage de l'hémisphère droit est obtenu quelles que soient les composantes en fréquences spatiales. L'ensemble de ce travail indique que lorsque le système visuel dispose de peu de temps, comme c'est le cas dans une tâche de reconnaissance visuelle "ultra-rapide", chaque hémisphère traiterait en parallèle ce qu'il peut de la scène visuelle en fonction de ses compétences d'analyse "fréquentielle" respectives. Mots clés : reconnaissance visuelle, scènes naturelles, fréquences spatiales, spécialisation hémisphérique, sciences neurocognitives. SOMMAIRE Avant Propos ...............................................................................5 Abréviations.................................................................................6 Introduction..................................................................................8 Chapitre 1 : La reconnaissance visuelle via une analyse "fréquentielle"..... 11 I. Caractéristiques anatomiques et physiologiques du système visuel......................... 11 1. Anatomie et physiologie sous-corticale.......................................................................... 12 1.1. Les cellules de la rétine............................................................................................ 12 1.2. Projections rétino-géniculo-striées........................................................................... 13 2. Modèle hiérarchique du traitement visuel cortical ......................................................... 14 2.1. Le cortex visuel primaire (V1)................................................................................. 16 2.2. Les aires visuelles extra-striées................................................................................ 18 2.3. Voie dorsale et voie ventrale.................................................................................... 19 a. La voie dorsale........................................................................................................ 19 b. La voie ventrale...................................................................................................... 19 3. Modèle par itérations...................................................................................................... 20 II. Le modèle fréquentiel............................................................................................. 23 1. Le système visuel : un analyseur de Fourier .................................................................. 24 1.1. Les fréquences spatiales........................................................................................... 24 1.2. La Fonction de Sensibilité au Contraste (FSC)........................................................ 25 1.3. Les canaux fréquentiels............................................................................................ 28 1.4. L'analyse de Fourier................................................................................................. 29 1.5. Décours temporel de l'analyse fréquentielle............................................................. 31 1.6. Le filtrage spatial : un outil méthodologique ........................................................... 31 2. Le modèle fréquentiel dans la perception de la forme.................................................... 33 2.1. Les lois d’organisation perceptive de la Gestalt....................................................... 33 2.2. Les illusions perceptives visuelles ........................................................................... 34 3. Le modèle fréquentiel dans la reconnaissance des formes hiérarchiques....................... 37 3.1. La précédence globale et l’interférence globale....................................................... 37 a. Organisation hiérarchique et fréquences spatiales.................................................. 38 b. La précédence temporelle des BFs dans la précédence globale.............................. 39 c. L'inhibition des canaux fréquentiels dans l’interférence globale............................ 42 3.2. La sélection attentionnelle des informations globales et locales.............................. 44 a. Paradigmes expérimentaux et effets attentionnels.................................................. 44 b. Les fréquences spatiales et la sélection attentionnelle............................................ 45 4. Le modèle fréquentiel dans la reconnaissance des scènes visuelles............................... 48 4.1. Arguments en faveur d'une reconnaissance visuelle rapide ..................................... 48 4.2. Etude psychophysique d'une stratégie 'Coarse-to-Fine' (CtF).................................. 49 4.3. Les simulations neurocomputationelles ................................................................... 51 4.4. La flexibilité de la stratégie d'analyse 'Coarse-to-Fine'............................................ 52 4.5. Synthèse................................................................................................................... 57 Chapitre 2 : La Spécialisation Hémisphérique............................................. 59 I. L’hypothèse fréquentielle, Sergent (1982) ................................................................. 59 - 1 - 1. Aux origines de l’hypothèse fréquentielle, deux hémisphères fonctionnellement différents.................................................................................................................................. 59 2. Méthodes d’étude de la spécialisation hémisphérique ................................................... 61 3. Vers une nouvelle dissociation fonctionnelle, l’hypothèse fréquentielle ....................... 65 3.1. Rôle des caractéristiques perceptives visuelles dans les asymétries cérébrales fonctionnelles...................................................................................................................... 65 3.2. L’hypothèse fréquentielle de la spécialisation hémisphérique................................. 67 4. La théorie 'Double Filtering by Frequency' (DFF)......................................................... 73 II. Corrélats neuronaux d'une spécialisation hémisphérique ..................................... 74 1. Données de neuropsychologie cognitive........................................................................ 75 2. Données de neuro-imagerie fonctionnelle cérébrale ...................................................... 81 2.1. Spécialisation hémisphérique de bas niveau ............................................................ 81 2.2. Contre-arguments à une spécialisation hémisphérique de bas niveau...................... 85 2.3. Spécialisation hémisphérique des processus attentionnels....................................... 90 2.4. Manipulation des fréquences spatiales..................................................................... 93 3. Synthèse des données de neuropsychologie et de neuro-imagerie ................................. 97 Etude neurocognitive de la Spécialisation Hémisphérique du traitement des Fréquences Spatiales....................................100 Chapitre 3 : Problématique et méthode..................................................... 101 I. les scènes naturelles................................................................................................ 102 II. Quelques aspects méthodologiques dans l’étude des Asymétries Cérébrales Fonctionnelles (ACF) ....................................................................................................... 103 1. Le choix de la population d'étude................................................................................. 103 1.1. Différences sexuelles et aptitudes verbales et spatiales.......................................... 103 1.2. Différences sexuelles et ACF................................................................................. 104 1.3. Différences sexuelles et anatomie cérébrale........................................................... 106 1.4. Fluctuations du taux d'hormones sexuelles féminines et ACF............................... 107 1.5. Différences sexuelles, répétition de la tâche et ACF.............................................. 109 1.6. Différences culturelles et ACF............................................................................... 110 2. Le choix de la modalité de réponse.............................................................................. 111 2.1. Une réponse manuelle ? ......................................................................................... 111 2.2. Une réponse 'go/no-go' ?........................................................................................ 111 a. L'effet Simon ........................................................................................................ 112 ¾ Méthode...................................................................................................... 113 ¾ Hypothèses et prédictions ........................................................................... 114 ¾ Résultats...................................................................................................... 115 ¾ Interprétation des résultats et discussion..................................................... 118 b. Une réponse 'go/no-go' pour limiter l'effet Simon................................................ 120 III. Les contraintes liées à l'étude comportementale de la SHFs.............................. 121 Chapitre 4 : Etude en psychologie cognitive expérimentale...................... 128 I. Méthode.................................................................................................................... 128 1. La population ............................................................................................................... 128 2. Les stimuli.................................................................................................................... 128 3. La procédure expérimentale......................................................................................... 129 4. Le plan expérimental.................................................................................................... 131 5. Objectifs théoriques ..................................................................................................... 131 II. Résultats .............................................................................................................. 132 − Traitement hémisphérique des scènes non-filtrées (phase 1) ............................... 133 − Vitesse de traitement relative des fréquences spatiales en vision centrale (phase 2) 134 − Asymétrie cérébrale et précédence fréquentielle (phase 3).................................. 135 − Traitement hémisphérique des fréquences spatiales.........................................................136 - 2 - − Précédence fréquentielle en fonction du champ visuel de présentation ...........................137 III. Discussion ............................................................................................................ 138 Chapitre 5 : Etude en IRM fonctionnelle.................................................... 140 I. L'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle .............................................. 141 1. Principe physique de l’IRMf : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)............... 142 1.1. Equilibre thermique d’un système de spins............................................................ 142 1.2. Perturbation de l'état d'équilibre thermique............................................................ 143 1.3. Retour à l'état d'équilibre thermique : les relaxations longitudinale et transversale144 2. Principe neurophysiologique de l’IRMf : l’effet BOLD .............................................. 145 3. Principes méthodologiques de l’IRMf ......................................................................... 148 3.1. Les séquences d’acquisition en IRMf .................................................................... 148 3.2. Les protocoles expérimentaux en IRMf................................................................. 148 3.3. L'IRMf événementielle (IRMf-Ev) ........................................................................ 149 II. Etude en IRMf ...................................................................................................... 151 1. Méthode expérimentale................................................................................................ 151 1.1. Participants............................................................................................................. 151 1.2. Stimuli et procédure............................................................................................... 151 2. Recueil et traitement des données ................................................................................ 152 2.1. Acquisition des données d’IRMf............................................................................ 152 2.2. Traitement spatial et statistique des données IRMf................................................ 153 2.3. Comparaison statistique inter-hémisphérique ........................................................ 154 3. Résultats....................................................................................................................... 155 3.1. Résultats comportementaux ................................................................................... 155 3.2. Activations IRMf ................................................................................................... 155 a. Traitement des fréquences spatiales...................................................................... 155 b. Spécialisation hémisphérique du traitement des fréquences spatiales.................. 157 4. Discussion .................................................................................................................... 159 4.1. Traitement des fréquences spatiales....................................................................... 159 4.2. Structures fonctionnelles cérébrales impliquées dans la perception des scènes..... 160 4.3. Spécialisation hémisphérique................................................................................. 162 4.4. Conclusion ............................................................................................................. 163 Chapitre 6 : Etude de cas en neuropsychologie cognitive......................... 164 I. Méthode.................................................................................................................... 166 1. La patiente J.M............................................................................................................. 166 2. La procédure expérimentale......................................................................................... 167 II. Résultats .............................................................................................................. 168 − Reconnaissance des scènes non-filtrées ............................................................... 169 − Reconnaissance des scènes filtrées ...................................................................... 170 III. Discussion ............................................................................................................ 171 Dynamique de la spécialisation hémisphérique du traitement des fréquences spatiales........................................................175 Chapitre 7 : Etude en psychologie cognitive expérimentale d'une dynamique de la SHFs 176 I. Influence du temps de présentation sur la SHFs ..................................................... 176 1. Disponibilité temporelle des fréquences spatiales........................................................ 176 2. Spécialisation hémisphérique contrainte par le temps.................................................. 177 3. Données comportementales.......................................................................................... 179 II. Problématique ...................................................................................................... 181 - 3 - III. Méthode ............................................................................................................... 183 1. La population ............................................................................................................... 183 2. Les stimuli.................................................................................................................... 183 3. uploads/Sante/ these-reconnaissance-des-scenes-naturelles.pdf