La multi-stabilité dans la perception visuelle et les mouvements oculaires : l'action contrôle-t-elle la perception ou vice-versa ?

Multi-stability in visual perception and eye movements : does action control perception or vice-versa?

• Auteur / Autrice : Kevin Parisot
• Direction : Steeve Zozor, Ronald Phlypo, Alan Chauvin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 14/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Schwartz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Madelain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ralf Engbert, Anna Montagnini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nerf oculomoteur

Oeil -- Mouvements

Vision par ordinateur

Perception visuelle

Mots clés libres

Perception visuelle

Micro-Poursuite

Ambigüité visuelle

Vision active

Plaid en mouvement

Multi-Stabilité

Visual perception

Micro-Pursuit

Visual ambiguity

Active vision

Moving plaid

Multi-Stability

Résumé

La multi-stabilité perceptuelle désigne la dynamique perceptuelle, qui émerge lorsque le système sensoriel humain est confronté à une stimulation stationnaire et ambigüe. Dans ce cas, la perception de l'observateur alterne entre différents percepts, tandis que le stimulus reste constant. Depuis les premières observations de Necker (1832), la perception multi-stable est devenue un outil de recherche, utilisé dans les recherches visant à comprendre comment le système visuel se sert de mécanismes d'inférences, afin de reconstruire un monde perceptuel riche à partir d'informations sensorielles incomplètes.Dans cette thèse, nous cherchons à étudier les relations d'inter-dépendence entre l'action oculomotrice et le système perceptuel, dans le contexte de la multi-stabilité perceptuelle. Les questions centrales de recherche sont les suivantes : est-il possible d'inférer les percepts à partir des mouvements oculaires, et si oui, comment se constituent les relations (hierarchiques) entre les systèmes perceptuel et oculomoteur ?Tout d'abord, nous avons étudié les micro-mouvements oculaires fixationnels, que nous avons détecté dans une tâche d'exploration d'un stimulus bi-stable en mouvement. Nous proposons de classifier ceux-ci en tant que micro-poursuite, une classe de mouvements oculaires fixationnels, corrélant avec des trajectoires lisses, prévisibles et de faibles amplitudes du stimulus en mouvement.Nous avons reproduit ces résultats dans une tâche de poursuite explicite, accompagnée d'une tâche de détection de changement de la luminance, mais uniquement lorsque l'objet était la cible, et pas lorsqu'il était un distracteur. L'analyse inter-expérience suggère que la manipulation des tâches, du mouvement du stimulus, et du niveau d'ambigüité du stimulus, influe la génération de micro-poursuite: un résultat qui indique que la perception bi-stable pourrait jouer un rôle dans la décision oculomotrice de porter son attention sur la croix de fixation, ou l'objet en mouvement. Nous avons modélisé ce comportement à l'aide d'un modèle prédictif, basé sur un champ d'énergie potentielle, dans lequel le centre du regard est représenté par la dynamique d'une masse unitaire. Nous avons ensuite étendu ce modèle pour qu'il rende compte de la multi-stabilité perceptuelle. Une exploration des capacités du modèle à reproduire les mouvements oculaires fixationnels -- en considérant micro-saccades, micro-poursuites et fixations stables -- est présentée.Afin d'étudier davantage les liens entre multi-stabilité perceptuelle et contrôle oculomoteur, nous nous sommes servis d'un stimulus : le plaid en mouvement, composé de deux grilles transparentes se déplaçant dans différentes directions et observées au travers d'un trou circulaire, ce qui engendre une tri-stabilité vis-à-vis de la direction du mouvement perçue. Nous examinons comment l'ambigüité du plaid peut être manipulée au niveau de chaque sujet, en utilisant un modèle probabiliste et un protocole pour en estimer ses paramètres. Ainsi, les points d'ambigüité maximale peuvent être identifiés pour chaque observateur.rice, en manipulant la transparence des grilles. Enfin, nous avons aussi regardé comment manipuler les mouvements oculaires avec le plaid en mouvement, et nous donnons un bref aperçu sur l'application d'un paradigme, sans rapport explicite de la perception, qui a pour but d'inférer cette dernière à partir de la dynamique oculomotrice. Cette exploration cherche avant tout à proposer une feuille de route, afin de poursuivre les questions de recherche autour du couplage entre les systèmes oculomoteur et perceptif, lorsqu'il y a multi-stabilité, et d'ouvrir vers l'utilisation de techniques de neuro-imagerie, appliquées à cette thématique.Enfin, le travail présenté dans cette thèse pose des questions sur les liens entre les différents régimes de stabilité -- tel que la mono-, multi-, ou méta-stabilité -- et quel est le rôle des processus ascendants et descendants sur ceux-ci.

Multi-stable perception refers to the perceptual dynamics that emerge when the human's sensory system is confronted with a stationary, ambiguous visual stimulus. Though the stimulus is stationary, humans observe alternations in perception. Since its first observations by Necker (1832), multi-stable perception has been a tool to investigate the inference processes of the visual system when reconstructing a rich perceptual world from incomplete, and sometimes poor, sensory information.In this thesis, the relationships and dependencies between the oculomotor action and perceptual systems are approached in the context of multi-stable perception. The main questions driving the investigation can be formulated as follows: can we infer percepts from oculomotor behaviour and thus, what are the (hierarchical) relations between the perceptual and oculomotor systems?At first, we have studied ocular micro-movements in fixations that have been detected during exploration of a bi-stable visual stimulus with motion. We propose to classify them as micro-pursuit; a class of fixational eye movements, correlating with smooth, predictable, small-scale stimulus' target trajectories. We replicated these findings in an explicit pursuit task with a luminance change detection task, but only when the moving object was a target, and not when it was a distractor. Inter-experiment analysis suggests that the manipulation of task, stimulus target motion, and the level of ambiguity of the stimulus affect the generation of micro-pursuits: a result that may hint that bi-stable perception may play a role in the oculomotor decision to attend either the fixation cross, or the moving object.We have modelled this behaviour with a predictive model based on an energy potential field in which gaze is represented by the dynamics of a unitary mass. We further extend this model to capture multi-stable perception. An exploration of the model's capacity to reproduce fixational eye movement -- covering micro-saccades, micro-pursuits and stable fixations -- is presented.To further study perceptual multi-stability and oculomotor control, we used the moving plaid: a tri-stable stimulus, composed of two transparent gratings moving in different directions and visualised through an aperture, making perceived motion direction ambiguous. We investigate how the plaid's ambiguity can be manipulated at the individual subject level, using a probabilistic model and an experimental protocol to estimate its parameters. As such, points of maximal ambiguity can be identified for an observer based on the manipulation of the gratings' transparencies. We further looked at oculomotor manipulation in the context of the moving plaid stimulus and provide a brief outlook at a no-report paradigm that aims to exploit eye movements to infer the perception dynamics of an observer.This exploration aims to provide a road map for further investigation of perceptual and oculomotor coupling in multi-stable perception, and opens up to methods using neuro-imaging techniques to investigate multi-stability. The work presented here raises questions on the link between stability regimes and how bottom-up and top-down processes may play a role in modulating the brain into mono-, multi- or meta-stable dynamics.