Dynamique spatio-temporelle des cycles attentionnels : approche computationnelle et de neuroimagerie

Spatio-temporal dynamics of attentional cycles : a computational and neuroimaging approach

• Auteur / Autrice : Garance Merholz
• Direction : Laura Dugué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Neurosciences intégratives et cognition (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Sergent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Sergent, Ole Jensen, Frédéric Chavane, Marine Vernet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ole Jensen, Frédéric Chavane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences cognitives

Ondes du cerveau

Perception visuelle

Électroencéphalographie

Attention

Mots clés libres

Attention

Électroencéphalographie

Magnetoencéphalographie

Oscillations cérébrales

Perception

Traveling waves

Attention

Electroencephalography

Magnetoencephalography

Neural oscillations

Perception

Traveling waves

Résumé

La perception et l’attention sont des fonctions cognitives fondamentales et nécessaires à l'appréhension du monde extérieur. Certaines oscillations cérébrales enregistrées à la surface du crâne corrèlent avec ces fonctions psychologiques, en particulier les rythmes à basse fréquence thêta (4-8 Hz) et alpha (8-14 Hz). Les neurosciences cognitives ont entamé la question de la relation entre les fréquences oscillatoires et les processus cognitifs qui leur sont associés, mais de nombreuses questions subsistent. Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle étude élargissant les connaissances déjà existantes sur les effets de fréquence et de phase oscillatoire sur les performances attentionnelles. L'hypothèse d'un échantillonnage cognitif régulier propose que l'attention et la perception subissent des cycles réguliers de baisse et de hausse de traitement. Nous émettons la nouvelle hypothèse que le cerveau peut adapter sa synchronisation temporelle pour faire face à différents niveaux de difficulté de la tâche. Nous proposons que les écarts de fréquences rapportées dans la littérature soient dû à des différences de demandes attentionnelles, résultant de l’hétérogénéité des tâches effectuées. En modifiant les paramètres d’une recherche visuelle, nous induisons des différences subtiles dans la capture attentionnelle, la sélection et l’échantillonnage temporel. En utilisant des tâches de recherche visuelle combinées à l’EEG, nous reproduisons les effets rapportés précédemment d'une influence de la phase (avant l'apparition des stimuli) et de la cohérence de phase (après apparition des items) sur la performance des participants. Nous montrons que ces effets de phase se produisent dans une fréquence et à une latence croissante suivant la complexité de la tâche. Ces nouvelles découvertes suggèrent qu'un ajustement temporel précis des oscillations neuronales est directement lié au fonctionnement cognitif et au comportement. Les propriétés spatiales des oscillations neuronales peuvent également jouer un rôle fondamental dans la cognition, mais elles n’ont que récemment commencé à faire l'objet de recherches neuroscientifiques. Certaines études rapportent la présence d'ondes cérébrales ayant une dynamique spatiale à travers le cortex. La phase, la fréquence et l’amplitude de ces ondes affecteraient les processus perceptifs et attentionnels. Le second axe de la thèse porte sur la dynamique spatio-temporelle des oscillations cérébrales impliquées dans la cognition. Nous explorons comment une structuration spatiale flexible peut aider à transmettre de l'information et la traiter efficacement. Nous montrons la nécessité d’une approche de neuroimagerie basée sur des modèles théoriques et proposons une nouvelle méthode de neuroimagerie ayant pour but d'évaluer la propagation des ondes corticales oscillatoires. Nous nous basons sur les propriétés rapportées précédemment des ondes se déplaçant à travers le cortex et nous modélisons des ondes oscillatoires dans le cortex visuel humain. Ce projet constitue la première étape dans la création d’un outil computationnel destiné à mesurer les ondes propagatrices chez l’humain, en utilisant les techniques non invasives d’EEG et MEG. Le premier axe de cette thèse fournit donc des preuves supplémentaires que les oscillations cérébrales sous-tendent l’échantillonnage attentionnel, et le second décrit la création d'un nouvel outil pour étudier la dimension spatiale sous-étudiée de ces oscillations. Dans cette thèse, nous avons montré que les propriétés temporelles et spatiales précises des oscillations enregistrées à la surface du scalp sont à la fois des marqueurs cruciaux de l’activité neuronale et, à plus grande échelle, de la cognition elle-même. Nous avons exploré la dynamique spatio-temporelle des oscillations neurales, d’abord par la manipulation comportementale des tâches de recherche visuelle avec enregistrement EEG simultané, et ensuite par la modélisation computationnelle du cortex visuel.

Perception and attention are fundamental cognitive functions for understanding and interacting with our environment. Brain oscillations of various temporal frequencies correlate with these psychological functions. Particularly, low-frequency rhythms termed theta (4-8 Hz) and alpha (8-14 Hz) seem to play an important role in perception and attention. The general relation between oscillatory frequencies and associated cognitive processes is beginning to be understood, but much is left to speculation. This thesis aims to characterize the role of brain oscillations in perception and attention by focusing on both their temporal and spatial dynamics. The first axis of this work aims to explain the large discrepancies in temporal frequency observed in the literature on attention. We propose that it may be due to differences in attentional demands, resulting from heterogeneity in tasks performed. Using visual search tasks combined with electro-encephalography, we replicate previous findings of pre-stimulus cortical phase and post-stimulus phase reset influencing performance. Critically, we show that these phase effects occur in rising frequency and latency with task complexity. These novel findings confirm that the fine temporal tuning of neural oscillations directly relates to cognitive functioning and behavior. The second axis focuses on the spatio-temporal dynamics of brain oscillations involved in cognition. The spatial properties of cortical oscillatory waves of activity have only recently begun to form a topic of study in neuroscientific research. Here, we review the traveling property of oscillatory waves propagating across the brain and model such oscillatory traveling waves in the human visual cortex. This project is the first stage towards the creation of a computational tool for measuring traveling waves in healthy humans, using non-invasive techniques of electro- and magneto-encephalography. Such a tool will enable model-based neuroimaging of neural oscillatory activity, circumventing the issues of the classic inverse modeling framework. In conclusion, the first axis of this thesis provides additional evidence that brain oscillations support attentional sampling and the second works to provide a new tool to investigate the understudied spatial dimension of these oscillations.