Influence des caractéristiques perceptives et émotionnelles des expressions faciales dans la programmation de saccades oculaires

The influence of perceptual and emotional characteristics of facial expressions on saccade programming

• Auteur / Autrice : Léa Entzmann
• Direction : Martial Mermillod
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives, psychologie et neurocognition
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de psychologie et neurocognition (Grenoble ; Chambery ; 1996?-....)
• Jury : Président / Présidente : Monica Baciu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Bayle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Goffaux, Thérèse Collins

Mots clés

Mots clés contrôlés

Émotions

Oeil -- Mouvements

Reconnaissance automatique des émotions

Expression du visage

Mots clés libres

Expressions faciales émotionnelles

Mouvements oculaires

Attention visuelle

Fréquences spatiales

Réseaux de neurones artificiels

IRMf

Emotional facial expressions

Eye movements

Visual Attention

Spatial frequencies

Artificial neural netwoks

FMRI

Résumé

Les expressions faciales sont des stimuli visuels complexes, caractérisés à la fois par une configuration spatiale spécifique et une émotion qu’ils communiquent. Leur détection est essentielle, que ce soit dans le cadre de la survie ou de la génération de comportements sociaux adaptés. Certains modèles du traitement des émotions suggèrent que les visages avec une expression émotionnelle, en particulier apeurée, sont détectés rapidement, et ce indépendamment de l’objectif de l’observateur. Cette détection rapide ferait intervenir une voie sous-corticale, qui relie le colliculus supérieur à l’amygdale et qui traiterait uniquement l’information visuelle grossière, transmise par les basses fréquences spatiales. Cependant, toutes les recherches ne s’accordent pas forcément. L’objectif de ce travail de thèse était de préciser les processus par lesquels les expressions faciales émotionnelles (joyeuses ou apeurées) influencent la programmation des saccades oculaires, en comparaison à des expressions faciales neutres. Nous avons en particulier testé l’hypothèse d’une détection rapide (< 100 ms) et indépendante de l’objectif des participants, qui favoriserait l’orientation du regard vers des visages émotionnels, particulièrement apeurés. Nous supposions que cet effet soit originaire du traitement des basses fréquences spatiales au sein de la voie sous-corticale. À travers une série d’études en choix saccadique, les résultats d’un premier chapitre expérimental témoignent d’un traitement privilégié des visages émotionnels, en particulier joyeux, qui capture le regard plus efficacement que les visages neutres. Cependant, cet effet ne serait pas automatique, mais plutôt dépendant de la tâche de l’observateur. Nous avons aussi observé de manière systématique des différences entre les points d’arrivée des saccades sur des visages joyeux et des visages apeurés. Plus précisément, les saccades arrivaient plus près de la bouche pour les visages joyeux qu’apeurés. Les résultats d’un second chapitre expérimental témoignent de l’importance de l’information transmise par les hautes fréquences spatiales dans la détection et le déclenchement d’une saccade vers des visages neutres et émotionnels. À l’aide d’un réseau de neurones convolutionnel, nous avons pu mettre en évidence la région la plus diagnostique à cette tâche : la bouche. Les résultats d’un troisième chapitre expérimental, basé sur une étude en neuroimagerie, témoignent d’une sensibilité aux expressions faciales dans des régions corticales, indépendamment des fréquences spatiales. Cependant, nous n’avons pas observé d’effet des expressions faciales dans les régions qui constituent la voie sous-corticale. Dans la plupart des régions étudiées, les réponses neuronales étaient plus fortes face à des visages présentés en hautes plutôt que basses fréquences spatiales. Les résultats de ce troisième chapitre expérimental sont discutés en lien avec les statistiques de nos stimuli. Ainsi, les travaux menés dans le cadre de cette thèse, qui allient comportement, neuroimagerie et modélisation, suggèrent que les visages émotionnels peuvent attirer le regard plus efficacement que les visages neutres. Cependant, cet effet ne serait pas automatique. Nous proposons que, en particulier dans les tâches qui exigent une réponse rapide, les visages émotionnels ne vont pas attirer l’attention et le regard plus que les visages neutres. Mais, les caractéristiques physiques des expressions vont moduler l’attention automatiquement, ce qui se traduit par des décalages au niveau des points d’arrivée des saccades. Finalement, que ce soit au niveau comportemental ou neuronal, nos résultats n’ont pas permis de mettre en avant un traitement privilégié des visages apeurés, basé sur l’extraction rapide des basses fréquences spatiales. Ils remettent ainsi en question l’implication de la voie sous-corticale dans le traitement des expressions faciales.

Facial expressions are complex visual stimuli, characterized by both a specific spatial configuration and the emotion they communicate. Their detection is essential, whether in the context of survival or in the generation of adapted social behaviours. Some models of emotional processing suggest that faces with emotional expressions, especially fearful ones, are detected rapidly, regardless of the observer's goal. This rapid detection is thought to involve a subcortical pathway, which connects the superior colliculus to the amygdala and processes only coarse visual information, transmitted through low spatial frequencies. However, not all research is in agreement. The aim of this thesis work was to clarify the processes by which emotional facial expressions (happy or fearful) influence the programming of saccadic eye movements, compared to neutral facial expressions. In particular, we tested the hypothesis of a rapid (< 100 ms) and task-independent detection, which would favour gaze orientation towards emotional, particularly fearful, faces. We hypothesised that this effect originated from low spatial frequency processing within the subcortical pathway. Through a series of saccadic choice experiments, the results of a first experimental chapter show a privileged processing of emotional faces, in particular happy ones, which captures the gaze more efficiently than neutral faces. However, this effect was not automatic, but rather dependent on the observer's task. We also systematically observed differences between saccade endpoints on happy and fearful faces. Specifically, saccades landed closer to the mouth for happy faces than for fearful faces. The results of a second experimental chapter demonstrate the importance of high spatial frequency information in the detection and initiation of saccades toward neutral and emotional faces. Using a convolutional neural network, we were able to identify the most diagnostic region for this task: the mouth. The results of a third experimental chapter, based on a neuroimaging study, show sensitivity to facial expressions in cortical regions, independent of spatial frequencies. However, we did not observe an effect of facial expressions in regions that constitute the subcortical pathway. In most of the regions studied, neural responses were stronger to faces presented at high rather than low spatial frequencies. The results of this third experimental chapter are discussed in relation to the statistics of our stimuli. Thus, the work conducted in this thesis, which combines behaviour, neuroimaging and modelling, suggests that emotional faces can attract the gaze more effectively than neutral faces. However, this effect would not be automatic. We propose that, particularly in tasks that require a quick response, emotional faces will not attract attention and gaze more than neutral faces. However, the physical characteristics of the expressions will modulate attention automatically, resulting in shifts in saccade endpoints. Finally, whether at the behavioural or neural level, our results did not reveal a privileged processing of fearful faces, based on the rapid extraction of low spatial frequencies. They thus questionned the involvement of the subcortical pathway in the processing of facial expressions.