Etude du traitement visuel rétinotopique des fréquences spatiales de scènes et plasticité cérébrale au cours du vieillissement normal et pathologique

par Stephen Ramanoël

Thèse de doctorat en Sciences cognitives, psychologie et neurocognition

Sous la direction de Carole Peyrin.

Soutenue le 04-12-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec LPNC - Laboratoire de Psychologie et NeuroCognition (laboratoire) , Laboratoire de psychologie et neurocognition (Grenoble) (laboratoire) et de Institut des neurosciences de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Anne Guérin-Dugué.

Le jury était composé de Carole Peyrin, Michel Dojat, Sandrine Delord.

Les rapporteurs étaient Muriel Boucart, Eric Castet.


  • Résumé

    L'analyse visuelle de scènes débute par l'extraction en parallèle de différentes caractéristiques visuelles élémentaires à différentes fréquences spatiales. L'objectif de cette thèse a été de préciser les mécanismes et les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Nous avons tout d'abord mené deux études en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) sur des adultes jeunes avec une vision normale afin de proposer un outil de cartographie rétinotopique des aires visuelles permettant une localisation fine des activations cérébrales qui soit à la fois rapide et précis (Expériences 1 et 2). Dans un second temps, nous avons étudié via IRMf les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes chez de jeunes adultes avec vision normale(Expérience 3). Nous avons également étudié l'influence de la normalisation RMS (« root mean square ») du contraste de luminance des scènes filtrées. Au sein du cortex occipital, nous avons montré une organisation rétinotopique du traitement des fréquences spatiales contenues dans de larges scènes visuelles. Au sein du cortex occipito-temporal, nous avons montré que les régions sélectives aux scènes (la « parahippocampal place area », le cortex retrosplenial et l'« occipital place area ») participent de façon distincte au traitement des fréquences spatiales. Enfin, nous avons montré que la normalisation du contraste de luminance modifiait l'intensité et l'étendue des activations cérébrales. Dans un dernier temps, nous avons ensuite étudié le traitement des fréquences spatiales au cours du vieillissement normal et pathologique. Nous avons tout d'abord montré, dans le cas du vieillissement normal (Expérience 4), un déficit spécifique de la catégorisation de scènes en hautes fréquences spatiales (HFS), associé à une hypo activation du cortex occipital et des régions sélectives aux scènes. Dans le cas de la perte de la vision centrale consécutive à une dégénérescence maculaire liée à l'âge (patients DMLA, Expériences 5 et 6), nous avons mis en évidence un déficit du traitement des HFS encore plus marqué que celui observé au cours du vieillissement normal. De façon intéressante pour l'aide aux patients DMLA, l'augmentation du contraste de luminance des scènes en HFS améliorait significativement leur catégorisation des scènes en HFS. Les résultats de ces travaux nous permettent de mieux comprendre les mécanismes neuro-fonctionnels impliqués dans la perception visuelle de scènes et de différencier les changements au niveau cortical liés au vieillissement normal de ceux résultant d'une pathologie visuelle.Mots clés : Scènes visuelles, Fréquences spatiales, IRMf, Cortex visuel, Rétinotopie, Régions sélectives aux scènes, Vieillissement normal, DMLA.

  • Titre traduit

    Study of retinotopic spatial frequency processing of scenes and cerebral plasticity in normal and pathological aging.


  • Résumé

    Visual analysis begins with the parallel extraction of different attributes at different spatial frequencies. The aim of this thesis was to investigatethe mechanisms and the cerebral basis of spatial frequencies processing during scene categorization and their evolution during normal and pathological aging. As a first step, we performed two functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) studies on young adults with normal vision in order to design a retinotopic mapping tool that allows to localize cerebral activations, which is both fast and accurate (studies 1 and 2). As a second step, we studied via fMRI (study 3) the cerebral basis involved in spatial frequencies processing during scenes categorization in young adults with normal vision (study 3). We also assessedthe influence of RMS luminance contrast (“root mean square”) normalization of filtered scenes. Within the occipital cortex, we showed a retinotopic organization of spatial frequencies processing for large visual scenes. Within the occipito-temporal cortex, we showed that scenes-selective regions (the parahippocampal place area, retrosplenial cortex and occipital place area) are specifically involved in spatial frequencies processing. Also, we highlighted the factthat luminance contrast normalization changesboth the intensity and the size of cerebral activations. As a last step, we studiedspatial frequencies processing in normal and pathological aging. We first highlighted in normal aging (study 4) a specific deficit in the ability to categorize scenes with high spatial frequencies (HSF); this deficit was associated with a decrease of activation within the occipital cortex and scenes selective regions. In patients suffering from a loss in central vision due to Age-Related Macular Degeneration (AMD patients, studies 5 and 6), we showed an even more pronounced deficit of HSF processing than observed in normal aging. Interestingly, with respect to the assistance of AMD patients, we observed that increasing the contrast luminance of HSF scenes significantly improved their ability to categorize such scenes. In the end, these results allow us to better understand the neurofunctional mechanisms involved in the visual perception of scenes and to distinguish the cortical changes related to normal aging from those resulting from a visual pathology.Keywords: Visual scenes, Spatial frequencies, fMRI, Visual cortex, Retinotopy, Scene-selective regions, Normal aging, AMD.


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