Sensory variability and brain state : models, psychophysics, electrophysiology

par Dorothée Arzounian

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Alain de Cheveigné.

Soutenue le 07-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) et de Centre de recherche de l'Ecole Nationale Supérieure (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Variabilité sensorielle et état cérébral : modèles, psychophysique, électrophysiologie


  • Résumé

    La même entrée sensorielle ne provoque pas toujours la même réaction. Dans les expériences en laboratoire, un stimulus donné peut engendrer une réponse différente à chaque nouvel essai, en particulier à proximité du seuil sensoriel. Ce phénomène est généralement attribué à une source de bruit non spécifique qui affecte la représentation sensorielle du stimulus ou le processus décisionnel. Dans cette thèse, nous examinons l'hypothèse selon laquelle cette variabilité des réponses peut être attribuée en partie à des fluctuations mesurables et spontanées de l'état cérébral. Dans ce but, nous développons et évaluons deux ensembles d'outils. L’un est un ensemble de modèles et de méthodes psychophysiques permettant de suivre les variations de la performance perceptive avec une bonne résolution temporelle et avec précision, sur différentes échelles de temps. Ces méthodes s’appuient sur des procédures adaptatives initialement développées pour mesurer efficacement les seuils de perception statiques et sont étendues ici dans le but de suivre des seuils qui varient au cours du temps. Le deuxième ensemble d'outils que nous développons comprend des méthodes d'analyse de données pour extraire de signaux d’électroencéphalographie (EEG) une quantité prédictive de la performance comportementale à diverses échelles de temps. Nous avons appliqué ces outils à des enregistrements conjoints d’EEG et de données comportementales collectées pendant que des auditeurs normo-entendants réalisaient une tâche de discrimination de fréquence sur des stimuli auditifs proche du seuil de discrimination. Contrairement à ce qui a été rapporté dans la littérature concernant des stimuli visuels, nous n'avons pas trouvé de preuve d’un quelconque effet des oscillations EEG spontanées de basse fréquence sur la performance auditive. En revanche, nous avons trouvé qu'une part importante de la variabilité des jugements peut s’expliquer par des effets de l'historique récent des stimuli et des réponses sur la décision prise à un moment donné.


  • Résumé

    The same sensory input does not always trigger the same reaction. In laboratory experiments, a given stimulus may elicit a different response on each trial, particularly near the sensory threshold. This is usually attributed to an unspecific source of noise that affects the sensory representation of the stimulus or the decision process. In this thesis we explore the hypothesis that response variability can in part be attributed to measurable, spontaneous fluctuations of ongoing brain state. For this purpose, we develop and test two sets of tools. One is a set of models and psychophysical methods to follow variations of perceptual performance with good temporal resolution and accuracy on different time scales. These methods rely on the adaptive procedures that were developed for the efficient measurements of static sensory thresholds and are extended here for the purpose of tracking time-varying thresholds. The second set of tools we develop encompass data analysis methods to extract from electroencephalography (EEG) signals a quantity that is predictive of behavioral performance on various time scales. We applied these tools to joint recordings of EEG and behavioral data acquired while normal listeners performed a frequency-discrimination task on near-threshold auditory stimuli. Unlike what was reported in the literature for visual stimuli, we did not find evidence for any effects of ongoing low-frequency EEG oscillations on auditory performance. However, we found that a substantial part of judgment variability can be accounted for by effects of recent stimulus-response history on an ongoing decision.

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