Processing symbols in the ventral visual cortex : functional architecture and anatomical constraints

par Florence Bouhali

Thèse de doctorat en Sciences cognitives

Sous la direction de Laurent Cohen.

Soutenue le 28-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Interdisciplinaire européenne frontières du vivant (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Franck Ramus.

Le jury était composé de Laurent Cohen, Franck Ramus, Bradford Mahon, Jonathan Grainger, Christophe Pallier, Ghislaine Dehaene-Lambertz.

Les rapporteurs étaient Bradford Mahon, Jonathan Grainger.


  • Résumé

    Le cortex visuel ventral chez l’homme se compose d’une mosaïque de régions spécialisées dans la reconnaissance de différentes catégories d’objets. Selon une organisation reproductible, certaines régions répondent préférentiellement aux visages, alors que d’autres sont plus activées par les maisons et les lieux, par les outils, ou encore par les parties du corps. Plusieurs facteurs ont été invoqués pour expliquer la préférence d’une région pour une catégorie donnée, tels que des biais pour le traitement de certaines caractéristiques visuelles (préférence pour la position fovéale ou périphérique des stimuli, pour leur fréquence spatiale haute ou basse), le degré d’exposition et d’expertise (expertise pour les voitures par exemple), ou la connectivité anatomique vers des réseaux cérébraux spécialisés dans le traitement d’un domaine particulier. Chez les enfants, l’apprentissage de la lecture de mots ou d’autres systèmes symboliques culturels provoque le développement de régions corticales dédiées, telles que l’aire de la forme visuelle des mots (VWFA), au sein d’une voie ventrale en partie déjà stabilisée. Ce développement ontologique tardif pour la reconnaissance de symboles, indépendamment de contraintes phylogénétiques propres à la lecture, facilite l’étude de ce qui façonne la spécialisation fonctionnelle au sein de la voie ventrale. Dans cette thèse, nous avons étudié la représentation des mots et des partitions de musique au sein du cortex visuel ventral en combinant des méthodes d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle et de diffusion, à des taches comportementales. D’abord, nous montrons que la localisation de la VWFA chez les adultes correspond, en comparaison à des régions voisines du cortex ventral, à une région connectée de manière optimale à celles du langage qui traitent le contenu sémantique et phonologique. Ensuite, nous montrons que les régions ventrales qui sous-tendent le décodage orthographique sont fonctionnellement hétérogènes selon un axe latero-médial. Les régions médianes semblent encoder les graphèmes de façon sérielle, sous le contrôle de régions pariétales, pour les convertir en phonèmes. A l’inverse, les régions latérales traitent les mots de façon plus flexible pour accéder au lexique. Ces études mettent en évidence le rôle majeur de la connectivité anatomique dans le développement d’une spécialisation fonctionnelle pour les mots, avec la contribution de connectivités diverses qui participent à l’hétérogénéité fonctionnelle du système de la forme visuelle des mots. Enfin, nous observons que la maîtrise de la lecture musicale a d’importantes conséquences sur la latéralisation ventrale d’autres catégories. D’une part, la latéralisation à gauche augmente dans des régions latérales ventrales pour toutes les catégories. D’autre part, la latéralisation à droite augmente dans des régions fusiformes postérieures, notamment pour le traitement des visages et des maisons. Ces conséquences, similaires à celles provoquées par l’apprentissage de la lecture de mots, révèlent des processus à la fois de compétition et de transfert entre catégories. Ainsi, nos résultats suggèrent que des mécanismes communs pourraient expliquer comment une expertise culturelle peut recycler et modifier le cortex visuel.


  • Résumé

    The human ventral visual cortex hosts a mosaic of areas specialized in the recognition of different categories of objects. According to a reproducible pattern, some areas respond preferentially to faces, while others are more activated by places and buildings, by tools, or by body parts. Several factors have been proposed as major determinants of the preferred category of a given region, such as visual feature biases (preference for peripheral vs. foveal stimuli, or for high vs. low spatial frequencies), experience (e.g., car expertise) and white-matter connectivity to domain-specific brain networks. In children, learning to read words and other cultural symbols triggers the emergence of dedicated cortical areas, such as the visual word form area (VWFA), within a partially settled ventral pathway. This late ontological development for symbol recognition, free from reading-specific evolutionary constraints, facilitates the investigation of what shapes functional specialization in the ventral pathway. In the current work, we studied in particular the representation of words and musical scores in the ventral visual cortex, using functional magnetic resonance imaging (fMRI), diffusion-weighted imaging and behavioral tasks. First, we show that the location of the VWFA in adults corresponds to a region optimally connected to language regions supporting semantics and phonology, as compared to adjacent ventral cortex regions. Second, we demonstrate that ventral regions supporting orthographic decoding are heterogeneous along a medial-to-lateral axis. Medial regions seem to encode graphemes serially for phonological decoding, under the control of parietal regions. In contrast, lateral regions process words more flexibly for lexical access. These studies reveal a major role of white-matter connectivity in shaping functional specialization for words, with differential connections participating in the functional heterogeneity of the VWFA. Third, we observe that musical literacy has a large impact on lateralization patterns in the ventral stream. A domain general enhancement of leftward lateralization takes place in lateral ventral regions, together with a rightward shift in fusiform regions notably for the processing of faces and houses. These consequences probably reflect both competition between visual categories and transfer across them, and resemble the impact of reading acquisition. Together, our results show that common processes may explain how cultural expertise recycles and modifies the visual cortex.

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