Principes computationnels génériques et spécifiques à l’anticipation visuelle du mouvement

Generic and specific computational principles for visual anticipation of motion trajectories

• Auteur / Autrice : Selma Souihel
• Direction : Bruno Cessac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologically plausible Integrative mOdels of the Visual system : towards synergIstic Solutions for visually-Impaired people and artificial visiON
• Jury : Président / Présidente : Benoît Miramond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Miramond, Laurent Perrinet, Matthias Hennig, Michael J. A. Berry, Frédéric Chavane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Perrinet, Matthias Hennig, Michael J. A. Berry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconnaissance des formes (informatique)

Vision par ordinateur

Bioinformatique

Connectivité fonctionnelle

Aire visuelle

Rétine

Mots clés libres

Rétine

Cortex

Connectivité

Modélisation

Anticipation

Retina

Cortex

Connectivity

Modeling

Anticipation

Résumé

La vision commence dans la rétine, où la lumière est convertie en signaux électriques par les photorécepteurs. Les signaux sont envoyés aux cellules bipolaires puis aux cellules ganglionnaires, responsables de la formation des trains de potentiels d’action. L’information visuelle est ensuite transmise au thalamus par le nerf optique, qui la relaie au cortex visuel. La phototransduction seule nécessite du temps, jusqu’à 150 ms, auxquelles s’ajoutent les délais introduits par les transmissions synaptiques entre les trois unités. Cela montre la nécessité d’avoir des mécanismes compensatoires pour réduire les délais de traitement. Ces mécanismes sont connus sous le terme d’anticipation. L’anticipation se produit d’abord au niveau de la rétine et se poursuit ensuite dans le cortex visuel primaire. Dans la rétine, elle se caractérise soit par un décalage du pic de réponse des cellules ganglionnaires, soit par une onde d’activation à courte portée. Dans le cortex, elle se caractérise par une onde d’activation à plus grande portée. La première contribution de cette thèse est le développement d’un modèle d’anticipation dans la rétine, avec trois types de cellules ganglionnaires : les cellules Fast OFF avec contrôle de gain, les cellules sélectives à la direction avec connectivité via les synapses électriques et les cellules sensibles au mouvement différentiel couplées via les cellules amacrines. La deuxième contribution consiste à utiliser notre modèle comme entrée d’un modèle cortical capable de reproduire l’anticipation telle qu’observée dans d’imagerie optique. Nous avons étudié en particulier les phénomènes non linéaires impliqués dans l’anticipation, ainsi que la connectivité, tant au niveau de la rétine que du cortex visuel primaire. Le modèle intégré rétine-cortex nous a permis d’étudier les effets de l’anticipation sur des stimuli en deux dimensions, et mettre en avant l’aspect collaboratif des mécanismes d’anticipation dans la rétine et dans le cortex.

Vision is initiated in the retina, where light is converted into electrical signals by photoreceptors, sent to bipolar cells then ganglion cells, generating spike trains. Visual information is then transmitted to the thalamus via the optic nerve which in turn transmits it to the visual cortex. The retinal processing alone takes time, up to 150 ms, not to mention the time lags introduced by synaptic transmissions between the three processing units. This shows that the existence of compensatory mechanisms to reduce processing delays is absolutely essential. These compensatory mechanisms are known as anticipation. Anticipation first occurs at the level of the retina and is further carried out by the primary visual cortex. In its first occurrence, anticipation is either characterized by a shift in the the peak response, or a short range wave of activation. In the second case, it is characterized by a wider range wave of activation. The first contribution of this thesis is the development of a generalized 2D model of the retina, mimicking three types of ganglion cells : Fast OFF cells with gain control, direction selective cells with gap junction connectivity, and differential motion cells connected through an upstream amacrine circuit, able of anticipating different kind of moving stimuli. The second contribution is to use our retina model as an input to a mean field cortical model to reproduce motion anticipation as observed in voltage sensitive dye imaging recordings. Throughout our work, we will study the effect of non linear phenomena involved in anticipation, as well as connectivity, both at the level of the retina and the primary visual cortex. The integrated retinocortex model allowed us to study the effects of anticipation on two-dimensional stimuli, and to highlight the collaborative aspect of anticipation mechanisms in the retina and the cortex.