Étude de la relation causale entre les oscillations cérébrales et la perception en utilisant des techniques non invasives de stimulation cérébrale

The causal role of neural oscillations in attentional and perceptual sampling mechanisms

• Auteur / Autrice : Samson Chota
• Direction : Rufin VanRullen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 20/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Comportement, Langage, Éducation, Socialisation, Cognition (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche Cerveau et Cognition (Toulouse ; 1993-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cerveau -- Stimulation

Perception du temps

Neurones

Mots clés libres

Oscillations neurales

Perception discrète

Attention

Entraînement

Échantillonnage

Neural Oscillations

Discrete Perception

Attention

Entrainment

Sampling

Résumé

Dans cette thèse, j'étudie le rôle causal des oscillations neurales dans les mécanismes d'échantillonnage temporel. Les manuscrits originaux des chapitres II et III sont consacrés à l'échantillonnage perceptuel dans la bande alpha. L'hypothèse est que cette forme d'échantillonnage a des effets sur la perception du temps dans notre système visuel. Nous l'avons testé en manipulant des oscillations alpha avec une stimulation rythmique tout en observant des changements dans la perception du temps relatif des stimuli visuels. Outre les oscillations comportementales, il existe également des signatures neurales qui font allusion à la périodicité intrinsèque avec laquelle les cortex sensoriels collectent les informations. La nature oscillatoire des échos perceptifs implique fortement que le système visuel réverbère sélectivement la composante 10 Hz de son entrée. Si nous pouvions étendre ces échos perceptuels à d'autres modalités, nous aurions la preuve que ces modalités collectent également des informations de façon périodique et qu'elles utilisent des mécanismes similaires pour ce faire. Dans les manuscrits originaux du chapitre IV, j'ai cherché à savoir si nous pouvons trouver des échos perceptuels dans le domaine tactile. Les mécanismes d'échantillonnage périodique du cerveau semblent pouvoir être dissociés en un mécanisme d'échantillonnage perceptif de bas niveau et un mécanisme d'échantillonnage attentionnel de haut niveau. L'échantillonnage attentionnel est supposé être plus flexible et dépendant de la tâche et il a récemment été démontré qu'il est causé par l'activité rythmique thêta chez les macaques. La confirmation de ces résultats chez l'homme nous aiderait à identifier le mécanisme oscillatoire responsable des fluctuations de l'attention. Le manuscrit original du chapitre V présente une étude dans laquelle nous reproduisons les résultats comportementaux de l'étude sur les macaques chez les humains. L'endroit du champ visuel à partir duquel les mécanismes d'échantillonnage de l'attention peuvent recueillir des informations dépend entièrement de la position de nos yeux. Les saccades et les fluctuations de l'attention doivent donc être hautement coordonnées. Une façon de synchroniser ces deux systèmes est l'activité oscillatoire. Il a été proposé que les saccades et les fortes transitions visuelles remettent à zéro la phase des oscillations thêta, ce qui permet de traiter les stimuli pertinents en temps voulu. Si ce mécanisme repose effectivement sur une activité rythmique, nous devrions pouvoir la perturber et observer les erreurs correspondantes dans l'échantillonnage attentionnel.[...]

It should have become clear now that oscillatory activity has profound effects on multiple aspects of our perception and is strongly involved in the way we sample our visual environment. Many of these relationships however are poorly understood, specifically in their causal-directional nature. In this thesis, I investigate the causal role of neural oscillations in temporal sampling mechanisms. The original manuscripts in chapter II and III are dedicated to perceptual sampling in the alpha band. It is hypothesized that this form of sampling has effects on time perception in our visual system. We tested this by manipulating alpha oscillations with rhythmic stimulation while observing changes in perceived relative timing of visual stimuli. Besides behavioral oscillations there are also neural signatures that hint at the intrinsic periodicity with which sensory cortices collect information. The oscillatory nature of perceptual echoes strongly implies that the visual system selectively reverbrates the 10 Hz component of its input. If we could extend these perceptual echoes to other modalities we would have evidence that 1. these other modalities also process information periodically and 2. that they utilize similar neural mechanisms for this purpose. In the original manuscripts in chapter IV I investigated if we can find perceptual echoes in the tactile domain. The periodic sampling mechanisms of the brain seem to be dissociable into a more low-level perceptual and a more high-level attentional sampling mechanism. Attentional sampling is assumed to be more flexible, task dependent and has recently been hypothesized to be caused by theta rhythmic activity in macaques. Providing support for these findings in humans would help us to identify the oscillatory mechanism that is responsible for behavioral attentional fluctuations found in many studies. The original manuscript in chapter V presents a study in which we replicate behavioral findings of the macaque-study in humans. Which location in the visual field attentional sampling mechanisms can collect information from depends entirely on the position of our eyes. Saccades and attentional sampling need therefore be highly coordinated. One way to synchronize these two systems is through oscillatory activity. It has been proposed that saccades, and surprisingly also strong visual transients, can reset the phase of theta oscillations which in turn allow for well timed processing of relevant stimuli. If this mechanism indeed relies on rhythmic activity then we should be able to disrupt it and observe corresponding errors in attentional sampling. The original manuscript in chapter VI investigates which effects strong visual disruptions have on the perceived relative timing of two stimuli. During my doctorate I sought to answer the following research questions: 1. Is the occipital alpha rhythm causally involved in discretely sampling visual information? (chapter II and III) 2. Is there a link between oscillatory activity and rhythmic sampling in the somatosensory system? (chapter IV) 3. Can we manipulate theta rhythmic activity to modulate attentional sampling? (chapter V and VI)