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PARISOT Kévin

La multi-stabilitĂ© dans la perception visuelle et les mouvements oculaires : l’action contrĂ´le-t-elle la perception ou vice-versa ? / Multi-stability in visual perception and eye movements: does

 

Directeur de thèse :     Steeve ZOZOR

Co-encadrant :     Ronald PHLYPO

École doctorale : Electronique, electrotechnique, automatique, traitement du signal (EEATS)

Spécialité : Signal, image, parole, tĂ©lĂ©coms

Structure de rattachement : Université Grenoble Alpes

Établissement d'origine : INP-PHELMA

Financement(s) : Contrat doctoral ; Sans financement ; contrat à durée déterminée ; contrat à durée déterminée ; Sans financement

 

Date d'entrée en thèse : 01/10/2016

Date de soutenance : 14/10/2020

 

Composition du jury :
M. Steeve ZOZOR - CNRS - Directeur de thèse
M. Laurent MADELAIN - Université de Lille III - Examinateur
M. Jean-Luc SCHWARTZ - CNRS - Examinateur
M. Ralf ENGBERT - University of Potsdam - Rapporteur
Mme Anna MONTAGNINI - CNRS - Rapporteure
Mme Anne GUERIN-DUGUE - Université Grenoble Alpes - Invitée
M. Ronald PHLYPO - Grenoble-INP - Invité
Mme Aurélie CAMPAGNE - CNRS - Invitée

 

Résumé :
Résumé de thèse :
La multi-stabilitĂ© perceptuelle dĂ©signe la dynamique perceptuelle, qui Ă©merge lorsque le système sensoriel humain est confrontĂ© Ă  une stimulation stationnaire et ambigĂĽe. Dans ce cas, la perception de l’observateur alterne entre diffĂ©rents percepts, tandis que le stimulus reste constant. Depuis les premières observations de Necker (1832), la perception multi-stable est devenue un outil de recherche, utilisĂ© dans les recherches visant Ă  comprendre comment le système visuel se sert de mĂ©canismes d’infĂ©rences, afin de reconstruire un monde perceptuel riche Ă  partir d’informations sensorielles incomplètes.
Dans cette thèse, nous cherchons Ă  Ă©tudier les relations d’inter-dĂ©pendence entre l’action oculomotrice et le système perceptuel, dans le contexte de la multi-stabilitĂ© perceptuelle. Les questions centrales de recherche sont les suivantes : est-il possible d’infĂ©rer les percepts Ă  partir des mouvements oculaires, et si oui, comment se constituent les relations (hierarchiques) entre les systèmes perceptuel et oculomoteur ?
Tout d’abord, nous avons Ă©tudiĂ© les micro-mouvements oculaires fixationnels, que nous avons dĂ©tectĂ© dans une tâche d’exploration d’un stimulus bi-stable en mouvement. Nous proposons de classifier ceux-ci en tant que micro-poursuite, une classe de mouvements oculaires fixationnels, corrĂ©lant avec des trajectoires lisses, prĂ©visibles et de faibles amplitudes du stimulus en mouvement. Nous avons reproduit ces rĂ©sultats dans une tâche de poursuite explicite, accompagnĂ©e d’une tâche de dĂ©tection de changement de la luminance, mais uniquement lorsque l’objet Ă©tait la cible, et pas lorsqu’il Ă©tait un distracteur. L’analyse inter-expĂ©rience suggère que la manipulation des tâches, du mouvement du stimulus, et du niveau d’ambigĂĽitĂ© du stimulus, influe la gĂ©nĂ©ration de micro-poursuite: un rĂ©sultat qui indique que la perception bi-stable pourrait jouer un rĂ´le dans la dĂ©cision oculomotrice de porter son attention sur la croix de fixation, ou l’objet en mouvement. Nous avons modĂ©lisĂ© ce comportement Ă  l’aide d’un modèle prĂ©dictif, basĂ© sur un champ d’Ă©nergie potentielle, dans lequel le centre du regard est reprĂ©sentĂ© par la dynamique d’une masse unitaire. Nous avons ensuite Ă©tendu ce modèle pour qu’il rende compte de la multi-stabilitĂ© perceptuelle. Une exploration des capacitĂ©s du modèle Ă  reproduire les mouvements oculaires fixationnels -- en considĂ©rant micro-saccades, micro-poursuites et fixations stables -- est prĂ©sentĂ©e. Afin d’Ă©tudier davantage les liens entre multi-stabilitĂ© perceptuelle et contrĂ´le oculomoteur, nous nous sommes servis d’un stimulus : le plaid en mouvement, composĂ© de deux grilles transparentes se dĂ©plaçant dans diffĂ©rentes directions et observĂ©es au travers d’un trou circulaire, ce qui engendre une tri-stabilitĂ© vis-Ă -vis de la direction du mouvement perçue. Nous examinons comment l’ambigĂĽitĂ© du plaid peut ĂŞtre manipulĂ©e au niveau de chaque sujet, en utilisant un modèle probabiliste et un protocole pour en estimer ses paramètres. Ainsi, les points d’ambigĂĽitĂ© maximale peuvent ĂŞtre identifiĂ©s pour chaque observateur.rice, en manipulant la transparence des grilles.
Enfin, nous avons aussi regardĂ© comment manipuler les mouvements oculaires avec le plaid en mouvement, et nous donnons un bref aperçu sur l’application d’un paradigme, sans rapport explicite de la perception, qui a pour but d’infĂ©rer cette dernière Ă  partir de la dynamique oculomotrice. Cette exploration cherche avant tout Ă  proposer une feuille de route, afin de poursuivre les questions de recherche autour du couplage entre les systèmes oculomoteur et perceptif, lorsqu’il y a multi-stabilitĂ©, et d’ouvrir vers l’utilisation de techniques de neuro-imagerie, appliquĂ©es Ă  cette thĂ©matique. Enfin, le travail prĂ©sentĂ© dans cette thèse pose des questions sur les liens entre les diffĂ©rents rĂ©gimes de stabilitĂ© -- tel que la mono-, multi-, ou mĂ©ta-stabilitĂ© -- et quel est le rĂ´le des processus ascendants et descendants sur ceux-ci.
Abstract :
Multi-stable perception refers to the perceptual dynamics that emerge when the human’s sensory system is confronted with a stationary, ambiguous visual stimulus. Though the stimulus is stationary, humans observe alternations in perception. Since its first observations by Necker (1832), multi-stable perception has been a tool to investigate the inference processes of the visual system when reconstructing a rich perceptual world from incomplete, and sometimes poor, sensory information. In this thesis, the relationships and dependencies between the oculomotor action and perceptual systems are approached in the context of multi-stable perception. The main questions driving the investigation can be formulated as follows: can we infer percepts from oculomotor behaviour and thus, what are the (hierarchical) relations between the perceptual and oculomotor systems? At first, we have studied ocular micro-movements in fixations that have been detected during exploration of a bi-stable visual stimulus with motion. We propose to classify them as micropursuit; a class of fixational eye movements, correlating with smooth, predictable, small-scale stimulus’ target trajectories. We replicated these findings in an explicit pursuit task with a luminance change detection task, but only when the moving object was a target, and not when it was a distractor. Inter-experiment analysis suggests that the manipulation of task, stimulus target motion, and the level of ambiguity of the stimulus affect the generation of micro-pursuits: a result that may hint that bi-stable perception may play a role in the oculomotor decision to attend either the fixation cross, or the moving object. We have modelled this behaviour with a predictive model based on an energy potential field in which gaze is represented by the dynamics of a unitary mass. We further extend this model to capture multi-stable perception. An exploration of the model’s capacity to reproduce fixational eye movement—-covering micro-saccades, micro-pursuits and stable fixations—-is presented. To further study perceptual multi-stability and oculomotor control, we used the moving plaid: a tri-stable stimulus, composed of two transparent gratings moving in different directions and visualised through an aperture, making perceived motion direction ambiguous. We investigate how the plaid’s ambiguity can be manipulated at the individual subject level, using a probabilistic model and an experimental protocol to estimate its parameters. As such, points of maximal ambiguity can be identified for an observer based on the manipulation of the gratings’ transparencies. We further looked at oculomotor manipulation in the context of the moving plaid stimulus and provide a brief outlook at a no-report paradigm that aims to exploit eye movements to infer the perception dynamics of an observer. This exploration aims to provide a road map for further investigation of perceptual and oculomotor coupling in multi- stable perception, and opens up to methods using neuro-imaging techniques to investigate multi-stability. The work presented here raises questions on the link between stability regimes and how bottom-up and top-down processes may play a role in modulating the brain into mono-, multi- or meta-stable dynamics.


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