Equipe "Dynamique de la perception visuelle et de l'action"

L'équipe DyVA s'intéresse à la dynamique des processus neuronaux qui sous-tend la perception visuelle, le contrôle oculomoteur ou encore la préparation à l'action. L'accent est mis sur les processus perceptifs visuels de bas-niveaux (segmentation et intégration du mouvement) et le rôle des modulations contextuelles dans la préparation à l'action dirigée vers un but (mouvements des yeux ou de la main). L'objectif de l'équipe à long terme est de comprendre la dynamique du cerveau cognitif à travers un couplage étroit entre la psychologie expérimentale, la neurophysiologie, l'imagerie et les neurosciences computationnelles. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour modéliser et simuler le fonctionnement dynamique de ce cerveau actif par des réseaux neuromimétiques inférentiels.

Plateforme technique

Les travaux sont menés chez le primate humain et non-humain en utilisant des techniques comportementales (psychologie expérimentale, psychophysique), neurophysiologiques (électrophysiologie, inactivation pharmacologique, microstimulation) et des techniques de pointe en imagerie corticale (IRMf, Imagerie Optique). L'équipe est responsable de la première plate-forme européenne d'imagerie optique chez l'animal vigile (lien sur technologie). Plusieurs programmes (analyse d'image, oculométrie, simulation) sont développés dans l'équipe (lien sur stages)

Les grands axes de recherche

Plusieurs actions de recherche sont actuellement conduites dans le laboratoire. Certaines d'entre elles font l'objet de proposition de stages (Master, Thèse, Post-docs).

• La perception visuelle active. Nous cherchons à comprendre comment le système nerveux central extrait un objet du champ visuel périphérique et détermine une zone cible vers laquelle le regard va s'orienter. Par des techniques de perturbations fonctionnelles, nous cherchons en particulier à identifier les réseaux neuronaux corticaux et sous-corticaux mis en jeu dans cette transformation visuo-motrice (L. Goffart, G. Masson).
• Atteindre et suivre un objet du regard. Nous cherchons à comprendre comment l'objet extrait de la scène est utilisé pour contrôler le déplacement précis de nos yeux. Nous étudions en particulier comment l'information visuelle est extraite dans le contexte oculomoteur et comment les structures cérébelleuses interviennent dans la transformation sensori-motrice (L. Goffart, G. Masson)
• Rôle cognitif des interactions corticales horizontales. Notre perception ou nos actions sont continuellement influencées par des interactions contextuelles dans le temps et l'espace. Si les neurones corticaux visuels ne voient chacun qu'une partie de l'image visuelle, ils interagissent également latéralement par le biais de connexions horizontale intra-corticales (Figure 1). L'imagerie optique en temps réel offre la possibilité de mesurer les dynamiques d'interactions latérales au sein de larges populations de neurones corticaux. En utilisant cette technique nous étudions quel est le rôle fonctionnel de ces interactions dans l'émergence d'un percept d'une action chez le singe éveillé (Figure 2). (F. Chavane).
• Modulation contextuelle de l'activité corticale au cours de la préparation motrice. Se préparer à bouger implique non seulement de transformer l'information sensorielle en un acte moteur mais aussi de prendre en compte le contexte cognitif de l'action. Nous étudions l'interaction entre neurones au sein des réseaux corticaux, chez le singe vigile, en enregistrant simultanément l'activité unitaire de plusieurs neurones et potentiels de champs locaux et en recherchant les synchronisations transitoires qui signent la modulation dynamique des processus préparatoires liés à l'attente d'un événement (A. Riehle).
• Voir et bouger les yeux sans fovéa.Les pathologies rétiniennes comme la DMLA modifient en profondeur les capacités perceptives et motrices des patients. Nous étudions comment les systèmes visuel et oculomoteur s'adaptent à l'apparition et au développement d'un scotome rétinien en utilisant la vidéo-oculométrie et l'IRMf. Le développement d'un système de vision « augmentée» pour ces patients est en cours. (J. Conrath, B. Ridings, E. Castet, L. Goffart, G. Masson).
• Imagerie fonctionnelle du cortex visuel. L'imagerie optique intrinsèque et l'IRMf permettent d'étudier de façon non invasive la structure fonctionnelle du cerveau, et du cortex en particulier. Ces techniques mesurent indirectement l'activation cérébrale en enregistrant les réponses hémodynamiques corticales produites par l'activité neuronale locale elle-même évoquée par la stimulation sensorielle. Il est donc fondamental d'élucider quelles sont les relations entre l'activité neuronale et les différentes composantes de la réponse hémodynamique, qui constitue une première axe de recherche de l'équipe. Dans un deuxième axe, nous développons des méthodes en IRMf fonctionnelle pour arriver à cartographier le cortex avec une haute résolution spatiale. (I. Vanzetta, F. Chavane, N. Wottawa, G. Masson).
• Modèles inférentiels et réseaux de neurones impulsionnels pour la vision du mouvement. Le traitement dynamique d'images est modélisé comme l'interaction de processus inférentiels élémentaires au niveau cellulaire (colonnes corticales) et au niveau cognitif (aires corticales). Les phénomènes émergents de ces interactions servent a modéliser les observations psycho- et neuro-physiologiques obtenues par l'équipe et à proposer une architecture nous permettant de comprendre le fonctionnement des calculs corticaux dans le système visuel. Ces modèles permettent de comparer, par rapport au flux "en avant" d'information (de la rétine aux aires supérieures), l'importance relative dans l'architecture du système visuel des interactions latérales (entre unités de même classe) et "en arrière".(L. Perrinet). Figure 3

Collaborations internationales

L'équipe est impliquée dans deux réseaux européens de recherche.

Dans le cadre du réseau de formation et de recherche "Perception and Recognition for Action", nous formons des jeunes chercheurs post-doctorants à l'étude psychophysique et comportementale des processus perceptifs et oculomoteurs. Ce réseau est coordonné par le Dr. P. Mamassian (Glasgow University puis CNRS-Paris) et comprend 6 équipes européennes en psychologie expérimentale et en neuroscience qui étudient les mécanismes de la perception et de la reconnaissance visuelles qui participent au contrôle de nos comportements. Ce réseau est financé par le 5^ème programme cadre de l'Union Européenne, jusqu'au 02/2006

A partir de 2005, nous sommes un membre actif d'un nouveau Projet Intégré, le projet FACETS. Cet IP est financé par l'action du programme IST du 6^ème programme cadre (Programme Future and Emerging Technologies). Les efforts coordonnés de recherche visent à comprendre comme les processus nerveux fonctionnent, à des échelles différentes allant de la synapse aux grands réseaux corticaux. C'est un travail en biologie. Des nouveaux algorithmes sont développés pour modéliser et simuler des règles de calcul, formant la partie Neurosciences computationnelles. Le but ultime est d'implémenter ces opérations neuronales sous la forme de puces électroniques capable de réaliser des calculs rapides et à grandes échelles de façon analogique. Développer ces VLSI est le but de l'interface entre Physique et Biologie. Cet IP comprend 16 équipes européennes et une compagnie internationale (IBM). Le coordinateur du projet est le Pr. Karlheinz Meier du Kirchhoff Institut für Physik (Heidelberg)

Financements

L'équipe DyVA bénéficie de nombreux soutiens financiers, en particulier le CNRS, l'AP-HM, le Ministère de la Recherche, le Conseil Général 13 et l'Union Européenne.

Membres

Statutaires
Eric Castet	Chercheur	04 91 16 43 34	Bat N Bur N027	www	e-mail
Frédéric Chavane	Chercheur	04 91 16 43 14	Bat N bureau N030	www	e-mail
John Conrath	PU-PH		TIMONE		e-mail
Laurent Goffart	Chercheur	04 91 16 40 88	bat N bur N023		e-mail
Guillaume Masson	Chercheur	04 91 16 43 15	Bat N bureau N028		e-mail
Anna Montagnini	Chercheur	04.91.16.41.11	Bat N' Bur N026		e-mail
Laurent Perrinet	Chercheur	04 91 16 43 08	Bat N Bur N024	www	e-mail
Bernard Ridings	PU-PH	04 91 38 54 70	TIMONE		e-mail
Alexa Riehle	Chercheur	04.91.16.43.29	Bat N	www	e-mail
Ivo Vanzetta	Chercheur	04 91 16 43 32	Bat N' Bur N056		e-mail
Etudiants
Carlos Aguilar	Doctorant				e-mail
Giacomo Benvenuti	Doctorant				e-mail
Amarender Bogadhi	Doctorant	04 9 16 43 06			e-mail
Aurélie Calabrese	Doctorant	04.91.16.42.79			e-mail
Sandrine Chemla	Doctorant	04 91 16 42 79			e-mail
Joachim Confais	Doctorant	04 91 16 46 53			e-mail
Jérome Fleuriet	Doctorant				e-mail
Louis Hoffart	Doctorant		TIMONE		e-mail
Frédéric Matonti	Doctorant
Quentin Montardy	Doctorant				e-mail
Adrián Ponce Alvarez	Doctorant	04 91 16 46 53	Bât N		e-mail
Alexandre Reynaud	Doctorant	04 91 16 46 53	Bat N		e-mail
Sébastien Roux	Post doctorant	04.91.16.43.58			e-mail
Claudio Simoncini	Doctorant				e-mail
Marina Yao-N'dre	Doctorant				e-mail

Publications

Ci-dessous les principales publications de l'équipe. La liste complète est disponible dans la rubrique Publications.

• Guerrasio, L; Quinet, J; Büttner, U; Goffart, L (2010), « The fastigial oculomotor region and the control of foveation during fixation », Journal of Neurophysiology , in press
• Masson, G.S; Ilg, U.J (2010), « Dynamics of visual motion processing », Springer-Verlag. New-York, in press
• Perrinet L. (2010), « Role of homeostasis in learning sparse representations », Neural Computation, in press PDF
• Escobar, M-J; Masson, G.S; Vieville, T; Kornprobst, P (2009), « Action recognition using a bio-inspired feedforward spiking network », International Journal of Computer Vision , 82: 284-301
• Hafed, Z.M; Goffart, L; Krauzlis, R.J (2009), « A neural mechanism for microsaccade generation in the primate superior colliculus », Science, 323: 940-943
• Kilavik, BE; Roux,S;Ponce-Alvarez, A;Confais,J;Grün,S;Riehle, A (2009), « Long-term modifications in motor cortical dynamics induced by intensive practice », Journal of Neuroscience, 29: 12653-12663
• Ponce-Alvarez, A; Kilavik, BE; Riehle, A (2009), « Comparison of local measures of spike time irregularity and relating variability to firing rate in motor cortical neurons », Journal of Computational Neuroscience, in press
• Quinet, J; Goffart, L (2009), « Electrical microstimulation of the fastigial oculomotor region in the head unrestrained monkey », Journal of Neurophysiology , 102: 320-336, 2009.
• Rickert,J; Riehle, A; Aertsen, A; Rotter, S;Nawrot, MP (2009), « Dynamic encoding of movement direction in motor cortical neurons », Journal of Neuroscience, 29: 13870-13882
• Barthélemy, F; Perrinet, LU;Castet, E; Masson, GS (2008), « Dynamics of distributed 1D and 2D motion representations for short-latency ocular following », Vision Research, 48(4):501-22 PDF
• Goffart, L (2008), « Saccadic eye movements. », Squire L. (Ed.) New Encyclopedia of Neuroscience, Academic Press, Oxford, 2008,
• Hafed, Z; Goffart, L; Krauzlis, R (2008), « Superior colliculus inactivation causes stable offsets in eye position during tracking », Journal of Neuroscience , 28 : 8124-8137
• Montagnini, A; Chelazzi, L (2008), « Dynamic interaction between Go and Stop signals in the saccadic eye movement system: New evidence against the functional independence of the underlying neural mechanisms », Vision Research, sous presse
• Nawrot, MP; Boucsein, C; Rodriguez Molina, V; Riehle, A; Aertsen, A; Rotter, S (2008), « Measurements of variability dynamics in cortical spike trains », J Neurosci Methods, 169: 374-390
• Pechaud, M; Vanzetta, I; Deneux, T; Keriven, R (2008), « «Extraction of the vasculature in optical imaging images: SIFT-based sequence registration and flow-based vessel segmentation.» », Proc. 5th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro, in press
• Perrinet, L (2008), « What adaptive code for efficient spiking representations? a model for the formation of receptive fields of simple cells », In Proceedings of COSYNE, PDF
• Perrinet, L; Masson, GS (2008), « Decoding the population dynamics underlying ocular following response using a probabilistic framework », In Proceedings of AREADNE, PDF
• Scherlen, A-C; Bernard, J-B; Calabrèse, A; Castet, E (2008), « Page mode reading with simulated scotomas : oculo-motor patterns  », Vision Research, sous presse
• Takerkart, S; Fenouil, R; Piovano, J; Reynaud, A; Hoffart, L; Chavane, F; Papadopoulo, T; Conrath, J; Masson, GS (2008), « A quantification framework for post-lesion neo-vascularization in retinal angiography », Proceedings of the 5th International Symposium on Biomedical Imaging, Paris,
• Vanzetta, I; Grinvald, A (2008), « Coupling between neuronal activity and microcirculation: Implications for functional brain imaging », Hum. Front. Sci. Prog. J, 2, 79-98 PDF
• Bernard, J-B; Scherlen, A-C; Castet, E (2007), « Page mode reading with simulated scotomas: A modest effect of interline spacing on reading speed », Vision Research, 47(28) , 3447-3459
• Denker, M; Roux, S; Timme, M; Riehle, A; Grün, S (2007), « Phase synchronization between LFP and spiking activity in motor cortex during movement preparation », Neurocomputing, 70: 2096-2101
• Fischer, Sylvain; Redondo, Rafael; Perrinet, Laurent U; Cristóbal, Gabriel (2007), « Sparse approximation of images inspired from the functional architecture of the primary visual areas. », EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, special issue on Image Perception, Article ID 90727, 16 PDF
• Hoffart, L; Conrath, J; Matonti, F; Galland, F; Wotawa, N; Chavane, F; Castet, E; Ridings, B; Masson, G.S (2007), « Étude en IRM fonctionnelle 3T de l’organisation rétinotopique du cortex visuel  », J Fr. Ophtalmol., 30, 8, 830-836
• Kilavik, BE; Silveira, LCL; Kremers, J (2007), « Spatial receptive field properties of lateral geniculate cells in the owl monkey (aotus azarae) at different contrasts: a comparative study », European Journal of Neuroscience, 26, 992-1006
• Mirabella, G; Bertini, G; Samengo, I; Kilavik, BE; Frilli, D; Della Libera, C; Chelazzi, L (2007), « Neurons in area V4 of the macaque translate attended visual features into behaviorally relevant categories », Neuron, 54, 303-318
• Montagnini, A; Castet, E (2007), « Spatiotemporal dynamics of visual attention during saccade preparation: Independence and coupling between attention and movement planning. », Journal of Vision 7(14):8, 1-16, 7(14):8, 1-16 PDF
• Montagnini, Anna; Mamassian, Pascal; Perrinet, Laurent U;Castet, Eric; Masson, Guillaume S (2007), « Bayesian modeling of dynamic motion integration », Journal of Physiology (Paris), Jan-May;101(1-3):64-77. Epub 2007 Oct 26 PDF
• Perrinet, Laurent U (2007), « On efficient sparse spike coding schemes for learning natural scenes in the primary visual cortex », BMC Neuroscience, volume 8(Suppl 2):P206 PDF
• Perrinet, Laurent U (2007), « Topics in Dynamical Neural Networks: From Large Scale Neural Networks to Motor Control and Vision, chapter Dynamical Neural Networks: modeling low-level vision at short latencies », The European Physical Journal (Special Topics), 163-225. Volume 142 PDF