Beyond words and images, neurophysiological basis of a common semantic system for sentences and visual scenes understanding

Certaines théories du fonctionnement cognitif postulent l'existence d'un système cérébral impliqué dans la compréhension sémantique indépendamment de la modalité d'entrée des stimuli. L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier le fonctionnement d'un tel réseau, impliqué à la fois dans la compréhension de phrases et de scènes visuelles, en lien avec la théorie de la cognition incarnée. Dans la littérature, un ensemble d'aires frontotemporo- pariétales sensorimotrices et associatives sont décrites comme intervenant dans ces processus sémantiques, mais il existe un manque de consensus concernant la nature amodale de ce système et la plupart des travaux existants se sont concentrés sur l'identification de réseaux corticaux impliqués dans les représentations sémantiques, séparément pour l'une ou l'autre des modalités. De plus, les stimuli utilisés dans les protocoles expérimentaux sont généralement moins complexes que les situations interactives auxquelles nous sommes confrontés dans la vie de tous les jours. Une part importante de l'activité mentale humaine réside dans notre capacité à construire des représentations internes riches : ces modèles mentaux, impliqués dans une grande variété de processus cognitifs, nous permettent d'explorer certains souvenirs du passé, de planifier le futur ou encore de comprendre et de s'adapter à une situation en temps réel. Bien que les progrès des techniques d'Imagerie du Tenseur de Diffusion aient rendu possible la visualisation in vivo de fibres de matière blanche dans le cerveau humain, la connectivité du système sémantique amodal a très peu été étudiée jusque-là. Dans ce travail, nous avons utilisé différentes techniques (principalement de neuro-imagerie IRMf, DTI, EEG) pour mettre en évidence les bases neurophysiologiques d'un système sémantique commun impliqué dans la représentation et la compréhension de stimuli complexes verbaux et non-verbaux. Avec notre premier protocole combinant IRMf et DTI, nous nous sommes intéressés aux activations et à la connectivité cérébrales chez 19 sujets sains en train de lire des phrases ou d'observer des images représentant des événements quotidiens. Une analyse de l'activité cérébrale conjointe associée à la compréhension de ces deux types de stimuli a révélé un réseau fronto-temporo-pariétal commun, impliquant le gyrus frontal inférieur, le gyrus précentral, le cortex rétrosplénial, le gyrus temporal moyen avec une activité s'étendant jusqu'à la jonction temporo-pariétale (TPJ) et au lobe pariétal inférieur. La tractographie DTI a révélé une architecture spécifique de fibres de matière blanche, soutenant ce réseau sémantique et qui fait appel principalement aux faisceaux décrits comme la voie ventrale sémantique (IFOF, UF, ILF, MdLF). Notre seconde expérience (protocole comportemental) nous a permis d'étudier les différences interindividuelles dans la capacité à se représenter des phrases présentées visuellement ou auditivement. Nous avons démontré que les individus ne sont pas égaux quant à cette capacité de représentation et que ces différences se reflètent dans des marqueurs comportementaux tels que la facilité de représentation (évaluée par le COR, coefficient de représentabilité) et la vitesse de réponse (TR) ; mais aussi que ces différences interindividuelles trouvent une correspondance avec le nombre de fibres qui composent le MdLF, laissant supposer une implication de ce faisceau dans ces capacités de représentation. Les résultats de ce protocole comportemental, ainsi que ceux de notre troisième protocole en EEG, ont permis de mettre en évidence un effet contextuel particulièrement important pour la création d'une représentation dans les deux modalités : le contexte induit par la présentation d'un premier stimulus (phrase ou image) influence la représentation d'un second stimulus selon que celui-ci est sémantiquement cohérent ou non avec le premier stimulus présenté... [etc]Certain theories of cognitive function postulate a neural system for processing meaning, independent of the stimulus input modality. The objective of this thesis work, in line with the embodied cognition domain, was to study functionalities of such a network involved in both sentence and visual scene comprehension. In the literature, a wide network of fronto-temporo-parietal sensorimotor and associative areas are described as being involved in this process, and while there’s a lack of consensus on the amodal nature of this system, extensive research has focused on identifying distributed cortical systems that participate in meaning representations separately in the visual and language modalities. Moreover, the stimuli used are generally less complex than everyday life situations we meet. However, a significant portion of human mental life is built upon the construction of perceptually and socially rich internal scene representations and these mental models are involved in a large variety of processes for exploring specific memories of the past, planning the future, or understanding current situations. Although diffusion-tensor imagery based techniques makes feasible the visualization of white matter tracts in the human brain, the connectivity of the semantic network has been little studied. Through different experimental protocols involving mainly neuroimaging techniques (fMRI, DTI, EEG), we were able to reveal the neurophysiological basis of this common semantic network involved in the building of representation and comprehension of rich verbal and non-verbal stimuli. With our first experiment, we examined brain activation and connectivity in 19 subjects who read sentences and viewed pictures corresponding to everyday events, in a combined fMRI and DTI study. Conjunction of activity in understanding sentences and pictures revealed a common fronto temporo-parietal network that included inferior frontal gyrus, precentral gyrus, the retrosplenial complex, and medial temporal gyrus extending into the temporo-parietal junction (TPJ) and inferior parietal lobe. DTI tractography revealed a specific architecture of white matter fibers supporting this network which involves principally the pathways described as the ventral semantic route (IFOF, UF, ILF, MdLF). Our second experiment, which is a behavioral protocol, explored interindividual differences in the ability to represent sentences presented in auditory or visual modality. We demonstrated that individuals are not equal in this capacity to represent sentences, these differences were reflected in the effects on behavioral markers including scores of ease of representation (COR) and speed of responses (TR); they are also related to the number of fibers of the MdLF which supposes a role for this fasciculus in capacities of representation. Both the results of this behavioral protocol and results from our third EEG experiment also showed that the contextual effect was significant: the context induced by the presentation of a first stimulus has the ability to influence the representation of a second stimulus when is the second is semantically consistent or not with the first presented stimulus. Our EEG results (ERPs) revealed components influenced by the available semantic information: early attentional effects which could be modality-specific and later semantic integration process common for verbal and non-verbal stimuli... [etc