From alpha to perception : investigating behavior and brain activity

Il a été proposé que la perception visuelle soit organisée de façon discrète, reposant sur l'activité cérébrale oscillatoire d'environ 10Hz. Bien qu'en condition normale notre perception visuelle nous paraisse continue, nous montrons dans une première expérience que cette continuité peut être interrompue lors de la perception d'un stimulus spécifique pourtant statique, révélant les cycles d'oscillations alpha (~10Hz) à la base de la perception visuelle. La 'Flickering Wheel Illusion' ('L'illusion de la roue qui clignote') génère un clignotement illusoire régulier, réapparaissant toutes les 100ms ce qui correspond à une phase du cycle alpha. Des études précédentes ont montré que certaines phases des oscillations alpha occipitales (tout comme des oscillations theta fronto-centrales) portent des propriétés 'inhibitrices' en vue du traitement visuel tandis que leurs phases opposées tendent à augmenter la probabilité de détecter des stimuli visuels. Dans une deuxième étude, nous avons analysé comment ce rapport phase-détection temporel est représenté au niveau spatial dans le cortex visuel. Pour cela, nous avons entraîné des oscillations alpha via le clignotement d'un disque à une certaine position spatiale du champ visuel, pendant que les participants avaient pour tâche de détecter des stimuli visuels de basse luminance pouvant apparaître à de multiples positions spatiales. Les oscillations entraînées modulaient la performance de détection à toutes les positions auxquelles des cibles pourraient apparaître montrant des maxima à différentes phases de l'oscillation. De façon intéressante, nous avons pu montrer que la phase des oscillations entraînées se propageait dans l'espace comme une onde progressive, une propriété qui pourrait impliquer des rôles fonctionnels spécifiques pour le traitement sensoriel. En plus de son influence sur les processus cognitives comme la perception visuelle, la phase des oscillations lentes peut aussi moduler l'amplitude d'une oscillation rapide ('phase-amplitude cross-frequency coupling' ; 'couplage phase-amplitude inter-fréquentiel' ;'PAC'). Dans une troisième expérience, nous avons révélé l'existence d'un PAC entre des oscillations alpha et gamma pendant l'état de repos (en l'absence de tâche cognitive spécifique) ce que nous avons assigné à de 'l'inhibition pulsative', un mécanisme de contrôle du traitement sensoriel porté par le rythme alpha. Selon cette théorie, les oscillations alpha mettraient donc à disposition des moments ou bien des phases spécifiques qui mènent à une augmentation d'amplitude d'oscillations gamma entrainant une augmentation du traitement sensoriel, tandis que des phases opposées inhiberaient le traitement sensoriel. En outre, nous avons observé un PAC robuste entre des oscillations theta et beta pendant l'état de repos ainsi que pendant une tâche de détection. Ce PAC pourrait aider à maintenir un état d'activité cérébrale de base. Finalement, nous avons pu révéler un PAC entre des oscillations theta et gamma principalement dans des régions fronto-centrales, influençant la perception visuelle avec emploi d'attention visuelle. Ce résultat est en continuité et complète des résultats précédents de notre groupe qui montraient l'influence de la phase des oscillations theta sur la perception visuelle. Le travail présenté dans cette thèse contribue aux connaissances du rôle important des oscillations spontanées pour la perception visuelle en utilisant plusieurs approches expérimentales et révèlent de nouvelles questions de ce champ de recherche.It has been suggested that visual perception is organized in discrete snapshots relying on an oscillatory brain rhythm of about 10Hz. Even though, in normal conditions, our visual percept seems continuous to us, we show that a specific static stimulus pattern can lead to disruption of this continuity and uncover cycles of alpha oscillations (~10Hz) underlying visual perception. This 'Flickering Wheel Illusion' produces a regular illusory flicker recurring every ~100ms thus at one phase of the alpha cycle. According to previous work, specific phases of occipital alpha (and also fronto-central theta) oscillations are designated as 'inhibitory' for visual processing whereas opposite phases increase probability to detect visual stimuli. In a psychophysical experiment, we analyzed how this temporal phase-detection relationship is organized spatially in the visual cortex. We therefore entrained alpha oscillations with a specific spatial origin and probed visual detection of low-threshold targets at different spatial positions. Detection performance was modulated by the entrained oscillation at all target locations, showing maxima at different phases of the oscillation. We could show that the phase of the entrained alpha oscillations propagated over space like a traveling wave that could implicate important functional roles for sensory processing. Besides its influence on cognitive processes like visual perception, the phase of low frequency oscillations can also modulate the amplitude of fast oscillations (phase-amplitude cross-frequency coupling; PAC). In another experiment, we could reveal PAC between alpha and gamma oscillations during the resting state, what we referred to as pulsed inhibition, illustrating the alpha rhythm as a control mechanism of sensory processing. Alpha oscillations would thus provide specific moments, or phases that enhance gamma amplitude and thus sensory processing, whereas opposite phases would inhibit sensory processing. Moreover, we found a robust PAC between theta and beta oscillations which was also present during a visual detection task. This PAC could help maintaining a specific activity state of the brain. Finally, we could reveal PAC between theta and gamma oscillations in mainly fronto-central regions, influencing visual perception in the detection task but only within the focus of attention. This result is consistent with and complements previous findings of our group showing the influence of the phase of theta oscillations on visual perception. This work contributed to the findings of the important role of ongoing oscillations in visual perception, using multiple experimental approaches; yet our promising results uncovered new questions in this large field of research