Pairwise comparison of remote motion signals: Neural bases and computational modelling

The primate visual system contains several pathways within which visual information is processed in parallel. Despite the widely distributed nature of sensory processing, our visual system effortlessly combines multiple visual attributes, such as colour, depth and motion to form a unitary percept. According to the Gestalt principle of "common fate", visual elements that move together are perceived as parts of a bigger structure. Furthermore, several studies have shown that the human visual system has the ability to detect fine similarities in the motion pattern of multiple elements. This thesis examines the neurophysiological basis of the perception of coherent stimuli. We primarily explored the underlying neural and psychophysical mechanisms behind motion correlation detection in the primate visual system. In chapter 3, we investigate the time course and the temporal resolution of motion correlation detection by examining relationships between visual input and behaviour. Our results show that in the primate visual system, the temporal limit for perceiving correlations between two local motion signals is about 10 Hz and that the time required to perceive motion-correlation is on the order of 400 milliseconds. Furthermore, we propose a feedforward behavioural model consisting of a two-stage filtering component, a coincidence detector and a leaky accumulator-threshold. This model suggests that our task requires a low-pass filtering stage before the coincidence detector. In chapter 4, we explore the temporal dynamics of decision-related signals in the dorsal pathway. Our results show that top-down mechanisms, measured by an increase in firing rate, modulate sensory activity 150 milliseconds after the stimulus is perceived. This result suggests that top-down modulatory mechanisms are triggered by bottom-up sensory input. In chapter 5, we examine the causal link between neural activity in area MT and motion-correlation perception using electrical microstimulation. We demonstrate that electrical microstimulation does not have the temporal resolution required to bias perceptual decisions based on fine temporal correlations.Le système visuel des primates contient plusieurs voies par lesquelles les informations visuelles sont traitées en parallèle. Malgré le caractère largement distribué du traitement sensoriel, notre système visuel combine facilement plusieurs attributs visuels, tels que la couleur, la profondeur et le mouvement pour former une perception unitaire. Selon le principe de "destin commun" de la Gestalt, les éléments visuels qui se déplacent ensemble sont perçus comme des parties d'une structure plus grande. En outre, plusieurs études ont montré que le système visuel humain est capable de détecter des similitudes dans le patron de mouvement d'éléments multiples dans un stimulus visuel. Cette thèse explore principalement les mécanismes neuronaux et psychophysiques sous-jacents à la détection de mouvement corrélatif dans le système visuel des primates. Dans le chapitre 3, nous étudions l'évolution au cours du temps et la résolution temporelle de détection de mouvement corrélatif en examinant les relations entre l'entrée et le comportement visuel. Nos résultats montrent que dans le système visuel des primates, la limite temporelle pour percevoir les corrélations entre deux signaux de mouvement locaux est d'environ 10 Hz et que le temps nécessaire pour percevoir le mouvement corrélatif est de l'ordre de 400 millisecondes.Par ailleurs, nous proposons un modèle de comportement anticipatif constitué d'une composante de filtrage à deux niveaux, un détecteur de coïncidence, un intégrateur à fuite et un seuil. Ce modèle suggère que notre tâche nécessite un filtre en deux étapes avant que le signal puisse être implémenté dans le détecteur de coïncidence. Dans le chapitre 4, nous explorons la dynamique temporelle des signaux liés aux décisions dans la voie dorsale. Les résultats montrent que les mécanismes ascendants, mesurés par une augmentation de la fréquence de décharge modulent l'activité sensorielle 150 millisecondes après que le stimulus est perçu. Ce résultat suggère que les mécanismes de modulations descendantes sont déclenchés par l'entrée sensorielle ascendante. Dans le chapitre 5, nous démontrons le lien de causalité entre l'activité neuronale dans la région MT et la perception du mouvement corrélatif en utilisant une microstimulation électrique. Nous démontrons que la microstimulation électrique n'a pas la résolution temporelle nécessaire pour biaiser les décisions perceptuelles basées sur des corrélations temporelles fines