A parsimonious computational model of visual target position encoding in the superior colliculus

International audienceThe superior colliculus (SC) is a brain-stem structure at the crossroad of multiple functional pathways. Several neurophysiological studies suggest that the population of active neurons in the SC encodes the location of a visual target to foveate, pursue or attend to. Although extensive research has been carried out on computational modeling, most of the reported models are often based on complex mechanisms and explain a limited number of experimental results. This suggests that a key aspect may have been overlooked in the design of previous computational models. After a careful study of the literature, we hypothesized that the representation of the whole retinal stimulus (not only its center) might play an important role in the dynamics of SC activity. To test this hypothesis, we designed a model of the SC which is built upon three well accepted principles: the log-polar representation of the visual field onto the SC, the interplay between a center excitation and a surround inhibition and a simple neuronal dynamics, like the one proposed by the dynamic neural field theory. Results show that the retino-topic organization of the collicular activity conveys an implicit computation that deeply impacts the target selection process

Active Neural Field model of goal directed eye-movements

International audienceFor primates (including humans), interacting with objects of interest in the environment often involves their foveation, many of them not being static (e.g. other animals, relative motion due to self-induced movement). Eye movements allow the active and continuous sampling of local information, exploiting the graded precision of visual signals (e.g., due to the types and distributions of photoreceptors). Foveating and tracking targets thus requires adapting to their motion. Indeed, considering the delays involved in the transmission of retinal signals to the eye muscles, a purely reactive schema could not account for the smooth pursuit movements which maintain the target within the central visual field. Internal models have been posited to represent the future position of the target (for instance extrapolating from past observations), in order to compensate for these delays. Yet, adaptation of the sensorimotor and neural activity may be sufficient to synchronize with the movement of the target, converging to encoding its location here-and-now, without explicitly resorting to any frame of reference (Goffart et al., 2017).Committing to a distributed dynamical systems approach, we relied on a computational implementation of neural fields to model an adaptation mechanism sufficient to select, focus and track rapidly moving targets. By coupling the generation of eye-movements with dynamic neural field models and a simple learning rule, we replicated neurophysiological results that demonstrated how the monkey adapts to repeatedly observed moving targets (Bourrelly et al., 2016; Quinton & Goffart, 2018), progressively reducing the number of catch-up saccades and increasing smooth pursuit velocity (yet not going beyond the here-and-now target location). We now focus on eye-movements observed in presence of two simultaneously moving centrifugal targets (Goffart, 2016), for which the reduction to a single trajectory with some predicted dynamics (e.g., target center) is even more inappropriate

Going with the flow? The endogenous/exogenous influences on gaze control in dynamic scenes

This document contains all abstracts of the 16th European Conference on Eye Movements, August 21-25 2011 in Marseille, France. It was a real honour and a great pleasure to welcome more than 500 delegates to Marseille for the 16th edition of the European Conference on Eye Movements. The series of ECEM conferences started in 1981 under the auspices of Rudolf Groner in Bern. This year, we therefore celebrated the 30th Anniversary of ECEM. For this special occasion we had as a special guest Rudolf Groner, and honoured Alan Kennedy and George W. McConkie for their contributions to our field in two special symposia. We had the pleasure of listening to six keynote lectures given respectively by Patrick Cavanagh, Ralf Engbert, Edward L. Keller, Eileen Kowler, Rich Krauzlis and Gordon E. Legge. These exceptional scientific events were nicely complemented by all submissions, which made the ECEM 2011 program a very rich and interdisciplinary endeavor, comprising 19 symposia, 243 talks and 287 poster presentations, and a total of about 550 participants. The conference opened with an address given by Denis Bertin, vice president of the scientific committee of the University of Provence, and representing Jean-Paul Caverni, President of the University of Provence. It closed with Rudolf Groner’s address and the awarding of the best poster contributions by students and postdocs. This year, three posters were awarded; the first prize was offered by SR Research, the second prize was given by the Cognitive Science Society, and the third, the Rudolf Groner Prize, was offered by the ECEM organizing committee. The conference was held on the St Charles campus of the University of Provence, and to mark the return of ECEM in Southern Europe, many events including lunches, coffee breaks, aperitifs and poster sessions took place outside under the trees of our campus. Luckily, the sun was with us for the five days of the conference ! Françoise, Stéphanie, Stéphane, Eric & Lauren

Brain mechanisms for foveating a visual target here-and-now (i.e., where it is and when it is there)

seminar at the Institute of Cognitive Sciences Marc JeannerodIn most goal-directed movements, a spatial congruence is ultimately established between the location of a selected target and the movement endpoint. Using the saccadic orienting response as a model to study the neurobiological basis of this congruence, I will present results of experiments that were performed to understand how and why this sensorimotor association is altered when the medio-posterior cerebellum is functionally impaired, and to test the neural processes that underlie the ability to “intercept” and foveate a target that moves in the peripheral visual field

Critique de la cérébralisation de notions relevant des sciences physiques et mathématiques

International audienceDuring the last decades, confusions were made in the domain of cognitive neuroscience, between the concepts, the measurements (and their numerical transformations) and the physiological processes that generate the measured phenomenon. The limitations of measurements and their associated theoretical notions led some authors to propose nativist and evolutionist options, such as a coding of space, time and number in the brain. For example, in the neurosciences of movement, the activity of neurons would encode kinematic parameters: when they emit action potentials, neurons would "speak" a language imbued with notions of classical mechanics. Yet, the movement of a body segment is the mere ultimate measured product, the outcome of multiple processes taking place in parallel in the brain and converging on the groups of neurons responsible for muscle contractions. In my presentation, I will present a different viewpoint and expose my criticisms about the so-called "neural code for number".Au cours des dernières décennies, des confusions ont été faites dans le domaine des neurosciences cognitives, entre les concepts, les mesures (et leurs transformations numériques) et les processus physiologiques qui engendrent le phénomène mesuré. Les limites des mesures et leurs notions théoriques associées ont conduit certains auteurs à proposer des options nativistes et évolutionnistes, comme celle d'un codage de l'espace, du temps et du nombre dans le cerveau. Par exemple, dans les neurosciences du mouvement, l'activité des neurones coderait des paramètres cinématiques : lorsqu'ils émettent des potentiels d'action, les neurones « parleraient » une langue imprégnée de notions de mécanique classique. Pourtant, le mouvement d'un segment du corps n'est que le produit ultime mesuré, le résultat de multiples processus qui se déploient en parallèle dans le cerveau et qui convergent vers les groupes de neurones responsables des contractions musculaires. Dans ma présentation, je présenterai un point de vue différent et exposerai mes critiques sur le soi-disant "code neuronal pour le nombre"

Critique de la cérébralisation des nombres et des notions de mécanique classique

National audienceSelon certaines études contemporaines, l’activité cérébrale véhiculerait des signaux internes correspondant à des notions cinématiques ou aux nombres d’éléments dans le champ visuel. Dans sa présentation, l’auteur exposera une analyse critique des preuves qu’elles avancen

La cinématique est-elle en-corporée dans le cerveau?

International audienceComment la poursuite et la capture ici et maintenant d’un objet en mouvement sont-elles possibles ? Faut-il croire que le fonctionnement du système nerveux mette en place des cadres généraux, tels l’espace et le temps, et des principes pareils à ceux que la cinématique Newtonienne utilise pour décrire le mouvement d’un corps ? Vers la fin du 19ème siècle, Herbert Spencer défendait que les formes a priori de l’intelligence, comme celle d’espace, étaient un héritage de l’évolution, inscrit dans la neurophysiologie. Pour lui, "les rapports d'espace ont été les mêmes, non-seulement pour tous les hommes, tous les primates et tous les ordres de mammifères dont nous descendons, mais aussi pour tous les ordres d'êtres moins élevés". Ils seraient "exprimés dans des structures nerveuses définies, congénitalement constituées pour agir d'une manière déterminée, et incapables d'agir d'une manière différente". Cette adaptation phylogénétique, complétée d’ajustements ontogénétiques, consisterait alors, par une sorte de mimétisme, en une internalisation des "lois" supposées régir les phénomènes du monde physique. Pour Konrad Lorenz, elle aurait "donné à notre pensée une structure innée qui correspond dans une large mesure à la réalité du monde extérieur", où "nos formes d’intuition et nos catégories s’ajustent à ce qui existe réellement de la même manière que notre pied s’ajuste au sol ou les nageoires du poisson à l’eau". Plus proche de nous, Alain Berthoz défend aussi l’idée d’une "internalisation des lois de la physique newtonienne", que "le cerveau dispose de modèles internes des lois de Newton". Malheureusement, cette doctrine ne précise pas de quelle manière ni sous quelle forme ces “lois” y sont inscrites. Elle ne nous explique pas non plus comment réconcilier la diversité des systèmes nerveux observée dans le monde vivant avec la paucité et la simplicité des lois du mouvement, ou encore, comment la dynamique de l’activité cérébrale, spatialement et temporellement distribuée, flexible et changeante, est assimilable au mouvement d’un corps rigide. Est-il seulement possible de trouver dans l’organisation et le fonctionnement cérébral des éléments qui témoigneraient d’une internalisation des “lois” physiques? Car il se peut bien que cette idée ne soit ni testable ni réfutable. L’adaptation, phylogénétique et ontogénétique, peut simplement résulter du fait que la physiologie des organismes vivants est fonctionnellement plastique, suffisamment labile pour que l’apprentissage et l’exercice répété permettent un ajustement progressif de leur répertoire comportemental aux contraintes environnementales. Car à défaut de cette malléabilité, les animaux concernés auraient plus de difficultés à survivre. Au cours des cinq dernières décennies, des notions cinématiques ont pourtant été utilisées pour expliquer la neurophysiologie sous-jacente à la production des mouvements dirigés vers un objet. La question de leur adéquation à un milieu radicalement différent du monde physique ne fût pas posée. Nous verrons comment, par l’étude des mouvements oculaires d’orientation du regard, poursuivant une cible visuelle en mouvement, la neurophysiologie nous explique que si les globes oculaires se conforment aux lois physiques du mouvement, les processus neuronaux qui produisent leurs mouvements de rotation suivent en fait des principes dictés par les propriétés intrinsèques au cerveau

Neural processes underlying the foveation and tracking of a moving visual target

International audienc

Le cerveau en trompe-l’œil des sciences cognitives: Critique du plongement dans le fonctionnement cérébral de notions qui lui sont étrangères: Critique du plongement dans le fonctionnement cérébral de notions qui lui sont étrangères

Like the multitude of living organisms, we have a privileged access to our environment as a consequence of being endowed with a sensitivity that distinguishes us from things in the mineral world. Unlike the vegetal world, this sensitivity becomes an irritation associated with motor capacities that organize into a complex activation recruiting multiple sensory-motor channels, i.e., functional sets that characterize the animal kingdom: a directed gesture, intentional, combative and engaging the whole organism. In the field of cognitive neuroscience, many researchers defend the idea that "internal representations", "ideas" are built in the brain from interactions with its extracorporeal environment and gradually adjusted by repeated exercise. From these contacts created by actions, like measurements confirming or disappointing, more or less, expectations, a model of the “external” world is supposed to be constituted, more or less exact. Memory processes would then take over to build a permanence. While in nature, everything is doomed to change and to disintegrate, a permanent and stable entity would resist disintegration to generate within the brain functioning, a “space” endowed with a geometry. In this thesis, we address several criticisms to the cognitive neurosciences for having proceeded to cerebralize notions used in the physico-mathematical sciences, as if a bridge existed between, on the one hand, the concepts used to communicate and structure these fields of scientific thought, and on the other hand, the intrinsic properties of the central nervous system. Beyond the fact that the latter is not a machine created by man, this method seems comparable to that which consists in understanding the software program of a computer from its structure and its material organization. This method is inappropriate because the program is not engendered by the spontaneous operation of the circuits of the machine. A complex set of meaningful actions is required from outside. Space and physico-mathematical notions are idealities, instruments created by something whose origin is not biological, namely culture, with its habits, customs and disruptive innovations.Comme la plupart des animaux, nous avons un accès privilégié à notre environnement car dotés d’une sensibilité qui nous distingue du monde minéral. Celle-ci devient une irritation à laquelle s’associent des capacités motrices qui s’organisent en une activation mobilisant de multiples canaux sensori-moteurs, des ensembles engendrant un geste dirigé qui engage l’organisme dans son intégralité. Dans le domaine des neurosciences cognitives, de nombreux auteurs défendent la conception selon laquelle, à partir des interactions avec le milieu extracorporel, des représentations internes seraient présentes dans le cerveau, ajustées peu à peu par l’exercice répété. A partir des contacts créés par les actions, tels des mesures confirmant ou décevant plus ou moins des attentes, des modèles internes se constitueraient plus ou moins exacts. Des processus de mémoire prendraient ensuite le relais pour assurer une permanence. Alors que dans la nature, tout est voué à changer et à se désagréger, une entité résisterait au délitement, engendrant dans le fonctionnement cérébral, un “espace” doté d’une géométrie. Dans cette thèse, nous adressons plusieurs critiques aux sciences cognitives pour avoir cérébralisé des notions relevant des sciences physico-mathématiques, comme si une passerelle existait entre les concepts qui structurent ces domaines de la pensée scientifique et les propriétés intrinsèques du système nerveux central. Au-delà du fait que celui-ci ne soit pas créé par l’homme, cette méthode est comparable à celle qui consiste à comprendre le programme logiciel d’un ordinateur à partir de son organisation matérielle. Elle est inappropriée car un ensemble complexe d’actions signifiantes est constamment requis en provenance de l’extérieur. L’espace et les notions physico-mathématiques sont des idéalités, des instruments créés ou découverts par quelque chose qui n’est pas biologique, la culture, avec ses habitudes, ses coutumes et ses innovations disruptives

De sa représentation spatio-temporellement distribuée dans le cerveau à la capture ici-et-maintenant d’un objet visuel en mouvement

National audienceL’apparition soudaine d’un objet dans le champ visuel périphérique déclenche un mouvement d’orientation saccadique des yeux vers l’endroit où se trouve l’objet ciblé. Celui-ci se retrouve alors dans le champ visuel central (fovéal), augmentant de fait la masse de cellules nerveuses excitées parla présence de l’objet. Cette mobilisation neuronale favorise l’identification de l’objet. Entre l’excitation rétinienne initiale et la capture fovéale, le flux d’activité qui se déploie dans le cerveau peut être considéré comme une estimation neurobiologique – dynamique- de la position physique de l’objet puisque les impacts des saccades du regard co-varient avec les différentes zones du champ visuel. Aussi, quand l’objet bouge dans le champ visuel, son mouvement évoque sur la rétine une activité très différente de celle suscitée par un objet statique. L’empreinte est furtive mais elle conduit tout de même à une activation motrice robuste puisque des corrections sont observées quand l’interception est perturbée de manière inattendue. Comment cette coïncidence spatiotemporelle est-elle donc possible quand on sait la non-stationnarité de l’excitation rétinienne, les délais variables de conduction neuronale et la nature distribuée des processus d’encodage cérébraux?L’idée s’est répandue que les saccades vers une cible mobile témoignent de la capacité à prédire la position future d’un objet. Pourtant, un objet se déplaçant librement dans le monde physique peut potentiellement occuper un large éventail de positions. La position à venir dépend de tellement defacteurs (comme la direction du mouvement de l’objet par rapport à l’observateur, sa distance, sa vitesse et son accélération, sa durée, l’encombrement et les régularités de l’environnement) que déclarer que l’activité cérébrale puisse coder (représenter) la position future implique uneintégration de tous ces facteurs avant que l’interception ne s’achève. De plus, quand une cible se déplace de manière uniforme dans le champ visuel, les saccades d’interception n’orientent pas les yeux vers une position future où le regard viendrait se camper, dans l’attente que la cible ne rejoigne le champ fovéal avant de mettre en marche sa poursuite : les saccades ciblent l’endroit où se trouve la cible au moment de l’impact saccadique. Quand la coïncidence spatiotemporelle n’est pas atteinte, les saccades sont trop courtes (en retard) ; une saccade de correction est alors produite pour ramener l’image de la cible à nouveau sur les fovéas.Une approche différente du problème est donc requise. Une alternative consiste à considérer que la capture d’une cible mobile repose sur la capacité à récupérer une trace mémorisée de ses trajectoires potentielles et à actualiser cette connaissance dans l’action en cours. Plutôt qu’un parisur la position future d’un objet, la prédiction consisterait alors en une attente ("expectation") dynamique au cours de laquelle une expérience passée et mémorisée viendrait s’insérer dans le présent de l’action en cours. Cette perspective nous conduit à penser autrement la façon dont letemps est représenté et développé dans l’activité cérébrale