Mobile brain imaging to study visuo-spatial perception with ecological paradigms. Applications to healthy aging and visual restoration
Emploi de l’électroencéphalographie mobile pour l’étude de la perception visuo-spatiale dans des paradigmes écologiques : application au vieillissement sain et à la restauration visuelle
Résumé
Based on the observation that the three-dimensional and multisensory nature of the world shapes the functioning of the brain, this doctoral project focused on the study of human cognition through ecological experiments, particularly in the context of visual perception and spatial navigation. Current neuroimaging tools restrict the mobility of participants and thus fail to capture the full complexity of everyday activities. In order to overcome these limitations, this project developed methods to acquire and interpret brain activity under mobile conditions. To this end, recent technological improvements were leveraged to facilitate robust extraction of brain-related signals from electro-encephalography (EEG) recordings during motion. To deepen the interpretation of cortical dynamics by fully exploiting the potential of the improved temporal resolution of EEG, the mobile brain/body imaging approach was adopted, which advocates the co-registration of neural recordings with biometric measures such as body and eye movements. The primary goal of this thesis was to better understand changes in visuo-spatial cognition during healthy aging. Spatial navigation, a ubiquitous skill in everyday life, relies on the integration of multiple sensory inputs, among which vision plays a central role. A major motivation for research on this topic is that aging is associated with a decline in navigational abilities, which affects the autonomy and well-being of older adults and may lead to isolation and neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease. By adopting an approach that considers more ecological aspects of spatial navigation, the results of this work challenge some established views in the literature on visuo-spatial cognition. They provide novel insights into the dynamic neural mechanisms underlying spatial behavior, and in particular into the scene-selective regions whose activity was modulated by expectations generated by natural environments. By illustrating how a downward gaze bias may interact with an impaired control of attention evident at the cortical level, they shed light on the detrimental effects of visual aging on navigation. Furthermore, this project addressed the potential of mobile neuroimaging tools in the evaluation of visual restoration therapies for retinal diseases while patients performed visuo-spatial tasks relevant to daily activities. The study of neural markers associated with visual recovery promotes an objective assessment of the effectiveness of therapeutic interventions. In particular, EEG frequency analysis helped unravel an occipital alpha rhythm typical of natural visual processing induced by a novel optogenetic therapy in a late-stage retinitis pigmentosa patient. These findings may have substantial socio-economic implications given the aging of the global population and the associated increase in the prevalence of visual disorders. The outcomes of this research may be translated into urban planning recommendations to help older adults navigate complex, unfamiliar environments. They can also contribute to the development of more effective visual restoration therapies, ultimately making a significant difference in the daily lives of low vision patients. In conclusion, this doctoral thesis emphasized the importance of ecological experiments for understanding human cognition and perception. By using mobile EEG and innovative paradigms, it contributed to the fields of visuo-spatial cognition, healthy aging, and visual restoration therapies. Its findings may have broader implications for improving the autonomy of older adults and visually impaired patients. This thesis was carried out within a collaborative ecosystem, benefiting from the resources and expertise of the Paris Vision Institute. Cooperation with other research institutions, both national and international, contributed greatly to enrich its methodological approach and broaden the scope of its applications.
En constatant l'influence de la nature tridimensionnelle et multisensorielle du monde sur le fonctionnement du cerveau, ce projet s'est axé sur l'étude de la cognition humaine par le biais d'expériences écologiques, en particulier la perception visuelle et la navigation. Les outils de neuro-imagerie actuels entravent la mobilité des participants et ne reflètent donc pas toute la complexité des activités du quotidien. Pour y remédier, ce projet a développé des méthodes d'acquisition et d'interprétation de l'activité cérébrale dans des conditions de mobilité. À cette fin, de récents progrès techniques ont été mobilisés pour garantir l’extraction robuste des signaux cérébraux issus d’enregistrements d'électro-encéphalographie (EEG) pendant le mouvement. Pour enrichir l'interprétation de la dynamique corticale en exploitant pleinement la résolution temporelle accrue de l'EEG, l'approche mobile brain/body imaging a été adoptée, préconisant le couplage des données EEG avec des mesures biométriques telles que les mouvements du corps et des yeux. L'objectif principal de cette thèse était de mieux comprendre les changements dans la cognition visuo-spatiale au cours du vieillissement sain. L’orientation dans l’espace, une aptitude essentielle au quotidien, repose sur l'intégration de multiples signaux sensoriels, parmi lesquels la vision est centrale. Une forte motivation à étudier ce sujet est que le vieillissement est associé à un déclin des capacités d’orientation, ce qui affecte l'autonomie et le bien-être des personnes âgées et peut mener à l'isolement et à des troubles neurodégénératifs. En étant plus proches des conditions écologiques de la navigation, les résultats obtenus remettent en question certains points de vue établis de la littérature. Ils apportent un nouvel éclairage sur la dynamique des mécanismes neuronaux sous-tendant les aptitudes visuo-spatiales, et en particulier dans les régions sélectives aux scènes. En rapportant un contrôle déficient de l'attention, évident au niveau cortical, associé à une tendance systématique à regarder vers le bas, ils illustrent les effets néfastes du vieillissement visuel sur la navigation. En outre, ce projet s'est intéressé au potentiel de l’EEG mobile pour évaluer des thérapies de restauration visuelle au cours de tâches visuo-spatiales pertinentes pour les activités quotidiennes. Étudier les marqueurs corticaux associés à la récupération visuelle favorise une analyse objective de leur efficacité. En particulier, l'analyse EEG a mis en évidence un rythme alpha occipital, typique du traitement normal de l’information visuelle, induit par une nouvelle thérapie optogénétique chez un patient atteint de rétinite pigmentaire. Ces résultats peuvent avoir des implications socio-économiques substantielles étant donné le vieillissement de la population mondiale et l'augmentation associée de la prévalence des troubles visuels. Les fruits de cette recherche pourront se traduire en recommandations en matière d'urbanisme pour favoriser l’orientation des personnes âgées dans des environnements complexes. Ils pourront également servir à développer des thérapies de restauration visuelle plus efficaces afin d’accroître leur impact dans la vie quotidienne des patients. En conclusion, ces travaux soulignent l'importance des expériences écologiques pour comprendre la cognition et la perception humaine. En s'appuyant sur l'EEG mobile et des paradigmes innovants, ils ont contribué aux domaines de la cognition visuo-spatiale, du vieillissement sain et de la restauration visuelle. Ces résultats peuvent avoir des répercussions sur l'amélioration de l'autonomie des personnes âgées et des patients malvoyants. Cette thèse a été réalisée au sein d'un écosystème collaboratif, bénéficiant des ressources et de l'expertise de l'Institut de la Vision de Paris. La coopération avec d'autres instances de recherche a largement contribué à enrichir son approche méthodologique et à élargir le champ de ses applications.
Origine : Version validée par le jury (STAR)