The role of brain oscillations in visual perception, attention and consciousness
Le rôle des oscillations du cerveau dans la perception visuelle, l'attention et la conscience
Résumé
Oscillations are ubiquitous in the brain. A large body of literature has supported that brain oscillations are not a by-product of brain activities; in fact, they shape our perception by modulating cortical excitability and facilitating neuronal communications. Consequently, our visual perception, attention and maybe even consciousness wax and wane across time. However, the role of oscillations in these perceptual or cognitive functions is not entirely understood. For visual perception and attention, although the relationship between them and brain oscillations has been established, it is unclear where and how these brain oscillations are generated. As for consciousness, how the oscillations are involved in producing conscious perception remains unknown. These are the questions the current thesis attempts to address. The thesis starts with brain oscillations in the most basic and best understood brain function - visual perception. It has been suggested that visual perception is an oscillatory process, sampling the world at the alpha frequency. Perceptual echoes are one demonstration of visual sampling. The echo is an impulse response function that oscillates at ~10 Hz in response to white-noise stimuli. While the temporal properties are gradually revealed, the origin of the echoes remains unclear. The first study set out to study the neural basis of perceptual echoes, and we found the echoes originate in the early visual cortex. Next, we move on to attention. It has been shown that attention samples the environment at theta frequency. A monkey study suggests that the theta oscillation of attention may arise from competitive receptive field interactions of V4. To investigate if the mechanism can be generalized to humans, we replicate the behavioral experiment in humans. Finally, in the last two studies, we examine brain oscillations in consciousness. Utilizing binocular rivalry, we first investigate if the perceptual echoes require consciousness. The results show that perceptual echoes can be elicited both when the stimulus is in consciousness and out of consciousness. Second, we investigate information flow during binocular rivalry and show an increased top-down beta and theta activities before perceptual switches. In conclusion, the brain is a dynamic system in which the oscillations flexibly facilitate various brain functions by playing different functional roles.
Les oscillations sont omniprésentes dans le cerveau. Une grande partie de la littérature soutient que les oscillations cérébrales ne sont pas un sous-produit des activités du cerveau ; en fait, elles façonnent notre perception en modulant l'excitabilité corticale et en facilitant les communications neuronales. Par conséquent, notre perception visuelle, notre attention et peut-être même notre conscience s'accroissent et diminuent au fil du temps. Cependant, le rôle des oscillations dans ces fonctions perceptives ou cognitives n'est pas entièrement compris. Pour la perception visuelle et l'attention, bien que la relation entre ces fonctions et les oscillations cérébrales ait été établie, on ne sait pas exactement où et comment ces oscillations cérébrales sont générées. En ce qui concerne la conscience, on ignore encore comment les oscillations sont impliquées dans la production de la perception consciente. Ce sont les questions que la présente thèse tente d'aborder. La thèse commence par des oscillations cérébrales dans la fonction cérébrale la plus élémentaire et la mieux comprise - la perception visuelle. Il a été suggéré que la perception visuelle est un processus oscillatoire, échantillonnant le monde à la fréquence alpha. Les échos perceptifs sont une démonstration de l'échantillonnage visuel. L'écho est une fonction de réponse impulsionnelle qui oscille à ~10 Hz en réponse à des stimuli de bruit blanc. Alors que les propriétés temporelles sont progressivement révélées, l'origine des échos reste floue. La première étude s'est attachée à étudier la base neurale des échos perceptifs, et nous avons découvert que les échos proviennent du cortex visuel primitif. Ensuite, nous passons à l'attention. Il a été démontré que l'attention échantillonne l'environnement à la fréquence thêta. Une étude sur les singes suggère que l'oscillation thêta de l'attention peut provenir des interactions compétitives du champ réceptif de V4. Pour savoir si ce mécanisme peut être généralisé aux humains, nous reproduisons l'expérience comportementale chez les humains. Enfin, dans les deux dernières études, nous examinons les oscillations du cerveau dans la conscience. En utilisant la rivalité binoculaire, nous cherchons d'abord à savoir si les échos perceptifs nécessitent une conscience. Les résultats montrent que les échos perceptifs peuvent être déclenchés à la fois lorsque le stimulus est dans la conscience et en dehors de la conscience. Ensuite, nous étudions le flux d'informations pendant la rivalité binoculaire et montrons une augmentation des activités bêta et thêta de haut en bas avant les commutations perceptuelles. En conclusion, le cerveau est un système dynamique dans lequel les oscillations facilitent de manière flexible diverses fonctions cérébrales en jouant différents rôles fonctionnels.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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