Lundi 7 juin 2010

Ce que l'œil dit au cerveau ?

Alan Chauvin
Nathalie Guyader

Univ. P. Mendès-France
Univ. J. Fourier Grenoble

L’œil est « mal voyant», pratiquement insensible à la couleur, « construit à l'envers », troué et bouge constamment.

Notre œil est ainsi fait, que seule une portion congrue permet de percevoir les couleurs et les détails de ce qui nous entoure. Cette région, la fovéa mesure seulement 5 degrés, soit la taille de l’ongle du pouce à bout de bras. Le reste de la rétine, la rétine périphérique bien que très sensible aux faibles luminosités (détection d’une bougie à 10 km) est en partie saturée par la lumière du soleil, ne transmet qu’une information floue et peu colorée. Ainsi, si notre perception dépendait essentiellement de cette rétine périphérique, nous serions classé comme mal voyant avec une acuité bien inférieure à 3/10ème. Ce n’est pas tout, le monde rétinien est instable, en effet nos yeux bougent 3 à 4 fois par secondes en balayant jusqu'à la moitié du champ visuel a des vitesses atteignant 1000 degrés/s.
Cette description des propriétés du seul organe sensible à la lumière du corps humain est contraire à l’expérience que nous faisons tous les jours lorsque nous ouvrons les yeux. En effet, le monde perçu nous semble coloré, net et stable. Un observateur normal ne ressent ni la perte de couleur en périphérie, ni la perte d’acuité, ni les déplacements incessants de l’œil. Ce paradoxe, recouvre plusieurs questions qui ne sont pas complètement résolues et font encore l’objet de débats passionnés.
A travers une série d’expériences nous présenterons l’importance des mouvements oculaires et les conséquences de leur existence pour notre appréhension du monde visuel.

La première question qui nous intéresse est quelle est l’information transmise par le nerf optique ? Ensuite, nous nous poserons la question de savoir pourquoi lorsque mon œil bouge je ne perçois pas de mouvement ? Puis, si je ne vois bien qu’au centre de l’œil, comment est il possible de savoir quels sont les objets importants d’une scène sans les avoir vus avant ? Enfin, nous nous intéresserons à l’utilisation des mesures de mouvements oculaires en psychiatrie.
Nous exposons ci dessous une partie de ce qui sera présenté pendant la conférence.

1. L’œil et la rétine : Quelle est l’information transmise par le nerf optique ?

L’œil est le premier organe dans la chaîne de traitement de l’information visuelle. La cornée, l’iris et le cristallin correspondent à l’optique de cette chaîne. La rétine qui tapisse le fond de l’œil et qui renferment les photorécepteurs prétraite l’information qui est ensuite véhiculée via le nerf optique au cortex visuel primaire
Il existe deux grands types de photorécepteurs : les cônes et les bâtonnets. Il y a environ 5 millions de cônes (vision diurne et colorée) et ~120 millions de bâtonnets (vision crépusculaire et nocturne en noir et blanc), qui captent les signaux lumineux (photons) et les transforment en signaux électro-chimiques. La répartition de ces photorécepteurs diffère (Cf Figure 1). Au centre de la rétine (la fovéa) il n’y a quasiment que des cônes et leur densité diminue fortement avec l’excentricité. Par contre le nombre de bâtonnets (quasi absente à la fovéa) augmente fortement avec la l’excentricité.

Figure 1: Densité des photorécepteurs à la surface de la rétine en fonction de leur position
par rapport au centre de la rétine, la fovéa (en degrés angulaires).

Une conséquence de l’organisation de l’œil, de la rétine et du cortex visuel primaire est une surreprésentation corticale des 10 degrés centraux que représente la fovéa. Ainsi, d’un point de vue comptable, le monde visuel cortical correspond à la projection d’une région congrue du champ visuel, qui mesure moins de 5 degrés de diamètre. Ce qui implique, que pour qu’un objet soit perçu en couleur et dans tous ces détails, nous devons le fixer. Mais avant de le fixer nous devons déplacer nos yeux vers cet objet et donc nous devons effectuer des mouvements oculaires.

2. Mouvements oculaires : « pourquoi lorsque mon œil bouge je ne perçois pas de mouvement ? »

Il existe deux principaux types de mouvements oculaires : le mouvement saccadique et le mouvement de poursuite. Le premier est celui que l’on utilise pour explorer une scène et durant lequel nos yeux se fixent successivement sur différentes positions dans la scène (cf. figure 2). Le deuxième est celui que l’on utilise lorsque les yeux suivent un objet en mouvement. Ces deux mouvements ont comme conséquence de placer l’axe optique est donc la fovéa sur l’objet d’intérêt. Nous effectuons 3 à 4 saccades par secondes depuis la naissance, soit 3 942 000 saccades par an et 394 200 000 au cours d’une vie. Pourtant, vous ne surprendrez que rarement votre œil en mouvement et encore moins l’ensemble du monde visuel se déplacer.

Figure 2: (Image de Gauche) Exemple des saccades (traits) et des fixations (points) d’un observateur
lors de l’exploration de la scène présentée pendant 3 s avec un départ de l’exploration visuelle au centre de la scène.
(Image de Droite): Fixations réalisées par 17 observateurs lors de l’exploration de l’image pendant 3 s.

3. Saillance et modélisation : « Si je ne vois bien qu’au centre de l’œil, comment est il possible de savoir quels sont les objets importants d’une scène sans les avoir vus avant ? »

Lorsque nous regardons une scène, nous l’explorons. C’est à dire l’œil se déplace sur certaines régions de l’image, mais pas sur l’ensemble de l’image. Ces régions particulières sont appelées “régions d’intérêt”. A quoi correspondent ces zones d’intérêt ? Ou plutôt qu’est-ce qui définit ces zones d’intérêt ?
Deux situations particulières se distinguent facilement. Dans la première, nous regardons une scène visuelle sans but précis ; nos yeux vont bouger et être attirés par des particularités du stimulus visuel seul. On dit alors que les mouvements oculaires sont guidés par des facteurs dits de bas niveau ou exogènes. Dans la deuxième situation, nous regardons une scène visuelle avec un but précis, par exemple à la recherche d’un objet. Nos yeux seront alors principalement guidés par ce que nous cherchons (but) et toute zone susceptible de ressembler à cet objet précis sera regardée. On dit alors que les mouvements oculaires sont guidés par des facteurs dits de haut niveau ou endogènes. Des études ont montré qu’en fait les deux mécanismes, exogènes et endogènes, pouvaient être liés et que bien souvent ces deux mécanismes intervenaient en même temps avec des décours temporels légèrement différents. Ainsi, le stimulus visuel et donc les processus exogènes guideraient les mouvements oculaires immédiatement à l’apparition de la scène et les processus endogènes viendraient ensuite prendre le relais.
Dans le cadre de notre travail à Grenoble, nous nous sommes attachés à comprendre et modéliser les mécanismes qui permettent d’extraire d’une scène les régions d’intérêts sans aucune connaissance sur celle ci (les facteurs de bas niveaux). Nous avons donc proposé un modèle simulant le fonctionnement des cellules rétiniennes et corticales qui permet de mettre en exergue les zones d’une image les plus susceptibles d’attirer le regard (Figure 3).

Figure 3: Image et carte de saillance obtenue par un modèle d’attention visuelle.
Les zones rouges sont les zones les plus susceptibles d’attirer le regard.