“On ne voit que ceque l’on regarde” Nicolas Rougier

Qu’est ce que l’attention ?

Everyone knows what attention is. It is the possession by the mind, in clear and vivid form, of one out of what seem several simultaneously possible objects or trains of thought. Focalization, concentration, of consciousness are of its essence. It implies withdrawal from some things in order to deal effectively with others, …

William James, Principles of Psychology, 1890

Le système visuel

La rétine est le point d’entrée des informations visuelles.

C’est un récepteur complexe qui fournit énormément d’informations sur le monde extérieur.

Le cerveau ne peut pas traiter toute l’information et des choix doivent être donc fait sur ce qui est prioritaire ou pertinent.

Mais comment ?

Modéliser le cerveau

Pour l’émuler→ nouveaux algorithmes(e.g. Google & deep learning)

Pour le soigner→ nouvelles thérapies(e.g. stimulation profonde) Pour le comprendre→ nouvelles connaissances(e.g. attention visuelle)

Le cerveau humain

Le cerveau humain possède 85 milliards de neurones.

Chaque neurone est connecté en moyenne a 10 000 autres.

1mm3 de cortex comprend 1 milliard de connexions.

Neurones biologiques

Un neurone est une cellule excitable capable de recevoir et de transmettre de l’information.

Les neurones sont connectés entre eux et forment des réseaux.

L’efficacité des connexions évolue avec l’apprentissage.

Différents modèles

On va modéliser le cerveau différemment selon les buts de la recherche :

• Modèles connexionistes pour les performances

• Modèles biophysiques pour la simulation

• Modèles fonctionnels pour le comportement

Construire des modèles

Matériel de base • Anatomie et physiologie • Expérimentation & Enregistrements • Pathologies & lésions

Hypothèses de travail • Simplifications extrêmes • Calculs parallèles et distribués • Dynamique et apprentissageValidation • Prédictions • Explications

Les voies visuelles

La voie ventrale

• La voie du “quoi” • Formes, couleurs, objets

La voie dorsale

• La voie du “où” • Position, direction

La voie frontale

• La voie du “comment” • Attention, saccades

Attention visuelle

L’attention visuelle est la capacité à sélectionner une sous-partie de l’espace visuel : → topologie→ propriétés spécifiques→ objet particulier

Elle peut être : → endogène / exogène → implicite / explicite

Salience visuelle

La salience indique l’importance relative d’un stimulus en raison de sa forme, couleur, mouvement, texture, orientation, etc.

On fait l’hypothèse qu’une carte de salience est calculée au sein du cerveau.

Effet “Pop-out”

La salience des stimuli joue un rôle important dans l’attention visuelle.

Certains stimuli vont pouvoir biaiser les processus attentionels.

C’est un mécanisme d’alerte vis à vis de dangers potentiels.

Construire un modèle de l’attention visuelle

Pour chercher à comprendre l’attention visuelle, on va construire un modèle fonctionnel d’une partie du cerveau qui va pouvoir expliquer (en partie) les mécanismes de l’attention visuelle.

On doit en premier définir une tâche visuelle à faire exécuter par le modèle.

Attention visuelle spatiale

Dans un premier temps, on cherche à comprendre comment l’attention peut rester focalisée sur un stimulus sans se laisser distraire…

Calculs distribués, numériques et adaptatifs

Définition d’un cadre de calcul (DANA):

• Distribué → pas de superviseur• Asynchrone → pas d’horloge centrale • Numérique → pas de symbole• Adaptatif → apprendre quelque chose

On s’assure ainsi que les propriétés du modèle sont bien celles du modèle et non celle du programme qui fait tourner le modèle.

Group Gro

up

Unit

Link

Layer

LinkValu

e

Value

Value

Champ de neurone

La densité des neurones est telle que l’on peut considérer le cortex cérébral comme un continuum où le potentiel de membrane en chaque point du cortex est décrit par l’équation:

Par analogie avec les gaz, cela revient à s’intéresser à la température plutôt qu’à l’agitation individuelle des molécules.

⌧

@u(x, t)

@t

= �u(x, t) +

Z

⌦w(x, y)f(u(y, t))dy + I(x, t) + h

Propriétés fonctionelles

Selon les paramètres de l’équation et les motifs de connexions, on peut obtenir différentes solutions qui peuvent être interprétées d’un point de vue fonctionnel :On va donc utiliser ces propriétés dans le cadre de nos modélisations et faire le lien avec l’attention visuelle.

Attention spatiale

Un modèle dynamique de suivi de cibles qui tient compte :

• du bruit • des distracteurs• de la salience relative

La propriété de suivi est la résultante des interactions entres les différentes unités.On parle alors d’émergence.

Oranges mécaniques

Le comportement est dicté par le branchement avec la caméra.

Saliency

Input

Focus

Competition

Camera

Inhibition de retour

L’inhibition de retour semble pouvoir inhiber des positions particulière de la scène visuelle, empêchant ainsi l’attention de s’y poser.

Time

Le joueur de Bonto

On ajoute au modèle une mémoire de travail (cortex frontal) et un mécanisme d’inhibition (ganglions de la base).

Bias/GatingSaliency

Memory

Update

Focus

InputCompetition

Memorization

Saccades occulaires

Les yeux bougent en permanence, même quand ils ne bougent pas.

Les saccades occulaires permettent d’explorer une scène visuelle dans son ensemble.

Mais la scène visuelle n’est pas “reconstruite”, il n’y pas de théâtre cartésien dans le cerveau.

Memorizedlocations

Workingmemory Anticipation

Saliency Focus

Switch

Currentmemory

Prediction

Gating

Competition

Update Preparedsaccade

Spatialinhibition

Spatial processing

OrientationfiltersColor filters

Feature maps

Spatial bias

Perceivedfeatures

Target

Feature processing

Motor commands

SwitchMove

Feature basedattention

Spatialattention

Un modèle d’attention sélective

Le modèle est capable d’explorer une scène visuelle à la recherche d’une cible précise, en utilisant l’attention explicite (saccades) ou implicite.

Un modèle d’attention sélective

Time

Conclusion

La vision est une grande illusion. Nous avons seulement un accès restreint au monde visuel via les phénomènes attentionels. Une partie de l’attention visuelle peut s’expliquer en termes de dynamique et de flux d’information.

Il n’y a pas d’ordonnanceur. L’attention visuelle émerge de l’interaction des différentes structures cérébrales.

Mais ce n’est que le début de l’histoire car il faut prendre en compte la mémoire, les émotions, la motivation, le corps, etc.

Bibliographie

• L’Oeil et l’EspritMaurice Merleau-Ponty, 1970, Editions Gallimard.

• Le cerveau à tous les niveaux, McGill University http://lecerveau.mcgill.ca

• L’homme qui prenait sa femme pour un chapeauOliver Sacks, 1992, Editions du Seuil.