L’effet de l’erreur d’accélération rétinienne sur les saccades de rattrapage

Contexte de la recherche

Lors du suivi d’une cible en mouvement, les humains utilisent principalement deux types de mouvements oculaires : la poursuite lisse (smooth pursuit) et les saccades. La poursuite lisse dépend des signaux de mouvement visuel, mais lorsque des erreurs de suivi s’accumulent, le cerveau déclenche des saccades de rattrapage (catch-up saccades) pour réaligner la cible et s’assurer qu’elle reste sur la fovéa rétinienne. Des études antérieures ont montré que l’erreur de position rétinienne (retinal position error) et l’erreur de vitesse rétinienne (retinal velocity error) sont des facteurs clés dans la détermination de la latence (latency) et de l’amplitude (amplitude) des saccades de rattrapage. Cependant, on ne sait pas encore si l’erreur d’accélération rétinienne (retinal acceleration error) participe également à ce processus. En particulier, dans des environnements naturels, les cibles accélèrent ou décélèrent souvent en raison de la gravité, de la friction ou de forces externes, ce qui rend l’étude de l’effet de l’erreur d’accélération sur les saccades d’une importance pratique significative.

Cette étude vise à explorer si l’erreur d’accélération rétinienne affecte la latence et l’amplitude des saccades de rattrapage, et à vérifier son rôle dans le déclenchement des saccades et le calcul de leur amplitude. En concevant une expérience de suivi de cibles accélérées, l’équipe de recherche espère révéler la contribution spécifique de l’erreur d’accélération dans la programmation des saccades.

Origine de la recherche

Cette étude a été menée par Sydney Doré, Jonathan Coutinho et Gunnar Blohm de l’Université Queen’s au Canada, Aarlenne Z. Khan de l’Université de Montréal au Canada, et Philippe Lefèvre de l’Université catholique de Louvain en Belgique. L’article de recherche a été publié le 25 novembre 2024 dans le Journal of Neurophysiology, sous le titre “Latency and amplitude of catch-up saccades to accelerating targets”.

Déroulement de la recherche

Conception expérimentale

L’équipe de recherche a conçu une tâche de double rampe (double step-ramp task) en utilisant MATLAB et le Psychophysics Toolbox pour générer les stimuli expérimentaux. L’expérience a utilisé un écran ViewPixx (120 Hz de fréquence de rafraîchissement) pour présenter les stimuli visuels, et les mouvements oculaires des participants ont été enregistrés à 1000 Hz à l’aide du système Eyelink 1000. L’expérience comprenait deux conditions : accélération et décélération. La cible accélérait ou décélérait aléatoirement dans le plan horizontal, et un pas de position (target step) de taille aléatoire était introduit pendant le mouvement pour déclencher des saccades de rattrapage.

Participants et collecte de données

L’étude a recruté 15 participants adultes, dont 13 ont terminé l’expérience (8 femmes, 5 hommes, âge moyen de 21 ans). Chaque participant a effectué 5 sessions de collecte de données, d’une durée d’environ 30 minutes chacune, pour un total de 32 500 essais. Pendant l’expérience, les participants devaient suivre un point blanc se déplaçant horizontalement sur l’écran, avec une accélération de la cible variant aléatoirement entre -80 et 80 deg/s².

Traitement et analyse des données

Les données de mouvement oculaire ont été filtrées par un filtre passe-bas (fréquence de coupure de 50 Hz), et la vitesse et l’accélération des mouvements oculaires ont été calculées à l’aide d’un algorithme de différence centrale. Les saccades ont été détectées en utilisant un seuil d’accélération de 750 deg/s². Pour éliminer la composante de poursuite lisse dans les saccades, l’équipe a corrigé l’amplitude des saccades. La formule spécifique était :
[ \text{amplitude corrigée} = \text{amplitude de la saccade} - (\text{durée de la saccade} \times \text{vitesse de poursuite}) ]

Analyse statistique

L’étude a utilisé une régression linéaire multiple pour analyser l’effet des erreurs de position, de vitesse et d’accélération rétiniennes sur l’amplitude des saccades. Le modèle de régression était :
[ \text{amplitude corrigée} = b{pe} \times \text{erreur de position} + b{ve} \times \text{erreur de vitesse} + b_{ae} \times \text{erreur d’accélération} ]
De plus, l’étude a évalué l’effet de l’erreur d’accélération sur la latence des saccades à l’aide d’une analyse de variance à mesures répétées (repeated-measures ANOVA).

Résultats principaux

Amplitude des saccades

L’étude a révélé que les erreurs de position, de vitesse et d’accélération rétiniennes prédisaient de manière significative l’amplitude des saccades (( b{pe} = 0.8373, p < 1.10^{-100} ) ; ( b{ve} = 0.0791, p < 1.10^{-100} ) ; ( b_{ae} = 0.0018, p = 2.029724e-09 )). Bien que la contribution de l’erreur d’accélération soit faible, elle était statistiquement significative. L’étude a également montré qu’après correction de l’amplitude des saccades, les saccades réelles compensaient environ 84 % de l’erreur de position, 46 % de l’erreur de vitesse et 16 % de l’erreur d’accélération.

Latence des saccades

L’étude a montré que lorsque l’erreur d’accélération rétinienne était dans la même direction que l’erreur de position prédite (predicted position error), la latence des saccades était plus courte ; dans le cas contraire, elle était plus longue. Ce résultat indique que l’erreur d’accélération module indirectement le temps de déclenchement des saccades en influençant la certitude de l’erreur de position prédite. Plus précisément, lorsque l’erreur de position prédite était faible, l’effet de l’erreur d’accélération sur la latence était plus prononcé.

Conclusion de la recherche

Cette étude fournit pour la première fois des preuves du rôle de l’erreur d’accélération rétinienne dans la programmation des saccades de rattrapage. Les résultats montrent que l’erreur d’accélération influence non seulement l’amplitude des saccades, mais module également la latence des saccades en ajustant la certitude de l’erreur de position prédite. Cette découverte élargit notre compréhension des mécanismes de déclenchement des saccades et offre un nouveau support théorique pour les futurs modèles de mouvements oculaires.

Points forts de la recherche

1. Conception expérimentale innovante : En introduisant une tâche de suivi de cibles accélérées, l’étude a quantifié pour la première fois l’effet de l’erreur d’accélération rétinienne sur les saccades.
2. Analyse de régression multivariée : L’étude a utilisé un modèle de régression linéaire multiple pour révéler les contributions indépendantes des erreurs de position, de vitesse et d’accélération dans le calcul de l’amplitude des saccades.
3. Extension théorique : L’étude soutient un modèle de déclenchement des saccades basé sur l’inférence bayésienne, offrant une nouvelle perspective pour les futurs modèles de calcul neuronal.

Signification de la recherche

La valeur scientifique de cette étude réside dans la révélation du rôle de l’erreur d’accélération rétinienne dans la programmation des saccades, comblant ainsi une lacune dans ce domaine. De plus, les résultats ont des applications potentielles pour le développement de technologies de suivi oculaire plus précises et de systèmes de réalité virtuelle. Les recherches futures pourraient explorer davantage l’effet de l’erreur d’accélération sur les mouvements oculaires dans des scènes naturelles, ainsi que son application dans des tâches quotidiennes telles que la conduite ou le sport.

Grâce à cette étude, nous comprenons mieux la complexité et l’adaptabilité du système oculomoteur humain. La découverte de l’erreur d’accélération rétinienne enrichit non seulement le cadre théorique de la programmation des saccades, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour les recherches appliquées.