Faculté des lettres

Mapping the development of visual information use for facial expression recognition

Rodger, Helen ; Caldara, Roberto (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2019.

In this thesis, I aimed to map the development of facial expression recognition from early childhood up to adulthood by identifying for the first time in the literature the quantity and quality of visual information needed to recognise the six 'basic' emotions. Using behavioural and eye tracking measures, the original contributions of this thesis include: 1. An unbiased fine-grained mapping of... More

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    Résumé
    Dans cette thèse, je souhaitais cartographier le développement de la reconnaissance des expressions faciales de la petite enfance à l'âge adulte en identifiant, et ceci pour la première fois dans la littérature développementale, la quantité et la qualité d’informations visuelles nécessaires pour reconnaître les six émotions « de base ». En utilisant des mesures comportementales et oculaires, les contributions originales de cette thèse incluent: 1. Une cartographie fine et impartiale du développement continu de la reconnaissance des six expressions faciales de base avec l'introduction d'une mesure psychophysique de pointe; 2. L'identification de deux phases principales dans le développement de la reconnaissance des expressions faciales, allant de 5 à 12 ans et de 13 à l'âge adulte; 3. Une évaluation fine de la quantité d'informations (signal) et d'intensité nécessaires pour reconnaître les six émotions fondamentales du développement ; 4. Le traitement des informations relatives au signal et à l'intensité devient plus discriminant au cours du développement, car avec l'âge, moins d'informations sont nécessaires pour reconnaître la colère, le dégoût, la surprise et la tristesse. 5. Une nouvelle analyse des profils de réponse (la séquence de réponses entre les essais) a révélé des changements subtils mais importants dans la séquence de réponses sur un continuum d'âge: les profils deviennent plus similaires avec l'âge en raison de catégorisations erronées moins aléatoires; 6. La comparaison de deux mesures de reconnaissance au sein de la même cohorte, révélant que deux types de stimuli couramment utilisés dans les études sur les expressions émotionnelles (expressions à intensité maximale vs expressions d'intensités variables) ne peuvent pas être directement comparés au cours du développement; 7. De nouvelles analyses des mouvements oculaires ont révélé l'âge auquel les stratégies perceptuelles pour la reconnaissance d'expressions faciales émotionnelles deviennent matures. Une première revue de la littérature a révélé plusieurs domaines moins étudiés du développement de la reconnaissance de l'expression faciale, sur lesquels j'ai choisi de me concentrer pour ma thèse. Tout d'abord, au début de cette thèse, aucune étude n'a été menée sur le développement continu de la reconnaissance des expressions faciales depuis la petite enfance jusqu'à l'âge adulte. De même, aucune étude n’a examiné les six expressions dites «de base» et une expression neutre dans le même paradigme. Par conséquent, l’objectif de la première étude était de fournir une cartographie fine du développement continu des six expressions de base et neutre de l’âge de 5 ans à l’âge adulte en introduisant une nouvelle méthode psychophysique dans la littérature sur le développement. La procédure psychophysique adaptatived a fourni une mesure précise de la performance de reconnaissance à travers le développement. En utilisant une régression linéaire, nous avons ensuite tracé les trajectoires de développement pour la reconnaissance de chacune des 6 émotions de base et neutres. Cette cartographie de la reconnaissance à travers le développement a révélé des expressions qui montraient une nette amélioration avec l'âge - dégoût, neutre et colère; des expressions qui montrent une amélioration graduelle avec l’âge - tristesse, surprise; et celles qui sont restés stables depuis leur plus tendre enfance - la joie et la peur; indiquant que le codage de ces expressions est déjà mature à 5 ans. Deux phases principales ont été identifiées dans le développement de la reconnaissance des expressions faciales, car les seuils de reconnaissance étaient les plus similaires entre les âges de 5 à 12 ans et de 13 ans jusqu'à l'âge adulte. Dans la deuxième étude, nous voulions approfondir cette cartographie fine du développement de la reconnaissance des expressions faciales en quantifiant la quantité d'informations visuelles nécessaires pour reconnaître une expression au cours du développement en comparant deux mesures d'informations visuelles, le signal et l'intensité. Encore une fois, en utilisant une approche psychophysique, cette fois avec un plan de mesures répétées, la quantité de signal et l'intensité nécessaires pour reconnaître les expressions de tristesse, colère, dégoût et surprise ont diminué avec l'âge. Par conséquent, le traitement des deux types d’informations visuelles devient plus discriminant au cours du développement car moins d’informations sont nécessaires avec l’âge pour reconnaître ces expressions. L'analyse mutuelle des informations a révélé que l'intensité et le traitement du signal ne sont similaires qu'à l'âge adulte et que, par conséquent, les expressions à intensité maximale (dans la condition du signal) et les expressions d'intensité variable (dans la condition d'intensité) ne peuvent être comparées directement pendant le développement. Alors que les deux premières études de cette thèse traitaient de la quantité d'informations visuelles nécessaires pour reconnaître une expression tout au long du développement, le but de la troisième étude était de déterminer quelle information est utilisée dans le développement pour reconnaître une expression utilisant l'eye-tracking. Nous avons enregistré les mouvements oculaires d’enfants âgés de 5 ans à l'âge adulte lors de la reconnaissance des six émotions de base en utilisant des conditions de vision naturelles et des conditions contingentes du regard. L'analyse statistique multivariée des données sur les mouvements oculaires au cours du développement a révélé l'âge auquel les stratégies perceptuelles pour la reconnaissance des expressions faciales des émotions deviennent matures. Les stratégies de mouvement oculaire du groupe d'adolescents les plus âgés, 17 à 18 ans, étaient les plus similaires aux adultes, quelle que soit leur expression. Une dépression dans le développement de la similarité stratégique avec les adultes a été trouvé pour chaque expression émotionnelle entre 11 et 14 ans et légèrement avant, entre 7 et 8 ans, pour la joie. Enfin, la précision de la reconnaissance des expressions de joie, colère et tristesse ne diffère pas d’un groupe d’âge à l’autre, mais les stratégies des mouvements oculaires divergent, ce qui indique que diverses approches sont possibles pour atteindre une performance optimale. En résumé, les études cartographient les trajectoires complexes et non uniformes du développement de la reconnaissance des expressions faciales en comparant l'utilisation des informations visuelles depuis la petite enfance jusqu'à l'âge adulte. Les études montrent non seulement dans quelle mesure la reconnaissance des expressions faciales se développe avec l’âge, mais aussi comment cette expression est obtenue tout au long du développement en déterminant si les stratégies perceptuelles sont similaires à travers les âges et à quel stade elles peuvent être considérées comme matures. Les études visaient à fournir la base d’une compréhension du développement continu de la reconnaissance des expressions faciales, qui faisait auparavant défaut dans la littérature. Les travaux futurs visent à approfondir cette compréhension en examinant comment la reconnaissance des expressions se développe en relation avec d'autres aspects du traitement cognitif et émotionnel ce qui pourrait permettre d'éclaircir si des aspects neuro-développementaux seraient à l’origine de la dépression présente entre 7-8 et 11-14 ans lorsque l’on compare les stratégies de fixations des enfants à celles des adultes.
    Summary
    In this thesis, I aimed to map the development of facial expression recognition from early childhood up to adulthood by identifying for the first time in the literature the quantity and quality of visual information needed to recognise the six 'basic' emotions. Using behavioural and eye tracking measures, the original contributions of this thesis include: 1. An unbiased fine-grained mapping of the continued development of facial expression recognition for the six basic emotions with the introduction of a psychophysical measure to the literature; 2. The identification of two main phases in the development of facial expression recognition, ranging from 5 to 12 years old and 13 years old to adulthood; 3. The quantity of signal and intensity information needed to recognise the six basic emotions across development; 4. The processing of signal and intensity information becomes more discriminative during development as less information is needed with age to recognise anger, disgust, surprise and sadness; 5. Novel analysis of response profiles (the sequence of responses across trials) revealed subtle but important changes in the sequence of responses along a continuum of age - profiles become more similar with age due to less random erroneous categorizations; 6. The comparison of two recognition measures across the same cohort revealing that two types of stimuli commonly used in facial emotion processing studies (expressions at full intensity vs. expressions of varying intensities) cannot be straightforwardly compared during development; 7. Novel eye movement analyses revealed the age at which perceptual strategies for the recognition of facial expressions of emotion become mature. An initial review of the literature revealed several less studied areas of the development of facial expression recognition, which I chose to focus on for my thesis. Firstly, at the outset of this thesis there were no studies of the continued development of facial expression recognition from early childhood up to adulthood. Similarly, there were no studies which examined all six of, what are termed, the 'basic emotions' and a neutral expression within the same paradigm. Therefore, the objective of the first study was to provide a fine-grained mapping of the continued development for all six basic expressions and neutral from the age of 5 up to adulthood by introducing a novel psychophysical method to the developmental literature. The psychophysical adaptive staircase procedure provided a precise measure of recognition performance across development. Using linear regression, we then charted the developmental trajectories for recognition of each of the 6 basic emotions and neutral. This mapping of recognition across development revealed expressions that showed a steep improvement with age – disgust, neutral, and anger; expressions that showed a more gradual improvement with age – sadness, surprise; and those that remained stable from early childhood – happiness and fear; indicating that the coding for these expressions is already mature by 5 years of age. Two main phases were identified in the development of facial expression recognition as recognition thresholds were most similar between the ages of 5 to 12 and 13 to adulthood. In the second study we aimed to take this fine-grained mapping of the development of facial expression recognition further by quantifying how much visual information is needed to recognise an expression across development by comparing two measures of visual information, signal and intensity. Again, using a psychophysical approach, this time with a repeated measures design, the quantity of signal and intensity needed to recognise sad, angry, disgust, and surprise expressions decreased with age. Therefore, the processing of both types of visual information becomes more discriminative during development as less information is needed with age to recognize these expressions. Mutual information analysis revealed that intensity and signal processing are similar only during adulthood and, therefore, expressions at full intensity (as in the signal condition) and expressions of varying intensities (as in the intensity condition) cannot be straightforwardly compared during development. While the first two studies of this thesis addressed how much visual information is needed to recognise an expression across development, the aim of the third study was to investigate which information is used across development to recognise an expression using eye-tracking. We recorded the eye movements of children from the age of 5 up to adulthood during recognition of the six basic emotions using natural viewing and gaze-contingent conditions. Multivariate statistical analysis of the eye movement data across development revealed the age at which perceptual strategies for the recognition of facial expressions of emotion become mature. The eye movement strategies of the oldest adolescent group, 17- to 18-year-olds, were most similar to adults for all expressions. A developmental dip in strategy similarity to adults was found for each emotional expression between 11- to 14-years, and slightly earlier, 7- to 8-years, for happiness. Finally, recognition accuracy for happy, angry, and sad expressions did not differ across age groups but eye movement strategies diverged, indicating that diverse approaches are possible for reaching optimal performance. In sum, the studies map the intricate and non-uniform trajectories of the development of facial expression recognition by comparing visual information use from early childhood up to adulthood. The studies chart not only how well recognition of facial expressions develops with age, but also how facial expression recognition is achieved throughout development by establishing whether perceptual strategies are similar across age and at what stage they can be considered mature. The studies aimed to provide the basis of an understanding of the continued development of facial expression recognition which was previously lacking from the literature. Future work aims to further this understanding by investigating how facial expression recognition develops in relation to other aspects of cognitive and emotional processing and to investigate the potential neurodevelopmental basis of the developmental dip found in fixation strategy similarity.