Catégorie d'événements : Soutenance de thèse

Soutenance en français

Equipe : Comportements collectifs (CAB), CRCA-CBI

Encadrement : Guy THERAULAZ (CRCA-CBI) & Clément SIRE (LPT)

Jury :

• Laeticia Gauvin, Directrice de Recherches à l’IRD, Aubervilliers, France (Rapporteure)
• David Chavalarias, Directeur de Recherches au CNRS, Institut des Systèmes Complexes de Paris Île-de-France, France (Rapporteur)
• Alain Barrat, Directeur de recherches au CNRS, Centre de Physique Théorique, Marseille, France (Examinateur)
• Umberto Grandi, Professeur, Université Toulouse Capitole, Toulouse, France (Examinateur)
• Clément Sire, CNRS, Directeur de Recherches au CNRS, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Co-directeur de thèse)
• Guy Theraulaz, CNRS, Directeur de Recherches au CNRS, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Co-directeur de thèse)

Résumé:

Stigmergy is a generic coordination mechanism widely used by animal societies, in which traces left by individuals in the environment guide and stimulate the subsequent actions of the same or different individuals. In the human context, with the digitization of society, new forms of stigmergic processes have emerged through the development of online services that extensively exploit the digital traces left by their users, in particular, using rating-based recommendation systems. Therefore, understanding the impact of these digital traces on both individual and collective decision-making is essential.

This study pursues two main objectives. First, I investigate and develop a model of the interactions of groups of individuals with their digital traces, and determine how they can exploit these traces to cooperate in an information search task. Subsequently, the research explores the impact of intragroup and intergroup competition on the dynamics of cooperation in the framework of this information search task.

To answer these questions, we have developed the online multiplayer Stigmer game, on which we base 16 series of experiments under varying conditions. In this game, groups of individuals leave and exploit digital traces in an information search task that implements a 5-star rating system. This system is similar to recommendation systems used by many online marketplaces and platforms, where users can evaluate products, services, or sellers. In the game, all individuals interact with a grid of hidden values, searching for cells with the highest values, and using only indirect information provided in the form of colored traces resulting from their collective ratings. This controlled environment allows for a thorough and quantitative analysis of individual and collective behaviors, and offers the possibility of manipulating and studying the combined impact of intragroup and intergroup competition on cooperation.

The experimental and modeling results indicate that the type and intensity of competition determine how individuals interpret and use digital traces, and impact the reliability of the information delivered via these traces. This study reveals that individuals can be classified into three behavioral profiles that differ in their degree of cooperation: collaborators, neutrals, and defectors. When there is no competition, digital traces spontaneously induce cooperation among individuals, highlighting the potential for stigmergic processes to foster collaboration in human groups. Likewise, competition between two groups also promotes cooperative behavior among group members who aim to outperform the members of the other group. However, intragroup competition can prompt deceptive behaviors, as individuals may manipulate their ratings to gain a competitive advantage over the other group members. In this situation, the presence of misinformation reinforces the use of private information over social information in the decision-making process. Finally, situations that combine both intragroup and intergroup competition display varying levels of cooperation between individuals, that we explain.

This research establishes the foundations for understanding stigmergic interactions in digital environments, shedding light on the relationships between competition, cooperation, deception, and decision-making. The insights gained may contribute to the development of sustainable and cooperative personalized decision-making algorithms and artificial collective intelligence systems grounded in stigmergy.

Soutenance en anglais

Equipe : Comportements collectifs (CAB), CRCA-CBI

Encadrement : Guy THERAULAZ (CRCA-CBI) & Gautier HATTENBERGER (ENAC)

Jury :

• Pr. Sabine Hauert, Associate Professor, University of Bristol, Royaume-Uni (Rapporteure)
• Dr. Franck Ruffier, Directeur de Recherches au CNRS, Aix-Marseille Université, France (Rapporteur)
• Dr. Aurélie Dupont, Chargée de recherches au CNRS, Université Grenoble Alpes, France (Examinatrice)
• Mme Marie-Pierre Gleizes, Professeure, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Examinateur)
• Pr. M. Gautier Hattenberger, Professeur, Ecole Nationale de l’Aviation Civile, Toulouse (Co-directeur de thèse)
• Dr. Guy Theraulaz, CNRS, Directeur de Recherches au CNRS, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Co-directeur de thèse)

Résumé:

Cette thèse explore l’application d’un modèle bio-inspiré du mouvement collectif, inspiré du comportement d’une espèce de poisson, pour guider et coordonner un essaim de drones dans divers contextes et environnements. Les principaux objectifs de la thèse sont de comprendre le modèle biologique, de l’adapter à un algorithme de guidage en 3D, de le valider avec des simulations et des expériences, et de l’améliorer avec des capacités de navigation, d’évitement d’obstacles et d’exploration. Initialement, une revue des modèles biologiques et des stratégies de contrôle d’essaim de drones met l’accent sur les avantages et les défis des approches bio-inspirées, les concepts et les architectures de la robotique en essaim, ainsi que les problèmes de perception et de communication au sein d’un essaim de drones.

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Equipe : Collective Animal Behaviour (CAB), CRCA-CBI

Encadrement : Guy THERAULAZ (CRCA-CBI) & Zhangang HAN, Beijing Normal University

Jury :

• • Pr. Wang Dahui, Beijing Normal University, Chine (Examinateur)
  • Pr. Zhixin Liu, Academy of Mathematics and Systems Science, Chine (Rapporteure)
  • Pr. Fernando Peruani, CY Cergy Paris Université, France (Rapporteur)
  • Pr. Nicolas Destainville, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Examinateur)
  • Pr. Zhangang Han, Beijing Normal University, Chine (Co-directeur de thèse)
  • Dr. Guy Theraulaz, CNRS, Université Toulouse Paul Sabatier, France (Co-directeur de thèse)

Résumé :

Collective motion in groups of organisms is a ubiquitous phenomenon observed at all biological scales. From the collective migration of cells during a immune response to the collective response of fish schools to predators attacks, researchers have investigated the mechanisms that enables the coordination of movements and the formation of ordered structures in time and space in these living systems composed of a large number of constituents. It has been well established that the coordination of movements among individuals in a moving group results from a self-organization process, in which individuals repeatedly interact with their local neighbors. On the other hand, many existing computational models, due to their excessive simplification and lack of biological relevance, still face challenges in revealing the interaction rules from which collective motion emerges in various biological systems.. In this thesis, focusing on the challenging issues mentioned above, we have investigated the interacting rules involved in the emergence of collective states in data-driven fish school models. The models describe the interactions involved in burst-and-coast swimming in groups of Hemigrammus rhodostomus. We have first investigated the impact perceptual and cognitive factors on collective states. We then investigated the long-term collective behavior of schools in burst-and-coast swimming fish.

1. In natural conditions, social interactions can be modulated by the perceptual and cognitive abilities of animals as a result of adaptive fitness to the environment. The resulting collective states of the moving group will therefore change. To quantitatively investigate the impact of perceptual and cognitive factors on collective swimming mediated by social interactions, we comprehensively analyze the phase plane of a data-driven model that characterize social interactions involved in burst-and-coast swimming in schools of Hemigrammus rhodostomus. We find that coordinated swimming patterns of schooling and milling can emerge even if fish only interact with their most or two most influential neighbors, providing the existence of a minimal level of attraction between fish to maintain cohesion. We also find that the range of social interactions, which characterizes the perceptual ability of fish, has similar effects on collective states as the strength of interactions.

2. The burst-and-coast swimming mode is widely adopted by various species of fish. Fish are sensitive to the movements of other conspecifics in the burst phase, but neglect this information during the coasting phase. Therefore, this swimming mode potentially affects the coordination between fish. However, few studies have focused on the long-term collective behaviors of fish with a burst-and-coast swimming mode. We address this question by analyzing the phase plane and the long-term behavior with a model that quantitatively describes the general pattern of burst-and-coast swimming and social interactions between fish. We find that fish can effectively coordinate their behaviors in a broad range of interaction strengths when information about only one or two most influential neighbors is perceived. In long-term, the stability of schooling and milling states depends on whether group cohesion can be maintained.

Mots clefs : Collective Behavior, Self-organization, data-driven modeling, fish school.

Soutenance en français

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Equipe : Collective Animal Behaviour (CAB), CRCA-CBI

Encadrement : Vincent Fourcassié (CRCA-CBI)

Jury :

Présidente de jury :

• • Audrey Dussutour, Directrice de recherche au CRCA-CBI

Rapporteurs :

• • François-Xavier Dechaume-Moncharmont, Professeur, Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés, Université Claude Bernanrd Lyon 1
  • Thibaud Monnin, Directeur de Recherche, Institut d’Écologie et des Sciences de l’Environnement de Paris (iEES Paris), Sorbonne Université
  • Andrea Perna, Senior Lecturer, Assistant professor, IMT School for Advanced Studies in Lucca, Italy

Examinatrice :

• • Claire Detrain, Directrice de recherche au FRS – FNRS (Bruxelles)

Directeur de Thèse :

• • Vincent Fourcassié, Directeur de recherche, CRCA CBI (Toulouse)

Résumé :

Les fourmis sont connues pour leurs capacités d’auto-organisation et leurs performances hors du commun dans les activités de fourragement et de transport, et ce, avec des capacités cognitives relativement réduites. Elles sont capables de résoudre des problèmes parfois complexes, comme le choix parmi plusieurs options du chemin le plus court, la thermorégulation du nid, ou encore la régulation énergétique et nutritive de la colonie, avec une aisance déconcertante. Chez les fourmis, la solution du problème à l’échelle collective émerge de la somme d’interactions simples et locales entre elles et leurs milieux (par dépôt de phéromones par exemple). Les fourmis sont par conséquent, un modèle pertinent pour étudier la prise de décision à l’interface entre des individus simples et limités cognitivement et un collectif complexe et pertinent, voire optimal.

Une des tâches dans lesquelles s’illustrent parfaitement les fourmis est le transport. Les fourmis constituent en effet un des rares groupes d’espèces capables de déplacer des objets de masse importante sur de longues distances, une fois ramenées à leurs échelles. Elles sont notamment capables de s’organiser autour d’une charge et de la porter collectivement afin de dépasser leurs limitations individuelles. Les tâches de transports sont omniprésentes durant le fourragement, la construction du nid, ou encore le soin au couvain, et sont donc essentielles pour la colonie. Chaque décision de porter un objet d’un point A à un point B entraîne un coût énergétique potentiellement important pour les fourmis. Une forme de régulation de l’effort pourrait donc être attendue. Cette thèse se propose d’étudier les prises de décision des fourmis dans des contextes de transports, et de les mettre en relation avec les coûts énergétiques produits. La question principale motivant nos recherches est donc : quelle est la place de la régulation énergétique dans les prises de décision de transport chez les fourmis ?

La thèse est constituée de deux chapitres portant sur la même question étudiée dans deux contextes différents et sur deux espèces différentes. Premièrement nous avons étudié le transport d’objet dans une tâche de choix binaire, à savoir le transport d’obstacle lors de la désobstruction d’une galerie souterraine chez Messor barbarus. Puis, nous nous nous sommes intéressés à l’impact de la mobilité d’une charge dans un contexte de transport collectif chez Aphaenogaster senilis.

Nous avons quantifié la qualité des transports effectués avec des mesures objectives comme l’efficacité ou le travail mécanique issus de modèles mécaniques réalisés pour cette thèse. Nous nous sommes intéressés notamment aux prises mandibulaires sur la charge, en les considérant comme la base du comportement de transport. Les prises mandibulaires marquent en effet autant l’initiative du transport (au début de la prise) que la persistance sur la tâche (par leurs durées).

Nous avons observé que les fourmis, quand elles sont confrontées à un choix entre deux options pour dégager un objet obstruant une galerie plus ou moins inclinée, tiraient l’objet vers le côté nécessitant le plus faible travail mécanique dans 75% des cas. Cependant, si la fourmi semble résoudre cette tâche individuellement de manière efficace, cette efficacité reste toute relative au niveau collectif. Nous avons aussi observé que, si les durées des prises mandibulaires sur l’objet étaient plus courtes sur des tâches plus dures, la quantité d’énergie utilisée, elle, restait inchangée. La quantité d’énergie utilisée semble dépendre des capacités musculaires des fourmis, ce qui pourrait indiquer qu’elles accomplissent un effort relatif similaire à chaque tentative de transport.

Lors de transports collectifs, nous avons observé que les fourmis ne se disposaient pas autour de la charge de manière aléatoire. Les dispositions préférées par les fourmis sont celles réduisant les forces totales à mobiliser pour maintenir l’objet au-dessus du sol. Cette préférence des fourmis pour les dispositions avantageuses disparaît si la charge est maintenue par une épingle. On note aussi que les dispositions désavantageuses sont abandonnées plus vite que les autres, suggérant une forme de régulation énergétique du comportement sur la tâche.

Mots clefs : Ethologie quantitative, Prise de décision, transport de charge, Optimisation, Comportement collectifs, Fourmis

 

Soutenance en anglais

Lien Zoom : https://us06web.zoom.us/j/86474991977

Equipe : BeeAntCE

Encadrement : Antoine WYSTRACH & Jacques GAUTRAIS

Jury :

• M. Andrew PHILIPPIDES, University of Sussex, Rapporteur
• Mme Emily BAIRD, Stockholm University, Examinatrice
• M. Antoine WYSTRACH, CNRS, Co-directeur de thèse
• M. Franck RUFFIER, CNRS – Institut des Sciences du Mouvement Marseille, Examinateur
• Mme AUDREY DUSSUTOUR, CNRS, Examinatrice
• M. Simon BENHAMOU, CNRS / CEFE, Rapporteur

Résumé :

La navigation est une capacité essentielle pour les animaux, mais est une tâche complexe en raison de la nature de l’environnement qui est en constante évolution. Les hyménoptères, tels que les fourmis, ont développé des capacités remarquables pour naviguer dans ces environnements complexes malgré un système nerveux beaucoup plus simple que celui des vertébrés. Ainsi, les fourmis sont un modèle puissant pour étudier les mécanismes sous-jacents à la navigation.

Grâce au développement d’outils neurobiologiques chez les insectes, nous avons maintenant une description de plus en plus détaillée des circuits de ces « mini-cerveaux ». Ces réseaux, composés d’un grand nombre d’unités en interactions (neurones), sont le site d’une activité interne très dynamique qui permet un couplage efficace de l’organisme avec son environnement. Le domaine de la navigation des insectes a intégré cette connaissance neurobiologique avec une tradition de longue date d’expériences comportementales, couplé, plus récemment, à de la modélisation. Cette approche intégrative a fourni des informations précieuses sur la manière dont les comportements complexes émergent.

Cette thèse présente une approche intégrative combinant des expériences comportementales et de modélisation dans le but de mieux comprendre les mécanismes de la navigation chez les fourmis.

Premièrement, je m’intéresse à la dynamique de l’apprentissage visuel lorsque les fourmis naviguent dans des conditions naturelles. Il y a déjà de bonnes connaissances sur la manière dont le cerveau des insectes peut mémoriser et reconnaître des vues, et comment ces vues peuvent être utilisées pour la navigation. Cependant, on ne sait pratiquement rien sur la façon dont l’apprentissage est orchestré en premier lieu. Apprendre une route ne peut pas être régie uniquement par des récompenses et des punitions, mais peut se produire de manière continue ; un concept vague appelé « apprentissage latent » dans la littérature des vertébrés. En combinant modélisation et expériences de terrain, je montre que les fourmis apprennent les routes de manière continue, soutenue par des mémoires égocentriques plutôt qu’une reconstruction de l’espace sous forme de ‘carte cognitive’.

Deuxièmement, je mets en lumière comment la reconnaissance visuelle de niveau « supérieur» et le contrôle moteur basal interagissent. La plupart, voire toutes, les études sur la navigation animale se concentrent sur l’utilisation des stratégies de haut niveau telles que l’intégration du trajet, la reconnaissance de repères visuels appris et l’utilisation de cartes cognitives. Cependant, comment ces stratégies de haut niveau sont soutenues par les comportements moteurs de bas niveau (souvent plus ancestraux) reste largement inexploré. J’ai enregistré avec une grande précision le comportement moteur des fourmis directement dans leur environnement naturel et montré que les stratégies de navigation de haut niveau sont soutenues par un contrôle moteur de bas niveau. Nous révélons ici l’existence – et l’importance – d’un oscillateur intrinsèque au cœur des comportements de navigation. Finalement, j’ai étudié les indices spécifiques encodés par les fourmis dans les scènes visuelles.

J’ai utilisé la réalité virtuelle (RV) pour explorer quels indices visuels sont encodés par les fourmis pour déclencher leurs comportements de navigation. Grâce à cette approche, j’ai pu déterminer sur quelles caractéristiques les fourmis se basent pour déterminer si l’environnement perçu déclenche ou non un comportement d’exploration.

Dans l’ensemble, cette thèse m’a permis de comprendre que le comportement, plutôt que d’être un ensemble d’actions discrètes, est un processus continu où l’intelligence peut être considérée comme une propriété émergente. J’ai utilisé diverses approches, certaines réussies, d’autres infructueuses, mais toutes ont amélioré ma vision de la façon dont je dois poser et répondre à une question scientifique.