Le cerveau multidimensionnel

Accueil du site Neuro-PSI > La Recherche > Cognition & Comportement > Equipe Nicolas Mathevon

Equipe Neuro-Éthologie Sensorielle (ENES)

Responsable : Nicolas Mathevon (Université de Saint-Étienne &
Institut universitaire de France)

Elucider comment les contraintes environnementales et sociales façonnent l’évolution de la communication acoustique et la capacité à produire des vocalisations portant des informations complexes chez les animaux et les humains est l’un des défis les plus intéressants de la science moderne. Nous proposons une vision comparative et expérimentale pour aborder cette question, en développant une alliance entre la recherche sur le comportement des animaux sauvages sur le terrain et les investigations en laboratoire. Notre recherche s’articule autour de quatre axes : un axe phylogénétique avec une approche comparative des systèmes de communication à travers le phylum des vertébrés (poissons, crocodiles, oiseaux et mammifères) ; un axe transdisciplinaire en étudiant les processus au niveau du cerveau ainsi qu’au niveau comportemental ; un axe de complexité sociale en focalisant d’un côté sur des systèmes « simples » trouvés par exemple chez des poissons et crocodiles, et de l’autre sur des systèmes complexes voire très complexes (oiseaux, mammifères marins, singes et Humain) ; un axe appliqué où notre approche bioacoustique est valorisée pour évaluer les impacts des activités humaines sur le comportement des animaux et sert à développer des solutions de gestion de la faune qui intègrent la dimension éthologique.

Notre équipe comprend 1 professeur, 6 maître·sses de conférence (tous et toutes avec une lourde charge d’enseignement), 1,5 technicien·nes, post-docs et doctorant·es. Nous sommes des éthologistes, spécialisé·es en bioacoustique, et nous travaillons en étroite collaboration avec des neurobiologistes d’une part (électrophysiologistes, spécialistes de l’imagerie cérébrale) et d’autre part des écologistes du comportement. Au sein de Neuro-PSI, notre équipe est sous la tutelle de deux organisations : l’université de Saint-Etienne et le CNRS.

Projets scientifiques

Communication acoustique non-verbale chez le bébé humain

Pleurer est un mécanisme essentiel de survie pour le bébé humain. Pourtant, l’information encodée dans les pleurs reste mal comprise, et les facteurs modulant la perception des pleurs par les auditeurs adultes n’ont pas été étudiés en profondeur. Pour améliorer notre compréhension de la nature et de la fonction des pleurs des bébés, nous avons entamé une recherche pluridisciplinaire à long terme (du comportement au cerveau) centrée sur le codage (production) et le décodage (perception) de ce signal de communication. Un premier objectif de notre projet est de rechercher des corrélations fiables entre structure des pleurs, sources de stress et niveaux de stress. En utilisant des outils d’analyse sonore dédiés pour comparer la structure des pleurs des bébés en bonne santé enregistrés dans des conditions contrôlées différant par le degré de stress (bain, vaccinations), nous avons identifié la « rugosité » vocale, un facteur acoustique composite caractérisant le niveau d’apériodicité. des pleurs, qui diffèrent entre différents niveaux d’inconfort ou de douleur. De plus, nous avons montré qu’à l’âge de 3 mois les pleurs des bébés humains supportent une signature individuelle bien définie qui permet aux parents d’identifier leur bébé de manière fiable. Nous avons montré que les mères et les pères peuvent reconnaître de manière fiable et égale leur bébé sur la base de leurs pleurs, et que le seul facteur crucial affectant cette capacité est le temps passé par le parent avec son propre bébé (résultats publiés dans Nature Communications ). Nos résultats soulignent ainsi l’importance de l’exposition et de l’apprentissage dans le développement de cette capacité. Dans une troisième ligne de recherche, nous avons étudié les conséquences des stéréotypes sexuels sur la perception des adultes des pleurs des bébés. Nous avons trouvé que le dimorphisme vocal caractérisant la voix des adultes (les hommes ont une voix plus graves que les femmes) est généralisé par les auditeurs et auditrices adultes à leur perception des pleurs des bébés : les pleurs aigus des bébés de 3 mois sont plus susceptibles d’être attribués aux filles tandis que les graves sont attribués à des garçons, malgré l’absence de différences sexuelles dans la hauteur du pleur à cet âge. De plus, nous avons constaté que les hommes adultes ont jugé que les pleurs aigus exprimaient plus d’inconfort lorsqu’ils étaient présentés comme appartenant à des garçons que lorsqu’ils étaient présentés comme appartenant à des filles. Ces premiers résultats soulignent l’importance d’approfondir l’étude de l’impact des stéréotypes sexuels sur l’évaluation des pleurs des bébés par les adultes, afin de mieux comprendre comment les pleurs facilitent la communication parent-bébé.

Communication en environnements acoustiques extrêmes

L’un des défis majeurs dans le champ des communications acoustiques est de comprendre comment des sons complexes sont reconnus dans des environnements naturels. Ce processus comprend de multiples tâches : séparation des sources sonores (localiser la source pertinente parmi les autres sources), optimisation du rapport signal sur bruit (séparer le signal du bruit de fond comme les bruits environnementaux) et la catégorisation du signal (classer de manière cognitive les signaux en leur affectant une signification). Nous nous focalisons sur deux contextes biologiques : la communication en végétation dense et en environnements confus. De manière spécifique, nous étudions l’analyse de la scène auditive chez le diamant mandarin. Cet oiseau représente un modèle de laboratoire intéressant pour comprendre les processus neurophysiologiques de l’information codée par des signaux bruités.

Réseaux de communication acoustique chez des mammifères non-humains

Chez les animaux vivant dans des groupes sociaux, les individus forment des réseaux de communication essentiels à leurs interactions sociales. L’origine et le maintien de la structure du groupe social est donc un sujet central de la biologie du comportement. Alors qu’une approche consiste à comprendre les processus qui rendent compte de la socialité sur une échelle évolutive, notre approche proximale vise à déchiffrer les mécanismes par lesquels le tissu social est maintenu sur une échelle de vie individuelle. Nous avons exploré cette question en étudiant la communication vocale de trois primates non humains connus pour leurs relations sociales complexes (mandrill, gorille et bonobo) et un mammifère marin démontrant l’un des systèmes sociaux les plus compétitifs, l’éléphant de mer du nord. Contrairement à ce qui est communément admis, nous avons constaté que les mandrills et les bonobos démontrent un certain degré de plasticité vocale. Nous avons donc souligné que les appels de mandrills contiennent des informations sur la parenté génétique et le degré de familiarité entre JPEGles individus, et que les individus peuvent se fier uniquement à ces signaux vocaux complexes pour discriminer les parents inconnus (résultats publiés dans Nature Communications). Nous avons trouvé une plasticité similaire chez les bonobos et montré en outre que ces singes démontrent une reconnaissance vocale fiable des partenaires sociaux, même s’ils ont été séparés pendant cinq ans. En dehors des variations structurelles des signaux, les primates non humains peuvent suivre des formes primitives de règles conversationnelles, un résultat que nous avons trouvé en étudiant les échanges vocaux entre les gorilles. En outre, nous avons démontré que les mâles de l’éléphant de mer du Nord mémorisent et reconnaissent le tempo et le timbre uniques des voix de leurs rivaux et utilisent cette information rythmique pour identifier individuellement les compétiteurs, ce qui leur facilite la navigation dans le réseau social de la colonie reproductive (un résultat publié dans Current Biology).

Communication acoustique et appariement chez les oiseaux

Les avantages de la communication au cours des comportements coopératifs sont généralement supposés, mais la communication et la coopération s’influencent mutuellement. Le lien de couple monogame chez les oiseaux est un partenariat de coopération sur plusieurs aspects. Les partenaires travaillent en équipe pendant les soins parentaux et peuvent synchroniser des activités telles que la recherche de nourriture ou la défense des ressources. La coordination des comportements entre partenaires est donc un aspect central de la biologie de la liaison monogame et peut s’appuyer sur la communication acoustique par paire, étonnamment peu comprise. En se concentrant sur le diamant mandarin et en utilisant une approche multidisciplinaire impliquant la bioacoustique, la biologie comportementale, l’écologie, la physiologie et l’électrophysiologie, nous avons étudié comment la communication acoustique participe à la formation, la maintenance et le succès du couple. Nous avons montré que les oiseaux utilisent des cris au nid pour organiser les soins bi-parentaux. Nous avons également constaté que les échanges vocaux aident à maintenir le lien dans des situations diverses : lorsque le contact visuel est perdu, les partenaires augmentent la coordination temporelle de leurs appels ; dans un groupe, les oiseaux appellent préférentiellement directement leur partenaire. Nous avons également démontré que le contexte social influence l’activité cérébrale et le comportement vocal. Ainsi, l’isolement social des diamants mâles modifie non seulement le taux d’appel en réponse au partenaure, mais aussi la structure acoustique des cris. Remarquablement, nous avons démontré que les cris induits par le stress des mâles provoquent à la fois des changements de comportement et une augmentation des niveaux de corticostérone chez leur partenaire, fournissant la première preuve de résonance physiologique et de contagion émotionnelle chez une espèce d’oiseau chanteur.

Codage de l’information dans les vocalisations des crocodiles

Les signaux acoustiques des crocodiliens jouent un rôle majeur dans les premières étapes de la vie. Plus précisément, les soins parentaux sont la règle chez tous les crocodiliens et dépendent fortement des interactions acoustiques entre les mères (parfois les pères) et les jeunes. En plus de protéger le nid, les femelles aident les nouveau-nés à sortir des œufs et les protègent contre les prédateurs potentiels. Notre équipe a étudié les processus de communication qui coordonnent les comportements des mères et des jeunes depuis une décennie. Ces dernières années, nous avons trouvé des informations sur la taille de l’émetteur dans les cris juvéniles, et expérimentalement démontré que les mères de crocodiles du Nil se reproduisant dans la nature sont moins réceptifs aux appels de plus grands juvéniles. En utilisant des sons synthétisés, nous avons en outre montré que la réaction de la femelle dépend de la hauteur du cri. En outre, nous avons étudié comment les crocodiles traitent les conflits décisionnels émergeant de stimuli simultanés provenant de différents canaux sensoriels. Nous avons trouvé que les entrées d’une modalité sensorielle (par exemple audition) peuvent moduler la perception et la réaction comportementale à une autre (par exemple l’olfaction). Cette modulation inter-sensorielle peut contribuer à la prise de décision dans la nature.

Communication multi-modale chez le poisson

La communication est essentielle pendant les interactions sociales, particulièrement lors des conflits, et il s’agit souvent d’un processus complexe impliquant de multiples canaux sensoriels ou modalités. La façon dont les différentes modalités sensorielles interagissent au cours des interactions agonistiques reste largement inconnue chez les poissons. Pour aborder cette question, nous avons étudié les réponses comportementales à la fois au signal composite multimodal et à chaque composante unimodale. Nous avons trouvé que les signaux acoustiques seuls ne provoquent pas de réponse comportementale agonistique dans notre modèle, le poisson cichlidé Metriaclima zebra. À l’inverse, la perception visuelle d’un concurrent suffit à déclencher l’agressivité des mâles. Cependant, les stimuli sonores modulent l’intensité de la réponse agressive.

Analyse des scènes auditives chez l’oiseau

L’une des tâches les plus complexes accomplies par les systèmes sensoriels est l’« analyse de scène » : l’interprétation de signaux complexes en tant qu’objets pertinents du point de vue du comportement. L’étude de ce problème, universel pour les espèces et les modalités sensorielles, est particulièrement difficile concernant l’audition, car les sons provenant de diverses sources et localisations, dégradés par la propagation à travers l’environnement, forment un seul signal acoustique. Nous avons étudié comment la signature individuelle codée dans le cri longue distance du diamant mandarin se dégrade avec la propagation, et comment le cerveau de cet oiseau intègre les informations individuelles et de distance. Nous avons démontré que la signature individuelle des appels des diamants mandarins est très résistante à la dégradation induite par la propagation, et que les paramètres acoustiques les plus individualisés dépendent de la distance. En utilisant des expériences de conditionnement opérant, nous avons montré que les femelles sont capables de distinguer les signatures vocales dégradées de deux mâles, et qu’elles peuvent améliorer sensiblement leur capacité si elles peuvent s’entraîner sur des distances croissantes. Enfin, nous avons montré que cette impressionnante capacité de discrimination existe également au niveau neural : nous avons trouvé une population de neurones qui discriminent les voix individuelles avec divers degrés de dégradation induite par la propagation sans familiarisation ou entraînement préalable (résultat publié dans le Journal of Neuroscience). La découverte d’un tel traitement auditif de haut niveau, dans le cortex primaire des oiseaux, ouvre une nouvelle gamme d’investigations, à l’interface du traitement neuronal et du comportement.

Effets multi-échelles des facteurs de stress acoustiques dans les milieux aquatiques

Ce volet de recherche explore comment la pollution acoustique module le comportement animal et les interactions entre les espèces. Les réponses individuelles au bruit sont bien documentées, mais nous ne savons toujours pas comment elles se traduisent à des niveaux d’intégration plus élevés et affectent la coexistence des espèces et la stabilité de la communauté. De plus, alors que les effets du bruit ont été largement examinés chez les organismes terrestres et marins, nos connaissances restent rares pour les eaux douces. Nous caractérisons actuellement les caractéristiques spatio-temporelles du bruit anthropique dans des habitats d’eau douce (lacs) et testons, dans des conditions contrôlées, les réponses comportementales (niveau de l’organisme) et fonctionnelles (niveau des interactions).

Suivi acoustique de la faune sauvage

La bioacoustique est un outil émergent et important pour le suivi des populations animales et notre équipe est de plus en plus sollicitée par les parcs nationaux et régionaux, ainsi que par d’autres organisations en charge de la gestion de la faune. Considérant que l’une de nos missions en tant qu’équipe de recherche publique est d’assurer le transfert des connaissances scientifiques, nous avons commencé à développer des liens forts avec ces organismes. Ces dernières années, notre projet principal a tourné autour du suivi acoustique des populations de lagopèdes de roche Lagopus muta (une espèce d’oiseau en voie de disparition) dans les Alpes françaises et les Pyrénées. Dans le but de calibrer une méthode de recensement utilisant des enregistreurs automatiques bioacoustiques, nous avons identifié les caractéristiques acoustiques qui permettent une discrimination fiable entre les individus. Nous avons ensuite mis en place une méthode de triangulation qui prend en compte les contraintes particulières de transmission du son dans les zones montagneuses. À côté de sa facette appliquée, cette ligne de recherche apporte des données de première main sur les réseaux de communication acoustique chez les oiseaux.


  Webmaster Plan du site Planning Crédits
Syndication RSS  
  Format Mobiles
  Dev-Evo Cog-Comp Mol-Circ