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18 juin

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L’effet domino dans les décisions collectives des bancs de poissons

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L’étude des mécanismes de coordination des mouvements et de propagation de l’information dans des bancs de poissons ou des nuées d’oiseaux, par exemple en cas d’attaque de prédateurs, est essentielle pour comprendre les bénéfices de la vie en groupe. Les chercheurs ont étudié et modélisé la propagation d’information dans des bancs de poissons lorsque ceux-ci changent collectivement la direction de leurs déplacement. Les résultats, publiés le 25 avril 2018 dans les Proceedings of the Royal Society B, montrent que chaque poisson imite le comportement d’un petit nombre de ses voisins et que ce mécanisme se propage de proche en proche à la manière d’un effet domino.

© David Villa ScienceImage/CBI/CNRS, Toulouse

© David Villa ScienceImage/CBI/CNRS, Toulouse

Les déplacements collectifs de groupes d’animaux constituent un des phénomènes les plus spectaculaires observés dans la nature, mais l’analyse rigoureuse de ces phénomènes est très récente et n’a été rendu possible que grâce aux progrès technologiques réalisés dans l’acquisition et le traitement des données. Ces mouvements collectifs résultent d’interactions locales entre les individus et s’accompagnent de la formation de structures spatiales et temporelles à grande échelle. Ils jouent un rôle fondamental dans la défense du groupe, la reproduction, ou la recherche de nourriture, améliorant la capacité de survie des individus. Pour comprendre ces phénomènes collectifs, il est important de caractériser la dynamique des interactions entre les individus d’un groupe.

Des chercheurs du CNRS à Toulouse, de l’Université Normale à Pékin, et de l’Université de Groningen aux Pays-Bas ont ainsi étudié une espèce de poisson tropical, le nez rouge (Hemigrammus rhodostomus), dont le comportement de nage en banc est très prononcé. Des groupes de 1 à 20 poissons ont été placés dans un dispositif annulaire et les déplacements de chaque individu ont été suivis automatiquement au moyen d’un logiciel. Dans ce dispositif, les groupes de poissons nagent soit dans le sens des aiguilles d’une montre, soit dans le sens opposé, et ils effectuent spontanément et collectivement des demi-tours. Les chercheurs ont étudié l’effet de la taille de groupe sur la fréquence de ces demi-tours ainsi que la dynamique des interactions entre les poissons au cours de ces évènements. Ils ont observé que la fréquence des demi-tours diminue fortement lorsque la taille du groupe augmente, passant de plusieurs demi-tours par minute dans les petites tailles de groupe à un demi-tour toutes les demi-heures pour les plus grandes. Il est plus difficile pour un poisson d'initier un demi-tour lorsque le nombre de poissons nageant dans la direction opposée devient trop important. Par ailleurs, dans toutes les tailles de groupe, les poissons qui initient le demi-tour du groupe sont le plus souvent ceux qui sont situés en tête, car dans cette position, ils sont moins sensibles à l’influence des autres. Une fois qu’un demi-tour a été initié par un poisson, la nouvelle direction de nage se propage linéairement à l’ensemble du groupe d’avant en arrière. Il n’y a donc ni amortissement ni amplification de l’information. On observe un effet de type domino, ce qui suggère qu’à chaque instant, les poissons interagissent uniquement avec un petit nombre de leurs voisins (entre un et deux). De plus, les chercheurs ont montré que les demi-tours étaient précédés en amont d’une phase de ralentissement du groupe. Comme ils l’ont mis en évidence dans des travaux précédents, ce ralentissement engendre une amplification des fluctuations des directions de nage individuelles résultant de la diminution de l’interaction d’alignement entre poissons avec leur vitesse, et favorisant ainsi l’émergence d’un demi-tour.

Pour mieux comprendre les mécanismes individuels à l’origine de ces phénomènes et comment la taille de groupe influence leur fréquence d’apparition, les chercheurs ont développé un modèle s’inspirant du modèle d’Ising utilisé en physique statistique pour décrire différents phénomènes dans lesquels des effets collectifs résultent d’interactions locales entre particules à deux états, comme le ferromagnétisme des aimants. Dans ce modèle, un petit nombre de paramètres permet de contrôler l’intensité avec laquelle les poissons imitent la direction de nage de leurs voisins et comment l’intensité de cette imitation est pondérée par la position relative des voisins autour d’un poisson. En effet, l’anisotropie de perception des poissons favorise l’imitation de la direction des voisins situés devant le poisson au détriment de ceux situés à l’arrière. Ce modèle permet d’introduire des mesures quantitatives inspirées de la physique statistique, tel que « l’inconfort » d’un individu vis-à-vis de la direction de nage des autres membres du groupe, analogue à une « énergie d’interaction sociale ». La comparaison des simulations du modèle avec les observations expérimentales suggère que l’influence de la conformité sociale, c’est-à-dire la tendance d’un individu à imiter le comportement de ses voisins, s’exerce de manière non-linéaire sur les poissons et qu’elle est fortement modulée par leur anisotropie de perception. Le modèle montre que la combinaison de ces deux mécanismes permet d’expliquer l’ensemble des dynamiques collectives observées expérimentalement, ainsi que la propagation de l’information dans le banc qui est similaire à un effet domino.

L’étude du traitement collectif de l’information chez les animaux vivant en groupe ou en sociétés plus organisées, comme les insectes sociaux, permet de mieux comprendre les mécanismes qui, au niveau individuel, conditionnent la capacité qu’ont ces groupes à développer une forme d’intelligence collective, c’est-à-dire leur capacité à résoudre collectivement des problèmes de nature très variée. En outre, ces travaux ouvrent des perspectives pour le développement d’algorithmes bio-inspirés permettant le contrôle distribué d’essaims de drones ou de groupes de microrobots autonomes dans des tâches collectives impliquant la coordination de multiples actions individuelles.

Pour lire l'intégralité de cet article, voir le site de l'Institut des sciences biologiques du CNRS.
 

Dates
le 3 mai 2018

Date de mise à jour 3 mai 2018


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