Quels sont les principes fondateurs de l'auto-organisation des sociétés humaines ? Produits d'une évolution culturelle rapide, qui a pris le pas sur l'évolution biologique, celles-ci réclament une approche par des formalismes radicalement différents de ceux utilisés généralement dans l'étude des autres sociétés animales.<br /><br /><br />Concrètement, la modélisation des rapports entre individus et collectif considère le plus souvent des agents qui peuvent être représentés sous la forme d'une hiérarchie de règles, chacune se plaçant en position méta par rapport aux règles du niveau inférieur. Celles-ci peuvent s'interpréter, selon les niveaux, comme des règles de comportement, des règles de décision, des règles de transmission culturelle ou génétique.<br /><br />L'émergence de régularités au niveau collectif peut alors s'interpréter comme la sélection d'une distribution particulière sur l'ensemble des règles et métarègles définissant les agents. Dès lors, le problème de l'auto-organisation dans les systèmes économiques et sociaux se reformule autour de la question suivante : « Peut-on endogénéiser les distributions des métarègles de comportement de manière à ce qu'elles soient le produit des dynamiques collectives qu'elles définissent ? ».<br /><br />Nous montrons dans cette thèse que la prise en compte, dans les modèles formels, de la spécificité de l'imitation humaine permet de répondre positivement à cette question, un point essentiel étant qu'une règle d'imitation peut être sa propre métarègle. Nous proposons ainsi un cadre formel pour l'étude de sociétés d'agents mimétiques auto-organisées, les jeux métamimétiques ; le concept d'équilibre correspondant est alors l'état contrefactuellement stable : aucun agent ne peut s'imaginer mieux qu'il n'est en se mettant contrefactuellement à la place de l'un de ses voisins. Nous étudions ensuite les propriétés de ces jeux en prenant comme champs d'application le problème de l'émergence de la coopération dans un dilemme de prisonnier spatialisé. Nous montrons au passage, que cette approche permet d'échapper au dilemme.<br /><br /><br />Plus généralement, nous nous plaçons dans le cadre de la théorie des jeux stochastiques et nous explicitons le rôle structurant des perturbations dans ce type de système dynamique, les structures spatio-temporelles émergentes étant le produit du couplage entre la dynamique endogène des systèmes métamimétiques et la structure interne des perturbations. En rupture avec l'approche traditionnelle, ceci nous amène à interpréter l'hétérogénéité auto-organisée des systèmes sociaux humains comme une différenciation par un processus de co-évolution d'une multiplicité de critères possibles, plutôt que par un processus d'optimisation global d'un critère unique.

Cette thèse considère l'apprentissage de motifs récurrents dans la perception multimodale. Elle s'attache à développer des modèles robotiques de ces facultés telles qu'observées chez l'enfant, et elle s'inscrit en cela dans le domaine de la robotique développementale. Elle s'articule plus précisément autour de deux thèmes principaux qui sont d'une part la capacité d'enfants ou de robots à imiter et à comprendre le comportement d'humains, et d'autre part l'acquisition du langage. À leur intersection, nous examinons la question de la découverte par un agent en développement d'un répertoire de motifs primitifs dans son flux perceptuel. Nous spécifions ce problème et établissons son lien avec ceux de l'indétermination de la traduction décrit par Quine et de la séparation aveugle de source tels qu'étudiés en acoustique. Nous en étudions successivement quatre sous-problèmes et formulons une définition expérimentale de chacun. Des modèles d'agents résolvant ces problèmes sont également décrits et testés. Ils s'appuient particulièrement sur des techniques dites de sacs de mots, de factorisation de matrices et d'apprentissage par renforcement inverse. Nous approfondissons séparément les trois problèmes de l'apprentissage de sons élémentaires tels les phonèmes ou les mots, de mouvements basiques de danse et d'objectifs primaires composant des tâches motrices complexes. Pour finir nous étudions le problème de l'apprentissage d'éléments primitifs multimodaux, ce qui revient à résoudre simultanément plusieurs des problèmes précédents. Nous expliquons notamment en quoi cela fournit un modèle de l'ancrage de mots acoustiques.

Les mammifères ont la capacité de suivre différents comportements de navigation, définis comme des " stratégies " ne faisant pas forcément appel à des processus conscients, suivant la tâche spécifique qu'ils ont à résoudre. Dans certains cas où un indice visuel indique le but, ils peuvent suivre une simple stratégie stimulus-réponse (S-R). À l'opposé, d'autres tâches nécessitent que l'animal mette en oeuvre une stratégie plus complexe basée sur l'élaboration d'une certaine représentation de l'espace lui permettant de se localiser et de localiser le but dans l'environnement. De manière à se comporter de façon efficace, les animaux doivent non seulement être capables d'apprendre chacune de ces stratégies, mais ils doivent aussi pouvoir passer d'une stratégie à l'autre lorsque les exigences de l'environnement changent. La thèse présentée ici adopte une approche pluridisciplinaire - comportement, neurophysiologie, neurosciences computationnelles et robotique autonome - de l'étude du rôle du striatum et du cortex préfrontal dans l'apprentissage et l'alternance de ces stratégies de navigation chez le rat, et leur application possible à la robotique. Elle vise notamment à préciser les rôles respectifs du cortex préfrontal médian (mPFC) et de différentes parties du striatum (DLS :dorsolateral ; VS : ventral) dans l'ensemble de ces processus, ainsi que la nature de leurs interactions. Le travail expérimental effectué a consisté à : (1) étudier le rôle du striatum dans l'apprentissage S-R en : (a) analysant des données électrophysiologiques enregistrées dans le VS chez le rat pendant une tâche de recherche de récompense dans un labyrinthe en croix ; (b) élaborant un modèle Actor-Critic de l'apprentissage S-R où le VS est le Critic qui guide l'apprentissage, tandis que le DLS est l'Actor qui mémorise les associations S-R. Ce modèle est étendu à la simulation robotique et ses performances sont comparées avec des modèles Actor-Critic existants dans un labyrinthe en croix virtuel ; (2) Dans un deuxième temps, le rôle du striatum dans l'apprentissage de stratégies de type localisation étant supposé connu, nous nous sommes focalisés sur l'étude du rôle du mPFC dans l'alternance entre stratégies de navigation, en effectuant des enregistrements électrophysiologiques dans le mPFC du rat lors d'une tâche requiérant ce type d'alternance. Les principaux résultats de ce travail suggèrent que : (1) dans le cadre S-R : (a) comme chez le singe, le VS du rat élabore des anticipations de récompense cohérentes avec la théorie Actor-Critic ; (b) ces anticipations de récompense peuvent être combinées avec des cartes auto-organisatrices dans un modèle Actor-Critic obtenant de meilleures performances que des modèles existants dans un labyrinthe en croix virtuel, et disposant de capacités de généralisation intéressantes pour la robotique autonome ; (2) le mPFC semble avoir un rôle important lorsque la performance de l'animal est basse et qu'il faut apprendre une nouvelle stratégie. D'autre part, l'activité de population dans le mPFC change rapidement, en correspondance avec les transitions de stratégies dans le comportement du rat, suggérant une contribution de cette partie du cerveau dans la sélection flexible des stratégies comportementales. Nous concluons ce manuscrit par une discussion de nos résultats dans le cadre de travaux précédents en comportement, électrophysiologie et modélisation. Nous proposons une nouvelle architecture du système préfronto-striatal chez le rat dans laquelle des sous-parties du striatum apprennent différentes stratégies de navigation, et où le cortex préfrontal médian décide à chaque instant quelle stratégie devra régir le comportement du rat.

Les différences entre les voix de femmes et d'hommes relèvent de problématiques complexes et pluridisciplinaires. Le travail de recherche présenté ici traite des aspects phonétiques et psycholinguistiques de ces différences inter-genres. Le premier chapitre est consacré à une revue de la littérature du domaine. Les différences acoustiques ainsi que leur origine sont abordées, de même que le processus d'identification du genre par la voix chez les auditeurs et les conséquences psycholinguistiques de ces différences acoustiques inter-genres. L'ensemble de ces études sont présentées de manière critique et des perspectives de recherche sont évoquées. Le deuxième chapitre présente une analyse acoustique de (pseudo-)mots dissyllabiques produits par des locuteurs anglophones du nord-est des Etats-Unis et des francophones parisiens. Les fréquences de résonance, le F0 moyen, la plage de variation de F0, le VOT, la différence d'intensité H1-H2 ainsi que la durée des énoncés ont été mesurés. Des différences inter-genres significatives ont été observées dans les deux langues sur chacun des paramètres testés. D'autre part, d'importantes variations inter-langues ont été constatées pour la plage de variation de F0, les formants vocaliques et la différence H1-H2. Ces résultats suggèrent que les différences acoustiques hommes-femmes sont en partie dépendantes de la langue. Les enregistrements analysés ont ensuite été utilisés dans le cadre d'une expérience d'identification du genre par la voix. Cette dernière a été menée conjointement sur des auditeurs francophones parisiens avec les stimuli français, et sur des auditeurs anglophones américains avec les stimuli anglais. Les auditeurs avaient pour tâche d'identifier le genre du locuteur ayant produit le stimulus et d'indiquer leur degré de certitude. Chez les locuteurs des deux langues, les pourcentages de bonnes réponses sont significativement supérieurs au seuil de chance dès la présentation d'une consonne sourde initiale de mot et la présentation d'une voyelle initiale suffit pour obtenir des scores proches des 100 %. On constate par ailleurs que les paramètres acoustiques n'ont pas influencé de la même manière les auditeurs des deux langues. Ainsi, le F0 moyen et la qualité de voix (H1-H2) semblent avoir plus fortement influencé les auditeurs anglophones que les francophones, à l'inverse de la fréquence des formants vocaliques et de la plage de variation de F0. Le quatrième et dernier chapitre est consacré à une expérience de détection de mots, réalisée auprès d'auditeurs francophones. Le but de cette expérience est de tester le temps de réponse des participants en fonction du genre du locuteur ayant produit le mot-cible. Les résultats suggèrent que les voix d'hommes et de femmes sont traitées par l'auditeur à vitesse équivalente, mais néanmoins comme deux entités différentes. D'autre part, aucune corrélation significative entre la fréquence fondamentale moyenne du mot-cible et le temps de réponse des auditeurs n'a pu être mise en évidence. En conclusion, il apparaît que les différences acoustiques inter-genres tout comme le processus d'identification du genre par la voix sont fortement dépendants de la langue et donc construits socialement. Des perspectives de recherche et des applications pratiques sont proposées.

Les défis pour voir des robots opérant dans l'environnement de tous les jours des humains et sur une longue durée soulignent l'importance de leur adaptation aux changements qui peuvent être imprévisibles au moment de leur construction. C'est pourquoi, les robots doivent être capables d'apprendre continuellement dans des espaces infinis, non-stationnaires et de grande dimension. Il leur est impossible d'explorer tout son environnement pour apprendre pendant la durée limitée de sa vie. Pour être utile et acquérir des compétences, le robot doit au contraire être capable de savoir quelles parties échantillonner, et quels types de compétences il a intérêt à acquérir. Une manière de collecter des données est de décider par soi-même où explorer. Une autre manière est de se référer à un mentor. Nous appelons ces deux manières de collecter des données des modes d'échantillonnage. Le premier mode d'échantillonnage correspond à des algorithmes développés dans la littérature pour automatiquement pousser l'agent vers des parties intéressantes de l'environnement ou vers des types de compétences utiles. De tels algorithmes sont appelés des algorithmes de curiosité artificielle ou motivation intrinsèque. Le deuxième mode d'échantillonnage correspond au guidage social ou l'imitation, où un partenaire humain indique où explorer et où ne pas explorer. D'une étude des liens entre ces deux méthodes concurrentes, nous avons finalement construit une architecture algorithmique où les deux modes s'entremêlent en un structure hiérarchique, appelée Socially Guided Intrinsic Motivation (SGIM).

Depuis les vingt dernières années, l'industrie a développé plusieurs produits commerciaux dotés de capacités auditives et visuelles. La grand majorité de ces produits est composée d'un caméscope et d'un microphone embarqué (téléphones portables, tablettes, etc). D'autres, comme la Kinect, sont équipés de capteurs de profondeur et/ou de petits réseaux de microphones. On trouve également des téléphones portables dotés d'un système de vision stéréo. En même temps, plusieurs systèmes orientés recherche sont apparus (par exemple, le robot humanoïde NAO). Du fait que ces systèmes sont compacts, leurs capteurs sont positionnés près les uns des autres. En conséquence, ils ne peuvent pas capturer la scène complète, mais qu'un point de vue très particulier de l'interaction sociale en cours. On appelle cela "Analyse Égocentrique de Scènes Audio-Visuelles''. Cette thèse contribue à cette thématique de plusieurs façons. D'abord, en fournissant une base de données publique qui cible des applications comme la reconnaissance d'actions et de gestes, localisation et suivi d'interlocuteurs, analyse du tour de parole, localisation de sources auditives, etc. Cette base a été utilisé en dedans et en dehors de cette thèse. Nous avons aussi travaillé le problème de la détection d'événements audio-visuels. Nous avons montré comme la confiance en une des modalités (issue de la vision en l'occurrence), peut être modélisée pour biaiser la méthode, en donnant lieu à un algorithme d'espérance-maximisation visuellement supervisé. Ensuite, nous avons modifié l'approche pour cibler la détection audio-visuelle d'interlocuteurs en utilisant le robot humanoïde NAO. En parallèle aux travaux en détection audio-visuelle d'interlocuteurs, nous avons développé une nouvelle approche pour la reconnaissance audio-visuelle de commandes. Nous avons évalué la qualité de plusieurs indices et classeurs, et confirmé que l'utilisation des données auditives et visuelles favorise la reconnaissance, en comparaison aux méthodes qui n'utilisent que l'audio ou que la vidéo. Plus tard, nous avons cherché la meilleure méthode pour des ensembles d'entraînement minuscules (5-10 observations par catégorie). Il s'agit d'un problème intéressant, car les systèmes réels ont besoin de s'adapter très rapidement et d'apprendre de nouvelles commandes. Ces systèmes doivent être opérationnels avec très peu d'échantillons pour l'usage publique. Pour finir, nous avons contribué au champ de la localisation de sources sonores, dans le cas particulier des réseaux coplanaires de microphones. C'est une problématique importante, car la géométrie du réseau est arbitraire et inconnue. En conséquence, cela ouvre la voie pour travailler avec des réseaux de microphones dynamiques, qui peuvent adapter leur géométrie pour mieux répondre à certaines tâches. De plus, la conception des produits commerciaux peut être contrainte de façon que les réseaux linéaires ou circulaires ne sont pas bien adaptés.

Dans cette thèse nous proposons une modèl nonlinéaire du système vestibulaire. Le système vestibulaire est essentiel pour locomotion stable à fin qu'il fournit les mesures idiothétiques d'orientation spatial necessaire pour contrôle de la posture. Development du model est baseé sur les principes generals de dynamique Newton-Euler. Les otolithes du système vestibulaire sont modelisé comme pendule sphérique amortie, qui oscille en référentiel non galiléen. Deux types du modèl ont été proposées. Le modèl medial consideers une oreille interne qui se trouve dans le centre de la tête. Le modèl lateral deux oreille interne qui sont situés des deux côté lateral du centre de la tête. Les differences entre les modèls ont été analysé et l'importance d'avoir deux ensembles d'organes vestibulaires ont été discuté. Test algebraic d'observabilité nonlinéaire des models a demonstré que pour avoir l'orientation spatial de la tête observable la tête doit être stabilisée pendant locomotion. Nous avons montré que le problèm d'ambiguïté gravito-inertiel peut être résolu si la tête est stabilisé horizontalement. Ces résultats ont été appliqués pour estimer la verticalité gravitationnelle lors de la locomotion dans les cas linéarisées et non linéaire. Ces résultats ont été appliqués pour estimer la verticalité gravitationnelle pendant locomotion dans les cas linéarisées et non linéaire. Les resultats des simulations ont montré que les erreurs d'estimation ont été significativement plus faible dans le cas de la tête stabilisée. Les estimateurs étaient plus rapides et plus robustes lorsque la tête a été stabilisée. Ensuite, les résultats ont été testés avec le système expérimental, qui a été spécialement conçu pour représenter le système tête-cou et les organes vestibulaires. L'inclinomètre utilisant un liquide a été exploité pour représenter les functions d'otolithes. Les résultats présentés dans cette thèse sont utiles pour l'analyse de la perception spatiale chez les humains et les animaux, et pour améliorer les capacités sensorielles des systèmes robotiques, tels que les robots humanoïdes, véhicules tout terrain, ou des drones.

Depuis plusieurs décennies, un nombre important de travaux en linguistique et sciences cognitives avancent une thèse selon laquelle l’expression du temps dans la langue dépend de la cognition de l’espace. Cette étude cherche à établir que le discours scientifique sur les rapports temps–espace dans la langue et la cognition est un objet épistémologique qui a sa propre histoire et ses propres motivations disciplinaires. Ainsi, le programme de recherche généralement admis est le produit d’une trame complexe d’intérêts qui ne favorisent pas nécessairement la recherche de l’objet scientifique. Dans une première partie, nous confirmons que les rapports linguistiques entre temps et espace constituent un objet historique et variable, tant dans la langue que dans la pensée sur la langue. Dans une deuxième partie, nous explorons la tendance à la spatialisation du temps dans les écrits des philosophes et grammairiens des Lumières et dans le travail de Gustave Guillaume (1883–1960). Dans une troisième partie, nous examinons le paradigme de la priorité spatiale dans la linguistique cognitive à partir des années 1970 jusqu’à nos jours. Les résultats de cette étude nous amènent à proposer des lignes directrices pour la recherche future des manifestations linguistiques des rapports temps–espace. / Over the past few decades, a considerable number of studies in linguistics and the cognitive sciences have put forward the claim that the expression of time in language relies on the cognition of space. This study aims to show that the scientific discourse on time–space relations in language and cognition is an epistemological object, shaped by its history and disciplinary motivations. Thus, the predominant research framework of time–space relations is the product of an intricate network of interests which do not necessarily facilitate the research of the scientific object. In the first part of the study we show that relations between time and space changed through the history of both language and the theory of language. In the second part, we explore the theoretical trend of the spatialization of time in the writings of key philosophers and grammarians of the Enlightenment, and in the oeuvre of the French linguist Gustave Guillaume (1883-1960). In the third part we examine the paradigm of spatial priority in cognitive linguistics from the 1970s until today. The conclusions of the study lead us to put forth some proposals for the future research of time, space and the time–space interface in language.

Dans ce travail, nous proposons d’interroger la notion d’innéité des facultés de l’esprit, dans l’histoire de la philosophie et dans le débat contemporain. Nous commençons par montrer que toute hypothèse concernant l’innéité des facultés de l’esprit – qu’elle soit innéiste ou empiriste – pose un problème explicatif que nous nommons le « problème de la tautologie ». C’est en dévoilant les présupposés épistémologiques de chaque hypothèse que nous révélons la présence de ce problème au sein du débat classique sur les idées innées, mais aussi au cœur du débat contemporain amorcé par les travaux en linguistique de Noam Chomsky. L’identification d’une faculté innée spécifique ou d’une capacité générale semble toujours découler de choix métaphysiques ou épistémologiques a priori. En ce sens elle n’est jamais justifiée de façon satisfaisante. C’est pourquoi, une position intermédiaire (constructiviste) apparaît plus convaincante. En outre, l’analyse des différentes définitions de l’innéité souligne la nécessité de renoncer non pas à la notion même d’innéité certains philosophes contemporains le pensent, mais à l’attribution d’un contenu a priori à l’innéité. Nous pensons que l’innéité est un terme épistémique auquel il est seulement possible d’attribuer de façon a priori un statut formel. L’innéité doit donc être redéfinie comme une condition du développement. Le terme condition permet en effet, d’une part, de souligner le statut épistémique de l’innéité qui est un terme relatif à une explication, celle du développement ; d’autre part, d’insister sur le fait que l’innéité n’est pas dénuée de consistance ontologique. Le développement cognitif n’aurait tout simplement pas lieu sans elle. Nous défendons ainsi l’idée qu’il est possible de minimiser le « problème de la tautologie » par une redéfinition de la notion d’innéité et par l’élaboration d’une méthodologie propre à établir l’innéité de certaines facultés de l’esprit sans la présupposer et qui prend en compte le développement cognitif. Pour finir, nous appliquons la méthodologie proposée à l’exemple de la faculté de langage et nous essayons de défendre une hypothèse précise concernant son innéité. / In this work, we examine the notion of innateness of faculties of mind, in the history of philosophy as well as in the contemporary debate. Firstly, we show that any hypothesis on innateness of faculties of mind – whether innatist or empiricist – raises an explanatory problem that we called “the tautology problem”. Identifying epistemological presuppositions of each hypothesis leads us to reveal the presence of this problem within both the classical debate on innate ideas and the contemporary debate on innate mind structure initiated by Chomsky’s linguistic work. Assumptions on domain-specific innate faculty or general capacity always seem to follow from a priori metaphysical or epistemological options. If so, they are not satisfactory justified. The constructivist position appears to be an intermediary relevant way, with conditions to be defined. Furthermore, analysis of different definitions of innateness reveals the necessity to renounce to attribute an a priori content to innateness (and not to renounce to the concept of innateness as some contemporary philosophers argue). We think that innateness is an epistemic term to which it is only possible to attribute a priori a formal status. We claim then that innateness must be redefined as condition of development because the term condition underlines on the one side the epistemic status of innateness, which is an explanatory-dependent term; on the other side its propensity to have an ontological plausibility: cognitive development does not occur without something innate. Thus, we advance that it is possible to minimize “the tautology problem” by redefining innateness and by elaborating a methodology capable of establishing innateness of some faculties of mind without presupposing, taking into account cognitive development. To conclude, we apply the advanced methodology to the example of the faculty of language and try to defend an assumption about its innateness.

Cette thèse concerne l'ingénierie des systèmes complexes à partir d'une dynamique souhaitée. En particulier, nous nous intéressons aux populations d'oscillateurs et aux réseaux de régulation génétique. Dans une première partie, nous nous fondons sur une hypothèse, introduite en neurosciences, qui souligne le rôle de la synchronisation neuronale dans le traitement de l'information cognitive. Nous proposons de l'utiliser sur un plan plus large pour étudier le traitement de l'information par des populations d'oscillateurs. Nous discutons des isochrons de quelques oscillateurs classés selon leurs symétries dans l'espace des états. Cela nous permet d'avoir un critère qualitatif pour choisir un oscillateur. Par la suite, nous définissons des procédures d'impression, de lecture et de réorganisation de l'information sur une population d'oscillateurs. En perspective, nous proposons un système à couches d'oscillateurs de Wilson-Cowan. Ce système juxtapose convenablement synchronisation et désynchronisation à travers l'utilisation de deux formes de couplage: un couplage continu et un couplage par pulsation. Nous finissons en proposant une application de ce système: la détection de contours dans une image. En deuxième partie, nous proposons d'utiliser une approche par contraintes pour identifier des réseaux de régulation génétique à partir de connaissances partielles sur leur dynamique et leur structure. Le formalisme que nous utilisons est connu sous le nom de réseaux d'automates booléens à seuil ou réseaux Hopfield-semblables. Nous appliquons cette méthode, afin de déterminer le réseau de régulation de la morphogenèse florale d'Arabidopsis thaliana. Nous montrons l'absence d'unicité des solutions dans l'ensemble des modèles valides (ici, 532 modèles). Nous montrons le potentiel de cette approche dans la détermination et la classification de modèles de réseaux de régulation génétique. L'ensemble de ces travaux mène à un certain nombre d'applications, en particulier dans le développement de nouvelles méthodes de stockage de l'information et dans le design de systèmes de calcul non conventionnel.