L’objectif de cette thèse est de s’inspirer de la neurobiologie pour modéliser les mécanismes émotionnels de bas niveau sur un robot évoluant en environnement réel. Ce travail présente un modèle des émotions cohérent avec les données expérimentales décrivant le fonctionnement des structures cérébrales principales impliquées dans les mécanismes émotionnels. Les émotions jouent un rôle capital aussi bien pour la régulation du comportement des êtres humains que des animaux. En accord avec la vision darwinienne, les émotions sont vues comme des mécanismes adaptatifs favorisant la survie. Cependant, leur organisation autours de signaux essentiellement positifs et négatifs leur donne un caractère dimensionnel. Notre modèle considère les émotions comme le résultat de la dynamique d’interactions entre deux systèmes permettant l’évaluation des interactions avec l’environnement physique d’une part et l’environnement social d’autre part. Cette approche bioinspirée des émotions permet de donner aux robots une mécanique de base pour construire leur autonomie comportementale et leurs capacités de communication. Dans cette thèse, nous montrons qu’elles permettent autant de s’adapter aux caractéristiques de l’environnement que de servir de support à une communication non verbale. L’approche biomimétique de notre travail se traduit en termes méthodologiques par l’utilisation de réseaux de neurones formels pour les architectures de contrôle du robot mais aussi en termes fonctionnels par l’organisation de ces réseaux comme modèles de différentes structures du cerveau et de leurs interactions (amygdale, accumbens, hippocampe et cortex préfrontal). Suivant le courant animat, le robot est vu comme un animal aux besoins vitaux satisfaits par les ressources de son environnement. Les expérimentations seront illustrées sur des comportements de navigation reposant sur les apprentissages de conditionnements visuo-moteurs (stratégie visuelle) et sur l’intégration de chemin (stratégie propioceptive). Les conditionnements associant les signaux nocicepteurs et hédoniques aux autres informations sensorielles ou aux actions du robot sont à la base des régulation sémotionnelles. Les prédictions que forme le robot lui permettent d’apprendre des comportements aversifs ou appétitifs en réponse à ses anticipations de "douleur" ou de "plaisir". Il peut aussi monitorer ses prédictions afin d’évaluer l’efficacité de ses comportements. C’est ce qui lui permet de réguler ses motivations et de sélectionner ses stratégies (navigation visuelle ou proprioceptive) et ses buts (ressources de l’environnement) de façon à satisfaire au mieux son équilibre interne en fonction de son environnement. Cette utilisation de signaux bas niveau positifs et négatifs permet de construire un modèle émotionnel minimal assurant au robot une autonomie comportementale. Dans un deuxième temps, nous utilisons l’expressivité émotionnelle comme base à une communication avec le robot. Une tête mécanique permet au robot d’exprimer ses émotions grâce à ses expressions faciales. Cette communication consiste à donner au robot des signaux de récompense et de punition. Nous avons développé un modèle permettant de construire de manière autonome ces signaux d’interaction en leur donnant leur valeur émotionnelle. Cet échange d’informations avec le robot lui permet d’apprendre à valuer son environnement ou son comportement et ainsi d’apprendre interactivement à résoudre ses problèmes de navigation. / The objective of this thesis is to draw inspiration from the neurobiology to model low level emotional mechanisms on a robot evolving in real environment. This work presents an emotional model coherent with experimental data describing the functioning of the cerebral structures involved in emotional mechanisms. Emotionsplay a central part in the regulation of behavior of humans as well as animals. In agreement with the darwinian view, emotions are seen as adaptive mechanismsenhancing survival. However, their organization around essential positive and negative signals gives them a dimensional flavor. Our model considers emotions as the result of the interaction dynamics between two systems. These systems allow the evaluation of the interactions with the physical and the social environment. This bio-inspired approach of emotions gives robots a basic framework to construct their behavioral autonomy and their communication skills. In this thesis, we show that they allow the robot to adapt itself to the characteristics of the environment as well as they underlie non verbal communication. The bio-mimetic approach of this thesis is reflected in methodological terms by the use of artificial neural networks for robot control architectures but also in functional terms by the organization of these networks as models of different brain structures and their interactions (amygdala, accumbens, periaqueductal grey, hippocampus, prefrontal cortex). Following the animat paradigm, the robot is seen as an animal which vital needs are satisfied by the resources of the environment. Experimentation are conducted on navigation behaviors relying on visuo-motor conditionings (visual strategy) and on path integration (proprioceptive strategy). Conditionings between nociceptive or hedonic signals and other sensory information or actions of the robot are at the basis of emotional regulation. The robot predictions allow it to learn aversive or appetitive behavior in response to its "pain" or "pleasure" expectations. The robot can also monitor its predictions to assess the effectiveness of its behaviors. This enables it to regulate its motivations and select its strategies (visual navigation or proprioceptive) and goals (environmental resources) in order to best meet its internal balance depending on its environment. This use of low level positive and negative signals allows to build a minimal emotional model providing autonomy to the robot behavior.In a second step, we use the emotional expressiveness as the basis for communication with the robot. A mechanical head enables it to express its emotions through its facial expressions. This communication consists in giving the robot reward and punishment signals. This exchange of information with the robot allows it to learn to valuate its environment or its behavior and thus to learn interactively to solve its navigation tasks. The model of emotional mechanisms presented in this work allows to investigate issues of autonomous robotics as well as issues of Human-Robot interactions. Moreover, this approach shows the interest of putting robotics at the heart of cognitive sciences due to the perspective given by the analysis of robot’s behaviors supported by relatively simple neuronal architectures.

Le comportement humain est à la fois singulier et universel. La singularité serait principalement due aux trajectoires de vie propre à chaque individu (variant entre autres selon leur culture) alors que l’universalité émanerait d’une nature universelle ancrée dans un génome universel. Démêler les influences de la nature et de la culture sur le comportement humain est le Saint Graal de l’anthropologie biologique. J’aborde cette question en explorant les effets génétiques et environnementaux sur les bases psychiques du comportement. Plus particulièrement, je teste l’hypothèse que la singularité et l’universalité comportementales humaines s’observent au plan psychique par l’exploration de leur substrat neurobiologique, et que ce substrat possède à la fois un ancrage génétique et environnemental. À l’aide de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) recueillies auprès de 862 participants du Human Connectome Project (HCP), j’analyse les activations cérébrales liées à sept tâches socio-cognitives qui recoupent diverses facultés, dont le langage, la mémoire, la prise de risque, la logique, les émotions, la motricité et le raisonnement social. Après avoir groupé les sujets selon la similarité de leurs patrons d’activation cérébrale (c.-à-d. leurs sous-types neurobiologiques), j’estime l’influence génétique et environnementale sur la variabilité interindividuelle de ces divers sous-types. Les résultats démontrent bel et bien l’existence d’un regroupement des sujets selon la similarité de leurs cartes d’activation cérébrale lors d’une même tâche socio-cognitive, ce qui reflète à la fois le caractère singulier et universel des corrélats neuronaux d’un comportement observable. La variabilité interindividuelle constatée dans ces regroupements cérébraux témoigne quant à elle d’effets génétiques (héritabilité) ainsi qu’environnementaux (environnementalité), dont les ampleurs respectives varient selon la nature de la tâche effectuée. De plus, les sous-types cérébraux mis à jour révèlent une association avec les mesures comportementales et de performance effectuées lors des diverses tâches à l’étude. Enfin, les sous-types neurobiologiques résultant des diverses tâches partagent certaines bases génétiques. Dans leur ensemble, ces résultats appuient la notion que le comportement humain, ainsi que les processus neurobiologiques le sous-tendant, sont des phénotypes au même titre qu’un caractère morphologique ou physiologique, c’est-à-dire qu’ils sont le résultat de l’expression conjointe de bases génétiques (nature) et environnementales (culture). / Human behaviour is both singular and universal. Singularity is believed to be mainly due to life trajectories unique to each individual (influenced among others by culture), whereas universality would stem from a universal nature resulting from a panhuman genome. Unravelling the influences of nature and nurture on human behaviour is the Holy Grail of biological anthropology. I approach this issue by exploring genetic and environmental influences on the neuropsychological underpinnings of behaviour. In particular, I test the hypothesis that the singularity and universality of human behaviour are also observed at the psychological level through the exploration of the neurobiological basis of behaviour, and that these bases have both genetic and environmental sources. Using Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) data of 862 participants from the Human Connectome Project (HCP), I analyze brain activation related to 7 socio-cognitive tasks covering language, memory, risk taking, logic, emotions, motor skills, and social reasoning. After grouping subjects according to the similarity of their brain activation patterns (neurobiological subtypes), I estimate the genetic and environmental influences on the variation between participants on these subtypes. The inter-individual variability in cerebral groupings appears to have both genetic (heritability) and environmental (environmentality) sources that vary according to the particular psychological task involved. Moreover, these neurobiological subtypes show an association with behavioural and performance measures assessed by the socio-cognitive tasks. Finally, the neurobiological subtypes across the 7 tasks share common genetic links. Overall, the results support the notion that human behaviour, as well as its underlying neurobiological processes, are phenotypes in the same way as morphology or physiology, i.e., are the results of the integrated expression of a genetic basis (nature) and environmental influences (nurture).

Le but de cette thèse est d'étudier les corrélats comportementaux et neuronaux du transfert inter-linguistique (TIL) dans l'apprentissage d’une langue seconde (L2). Compte tenu de nos connaissances sur l'influence de la distance linguistique sur le TIL (Paradis, 1987, 2004; Odlin, 1989, 2004, 2005; Gollan, 2005; Ringbom, 2007), nous avons examiné l'effet de facilitation de la similarité phonologique à l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle entre des langues linguistiquement proches (espagnol-français) et des langues linguistiquement éloignées (persan-français). L'étude I rapporte les résultats obtenus pour des langues linguistiquement proches (espagnol-français), alors que l'étude II porte sur des langues linguistiquement éloignées (persan-français). Puis, les changements de connectivité fonctionnelle dans le réseau langagier (Price, 2010) et dans le réseau de contrôle supplémentaire impliqué dans le traitement d’une langue seconde (Abutalebi & Green, 2007) lors de l’apprentissage d’une langue linguistiquement éloignée (persan-français) sont rapportés dans l’étude III. Les résultats des analyses d’IRMF suivant le modèle linéaire général chez les bilingues de langues linguistiquement proches (français-espagnol) montrent que le traitement des mots phonologiquement similaires dans les deux langues (cognates et clangs) compte sur un réseau neuronal partagé par la langue maternelle (L1) et la L2, tandis que le traitement des mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) active des structures impliquées dans le traitement de la mémoire de travail et d'attention. Toutefois, chez les personnes bilingues de L1-L2 linguistiquement éloignées (français-persan), même les mots phonologiquement similaires à travers les langues (cognates et clangs) activent des régions connues pour être impliquées dans l'attention et le contrôle cognitif. Par ailleurs, les mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) activent des régions usuellement associées à la mémoire de travail et aux fonctions exécutives. Ainsi, le facteur de distance inter-linguistique entre L1 et L2 module la charge cognitive sur la base du degré de similarité phonologiques entres les items en L1 et L2. Des structures soutenant les processus impliqués dans le traitement exécutif sont recrutées afin de compenser pour des demandes cognitives. Lorsque la compétence linguistique en L2 augmente et que les tâches linguistiques exigent ainsi moins d’effort, la demande pour les ressources cognitives diminue. Tel que déjà rapporté (Majerus, et al, 2008; Prat, et al, 2007; Veroude, et al, 2010; Dodel, et al, 2005; Coynel, et al ., 2009), les résultats des analyses de connectivité fonctionnelle montrent qu’après l’entraînement la valeur d'intégration (connectivité fonctionnelle) diminue puisqu’il y a moins de circulation du flux d'information. Les résultats de cette recherche contribuent à une meilleure compréhension des aspects neurocognitifs et de plasticité cérébrale du TIL ainsi que l'impact de la distance linguistique dans l'apprentissage des langues. Ces résultats ont des implications dans les stratégies d'apprentissage d’une L2, les méthodes d’enseignement d’une L2 ainsi que le développement d'approches thérapeutiques chez des patients bilingues qui souffrent de troubles langagiers. / The purpose of this thesis was to study the behavioral and neural correlates of Cross-linguistic Transfer effects (CLT) at the word level, in second language learning. Moreover, given that language distance has an impact on CLT, (Paradis, 1987, 2004, Odlin, 1989, 2004, 2005, Gollan, 2005, Ringbom, 2007), two distinct language pairs were examined: Close language pairs (Spanish-French) and distant language pairs (Persian-French). This thesis comprises three studies. In study I, Spanish speakers and in study II Persian speakers were trained for lexical learning until consolidation level. Cognates (phonologically and semantically similar words), Clangs (phonologically similar words with different meanings), and Non-cognate-non-clangs (semantically similar words), were presented in a picture naming task. Accuracy rates and response times as well as event-related fMRI BOLD responses to each word category were measured. Simple and direct contrasts with phonologically similar and phonologically distant words were performed. Thus, Study I reports the results of close languages (Spanish-French) and Study II, reports the results of distant languages (Persian-French). The neurocognitive processing of language learning was further investigated in terms of networks using functional connectivity analysis in distant languages (Persian-French) and the results are reported in Study III. The Results with the General Linear Model analysis show that with close language pairs (French-Spanish), the processing of phonologically similar words (cognates and clangs) relies upon a shared L1-L2 language specific neural areas, whereas processing of phonologically distant words (non-clang-non-cognates), activates L1 language processing areas, but also relies upon working memory, attentional, and processing structures. However, with distant language pairs (French-Persian), even phonologically similar words (cognates and clangs) activate areas known to be involved in attentional processing and cognitive control. Moreover, phonologically distant words (non-clang-non-cognates) also activate areas involved in working memory and executive function processing structures. Thus, the factor of L1-L2 cross-linguistic distance appears to modulate the executive load imposed to the system, on the basis of the degree of phonological overlap between L1-L2 items; thus in order to compensate for more effortful processing demands, the system recruits executive function supporting structures. The results of the connectivity analysis show that, in line with literature (Majerus, et al., 2008; Prat, et al., 2007; Veroude, et al., 2010; Dodel, et al., 2005; Coynel, et al., 2009), when the language proficiency is low, there is enhanced functional connectivity between and within language specific and other cognitive processing (working memory, attentional and cognitive control) networks. However, as proficiency increases, integration values (functional connectivity) decrease. This reflects that language tasks become less effortful and demand less cognitive resources. The results of this dissertation contribute to a better understanding of CLT effects on L2 learning, both in regards to different word types and L1-L2 language distance. These results have implications with regards to L2 learning and teaching strategies and approaches as well as with regards to the development of data-driven therapy approaches in the case of language break down in bilingual population.

Le but de cette thèse est d'étudier les corrélats comportementaux et neuronaux du transfert inter-linguistique (TIL) dans l'apprentissage d’une langue seconde (L2). Compte tenu de nos connaissances sur l'influence de la distance linguistique sur le TIL (Paradis, 1987, 2004; Odlin, 1989, 2004, 2005; Gollan, 2005; Ringbom, 2007), nous avons examiné l'effet de facilitation de la similarité phonologique à l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle entre des langues linguistiquement proches (espagnol-français) et des langues linguistiquement éloignées (persan-français). L'étude I rapporte les résultats obtenus pour des langues linguistiquement proches (espagnol-français), alors que l'étude II porte sur des langues linguistiquement éloignées (persan-français). Puis, les changements de connectivité fonctionnelle dans le réseau langagier (Price, 2010) et dans le réseau de contrôle supplémentaire impliqué dans le traitement d’une langue seconde (Abutalebi & Green, 2007) lors de l’apprentissage d’une langue linguistiquement éloignée (persan-français) sont rapportés dans l’étude III. Les résultats des analyses d’IRMF suivant le modèle linéaire général chez les bilingues de langues linguistiquement proches (français-espagnol) montrent que le traitement des mots phonologiquement similaires dans les deux langues (cognates et clangs) compte sur un réseau neuronal partagé par la langue maternelle (L1) et la L2, tandis que le traitement des mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) active des structures impliquées dans le traitement de la mémoire de travail et d'attention. Toutefois, chez les personnes bilingues de L1-L2 linguistiquement éloignées (français-persan), même les mots phonologiquement similaires à travers les langues (cognates et clangs) activent des régions connues pour être impliquées dans l'attention et le contrôle cognitif. Par ailleurs, les mots phonologiquement éloignés (non-clang-non-cognates) activent des régions usuellement associées à la mémoire de travail et aux fonctions exécutives. Ainsi, le facteur de distance inter-linguistique entre L1 et L2 module la charge cognitive sur la base du degré de similarité phonologiques entres les items en L1 et L2. Des structures soutenant les processus impliqués dans le traitement exécutif sont recrutées afin de compenser pour des demandes cognitives. Lorsque la compétence linguistique en L2 augmente et que les tâches linguistiques exigent ainsi moins d’effort, la demande pour les ressources cognitives diminue. Tel que déjà rapporté (Majerus, et al, 2008; Prat, et al, 2007; Veroude, et al, 2010; Dodel, et al, 2005; Coynel, et al ., 2009), les résultats des analyses de connectivité fonctionnelle montrent qu’après l’entraînement la valeur d'intégration (connectivité fonctionnelle) diminue puisqu’il y a moins de circulation du flux d'information. Les résultats de cette recherche contribuent à une meilleure compréhension des aspects neurocognitifs et de plasticité cérébrale du TIL ainsi que l'impact de la distance linguistique dans l'apprentissage des langues. Ces résultats ont des implications dans les stratégies d'apprentissage d’une L2, les méthodes d’enseignement d’une L2 ainsi que le développement d'approches thérapeutiques chez des patients bilingues qui souffrent de troubles langagiers. / The purpose of this thesis was to study the behavioral and neural correlates of Cross-linguistic Transfer effects (CLT) at the word level, in second language learning. Moreover, given that language distance has an impact on CLT, (Paradis, 1987, 2004, Odlin, 1989, 2004, 2005, Gollan, 2005, Ringbom, 2007), two distinct language pairs were examined: Close language pairs (Spanish-French) and distant language pairs (Persian-French). This thesis comprises three studies. In study I, Spanish speakers and in study II Persian speakers were trained for lexical learning until consolidation level. Cognates (phonologically and semantically similar words), Clangs (phonologically similar words with different meanings), and Non-cognate-non-clangs (semantically similar words), were presented in a picture naming task. Accuracy rates and response times as well as event-related fMRI BOLD responses to each word category were measured. Simple and direct contrasts with phonologically similar and phonologically distant words were performed. Thus, Study I reports the results of close languages (Spanish-French) and Study II, reports the results of distant languages (Persian-French). The neurocognitive processing of language learning was further investigated in terms of networks using functional connectivity analysis in distant languages (Persian-French) and the results are reported in Study III. The Results with the General Linear Model analysis show that with close language pairs (French-Spanish), the processing of phonologically similar words (cognates and clangs) relies upon a shared L1-L2 language specific neural areas, whereas processing of phonologically distant words (non-clang-non-cognates), activates L1 language processing areas, but also relies upon working memory, attentional, and processing structures. However, with distant language pairs (French-Persian), even phonologically similar words (cognates and clangs) activate areas known to be involved in attentional processing and cognitive control. Moreover, phonologically distant words (non-clang-non-cognates) also activate areas involved in working memory and executive function processing structures. Thus, the factor of L1-L2 cross-linguistic distance appears to modulate the executive load imposed to the system, on the basis of the degree of phonological overlap between L1-L2 items; thus in order to compensate for more effortful processing demands, the system recruits executive function supporting structures. The results of the connectivity analysis show that, in line with literature (Majerus, et al., 2008; Prat, et al., 2007; Veroude, et al., 2010; Dodel, et al., 2005; Coynel, et al., 2009), when the language proficiency is low, there is enhanced functional connectivity between and within language specific and other cognitive processing (working memory, attentional and cognitive control) networks. However, as proficiency increases, integration values (functional connectivity) decrease. This reflects that language tasks become less effortful and demand less cognitive resources. The results of this dissertation contribute to a better understanding of CLT effects on L2 learning, both in regards to different word types and L1-L2 language distance. These results have implications with regards to L2 learning and teaching strategies and approaches as well as with regards to the development of data-driven therapy approaches in the case of language break down in bilingual population.

Dans cette mémoire nous discutons l´élaboration d´électrodes poreuses par un processus de type “template” et leur application potentielle dans le domaine de l´analyse environnementale et neurobiologique. La première partie de ce travail est dédiée à l'élaboration d’électrodes poreuses de bismuth et d'antimoine. Ces électrodes montrent des limites de détection améliorées par rapport à des électrodes non poreuses, ouvrant ainsi des applications prometteuses dans le domaine de l'analyse de trace. La deuxième partie vise à surmonter des facteurs limitants de micro-électrodes dans le cadre de l'enregistrement de signaux extracellulaires et la stimulation de réseaux neuronaux en culture, qui peut donner des informations sur des interactions et des phénomènes synergétiques dans les systèmes nerveux. / In the present dissertation thesis the elaboration of porous electrodes via templating methods and their potential application in the field of environmental and neurobiological analysis are discussed. The electrodes of controlled porosity are characterized by an increased internal electroactive area and thus they can be used to enhance significantly the electrochemical performance. High surface area materials are promising for biosensing and more generally in electrochemical experiments. The first part of this work is focused on the elaboration of porous bismuth and antimony film electrodes. These porous electrodes show improved detection limits compared to non-porous one and thus open up promising applications in the field of trace analysis. The second part deals with overcoming limiting factors of microelectrode arrays in the context of extracellular recording and stimulating cellular neuronal networks or neural tissues in culture that can reveal information about interactions and synergetic features of nervous systems.