Mouvements collectifs et structure sociale chez le zebrafish en environnement fragmenté.

Collective movements and social structure of the zebrafish in a fragmented environment

• Auteur / Autrice : Axel Seguret
• Direction : José Halloy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie. Ethologie
• Date : Soutenance le 20/04/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Filippo Del Bene
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Halloy, Filippo Del Bene, Andrea Perna, Claire Detrain, Mathieu Coppey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Perna, Claire Detrain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prise de décision

Comportement collectif

Danio zébré

Leadership

Dynamique non-linéaire

Comportement collectif

Habitat (écologie) -- Fragmentation

Décision de groupe

Danio rerio

Leadership

Mots clés libres

Auto-organisation

Dynamique non-linéaire

Leadership

Zebrafish

Comportement collectif

Prise de décision

Environnement fragmenté

Self-organisation

Non-linear dynamics

Leadership

Zebrafish

Collective behaviour

Decision making

Fragmented environment

Résumé

La prise de décision collective est un des mécanismes usités par les espèces sociales lors d’événements de collectes de nourriture, d’optimisation de chemins, de mouvements collectifs, de fuites face à un prédateur ou bien même de sélections d’habitat. Les zebrafish (Danio rerio), animaux grégaires de référence en biologie, n’ont jamais été étudiés dans des contextes de choix collectifs binaires et ils nous semblait légitime d’analyser leurs comportements décisionnels. L’objectif de cette thèse est de répondre aux attentes du projet ASSISI|bf de création d’un système expérimental modulable capable d’accueillir robots comme poissons, de mise au point d’une société mixte adaptative auto-organisée, et de caractérisation des comportements individuels et collectifs des zebrafish implémentables dans les robots. Nos observations montrent que la prise collective de décision et la cohésion des groupes en environnement ouvert, et présentant deux points de repère identiques, sont des processus dynamiques qui varient selon la souche de Danio rerio (AB ou TL) et sont liées à la densité des populations. Constamment en mouvement, les poissons oscillent entre les deux points de repère identiques installés dans leur environnement. La souche AB est toujours plus attirée par ces hétérogénéités et est beaucoup moins cohésive que la souche TL. En environnement contraint, de type deux chambres reliées par un couloir, nous réitérons le même type d’expérience chez la souche la plus à même de prendre des décisions collectivement (AB) et en faisant varier la densité des groupes de 1 à 20 individus. Il ressort que les Danio rerio de type AB restent essentiellement en groupe mais que l’augmentation de leur densité tend à les diviser. Nous remarquons aussi que la densité influe partiellement sur la topologie du groupe : il existe, lors des sorties collectives, une corrélation entre l’ordre de sortie des zebrafish (les suiveurs) et l’ordre de distance de chaque individu par rapport à l’initiateur desdites sorties. Cette corrélation est d’autant plus forte quand les suiveurs sont soit très proches, soit les plus éloignés de l’initiateur. Le dispositif expérimental précédent nous permet d’autre part de nous concentrer sur la notion de leadership chez des groupes de 2 à 10 Danio rerio AB. Nous mettons en évidence que chaque poisson initie au moins une fois un départ collectif, le nombre d’initiations effectives est proportionnel au nombre de tentatives d’initiations, que tous les poissons présentent le même taux de succès d’initiation après une tentative et qu’il existe une corrélation positive entre initiations et vitesse moyenne de nage.Une analyse poussée des mouvements collectifs nous fait constater que les zebrafish se déplacent essentiellement en groupe et transitent sans interruption ni périodicité entre les chambres. Nous sommes actuellement en train d’améliorer cette étude en apportant de nouveaux points de comparaison afin de vérifier si la non-périodicité des transitions entre les chambres est liée à la densité des groupes testés. Enfin, nous nous inspirons du précédent système expérimental – les deux chambres reliées par un couloir – pour créer une version actualisée d’un labyrinthe en Y. Ce labyrinthe en Y est dit perpétuel car il combine tout le savoir faire que nous avons développé dans l’élaboration des précédents systèmes expérimentaux : une faible habituation des zebrafish pour leur milieu, une réduction des interactions entre l’expérimentateur et les animaux et la possibilité pour les poissons de circuler dans un labyrinthe à symétrie centrale, sans zone de départ ni zone de fin formalisées (typiques des labyrinthes en Y)

The collective decision-making is one of the mecanisms used by social species during foraging, path optimisation, collective movements, predator avoidance or habitat selection. Zebrafish (Danio rerio), gregarious animal models in biology, have never been studied in the context of collective binary choices. We found logical to analyse their decision behaviours. The goal of this thesis is to meet the expectations of the ASSISI|bf project of creation of an andjustable experimental setup able to sustain robots and fish, of development of an adaptive and self-organised mixed society and of the caracterisation of individual and collective behaviours of the zebrafish, implementable in the robots. We show that the collective decision making and the cohesion of groups of zebrafish in an open environment, composed of two identical landmarks, are dynamical processes that vary in function of the strain of Danio rerio (AB or TL) and are related to the density of the populations. Always on the move, the fish oscillate between the two landmarks. The AB zebrafish are more attracted by the landmarks and are less cohesive than the TL zebrafish. In a contrained environment, two rooms connected by a corridor, we do the same type of experiments with only AB zebrafish and vary the density of the groups from 1 to 20 individuals. AB zebrafish swim together. The increase of the density of the groups make them split. We noticed that the density of the groups has an effect on the topology of the groups : during collective departures from a room to the other one, there is a correlation between the rank of exit of the zebrafish (followers) and the rank of the distances of each individual from the initiator of the exits. This correlation is higher when the followers are either the closest or the farest from the initiator.Using the previous experimental setup, we focused also on the topics related to leadership for groups of 2 to 10 individuals. We show that each fish intiate at least once a collective departure and that the number of initiations is proportional to the number of initiation attempts. Also, we found that all the fish have the same success rate in the initiations after an initiation attempt and that there is a positive correlation between the intiations and the average speed. A deeper analysis of the collective movements shows that the zebrafish swim in group and transit without any interruption or even without periodicity between the rooms. We are currently improving this study and will bring new points of comparison to check if the non-periodicity of the transitions could be related to the density of the groups. Finally, we developed a new version of the Y-maze based on the previous observations.This perpetual Y-maze shows many usefull features for the study of the behaviour : a low habituation rate, a reduction of the interactions between the animals and the experimentators, and allows the fish to move in a Y-maze without starting nor ending zones as in typical Y-maze