Analyse des phases collectives dans des modèles de bancs de poissons avec nage intermittente

Analysis of collective phases in fish school models with burst-and-coast swimming

• Auteur / Autrice : Weijia Wang
• Direction : Guy Théraulaz, Zhangang Han
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie, biodiversité et évolution
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Beijing Normal University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherches sur la Cognition Animale (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Destainville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Peruani, Zhixin Liu, Dahui Wang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Comportement social des animaux

Poissons -- Locomotion

Bancs de poissons

Mots clés libres

Comportement collectif

Banc de poissons

Espace des phases

Analyse computationnelle

Nage intermittente

Collective behavior

Fish school

Phase plane

Data-driven modeling

Burst-and-coast

Résumé

Les mouvements collectifs de groupes d'organismes s'observent à toutes les échelles du vivant. Qu'il s'agisse de la migration collective des cellules au cours de la réponse immunitaire, de la réponse collective de bancs de poissons face à des attaques de prédateurs. Tous ces phénomènes ont incité les chercheurs à étudier les mécanismes qui sont impliqués dans la coordination des déplacements et la formation de structures spatio-temporelles dans ces systèmes vivants composés d'un grand nombre d'éléments. Il est bien établi que la coordination des mouvements entre les individus d'un groupe résulte d'un processus d'auto-organisation, dans lequel les individus interagissent de manière répétée avec leurs voisins. D'autre part, de nombreux modèles computationnels existants du fait de leur simplification excessive, et de leur manque de pertinence biologique se heurtent encore à des défis pour révéler les règles d'interaction à partir desquelles émerge les mouvements collectif dans différents systèmes biologiques. Dans cette thèse, en nous concentrant sur les problèmes difficiles mentionnés précédemment, nous avons étudié les règles d'interaction impliquées dans l'émergence d'états collectifs dans des modèles de bancs de poissons construits à partir de données expérimentales. Ces modèles décrivent les interactions impliquées dans la nage intermittente dans des groupes d'Hemigrammus rhodostomus. Nous avons d'abord étudié l'impact des facteurs perceptuels et cognitifs sur les états collectifs. Ensuite, nous avons étudié le comportement collectif à long terme des bancs de poissons avec un mode de nage intermittent. 1. Dans des conditions naturelles, les interactions sociales peuvent être modulées par les capacités perceptuelles et cognitives des animaux en tant que résultat de l'adaptation à l'environnement. Les phases de mouvements collectif du groupe vont donc changer. Pour étudier quantitativement l'impact des facteurs perceptuels et cognitifs sur la nage collective médiée par les interactions sociales, nous avons analysé de manière exhaustive l'espace des phases d'un modèle qui caractérise les interactions sociales impliquées dans la nage intermittente dans les bancs de Hemigrammus rhodostomus. Nos résultats montrent que des phase de nage coordonnées très polarisées et en moulin peuvent émerger même si les poissons n'interagissent qu'avec leurs voisins les plus influents ou les deux voisins les plus influents, à condition qu'il existe un niveau minimal d'attraction entre les poissons pour maintenir la cohésion. Les résultats des simulations numériques montrent également que la portée des interactions sociales, qui caractérise la capacité perceptuelle des poissons, a des effets similaires sur les états collectifs à l'intensité de ces interactions. Le mode de nage intermittent (de type burst-and-coast) est très largement présent chez différentes espèces de poissons. Les poissons sont sensibles aux mouvements des autres congénères pendant la phase d'accélération, mais négligent cette information pendant la phase de glisse. Par conséquent, ce mode de nage affecte potentiellement la coordination des nages entre les poissons. Cependant, il existe peu d'études sur les comportements collectifs à long terme des poissons adoptant ce mode de nage intermittent. Nous avons abordé cette question en analysant l'espace des phases et le comportement à long terme d'un modèle qui décrit quantitativement le mode général de la nage intermittent ainsi que les interactions sociales entre les poissons. Nos résultats montrent que les poissons peuvent coordonner efficacement leurs comportements dans une large gamme de valeurs de forces d'interaction sociale lorsque des informations sur un ou deux voisins les plus influents sont perçues. À long terme, nos résultats montre que la stabilité des phases de mange en bancs polarisés et de nage en moulin dépend de la capacité du groupe à maintenir sa cohésion.

Collective motion in groups of organisms is a ubiquitous phenomenon observed at all biological scales. From the collective migration of cells during a immune response to the collective response of fish schools to predators attacks, researchers have investigated the mechanisms that enables the coordination of movements and the formation of ordered structures in time and space in these living systems composed of a large number of constituents. It has been well established that the coordination of movements among individuals in a moving group results from a self-organization process, in which individuals repeatedly interact with their local neighbors. On the other hand, many existing computational models, due to their excessive simplification and lack of biological relevance, still face challenges in revealing the interaction rules from which collective motion emerges in various biological systems.. In this thesis, focusing on the challenging issues mentioned above, we have investigated the interacting rules involved in the emergence of collective states in data-driven fish school models. The models describe the interactions involved in burst-and-coast swimming in groups of Hemigrammus rhodostomus. We have first investigated the impact perceptual and cognitive factors on collective states. We then investigated the long-term collective behavior of of schools of burst-and-coast swimming fish. 1. In natural conditions, social interactions can be modulated by the perceptual and cognitive abilities of animals as a result of adaptive fitness to the environment. The resulting collective states of the moving group will therefore change. To quantitatively investigate the impact of perceptual and cognitive factors on collective swimming mediated by social interactions, we comprehensively analyze the phase plane of a data-driven model that characterize social interactions involved in burst-and-coast swimming in schools of Hemigrammus rhodostomus. We find that coordinated swimming patterns of schooling and milling can emerge even if fish only interact with their most or two most influential neighbors, providing the existence of a minimal level of attraction between fish to maintain cohesion. We also find that the range of social interactions, which characterizes the perceptual ability of fish, has similar effects on collective states as the strength of interactions. 2. The burst-and-coast swimming mode is widely adopted by various species of fish. Fish are sensitive to the movements of other conspecifics in the burst phase, but neglect this information during the coasting phase. Therefore, this swimming mode potentially affects the coordination between fish. However, few studies have focused on the long-term collective behaviors of fish with a burst-and-coast swimming mode. We address this question by analyzing the phase plane and the long-term behavior with a model that quantitatively describes the general pattern of burst-and-coast swimming and social interactions between fish. We find that fish can effectively coordinate their behaviors in a broad range of interaction strengths when information about only one or two most influential neighbors is perceived. In long-term, the stability of schooling and milling states depends on whether group cohesion can be maintained.