Un algorithme pour régir la prise de décision spatiale

Un algorithme pour régir la prise de décision

Des simulations informatiques montrent que les mêmes principes géométriques régissent la prise de décision spatiale chez des animaux aussi divers que les insectes et les poissons. Crédit : MPI of Animal Behavior/ Vivek Sridhar

Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Université de Constance et de l’Institut Max Planck du comportement animal en Allemagne a utilisé la réalité virtuelle pour décoder l’algorithme que les animaux utilisent pour décider où aller parmi de nombreuses options. L’étude révèle que les animaux font face à la complexité environnementale en réduisant le monde en une série de décisions séquentielles à deux choix (binaires), une stratégie qui se traduit par une prise de décision très efficace, quel que soit le nombre d’options disponibles. L’étude offre la première preuve à ce jour d’un algorithme commun qui régit la prise de décision entre les espèces et suggère que les principes géométriques fondamentaux peuvent expliquer comment et pourquoi les animaux se déplacent comme ils le font.

Pour la plupart des animaux, la vie consiste à décider où aller. Courir, nager ou voler à travers le monde, les animaux prennent constamment des décisions lorsqu’ils sont en mouvement, des décisions qui leur permettent de choisir où manger, où se cacher et avec qui s’associer. Les percées en neurobiologie au cours des dernières décennies, y compris celles qui ont reçu le prix Nobel de médecine 2014, ont reconstitué une image de la façon dont les animaux représentent des options spatialement distribuées. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a appliqué ces connaissances neurobiologiques pour comprendre comment les animaux choisissent parmi des options dispersées dans l’espace. « Les représentations neuronales des options des animaux changent inévitablement à mesure qu’ils se déplacent dans l’espace », explique Vivek Hari Sridhar, premier auteur de l’étude et post-doctorant à l’Institut Max Planck du comportement animal à Constance. « Nous montrons que considérer cela dans notre compréhension de la prise de décision spatiale révèle des principes géométriques nouveaux et fondamentaux qui étaient, jusqu’à présent, négligés. »

Des biologistes, des ingénieurs et des physiciens d’Allemagne, de l’Institut des sciences Weizmann en Israël et de l’Université Eötvös Loránd en Hongrie ont collaboré à l’étude. S’inspirant de la neurobiologie, de la physique et du comportement animal, l’équipe interdisciplinaire a construit un modèle informatique de prise de décision dans le cerveau. Le modèle a pris des caractéristiques de la façon dont le cerveau représente les options dans « l’espace » – dans ce cas, la direction vers des destinations potentielles – afin de comprendre comment les décisions sont prises en mouvement. « La prise en compte de l’interaction entre le mouvement et la dynamique neuronale était essentielle », déclare Sridhar, qui a mené ses travaux de doctorat. étudiant au Département du comportement collectif de l’Université de Constance et à l’Institut Max Planck du comportement animal. « Cela nous a permis d’acquérir une nouvelle perspective sur la façon dont le cerveau prend des décisions. »

Bifurcations spontanées

Le modèle résultant a prédit que le cerveau décompose spontanément les décisions parmi plusieurs options en une série de décisions à deux choix jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une seule option, celle qui est finalement sélectionnée. Il s’est avéré que les animaux présentaient une série de changements brusques de direction, chacun associé à l’exclusion de l’une des options restantes. Chaque changement de direction était le résultat de changements soudains dans la dynamique neuronale – une propriété que les scientifiques appellent une « bifurcation » – à des relations géométriques très spécifiques entre l’animal et les options restantes.

L’algorithme s’est avéré si robuste que les chercheurs ont prédit que non seulement ce processus de « bifurcation » aboutirait à des décisions très précises, mais aussi qu’il pourrait être « universel ». structure qui devrait, s’attendaient-ils, également être apparente si elles superposaient de nombreuses trajectoires prises par de vrais animaux prenant des décisions spatiales.

Valider leur théorie

L’équipe a utilisé la réalité virtuelle immersive pour tester leurs prédictions théoriques sur les animaux volant, marchant et nageant – la mouche des fruits, le criquet pèlerin et le poisson zèbre, respectivement. Cette technologie a permis aux scientifiques de placer les animaux dans des environnements photoréalistes ouverts tout en ayant simultanément des mesures précises des mouvements des animaux lors de la prise de décision. Toutes les espèces présentaient exactement les mêmes bifurcations que celles prévues.

« On pense souvent que les animaux décident d’abord où aller, puis se déplacent vers la cible », explique Sridhar. « Mais nos résultats montrent que l’interaction entre le mouvement et la représentation neuronale changeante des options a un impact considérable sur la façon dont les décisions sont prises. Ce qui est si excitant à propos de ces résultats, c’est que cette réponse permet une prise de décision extrêmement efficace dans des contextes écologiques complexes et divers. »

Des individus aux collectifs

Les scientifiques ont également découvert que les mêmes principes géométriques s’appliquent probablement à la prise de décision spatiale par les collectifs d’animaux, tels que les troupeaux mobiles ou les troupeaux. Iain Couzin, auteur principal et co-directeur du pôle d’excellence « Centre pour l’étude avancée du comportement collectif » à l’Université de Constance et directeur de l’Institut Max Planck du comportement animal, déclare : « Il est remarquable de voir un si beau processus sous-jacent à la prise de décision à de vastes échelles d’organisation biologique, de la dynamique neuronale aux décisions individuelles, et des décisions individuelles au mouvement collectif. Cela transforme notre compréhension de la façon dont les animaux donnent un sens à leur monde riche et complexe. »


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Plus d’information:
Vivek H. Sridhar et al, La géométrie de la prise de décision chez les individus et les collectifs, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2102157118

Fourni par la société Max Planck

Citation: Un algorithme pour régir la prise de décision spatiale (2021, 9 décembre) récupéré le 9 décembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-12-algorithm-spatial-decision-making.html

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