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Caractérisation des signaux de modulation d'amplitude et de fréquence dans les paysages sonores naturels : Une étude pilote sur quatre habitats d'une réserve de biosphère
Application de la psychophysique sensorielle à l’écologie
Christian Lorenzi est professeur de psychologie expérimentale et directeur des études scientifiques à l'École normale supérieure. Il travaille sur la perception auditive humaine au sein de l’équipe Audition du Laboratoire des Systèmes Perceptifs (LSP). Il est co-auteur de l’article «Characterizing amplitude and frequency modulation cues in natural soundscapes: A pilot study on four habitats of a biosphere reserve» qui sera publié très prochainement dans la revue de psychophysique auditive, The Journal of the Acoustical Society of America. Christian Lorenzi raconte comment est né ce projet et en quoi cet article marque un tournant pour son groupe de recherche sur la théorie de la modulation appliquée à l’audition.
Ce sont ses fonctions de Directeur des études sciences à l’ENS qui ont conduit Christian Lorenzi, il y a quelques années, à s’interroger sur la possibilité d’appliquer les théories et méthodes de la « psychophysique » - cette branche de la psychologie expérimentale étudiant scientifiquement les relations entre les signaux physiques (e.g., les sons) et nos sensations ainsi que nos mécanismes perceptifs - à des questions liées à l’écologie. « Les directeurs des études sont parfois amenés à soutenir et suivre des initiatives portées par des étudiants exceptionnels dans le domaine de la transition énergétique, de l’environnement et de la conservation ou du changement climatique, je pense par exemple aux projets TREVE, COP-ENS, MEANDRES. »
« Un tournant dans notre programme de recherche scientifique en psychophysique sensorielle »
L’idée est née de discussions nourries avec une figure de l’écologie théorique de l’ENS et de l’Université d’Arizona, Régis Férriere. « Au tournant d’une discussion passionnante sur les conditions d’émergence du vivant, celui-ci a pointé les développements récents dans l’étude de ce qu'on appelle les paysages sonores naturels (natural soundscapes) et m’a convaincu de l’importance de monter des projets scientifiques dans ce domaine. Régis Férriere est membre de l’IBENS. Il dirige également une unité CNRS iGlobes (UMI CNRS & Univ Arizona) qui s’est déjà lancée dans cette direction. » Christian Lorenzi se plonge alors dans la littérature existante. Il découvre un champ déjà ancien initié il y a près de cinquante ans, ainsi que les travaux de Bernie Krause, co-auteur de cette étude. 
Bernie Krause est un des fondateurs de l’écologie acoustique et l’un des pionniers de l’enregistrement et de l’analyse des paysages sonores naturels. Ces derniers intègrent des sons produits par des sources biologiques (insectes, oiseaux, etc.) et géophysiques (le vent, la pluie, le bruit d’une rivière, etc.). Ces composants acoustiques apparaissent à différentes échelles spatiales et temporelles qui caractérisent un paysage donné et sa dynamique. Les paysages sonores naturels capturent donc la relation unique entre un paysage (landscape) donné et la composition des sons qui en émanent. « Mais l’étude des paysages sonores naturels est également un champ éminemment moderne, porté par les développements récents de l’apprentissage machine et de l’analyse de données massives, et par l’impératif actuel d’établir des indicateurs objectifs des effets des activités humaines et du changement climatique sur la bio-diversité à l’échelle planétaire", poursuit Christian Lorenzi. " L’analyse des paysages sonores naturels peut fournir des solutions efficaces et peu coûteuses à ces problèmes urgents, car tout changement de biodiversité au sein d’un éco-système se manifeste acoustiquement (cf. « Printemps silencieux » de Rachel Carson, un ouvrage culte sur les effets des pesticides sur l’environnement). Jérôme Sueur est un spécialiste reconnu de ce champ émergent intitulé « éco-acoustique » (eco-acoustics). J’ai découvert ses travaux exceptionnels dans ce domaine grâce à l’incitation de Régis Férriere. Nous nous sommes rencontrés au Muséum d’Histoire Naturelle où se trouve son unité de recherche ISYEB et j’ai pu prendre toute la mesure de l’importance et des possibilités offertes par ce champ d’étude. Toutefois, avant de me lancer dans un programme de recherche complet et ambitieux en collaboration avec le Muséum, il me fallait me convaincre de la pertinence de l’approche psychophysique dans l’étude des paysages sonores naturels, car jusqu’à présent, nos recherches n’avaient porté que sur la perception de sons artificiels ou des sons de parole. L’étude théorique publiée dans la revue J Acoust Soc Am était donc un préalable nécessaire. »
Etienne Thoret et Léo Varnet (en photo), tous deux postdoctorants au LSP à l’époque, ont rejoint spontanément Christian Lorenzi dans ce projet et apporté tout leur savoir en modélisation, analyse bayésienne et apprentissage machine. « Depuis 2016, nous développons au sein du LSP un modèle computationnel de l’oreille humaine qui simule le fonctionnement de la cochlée et des étages supérieurs du système auditif » explique Léo Varnet. « Ce modèle à banc de filtres de modulation distingue deux composantes élémentaires des sons : les modulations d’amplitude (ce que les musiciens appellent trémolo) et les modulations de fréquence (ou « vibrato »). Comme notre cerveau, le modèle est capable d’analyser, de représenter et de catégoriser les sons sur cette base. Au fil des années, nous l’avons appliqué à de nombreuses bases de données, à commencer par des enregistrements de phrases lues dans différentes langues du monde. Nous avons également montré qu’il rendait compte de certaines capacités auditives des adultes et de leur évolution au cours du développement de l’enfant. Il semblait donc logique à ce stade de nos recherches de nous intéresser à des enregistrements de sons plus naturels. »
Bernie Krause, de son côté, a accepté de partager sa base de données enregistrée pendant une année complète (4 habitats, 4 saisons, 4 moments de la journée) dans une réserve de biosphère reconnue par l’Unesco, le parc national de Séquoia en Californie. « Nous avons nourri notre modèle du système auditif avec cette importante base acoustique, et classé ces représentations perceptives à l’aide d’un algorithme de classification automatique (machine à vecteurs de support) » poursuit Christian Lorenzi. « Les résultats sont encourageants : les performances de classification sont non seulement supérieures au hasard, mais elles peuvent atteindre 80% de discrimination correcte pour certains habitats naturels. 
Cette étude est purement théorique et suggère que les indices d’AM et FM véhiculent des informations cruciales sur la « biophonie », la composante biologique des paysages sonores. Il faut maintenant vérifier expérimentalement que l’oreille humaine est capable de discriminer des paysages sonores naturels sur la seule base de ces indices auditifs temporels, comme le suggère le modèle. Plus avant, il faudra évaluer dans quelle mesure les informations auditives extraites de l’écoute de paysages sonores nous permettent de naviguer et de former une image de notre environnement. »
La suite : un projet d’écologie acoustique et auditive sur la perception de la biodiversité
Cet article a très vite conduit à réunir une équipe interdisciplinaire autour d’un nouveau projet ANR « Hearbiodiv » (soumis dans le cadre de l’appel 2020), visant à modéliser et étudier empiriquement les mécanismes auditifs de bas niveau potentiellement impliqués dans la perception de la biodiversité de notre proche environnement. « Nous savons que chez l’homme, des réseaux corticaux sont spécialisés dans la perception des sons d’origine biologique. Toutefois, nous ne savons pas vraiment quels indices acoustiques sont utilisés par ces réseaux, et plus avant, si ces réseaux peuvent estimer la richesse en espèces d’un paysage sonore naturel (l’hétérogénéité de la composante biophonique). Cette hypothèse a pourtant du sens : évaluer auditivement, de manière fiable et rapide, les ressources éco-systémiques qu’un habitat offre peut fournir un réel avantage évolutif. Dans les années qui viennent, écologues, éco-acousticiens, modélisateurs et psycho-acousticiens conjugueront donc leurs compétences afin d’établir dans quelle mesure certains indices de texture auditive (associés à des chorus d’insectes, de batraciens ou d’oiseaux) calculés par des populations neuronales sensibles et sélectives aux modulations temporelles acoustiques permettent d’évaluer le degré de biodiversité de paysages sonores enregistrés dans trois biomes distincts (désert, forêt tropicale, forêt de conifères). Jérome Sueur, Régis Férriere, et Léo Varnet sont bien sûr à bord ! Etienne Thoret est maintenant en postdoctorat à Marseille, mais il continuera à collaborer avec nous. Enfin, Richard McWalter, postdoctorant au MIT, et Elie Grinfeder, ingénieur diplômé de l’école AgroParistech rejoindront cette équipe de recherche naissante en écologie auditive réunissant les Départements d’Etudes Cognitives et l'IBENS de l'ENS, l’UMI CNRS iGlobes en Arizona et le Museum d’Histoire Naturelle. »
Référence de la publication :
Etienne Thoret, Léo Varnet, Yves Boubenec, Régis Férriere, F-M Le Tourneau, Bernie Krause, and Christian Lorenzi, Characterizing amplitude and frequency modulation cues in natural soundscapes: A pilot study on four habitats of a biosphere reserve (A paraître) The Journal of the Acoustical Society of America
POUR EN SAVOIR PLUS
Sites internet de Régis ferrière, de l'équipe Eco-Evolutionary Mathematics (EEM) et du centre de recherche iGlobes
Bernie Krause - Conférence TEDGlobal 2013
« La voix du monde naturel »
Sites internet de Jérôme Sueur et de l'équipe EAR, ecoacoustics research project
Article dans The Conversation publié le 24 mars 2020 « Dans le silence du virus : quels effets sur les êtres vivants ? »
COVID-19
De multiples projets liés au Covid-19 lancés au DEC
La recherche, certes handicapée par l’arrêt des expériences, ne s’est pas pour autant endormie. Les équipes du département se sont en effet lancées dans des projets liés au Covid-19.
L’équipe de NeuroPsychologie Interventionnelle (NPI), axée sur la recherche en neurosciences et sciences cognitives, travaille sur les formes neurologiques de la maladie. Le service de neurologie de l’Hôpital Henri Mondor à Créteil dirigé par Anne-Catherine Bachoud-Lévi a été réorganisé pour faire face à l'accueil de patients souffrant de COVID-19. Les neurologues de l’équipe NPI ont mis en évidence des formes neurologiques du COVID-19 chez des patients qui ne présentaient pas les symptômes typiquement décrits dans cette maladie, mais une atteinte neurologique (hallucinations, troubles de la parole, neuropathie périphérique, troubles de l'équilibre…). Face à cette nouvelle forme de la maladie, les neurologues, neuropsychologues et chercheurs de l'équipe ont mis en place un protocole d’évaluation rapide des troubles cognitifs pour la phase aiguë. Un bilan approfondi sera proposé à trois mois de l'infection. Ces évaluations comprennent des tests cognitifs développés par le NPI et des tests standards. L'une des difficultés rencontrée est liée à la réalisation des tests tout en respectant les conditions d’hygiène strictes imposées par cette maladie en phase aiguë. A ce jour, une vingtaine de patients COVID-19 ont été évalués. Un premier rapport de cas a été soumis le 22 avril et un article sur la cohorte NeuroCovid-Mondor (accord de l'Institutional Review Board obtenu le 21 avril) est en cours de rédaction.
L'Institut Jean Nicod (IJN) héberge des recherches de pointe en linguistique et en sciences sociales, le thème unificateur étant l’esprit humain et la nature des représentations. Les chercheurs de l’IJN sont largement mobilisés sur une vingtaine de sujets très variés tels que les sciences comportementales et la gestion de la crise du COVID-19 (ex : Webinar "Mieux appréhender la crise du covid-19 : apport des sciences comportementales" organisé par la Direction Interministérielle pour la Transformation Publique, projet ANR "Défis comportementaux dans la crise du Covid- 19 : le cas de l'hygiène des mains" ), l'éducation et la crise sanitaire (ex : création d'un dossier pédagogique pour aider les élèves et leurs familles à aborder le sujet de la crise du COVID-19 en les aidant à identifier les affirmations les plus fiables), la continuité pédagogique et le numérique (ex : soutien des enseignants dans leurs pratiques numériques, www.continuitepedagogique.org), les "fake news" en temps de coronavirus (Lire l'article dans The Guardian), la perception du danger, la représentation de l'espace peripersonnel, et bien d'autres sujets encore. D'autres études seront lancées très prochainement, comme par exemple une étude sur les difficultés liées à la distance sociale pour les personnes sourdes-aveugles pour qui la communication nécessite le toucher à mains nues. La liste détaillée des actions menées par l'IJN est disponible sur le site internet de l'institut.
Enfin, au Laboratoire de Neurosciences Cognitives et Computationnelles, Coralie Chevallier, déjà engagée sur les sujets impliquant les sciences comportementales évoqués précédemment - elle porte notamment le projet "Défis comportementaux dans la crise du Covid- 19 : le cas de l'hygiène des mains" en collaboration avec Hugo Mercier membre de l'IJN - fait aussi partie du think tank du projet de science citoyenne « Baromètre Covid-19 » (en partenariat avec IPSOS) qui vise à créer une base de données en accès libre rassemblant des informations utiles au suivi et l’appui à la gestion de la crise ainsi que la modélisation de la dynamique épidémique, relevées de façon hebdomadaire. Lire son article sur les sciences comportementales et les politiques publiques paru le 2 avril sur www.acteurspublics.fr.
NOMINATIONS
Stefano Palminteri, chercheur au LNC2, est désormais membre du comité éditorial du journal Communications Biology (Nature Publishing Group) avec la mission de promouvoir la recherche en psychologie et sciences cognitives au sein de ce journal de biologie générale.
En savoir plus sur Communications Biology.
Valentin Wyart, chercheur au LNC2, devient "Reviewing Editor" au sein d’eLife, un journal scientifique en libre accès qui publie des articles de recherche dans les domaines de la biologie et de la médecine.
En savoir plus sur eLife.
Elena Pasquinelli, chercheuse associée à l’IJN, a rejoint le conseil d'administration de la Fondation MAIF. La vocation première de la Fondation MAIF, fondation reconnue d'utilité publique, est de financer la recherche pour prévenir les risques qui affectent les personnes et leurs biens.
En savoir plus sur la Fondation MAIF.
VIDEOS
19e Forum des Sciences Cognitives
Le Forum des Sciences Cognitives a eu lieu virtuellement du dimanche 19 au mercredi 29 avril 2020 et a été un véritable succès. Plus de 10,000 personnes ont suivi les conférences pendant la durée du Forum, jusqu'à 1,500 spectateurs en direct pour chaque conférence !
Comme chaque année, le DEC a soutenu l'association Cognivence dans l'organisation de cet événement unique en France. Retrouvez l'intégralité des interventions sur la chaîne youtube du forum et notamment celles des chercheurs/chercheuses du DEC parmi lesquels Franck Ramus, Catherine Tallon-Baudry, Alex Cristia, Charlotte Jacquemot et Frédérique de Vignemont.
Franck Ramus (LSCP), " Qu'est-ce que les sciences cognitives ? "
Présentation du Master de sciences cognitives de PSL (Cogmaster) par Franck Ramus(ENS) et Thérèse Collins (Université de Paris), co-directeurs du master
Catherine Tallon-Baudry (LSCP), " Viscéralement conscient "
Alex Cristia (LSCP), présentation du LSCP et de son équipe sur l'acquisition du langage à travers les différentes cultures
Charlotte Jacquemot (NPI) : " Montrer du doigt ? Pas toujours si facile que ça ! "
Frédérique de Vignemont (IJN) : " Je me protège donc je suis "
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Le Laboratoire des Émotions, au cinéma et en sciences cognitives
Les enregistrements vidéos du colloque "Le Laboratoire des Émotions, au cinéma et en sciences cognitives" organisé à l'ENS en décembre dernier par Julie Grèzes, Rocco Mennella, Victor Chung (LNC2), Klara Kovarski (Integrative Neuroscience and Cognition Center) et Carole Desbarats (Les enfants de cinéma) sont désormais visibles sur la chaîne youtube de l'école.
Ce colloque rassemblait des experts du cinéma et des sciences cognitives pour créer un dialogue et un apprentissage mutuel autour des émotions dans le but de tenter de comprendre les éléments en jeu dans les émotions (audition, attention visuelle, perception du temps, empathie) et d'enrichir la recherche sur les émotions de l'expertise des professionnels du septième art (esthétique, réalisation, jeu, montage).
PLUS D'INFOS
Entretien avec les organisateurs de l'événement
Programme de l'événement
QUELQUES PUBLICATIONS RECENTES
Cepollaro, B., Domaneschi, F. & Stojanovic, I. (2020) When is it ok to call someone a jerk? An experimental investigation of expressives. Synthese. https://doi.org/10.1007/s11229-020-02633-z
Résumé :
We present two experimental studies on the Italian expressive ‘stronzo’ (English ‘jerk’). The first study tests whether, and to which extent, the acceptability of using an expressive is sensitive to the information available in the context. The study looks both at referential uses of expressives (as in the complex demonstrative ‘that jerk Marco’) and predicative uses of expressives (as in ‘Marco is a jerk’). The results show that expressives are sensitive to contextual information to a much higher degree than the non-expressive control items (such as ‘Piedmontese’) in their referential use, but also, albeit to a lesser degree, in their predicative use. The second study tests whether the lower acceptability of expressives in their predicative use may be simply due to saying something negative about someone. A comparison between expressives, such as ‘jerk’, and non-expressive negative terms, such as ‘nasty’ or ‘unbearable’, suggests that it is the expressive nature of these terms, rather than the mere negative valence, that affects acceptability. Our studies present a major challenge to the existing accounts of expressives, and raise several theoretical issues that still call for an answer.
Lakretz, Yair & Dehaene, Stanislas & King, Jean-Rémi. (2020). What Limits Our Capacity to Process Nested Long-Range Dependencies in Sentence Comprehension?. Entropy. 22. 446. 10.3390/e22040446.
Résumé :
Sentence comprehension requires inferring, from a sequence of words, the structure of syntactic relationships that bind these words into a semantic representation. Our limited ability to build some specific syntactic structures, such as nested center-embedded clauses (e.g., “The dog that the cat that the mouse bit chased ran away”), suggests a striking capacity limitation of sentence processing, and thus offers a window to understand how the human brain processes sentences. Here, we review the main hypotheses proposed in psycholinguistics to explain such capacity limitation. We then introduce an alternative approach, derived from our recent work on artificial neural networks optimized for language modeling, and predict that capacity limitation derives from the emergence of sparse and feature-specific syntactic units. Unlike psycholinguistic theories, our neural network-based framework provides precise capacity-limit predictions without making any a priori assumptions about the form of the grammar or parser. Finally, we discuss how our framework may clarify the mechanistic underpinning of language processing and its limitations in the human brain.
Marie A, Altay S, Strickland B (2020) The cognitive foundations of misinformation on science: What we know and what scientists can do about it, EMBO, 3;21(4):e50205. doi: 10.15252/embr.202050205
Résumé :
Misinformation and misunderstanding of science can partially be explained by cognitive processes rooted in our evolutionary past. Science communication can use this knowledge to overcome these cognitive limits.
Safra L, Baumard N, Wyart V, Chevallier C (2020) Social motivation is associated with increased weight granted to cooperation-related impressions in face evaluation tasks. PLoS ONE 15(4): e0230011. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0230011
Résumé :
It is a trope in psychological science to define the human species as inherently social. Yet, despite its key role in human behaviour, the mechanisms by which social bonding actually shapes social behaviour have not been fully characterized. Across six studies, we show that the motivation for social bonding does not indiscriminately increase individuals’ willingness to approach others but that it is instead associated with specific variations in social evaluations. Studies 1–4 demonstrate that social motivation is associated with a larger importance granted to cooperation-related impressions, i.e. perceived trustworthiness, during social evaluations. Studies 5 and 6 further reveal that this weighting difference leads strongly socially motivated participants to approach more partners that are perceived as both dominant and trustworthy. Taken together, our results provide support for the idea that humans’ social motivation is associated with specific social preferences that could favour successful cooperative interactions and a widening of people’s cooperative circle.
AGENDA
Les événements du DEC sont annulés ou reportés.
Des conférences sont en accès libre sur le site des Savoirs de l'ENS (Colloquium du DEC, la Semaine du Cerveau) et la chaîne youtube de l'école (conférences grand public, Semaine du Cerveau, Nuits de l'ENS etc.)
