Thèse Développement de l'Audiosphère une Plateforme Audio Spatiale pour Tester la Catégorisation Auditive Naturaliste chez les Animaux Non-Humains H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1 École doctorale : NSCo - Neurosciences et Cognition Laboratoire de recherche : CRNL - CENTRE DE RECHERCHE EN NEUROSCIENCES DE LYON Direction de la thèse : Pierre LE MERRE ORCID 0000000342057411 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet Audiosphère, qui vise à établir un nouveau cadre expérimental et théorique pour comprendre comment les animaux forment et utilisent des catégories mentales auditives. Le projet étudie particulièrement les circuits cérébraux sous-jacents à la liaison entre les caractéristiques acoustiques abstraites et les actions comportementales, à travers trois phases : la détermination des catégories mentales auditives chez la souris, la caractérisation des circuits neuronaux de catégorisation, et le déploiement de ces catégories pour optimiser la flexibilité comportementale.

Cette thèse contribue à la première phase en développant les outils expérimentaux nécessaires aux études de catégorisation mentale auditive. L'objectif principal est de concevoir et réaliser un dispositif innovant de spatialisation sonore permettant de synthétiser des sources sonores, fixes ou mobiles, positionnées dans un demi-espace face à une souris maintenue en position d'écoute fixe.

Missions principales

1. Conception de l'antenne audio spatiale : Développer une antenne basée sur une technique de spatialisation par synthèse VBAP (Vector Base Amplitude Panning), adaptée aux contraintes de l'expérimentation sur petit animal. Cette technologie permettra de créer des sources sonores virtuelles précisément positionnées dans l'espace.

2. Réalisation du dispositif expérimental : Concevoir et assembler l'ensemble du système comprenant la structure mécanique, les chaînes audio multicanaux et le système de pilotage. Les chaînes audio seront optimisées pour fonctionner dans la gamme 1-20 kHz et, si possible, conçues pour étendre cette gamme jusqu'à 40 kHz. Le système sera transportable pour être installé ultérieurement dans un laboratoire de neurosciences.

3. Développement d'un système de caractérisation acoustique : Concevoir et réaliser un dispositif permettant de mesurer et valider les performances acoustiques de l'antenne. Ce système pourra initialement reposer sur un microphone mobile confronté à des simulations numériques, avec la perspective d'évoluer vers une antenne fixe de microphones pour une caractérisation spatiale complète.

4. Étude de faisabilité : Explorer les possibilités de restitution d'un paysage sonore tridimensionnel en utilisant des techniques avancées alternatives telles que la synthèse de front d'onde (WFS), l'Ambisonique d'ordre élevé (HOA) ou le beam forming. Ces techniques pourront être testées en comparaison avec le VBAP, soit théoriquement soit expérimentalement.

5. Mise en oeuvre expérimentale : Installer, tester et exploiter l'antenne pour réaliser des études de catégorisation mentale auditive chez la souris. Le système de stimulation audio devra être synchronisé avec un dispositif d'enregistrement de l'activité neuronale à haute densité spatiale (sondes Neuropixels). Cette phase impliquera l'analyse de signaux acoustiques et neuronaux.

Déroulement et encadrement

Le travail doctoral se déroulera en deux phases géographiques distinctes. La première partie, consacrée à la conception, la réalisation et la caractérisation du dispositif, se déroulera au Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA) à Marseille, où le candidat bénéficiera de l'encadrement de Renaud Côte, avec l'appui de Vincent Roggerone et Sandrine Rakotonarivo. L'utilisation de l'antenne avec des sujets vivants se fera au Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (CRNL) durant la dernière année de thèse, sous l'encadrement de Pierre Le Merre et en collaboration avec l'équipe FORGETTING, dirigée par Audrey Hay et Gaël Malleret.
La catégorisation, c'est-à-dire le processus de regroupement d'instances individuelles (individus, pensées, expériences) en classes plus larges partageant des similitudes, est une capacité cognitive fondamentale pour la survie dans le règne animal. Confondre amis et ennemis, ou proies et prédateurs, peut avoir des conséquences graves pour un individu. Pour prospérer dans un environnement en constante évolution et prendre des décisions rapides, les animaux doivent extraire des invariants et former des catégories.

Décrite depuis l'Antiquité par les philosophes classiques de Platon et Aristote jusqu'à Kant et aux penseurs plus récents, la catégorisation est considérée comme l'une des capacités cognitives humaines les plus fondamentales. La vision classique issue de la linguistique cognitive définit la catégorisation comme l'acte de regrouper des instantiations uniques partageant un degré de similarité en groupes mentaux plus abstraits. Parce qu'elle constitue un mécanisme cognitif puissant pour organiser la connaissance du monde, elle a été étudiée de manière approfondie par de nombreux domaines de recherche : psychologie, éthologie, linguistique et écologie. Au cours des dernières décennies, les neuroscientifiques se sont joints à cette entreprise, recherchant les bases neuronales des catégories dans le cerveau.

Parmi les différentes modalités sensorielles, l'audition est particulièrement attrayante mais reste sous-étudiée pour l'étude de la catégorisation. De nombreuses espèces utilisent leur système auditif pour segmenter des scènes acoustiques complexes en objets perceptifs utiles guidant leurs comportements futurs (recherche de nourriture, reproduction, évitement des menaces). Pourtant, découvrir les circuits neuronaux et les dynamiques sous-tendant la catégorisation auditive représente un défi, car ces circuits impliquent probablement de larges parties du cerveau et affichent des patterns d'activité complexes à l'échelle cérébrale globale.

Le projet Audiosphère vise à établir comment les circuits neuronaux distribués conduisent à la catégorisation des sons naturels et guident ultimement le comportement. Cette recherche sera menée chez la souris, qui dépend fortement de son sens de l'audition et constitue l'espèce disposant de la boîte à outils génétiques la plus avancée pour étudier les fonctions cérébrales. Le projet prévoit d'abord la conception d'un système innovant de stimulation auditive spatialisée pour étudier le répertoire de catégories acoustiques chez la souris. Ensuite, l'identification des réseaux cérébraux clés sous-tendant la catégorisation sonore sera réalisée par l'enregistrement simultané de milliers de neurones à travers le cerveau, et l'analyse des signaux par des algorithmes d'apprentissage automatique. Pour corroborer ces résultats, des manipulations de l'activité neuronale utilisant des outils optogénétiques seront effectuées. Enfin, l'influence des aspects émotionnels des sons sur la catégorisation auditive sera explorée en utilisant une approche naturaliste du comportement.

Ce travail apportera non seulement de nouvelles perspectives sur la manière dont le cerveau catégorise les sons pour guider le comportement, mais améliorera également notre compréhension des mécanismes cérébraux globaux qui sous-tendent les processus cognitifs. Objectif principal : Améliorer la compréhension des mécanismes cérébraux de catégorisation du son.

Sous-objectifs :
1. Développer une instrumentation innovante de spatialisation sonore, l'Audiosphère pour analyser le comportement de la souris en fonction de la direction d'arrivée d'un son: scène sonore simplifiée.
2. Élucider les mécanismes de catégorisation sonore par des réseaux de neurones: à partir du dispositif développé et dans le cadre d'une scène sonore simplifiée, apporter de nouveaux éléments de compréhension sur la manière dont le cerveau catégorise les sons en fonction de leur direction d'arrivée.
3. Étudier la faisabilité d'une instrumentation avancée : évaluer la possibilité de mettre en oeuvre un système de spatialisation sonore plus sophistiqué, basé sur des méthodes de synthèse de champs, pour étudier la catégorisation du son dans des scènes sonores plus complexes: positionnement multiple de sources, différents types d'ambiances sonores.
Ce projet doctoral tirera parti des progrès récents en stimulation acoustique tridimensionnelle, notamment la techniques de Vector Base Amplitude Panning (VBAP) en premier abord, puis les techniques de synthèse de front d'onde (Wave Field Synthesis) d'ambisonique d'ordre élevé (HOA) ou le beam forming, habituellement développées pour l'humain, afin de construire un système de stimulation auditive spatialisée pour la souris couvrant également la gamme ultrasonore. Une co-direction avec les experts du Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA, UMR 7031) a été établie pour concevoir et réaliser une antenne hémisphérique de haut-parleurs dédiée à la souris (l' AudioSphère).

1. Conception de l'antenne audio spatiale : Développer une antenne basée sur une technique de spatialisation par synthèse VBAP, adaptée aux contraintes de l'expérimentation sur petit animal. Cette technologie permettra de créer des sources sonores virtuelles avec des directions d'arrivées maîtrisées dans l'espace. Le VBAP peut-être vue comme une extension du système stéréo. En conséquence, les sources virtuelles restent localisés sur l'antenne de haut-parleurs, a une distance fixe de l'animal. Le système comprendra l'ensemble de la structure mécanique, les chaînes audio multicanaux optimisées pour fonctionner dans la gamme audible de 1 à 20 kHz, avec une conception évolutive permettant d'étendre cette gamme jusqu'à 40 kHz. Un système de caractérisation acoustique sera développé pour mesurer et valider les performances de l'antenne, initialement basé sur un microphone mobile confronté à des simulations numériques, avec la perspective d'évoluer vers une antenne fixe de microphones pour une caractérisation spatiale complète. Des variations du VBAP comme le VBIP (Vector-Based Intensity Panning) ou DBAP (Distance-Based Amplitude Panning) pourront être testées selon les caractéristiques des sources virtuelles que l'on cherche a conserver.

2. Réalisation du dispositif expérimental : Concevoir et assembler l'ensemble du système comprenant la structure mécanique, les chaînes audio multicanaux et le système de pilotage. Les chaînes audio seront optimisées pour fonctionner dans la gamme 1-20 kHz et, si possible, conçues pour étendre cette gamme jusqu'à 40 kHz. Le système sera transportable pour être installé ultérieurement dans un laboratoire de neurosciences.

3. Développement d'un système de caractérisation acoustique : Concevoir et réaliser un dispositif permettant de mesurer et valider les performances acoustiques de l'antenne. Ce système pourra initialement reposer sur un microphone mobile confronté à des simulations numériques, avec la perspective d'évoluer vers une antenne fixe de microphones pour une caractérisation spatiale complète.

4. Étude de faisabilité : En complément de la méthode de synthèse de son V-BAP, explorer les possibilités de restitution d'un paysage sonore tridimensionnel en utilisant des techniques avancées alternatives telles que la synthèse de front d'onde (WFS), l'Ambisonique d'ordre élevé (HOA) ou le beam forming. Ces techniques pourront être testées soit théoriquement soit expérimentalement. De manière détaillée , les méthodes comme WFS ou HOA cherchent à recréer un champ sonore donné, comme par exemple celui produit par une source acoustique. Ces méthodes, plus complexes à mettre en oeuvre, permettent de synthétiser un paysage sonore avec une meilleur notion de distance a la source par exemple. Deux axes principaux pourront être développés :

a) Quelle performance peut-on obtenir lors de la mise en oeuvre ces méthodes dans le domaine des très hautes- fréquences (ultrason). En effet, les performances s'effondre souvent lorsque la fréquence augmente. Peut-on caractériser ces performances ?

b) Quelle est la pertinence de ces méthodes pour le projet Audiosphère. A titre d'exemple, chez l'humain, le VBAP est largement suffisant pour étudier la perception angulaire d'une source sonore, mais montre ses limites lors de l'étude de la perception de la distance de la-dites source sonore. Pourra se poser alors la question de la pertinence de la notion de distance pour l'étude de la perception sonore animal, en fonction des catégories auditives visées.

5. Mise en oeuvre expérimentale : Installer, tester et exploiter l'antenne pour réaliser des études de catégorisation mentale auditive chez la souris. Le système de stimulation audio devra être synchronisé avec un dispositif d'enregistrement de l'activité neuronale à haute densité spatiale (sondes Neuropixels). L'analyse des signaux acoustiques et neuronaux sera réalisée à l'aide d'algorithmes de traitement du signal pour identifier les réseaux cérébraux clés sous-tendant la catégorisation sonore. Des manipulations de l'activité neuronale utilisant des outils optogénétiques pourront être effectuées pour corroborer les résultats obtenus.

Nous recherchons un(e) candidat(e) titulaire d'un Master 2 ou diplôme d'ingénieur (ou équivalent) en acoustique, physique, ingénierie, traitement du signal ou dans un domaine connexe. Une formation solide en acoustique physique et/ou en instrumentation scientifique est indispensable.

Compétences techniques requises :

- Connaissances solides en acoustique fondamentale et appliquée
- Maîtrise de la conception et de la réalisation de systèmes expérimentaux
- Compétences en programmation (Python, MATLAB ou équivalent)
- Expérience en traitement du signal
- Capacités en simulation numérique et modélisation

Compétences appréciées :

- Connaissance des techniques de spatialisation sonore (VBAP, Ambisonique, WFS)
- Expérience en électronique et/ou en systèmes audio multicanaux
- Familiarité avec les méthodes d'apprentissage automatique
- Connaissances en neurosciences ou intérêt marqué pour ce domaine

Qualités personnelles :

Le projet étant hautement pluridisciplinaire et se déroulant sur deux sites géographiques, nous recherchons un(e) candidat(e) faisant preuve d'autonomie, de rigueur scientifique, de créativité technique et de fortes capacités d'adaptation. L'aptitude à travailler efficacement au sein d'équipes interdisciplinaires est essentielle. Une excellente capacité de communication, tant à l'écrit qu'à l'oral, en français et en anglais, est attendue. La mobilité géographique entre Marseille et Lyon est un prérequis du projet.

Le/la candidat(e) devra démontrer une forte motivation pour un projet alliant développements techniques innovants et recherche fondamentale en neurosciences, ainsi qu'une volonté d'acquérir des compétences dans des domaines variés (acoustique, instrumentation, neurosciences comportementales, analyse de données).

Modalités de candidature :

Les candidats intéressés sont invités à soumettre un dossier comprenant : CV détaillé, lettre de motivation exposant leur intérêt pour le projet et leurs compétences pertinentes, relevés de notes de Master, coordonnées de deux personnes de référence.