Une approche biomimétique de la perception tactile chez les rongeurs

par Laure Nayélie Claverie

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alexis Prevost et de Elie Wandersman.

Soutenue le 07-07-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Jean Perrin (laboratoire) .

Le jury était composé de Laurent Bourdieu, Yoël Forterre, Éric Clément, Antoine Chateauminois, Daniel Shulz.


  • Résumé

    Les rongeurs utilisent leurs vibrisses pour sonder tactilement leur environnement. Tout contact induit des contraintes mécaniques lentes quasi-statiques et rapides vibratoires, qui se propagent jusqu'en base de vibrisse où des mécanorécepteurs dédiés les détectent. C'est cette étape de transduction mécanique de l'information tactile opérée par les vibrisses, avant tout codage neuronal,que nous avons étudiée.En combinant expériences biomimétiques et modélisations, nous avons cherché à isoler les contributions relatives des composantes lentes et rapides pour la détection etlocalisation d'objets, et la perception de textures. Un des enjeuxétait de comprendre ce qui d'un point de vue mécanique confère aux rongeurs leur rapidité et acuité remarquables. Pour cela, nous avons d’abord étudié la dynamique de choc vibrisse-objet, et montré que la position radiale de l’objet pouvait être encodée à la fois dans le taux de variation de la composante quasi-statique du moment en base et dans l’amplitude et la fréquence des vibrations induites. En mimant le mouvement de whisking, nous avons de plus montré qu’utiliser la composante vibratoire permet aux rongeurs une détection des contacts plus rapide et plus robuste. Nous avons ensuite étudié la perception de textures élémentaires, et montré que la variation maximale du moment en base dépendait de manière univoque de leur taille. Des expériences sur rats anesthésiés combinant suivi des vibrisses et mesures d’activité neuronale dans le cortex nous ont enfin permis de proposer un mécanisme d’encodage des textures où la topographie de la surface est modulée par les propriétés de vibrations de la vibrisse et démodulée au niveau neuronal.

  • Titre traduit

    A biomimetic approach of rodents tactile perception


  • Résumé

    Rodents use their facial whiskers to probe their environment by touch. Any contact induces both slow quasi-static and fast vibratory mechanical stresses that propagate down to the base of vibrissae where dedicated mechanoreceptors detect them. It is this phase of mechanical transduction of the tactile information operated by the whiskers, prior to any neural coding, that we have studied here. By combining biomimetic experiments and theoretical modeling, we have sought to separate the relative contributions of both slow and fast components, for the detection and localization of objects, as well as the perception of textures. One of the challenges of this work was to understand what determines from a mechanical point of view, rodents remarkable temporal and spatial precision.For this, we have first studied the shock dynamic between a whisker and an object and shown that the radial position of the object could be encoded both in the rate of change of the quasi-static component of the base torque as well as in the amplitude and frequency of the induced vibrations. In addition, by mimicking the whisking mode adopted by rodents, we have shown that using the vibratory component allows rodents to detect contacts faster and more robustly.We then studied the perception of elementary textures and showed that the maximum variation of the base torque depends univocally on their size. Experiments on anesthetized rats, combining whisker optical tracking and cortical neural activity measurements, led us to propose an encoding mechanism of texture perception where the surface topography is modulated by the vibration properties of the whiskers and demodulation occurs at a neuronal level.


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