Comment les poissons parviennent-ils à former des bancs où des centaines d’individus nagent de manière remarquablement coordonnée ? Répondre à cette question constitue l’un des grands défis de la biologie du comportement. Pour y parvenir, une équipe de chercheurs du Centre de Recherches sur la Cognition Animale (CRCA), du Laboratoire de Physique Théorique (LPT) et de l’Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (IRIT) a développé une approche originale combinant modélisation mathématique et réalité virtuelle interactive. Publiés dans PLoS Computational Biology, leurs travaux montrent qu’il est désormais possible de reconstruire quantitativement les règles d’interaction qui gouvernent la nage collective, puis de les valider expérimentalement grâce à des interactions en temps réel entre un poisson vivant et son jumeau numérique. Ce travail a été relayé sur le site web de l’Institut de Biologie du CNRS.
Comment un banc de poissons parvient-il à changer de direction avec une précision remarquable sans qu’aucun individu ne dirige le groupe ? Cette question est au cœur des recherches sur les comportements collectifs depuis plusieurs décennies. Les biologistes savent aujourd’hui que cette coordination repose sur des interactions locales entre voisins, mais les mécanismes précis qui permettent à chaque poisson d’ajuster sa nage restaient difficiles à identifier et, surtout, à valider expérimentalement.
Pour relever ce défi, les chercheurs ont développé une approche originale qui associe expérimentation animale, modélisation mathématique et réalité virtuelle immersive. L’objectif n’était pas seulement de reproduire le comportement collectif observé chez les poissons, mais de montrer que les règles d’interaction intégrées au modèle correspondent effectivement aux mécanismes que les animaux mettent en œuvre pour coordonner leurs déplacements.
Les chercheurs ont d’abord enregistré les déplacements tridimensionnels de couples de poissons nageant librement dans un aquarium. L’analyse de leurs trajectoires leur a permis de reconstruire les interactions sociales qui gouvernent leurs déplacements : attraction (à longue distance), répulsion (à courte distance) et alignement entre poissons, et leur répulsion avec les parois de l’arène. Ainsi, les poissons ajustent leur vitesse, leur orientation et leur position en fonction de leurs voisins, mais également de leur distance aux parois et de leur profondeur de nage. Ces règles ont ensuite été intégrées dans un modèle mathématique reproduisant fidèlement les mouvements en 3D observés chez les animaux. Les simulations obtenues restituent avec une remarquable précision les vitesses de nage, les distances entre individus, leur alignement, leur profondeur de nage ainsi que leurs demi-tours collectifs.
La véritable innovation de l’étude consiste toutefois à aller bien au-delà d’une simple comparaison entre simulations et observations expérimentales. Les chercheurs ont développé un système de réalité virtuelle en boucle fermée permettant à un poisson vivant d’interagir en temps réel avec un (ou plusieurs) avatar virtuel contrôlé par le modèle mathématique. Les mouvements du poisson sont suivis en permanence au moyen d’une caméra 3D, puis transmis instantanément au modèle qui calcule la réponse du partenaire virtuel. Celui-ci est alors projeté sous la forme d’une image anamorphique sur la surface interne de l’aquarium, créant pour le poisson l’illusion tridimensionnelle d’un véritable congénère nageant à ses côtés.
Un poisson nage librement dans un aquarium hémisphérique tandis que ses déplacements en trois dimensions sont suivis en temps réel. Ces informations alimentent un modèle mathématique qui pilote un avatar virtuel projeté sur la paroi interne de l’aquarium. Grâce à une projection anamorphique en trois dimensions, l’image du poisson virtuel (en haut sur l’image) est continuellement déformée en fonction de la position et de l’orientation du poisson réel (en bas sur l’image), de manière à lui apparaître comme un véritable congénère nageant dans le même volume d’eau. Le poisson virtuel adapte ainsi en permanence sa position et son orientation aux mouvements de son partenaire vivant, permettant d’étudier les mécanismes de coordination de la nage collective. Photo : David Villa, ScienceImage/CBI/CNRS, Toulouse.
Les résultats montrent que les poissons réels coordonnent spontanément leurs déplacements avec ce partenaire virtuel. Ils ajustent leur vitesse, leur direction et leur position comme ils le feraient avec un véritable congénère. Cette validation comportementale constitue une étape importante dans l’étude des comportements collectifs. Pour la première fois, les règles d’interaction reconstruites à partir des observations ne sont plus seulement capables de reproduire les statistiques des trajectoires observées, elles génèrent un comportement suffisamment réaliste pour susciter chez un animal vivant des interactions comparables à celles établies avec un autre poisson.
Vidéo d’une expérience de réalité virtuelle en boucle fermée. Un poisson nage librement dans un aquarium hémisphérique et interagit en temps réel avec l’avatar virtuel d’un congénère, dont les mouvements sont calculés par un modèle mathématique à partir des déplacements du poisson vivant. En haut à gauche, l’interface de contrôle affiche en temps réel les trajectoires du poisson réel (en rouge) et de son avatar (en bleu) ainsi que les paramètres du modèle. En bas à gauche, les déplacements tridimensionnels du poisson sont suivis en temps réel par une caméra 3D. À droite, l’image anamorphique du poisson virtuel est projetée sur la paroi interne de l’aquarium, créant l’illusion d’un véritable congénère nageant aux côtés du poisson réel.
Au-delà de ces résultats récemment étendus à l’interaction d’un poisson avec jusqu’à neuf partenaires virtuels, ces travaux ouvrent une nouvelle voie pour l’étude des comportements collectifs des groupes et sociétés animales. En faisant interagir directement un animal vivant avec un avatar virtuel dont le comportement est entièrement défini par un modèle mathématique, les chercheurs disposent désormais d’un outil inédit pour tester quantitativement les hypothèses décrivant les interactions sociales. Cette approche pourrait trouver de nombreuses applications, depuis la conception de robots capables de s’intégrer dans des groupes d’animaux jusqu’au développement de systèmes collectifs inspirés du vivant, tels que des essaims de drones ou des flottes de véhicules autonomes. Elle illustre également l’émergence d’une nouvelle génération d’expériences mêlant organismes vivants et agents numériques, où la réalité virtuelle devient un véritable laboratoire pour explorer les principes fondamentaux des phénomènes d’intelligence collective dans le monde vivant.
Référence : Escobedo, R., Reynaud, J., Bastien, R., Sanchez, S., Sire, C., & Theraulaz, G. (2026). Closed-loop real-virtual interactions validate 3D model of social coordination in fish. PLoS Computational Biology 22(8): e1014544 (2026)