Laboratoire : MNHN, Paris
Depuis une vingtaine d’années, des études en paléoanthropologie ont proposé l’existence de différences de rythmes, vitesses et trajectoires de croissance crânio-faciale et cérébrale entre Néandertal et Sapiens, suscitant des débats dans la communauté scientifique.
Les modalités de mise en place de ces caractéristiques propres aux néandertaliens, notamment en relation avec le calendrier de maturation dentaire, sont très débattues, tout comme le sont les facteurs sous-jacents qui y président (ontogéniques, fonctionnels, dérive génétique, etc.).
Le faible nombre et l’état de préservation des fossiles immatures pléistocènes des deux espèces (incomplétude, fragmentation, déformations) ont limité jusqu’ici leur analyse morphométrique et présentent un écueil majeur à l’appréhension de leur variabilité intra- et inter-spécifique.
Ce sujet de doctorat propose de réévaluer la chronologie et les modalités de mise en place de l’architecture crânio-faciale des Néandertaliens au cours de la croissance, et de les confronter à celles des Sapiens, en effectuant une analyse morphométrique de modèles 3D de crânes immatures d’enfants néandertaliens et sapiens pléistocènes.
Les outils d’imagerie virtuelle permettent aujourd’hui de reconstituer au mieux la morphologie originale d’un fossile, en compensant pour partie les portions anatomiques manquantes, en corrigeant les déformations taphonomiques, et en « remontant » des fragments disjoints. Cependant, la plupart des techniques développées pour cela sont manuelles ou semi-manuelles, ce qui conduit souvent à plusieurs propositions de reconstruction pour un même fossile et à des débats et incertitudes sur sa morphologie.
Nous proposons de mener une nouvelle étude morphométrique comparée des trajectoires de croissance crânio-faciale chez H. neanderthalensis et H. sapiens. Au préalable, dans le but d’obtenir des reconstructions 3D de ces crânes fossiles les plus automatiques et objectives possibles, nous proposons de concevoir, implémenter et valider de nouvelles méthodes algorithmiques/mathématiques, permettant en particulier de s’affranchir de la pose d’amers anatomiques, dont la définition peut s’avérer empirique sur des fragments où de tels amers sont mal définis. Des développements récents dans le domaine de la vision par ordinateur, du traitement des images, et de l’intelligence artificielle ouvrent des pistes pour résoudre de tels « puzzles 3D ».
Il s’agira notamment de développer de nouvelles méthodes permettant : i) l’automatisation des procédures de reconstitution de données manquantes, souvent créées par repositionnement manuel des portions symétriques ; ii) la correction de déformations taphonomiques, basée sur la symétrie bilatérale de l’objet à reconstruire, en estimant automatiquement une transformation affine superposant au mieux le crâne avec lui-même ; iii) l’automatisation de la reconstruction proprement dite, notamment via le calcul d’invariants géométriques sur les fragments, puis leur mise en correspondance sur un mode hiérarchique.
Une validation des méthodes proposées sera basée sur des expériences de fragmentation puis de reconstitution virtuelle de crânes humains immatures récents des collections du Musée de l’Homme.
Cette étude quantitative comparée de blocs crânio-faciaux et mandibules d’enfants néandertaliens et sapiens paléolithiques (La Quina 18, Pech de l’Azé, Roc de Marsal, Baoussé-Rousse, La Madeleine…) apportera de nouvelles données à l’étude comparative du développement et de la croissance crânio-faciale chez ces deux espèces. Ce doctorat apportera aussi de nouveaux outils à la communauté paléoanthropologique, pour de meilleures analyses morphométriques de fossiles humains incomplets. Il s’inscrira en interdisciplinarité entre les sciences mathématiques et les sciences naturelles. Il permettra par ailleurs d’amorcer la structuration d’une collaboration étroite entre le MNHN et l’INRIA, s’appuyant sur le porteur HDR du projet et son réseau collaboratif.
L’objectif du doctorat est de contribuer à caractériser la croissance crânio-faciale d’Homo neanderthalensis et Homo sapiens en développant de nouvelles méthodes mathématiques objectives, robustes et reproductibles, pour la rétrodéformation, le réassemblage et la reconstruction de crânes fossiles. Il s’agira d’implémenter ces méthodes et de les mettre à disposition de la communauté de chercheur.e.s en paléoanthropologie. L’application de ces méthodes permettra de restituer la morphologie de crânes d’enfants pléistocènes et de revoir leur architecture crânio-faciale, en lien avec les discussions relatives aux facteurs sous-jacents à l’évolution de ces deux espèces. Ce travail posera en outre une première pierre à la structuration d’un réseau interdisciplinaire et inter-institutionnel MNHN-INRIA.
Depuis une vingtaine d’années, des études paléoanthropologiques ont proposé l’existence de différences de rythmes, vitesses et trajectoires de croissance crânio-faciale entre Néandertal et Sapiens. Le faible nombre et l’état de préservation des fossiles, et particulièrement des immatures, est toutefois un écueil majeur à ces études. Les outils d’imagerie virtuelle permettent aujourd’hui de proposer des modèles 3D compensant au mieux ces limites mais les méthodes développées jusqu’ici – manuelles ou semi-manuelles basées sur des (semi)landmarks – demeurent souvent insatisfaisantes et peu reproductibles. Il s’agira dans ce doctorat de développer de nouvelles méthodes mathématiques de reconstruction, appuyées sur des résultats préliminaires prometteurs obtenus lors de travaux antérieurs.
Les développements méthodologiques s’inscriront dans la suite d’une bibliothèque C++ pour le traitement et l’analyse de surfaces (librairie CLARCS ; clarcs.inria.fr), qui inclut trois algorithmes de base pour des tâches de recalage, de calculs de plans de symétrie et de surfaces moyennes. À titre de validation, des expériences par fragmentation virtuelle (à partir de données CT-scans) puis reconstitution de blocs crânio-faciaux et mandibules d’Homo sapiens récents des collections du Musée de l’Homme seront menées. Les méthodes développées seront appliquées à une série de vestiges crânio-faciaux d’enfants néandertaliens et sapiens (La Quina 18 ; Pech de l’Azé ; Roc de Marsal ; Baoussé-Roussé ; La Madeleine…) et permettront une nouvelle étude quantitative comparée de leur architecture crânio-faciale.
Les nouvelles méthodes algorithmiques/mathématiques développées dans cette thèse auront pour but d’aider les paléoanthropologues à améliorer les reconstructions de fossiles en objectivant les choix effectués et en minimisant les interactions manuelles. De telles reconstructions optimisées permettront la prise en compte de fossiles parfois peu étudiés dans des études comparative morphométrique et dans la reconstitution de l’histoire évolutionnaire des hominines. Les nouvelles reconstructions proposées dans ce travail pour les crânes immatures pléistocènes d’Homo neanderthalensis et d’Homo sapiens permettront de réévaluer leur architecture crânio-faciale en lien avec les discussions sur l’histoire évolutionnaire et l’auxologie de chacune de ces espèces.
– Sylvain Prima (60%), CR INRIA, UMR 7194, HDR.
– Christine Verna (40%), CR CNRS, UMR 7194.
Le ou la doctorant∙e sera encadré.e par un spécialiste du traitement du signal et des images 3D (SP) et une paléoanthropologue (CV) spécialiste des Néandertaliens et Homo sapiens pléistocènes. L’encadrement impliquera des rendez-vous hebdomadaires ou bi-hebdomadaires, avec un premier mois consacré à bâtir les bases pour le démarrage du projet et fixer les jalons et l’échéancier du projet. Le comité de suivi de thèse envisagé intègrera des collègues paléoanthropologues spécialistes de l’utilisation des outils d’imagerie 3D en paléoanthropologie, des spécialistes de traitement du signal et de l’analyse quantitative de l’architecture crânio-faciale des hominines.
La faisabilité en 3 ans est assurée. Les données numériques 3D actuelles et fossiles (tomographie par rayon X) nécessaires au projet sont acquises et/ou accessibles.
Échéancier :
– Année 1 : état de l’art, prise en main du code de la librairie CLARCS, premiers développements méthodologiques, implémentation de ces méthodes (C++ ou Python)
– Année 2 : application de différentes méthodes de rétrodéformation/réassemblage/reconstruction à des crânes immatures néandertaliens et sapiens (voir ci-dessous) ; comparaison des résultats avec de précédents reconstructions ; début de rédaction de chapitres de thèse ; premières publications et présentations à des conférences
– Année 3 : fin de la rédaction de la thèse, et dissémination des résultats via des nouvelles publications et présentation à des conférences
L’étudiant.e devra posséder de bonnes connaissances en informatique (C/C++, Python, R…) et mathématiques appliquées (notamment en statistiques et en traitement et analyse des signaux et des images, morphométrie géométrique…), ainsi qu’un intérêt fort pour l’étude de l’évolution humaine, la paléoanthropologie, la paléontologie, l’anatomie…
Niveau de français requis: Intermédiaire supérieur: Vous pouvez utiliser la langue de manière efficace et vous exprimer précisément.
Niveau d’anglais requis: Intermédiaire supérieur: Vous pouvez utiliser la langue de manière efficace et vous exprimer précisément.
Contact : sylvain.prima@mnhn.fr
