GROUPE COGNITION HUMAINE

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M. Denis

Exemples d'Activité de Recherche du groupe

INTRODUCTION

Le Groupe Cognition Humaine est issu d'une équipe créée en 1992 par M. Denis au sein du LIMSI, avec le soutien du Programme Cognisciences du CNRS, relayé en 1996 par le GIS Sciences de la Cognition. Le Groupe constitue l'une des quatre composantes du Département Communication Homme-Machine. Les travaux du Groupe s'appuient sur une démarche thé orique et une méthodologie qui sont celles de la psychologie cognitive expérimentale et qui donnent leur spécificité aux opérations menées par le Groupe au sein du LIMSI. L'objectif des membres du Groupe est de rendre compte des processus par lesquels les individus traitent l'information extraite de leur environnement et en construisent des repré sentations utilisables dans leurs conduites. Les connaissances acquises sur la construction de représentations mentales à partir du traitement du langage sont mises au service des travaux pluridisciplinaires menés au LIMSI sur les formes naturelles et artificielles de l'intelligence et sur la communication homme-machine.

Les recherches menées au sein du Groupe Cognition Humaine sont organis ées autour de deux grands thèmes : le rôle de l'image et du langage dans la cognition spatiale ; la compréhension de textes et l'acquisition de connaissances.

La première équipe (Image, Langage et Cognition Spatiale) se consacre à la mise en évidence du rôle de l'image et du langage dans la construction de représentations mentales de configurations spatiales. Cette étude permet de rendre compte des processus de communication par lesquels des individus échangent des connaissances sur leur environnement et inscrivent ces connaissances en mémoire en vue d'utilisations ultérieures. Les résultats de ces travaux sont mis au service de la conception de systèmes informatisés d'aide à la navigation. En outre, une collaboration étroite et continue avec des équipes de neuroimagerie et de neuropsychologie permet à l'é quipe de contribuer à la connaissance de l'architecture céré brale intéressée par le traitement de l'image et du langage.

Les recherches de la seconde équipe (Compréhension de Textes et Acquisition de Connaissances) abordent différents niveaux du traitement cognitif des textes. Elles visent d'abord à rendre compte de l'organisation des signifiés en mémoire sémantique et des modalit és d'accès à cette mémoire. L'objectif est de modéliser le réseau associatif au moyen d'un système connexionniste. Les travaux analysent également le rôle des inférences dans la compr éhension, ainsi que les structures argumentatives utilisées dans les textes destinés à transmettre des connaissances scientifiques.

THÈME 1 : IMAGE, TRAITEMENT DU LANGAGE ET COGNITION SPATIALE

M. Denis, S. Chalmé, M.-P. Daniel, E. Deyzac, F. Gaunet, G. Fernandez, S. Fontaine, P.E. Michon,

Les travaux menés sur ce thème portent sur les interactions de l'image et du langage dans la construction de représentations mentales de configurations spatiales. L'étude de ces interactions est particuli èrement importante pour rendre compte des processus de communication entre agents cognitifs (naturels ou artificiels) appelés à é changer des connaissances sur leur environnement spatial. Nos travaux s'inscrivent dans un contexte international qui comporte une dimension europ éenne significative, grâce au soutien attribué par l'Union Europ éenne à un regroupement de laboratoires. Au groupe d'Orsay ont ét é associées des équipes d'Aberdeen, Padoue, La Laguna, Sarrebruck et, plus récemment, Dresde. Au plan international, nos contacts avec S. Kosslyn (Harvard), B. Tversky (Stanford) et J. Loomis (Santa Barbara) se concrétisent par la mise en oeuvre de projets communs.

Un élément significatif dans le développement de l'équipe, en 1999, a été le recrutement de F. Gaunet, CR2, sur un poste inter-d épartements créé par le CNRS pour accueillir un chercheur du domaine des Sciences de la Vie dans un laboratoire de Sciences pour l'Ing énieur. Ce recrutement va nous permettre de conduire de nouvelles recherches fondamentales sur les processus cognitifs mis en oeuvre dans la représentation de l'espace, avec l'objectif de contribuer à la conception de systèmes informatiques de communication homme-machine d'aide à la navigation.

Génération d'images mentales à partir de descriptions verbales

Nos expérimentations analysent les processus cognitifs mis en oeuvre lorsque des individus construisent la représentation interne de configurations spatiales à partir des descriptions verbales de ces configurations. Les analyses chronométriques de l'exploration mentale de distances attestent la capacité des images visuelles à refléter la métrique des configurations imaginées. Sur ce sujet, nous avons effectué, avec S. Kosslyn, le bilan critique approfondi de vingt anné es de recherches sur les mécanismes de l'exploration mentale, auxquels nos deux laboratoires ont consacré de nombreuses recherches. Ce travail a été publié sous la forme d'un article-cible qui a permis d'engager un débat scientifique avec les experts internationaux du domaine de l'imagerie mentale (en psychologie, neuropsychologie et neurosciences computationnelles).

Dans le cadre d'un projet soutenu par le Programme Cognitique, nous reprenons les tâches d'exploration mentale et de comparaison mentale de distances chez des sujets aveugles de naissance et tardifs. Ce travail doit nous permettre de préciser le rôle de la vision et de l'imagerie mentale dans la construction de représentations spatiales à partir de descriptions verbales.

Processus cognitifs mis en oeuvre dans la production de descriptions spatiales

Notre intérêt pour les processus cognitifs et les stratégies linguistiques mises en oeuvre dans la description de configurations spatiales s'est concentré, depuis quelques années, sur la description d'itinéraires et, plus généralement, sur les instructions d'aide à la navigation.

Nous poursuivons le recueil de corpus de descriptions dans des environnements variés (campus, environnements urbains) et la classification des propositions issues de leur analyse. Nous avons mis en évidence la robustesse de la structure des descriptions produites dans des situations contraintes (par exemple, lorsque le sujet doit produire une description concise) et nous avons mené une étude sur la production de descriptions en situation collective. Cette situation induit une plus grande sélectivité de l'information introduite dans les descriptions, avec un effet significatif sur leur concision et leur valeur informative. Une validation des propriétés des descriptions spatiales est effectuée par la mesure de déplacements sur le terrain. En reprenant la méthodologie utilisée dans le travail men é avec F. Pazzaglia et C. Cornoldi à l'Université de Padoue, nous avons mesuré les erreurs directionnelles et nous avons en outre proc édé à des mesures chronométriques, dont l'analyse corrobore la valeur d'aide au déplacement des descriptions testées.

Plusieurs recherches sur la production de descriptions spatiales sont actuellement menées en environnement réel. Dans le cadre d'un contrat CIFRE avec la RATP, nous avons identifié les caracté ristiques spécifiques des descriptions d'itinéraires dans l'enceinte du métro parisien. Plus récemment engagée, une recherche mené e avec la Direction R&D de Bouygues Telecom est consacrée à l'analyse des descriptions d'itinéraires en environnement urbain. Une collaboration est également mise en place avec le Réseau GEOIDE, au Canada, sur la perception et la conception d'espaces naturels de navigation.

Enfin, dans une collaboration avec J.-L. Nespoulous (Toulouse), nous utilisons la description d'itinéraires comme indicateur des dysfonctionnements de la cognition spatiale dans différents tableaux neuropsychologiques (lésions pariétales, lésions frontales, maladie d'Alzheimer). Cette recherche est soutenue par un contrat du GIS Sciences de la Cognition et par une allocation du Programme Cognitique.

Processus cognitifs mis en oeuvre dans la mémorisation et l'utilisation de descriptions spatiales

Nous consacrons un travail approfondi à l'étude des mécanismes mis en oeuvre dans la mémorisation des descriptions spatiales. Une thèse DGA est en voie d'achèvement sur ce thème, avec une comparaison des effets d'une activité d'imagerie impliquant une prise de perspective en survol ou en trajet. Cette recherche fait l'objet d'une extension à l'occasion d'une collaboration avec M. Rinck, de l'Université de Dresde, dans le cadre d'un projet PROCOPE, sur la mé morisation comparée de descriptions spatiales insérées dans un contexte de prescription ou bien de narration. Une autre thèse nous conduit à examiner le rôle des différents composants de la mé moire de travail visuo-spatiale dans la mémorisation des descriptions d'itinéraires. Cette recherche est menée dans le cadre d'un projet Royal Society-CNRS mené avec R. Logie, de l'Université d'Aberdeen.

Nos travaux fournissent un ensemble de spécifications utilisables par les concepteurs de systèmes informatisés d'aide à la navigation. Une recherche conduite en coopération avec PSA Peugeot Citroën nous a permis d'étudier les dialogues de navigation entre pilote et copilote à bord d'un simulateur de conduite, avec un intérêt particulier pour les dialogues survenant à l'approche des carrefours. Cette recherche, menée avec X. Briffault (du Groupe Langage et Cognition), s'inscrit parmi les travaux coordonnés par la Plate-Forme Multimodale du LIMSI et a fait l'objet d'un contrat avec le GIS Sciences de la Cognition. Elle s'étend sous la forme d'une thèse sur la planification des trajets automobiles, en collaboration avec une équipe d'ergonomes et d'ingénieurs de l'INRIA (W. Visser et M. Parent). Ce travail est é galement soutenu par un contrat du Programme Cognitique. Un soutien attribu é par le même Programme au titre de ``Projet Innovant - Jeune Chercheur'' inclut également une application en vue du développement de systèmes d'aide à la navigation. Par ailleurs, un travail mené avec A. Berthoz (Coll ège de France) en collaboration avec le Centre de Recherche de Renault et un travail mené avec J. Loomis (Santa Barbara) se sont concentrés sur le rôle des informations visuelles dans l'apprentissage de l'espace p édestre.

Enfin, une recherche soutenue par le Programme Ville du MENRT vient d'ê tre engagée en vue d'analyser les échanges verbaux entre personnes aveugles ou mal-voyantes en matière d'itinéraires, avec pour objectif de fournir des spécifications pour un système d'aide verbale au déplacement pour des piétons aveugles dans des environnements urbains complexes. Cette recherche, menée avec X. Briffault et en collaboration avec le Groupe IMM, s'inscrit parmi les travaux coordonnés par la Plate-Forme Multimodale. L'aide au dé placement de personnes aveugles constitue également le thème d'une coopération avec l'Université de Padoue, au titre d'un projet Galil ée. Les mécanismes de représentation mentale de l'espace chez les aveugles font également l'objet d'une collaboration avec l'Unité INSERM Espace et Action (Y. Rossetti) et l'Université de New Delhi (M. Ittyerah).

Structures cérébrales impliquées dans la génération de représentations visuo-spatiales

La poursuite de notre collaboration avec le Groupe d'Imagerie Neurofonctionnelle de B. Mazoyer (GIP Cyceron, Caen) nous permet de recueillir, à l'aide de la tomographie par émission de positons (TEP), des données originales sur les régions cérébrales impliquées dans la représentation mentale de scènes visuelles. Nos données attestent la mise en activité d'un réseau occipito-pariéto-frontal dans des activités d'imagerie génér ées à partir d'entrées uniquement verbales. Le séjour de S. Kosslyn dans nos laboratoires nous a permis de conduire une expé rimentation sur le rôle du cortex visuel primaire dans la géné ration et l'inspection d'images visuelles à haute résolution.

D'autres travaux, auxquels est associé A. Berthoz (Collège de France), ont porté sur la simulation mentale de déplacements dans des environnements appris par navigation ou bien à partir d'une carte. Les résultats de cette recherche, menée avec le soutien d'un contrat du GIS Sciences de la Cognition, révèlent l'implication de la formation hippocampique dans la simulation mentale des déplacements. Une nouvelle recherche examine l'activité cérébrale accompagnant la visualisation mentale d'environnements décrits soit en perspective trajet, soit en perspective survol. Ce travail est mené dans le cadre d'une allocation Cyceron-Région.

Un programme de recherche est également développé avec D. Le Bihan (SHFJ-CEA, Hôpital d'Orsay) et S. Kosslyn (Harvard) sur le rô le des aires visuelles primaires dans la génération et dans l'exploration mentale d'images visuelles. Ce travail utilise les techniques d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Il est soutenu par une allocation de thèse du CEA.

Enfin, cette année, une recherche menée avec S. Della Sala et R. Logie, de l'Université d'Aberdeen, a permis de montrer que, chez des patients présentant une hémigligence dite représentationnelle lorsqu'ils décrivent de mémoire une configuration précé demment perçue, un déficit similaire se manifeste lorsqu'ils dé crivent le même type de configuration après en avoir pris connaissance sous forme uniquement verbale. Ce résultat suggère fortement la similarité des traitement cérébraux appliqués à des images dérivant d'une perception ou d'une description verbale.

THÈME 2: COMPRÉHENSION DE TEXTES ET ACQUISITION DE CONNAISSANCES

J.-P. Rossi, B. Boutanquoi, R. Bussone, N. Campion, M. Cornuéjols, A. Guha, J.-F. Le Ny

Les activités de l'équipe ont été centrées sur quatre th èmes : description et modélisation du réseau sémantique, étude des infèrences, analyse des structures argumentatives, description des modes opératoires dans des tâches complexes.

Description et modélisation du réseau sémantique

L'étude de l'organisation du réseau sémantique est abordée à partir d'épreuves d'association verbales. Les données ainsi obtenues sont validées au moyen des techniques d'amorçage sé mantique. Des tables correspondant à des noms communs, à des verbes et à des images ont été constituées. Pour le matériel verbal (noms et verbes), trois catégories de réponses associatives sont données par les sujets : a) réponses correspondant à des couples associés dans la langue (chapeau-melon) ; b) réponses correspondant à des mots liés sémantiquement (pain-beurre) ; c) associations taxonomiques. Pour les verbes, les associés correspondant à des relations d'antonymie, de synonymie ou de particularisation ont été distingués de ceux correspondant à des relations de type argument. Une proportion équivalente est trouvée entre la caté gorie arguments et les autres catégories. Les vitesses d'amorçage sont équivalentes pour les deux catégories de matériels. Pour les noms communs, la distinction est faite entre les associés correspondant à l'organisation taxonomique (merle-oiseau) et les autres associés. Pour les trois tables (images, noms communs et verbes), les r éponses correspondant à l'organisation hiérarchique ne dé passent pas 27 %. Les associations autres que taxonomiques dominent. Les images évoquent des situations. Le taux de recouvrement des tables images et noms communs est inférieur à 30%.

A partir des données des trois tables et en tenant compte des forces associatives, les réseaux sémantiques ont été reconstitué s. Une structure associative de type situation émerge. Le réseau associatif est organisé autour de situations de base, tandis que l'organisation de type taxonomique n'est pas validée. L'analyse des structures cognitives ainsi reconstituées permet d'élaborer une d éfinition opérationnelle de la situation, unité d'organisation des connaissances stockées en mémoire.

Un modèle connexionniste du réseau associatif possédant les caractéristiques évoquées précédemment est construit. L'existence d'une organisation lexicale différente des structures de connaissances est mise en cause. L'analyse des structures associatives ainsi construites pourrait servir de modèle pour décrire l'organisation des connaissances stockées en mémoire.

Etude des inférences

Les études ont porté sur la comparaison des inférences liées à la cohérence causale de la représentation et l'activation des connaissances associées à des éléments du texte. Cette derni ère catégorie d'activation s'est avérée aussi importante que celle déterminée par les inférences causales : l'activation des connaissances du monde est aussi importante que l'activation correspondant aux inférences nécessaires à la cohérence du texte. Les diff érences portent sur la durée de l'activation : alors que les informations liées aux inférences de cohérence persistent, l'activation des connaissances du monde décroît rapidement. Les relations entre ces deux systèmes d'activation et leurs évolutions temporelles sont précisées.

Analyse des structures argumentatives

L'analyse des structures argumentatives est développée par l'é tude des suites causales. Par suites causales, on entend des successions cause-conséquence développées lors d'une argumentation. Le but de l'analyse est de proposer une métrique permettant à la fois d'estimer les distances causales et d'apprécier le poids des informations à l'intérieur d'une suite en fonction de leur position ou rang. L'hypothèse selon laquelle la progression dans la suite augmente les contraintes de sorte que la conclusion est plus prédictible que les éléments centraux de la suite n'est pas vérifiée. Les informations de début sont estimées plus prédictibles que les informations de fin. La cohérence locale semble jouer beaucoup plus que la cohérence globale. La généralisation de ces résultats est étudiée en fonction des thématiques, des connaissances pr éalables du lecteur, des systèmes argumentatifs et des types d'arguments utilisés.

Description des modes opératoires dans des tâches complexes

Le but de la quatrième série de recherches est d'élaborer une m éthodologie permettant d'identifier les modes opératoires mis en oeuvre par les sujets lors de la réalisation de tâches complexes. Le problème est de traduire en observables les principales opérations mentales effectuées par le sujet. Cette contrainte ne doit é videmment pas affecter le mode de fonctionnement de l'opérateur. Dans la tâche de construction d'itinéraire qui a été choisie, il est montré que les tracés sont effectués soit à partir d'une vue générale, soit à partir d'une analyse locale. Tout en alternant ces deux approches, les sujets se distinguent en manifestant une nette pr éférence pour l'une ou l'autre de ces deux approches. Au delà de ces préférences, le choix d'une stratégie dépend de l'heure de la journée et des contraintes temporelles (temps d'exécution de la tâche). A 20 heures, la stratégie locale domine, alors que durant la matinée, les stratégies globales sont plus nombreuses. L'existence d'une contrainte temporelle aboutit à supprimer l'approche globale en faveur des tracés locaux. Ainsi, l'heure de la ré alisation de la tâche aussi bien que les contraintes temporelles limitent les stratégies mises en oeuvre sans affecter directement la performance.

RELATIONS EXTÉRIEURES

ENSEIGNEMENT ET DIFFUSION DES CONNAISSANCES

Organisation de colloques

- Organisation de deux Symposiums dans le cadre du XXVIIème Congrès International de Psychologie, Stockholm, juillet 2000 (M. Denis).

- Organisation du workshop ``Espace, développement, aveugles'', Lyon, août 2000 (F. Gaunet).

- Organisation des Journées Internationales d'Orsay sur les Sciences Cognitives (JIOSC 2000) sur l'Apprentissage, Orsay, décembre 2000 (Comit é Scientifique : M. Denis ; Comité d'Organisation : M. Carfantan).

- Organisation du Eighth European Workshop on Imagery and Cognition, Saint-Malo, avril 2001 (M. Denis, M. Carfantan).

Participation à des comités éditoriaux

- M. Denis : European Journal of Cognitive Psychology (Editeur Associé), Journal of Mental Imagery, Psychological Research, Cognitiva, International Journal of Psychology, L'Année Psychologique, Spatial Cognition and Computation, Cognitive Science Quarterly.

- J.-F. Le Ny, J.-P. Rossi : L'Année Psychologique.

Activités ou responsabilités d'enseignement liées à la Recherche

- DEA de Sciences Cognitives, Orsay (J.-P. Rossi, M.-P. Daniel, M. Denis, F. Gaunet).

- DEA de Psychologie Cognitive, Université René-Descartes, Paris (M. Denis).

- DEA de Sciences Cognitives, Grenoble (M. Denis).

- MST d'Ergonomie et de Physiologie du Travail, Orsay (J.-P. Rossi, directeur).

Formation permanente

- Préparation d'un séminaire international de formation sur la neuroimagerie des fonctions cognitives, organisé sous l'égide de l'ICSU, juillet 2000 (M. Denis).

Participation à des séminaires

- M. Denis : NAM, Orsay (1998), Stanford (1998), Aberdeen (1998), LENA, Paris (1999), Santa Barbara (1999).

- J.-P. Rossi : Université de Milan (1998), Université de Lyon II (2000), Université de Bordeaux II (2000).

- F. Gaunet : Mary Kitzinger Trust Symposium, Londres (2000).

Actions de vulgarisation

- Séminaires du CIEEIST, Orsay (J.-F. Le Ny).

- Conférences à l'UFCV (1998, 1999) (J.-P. Rossi).

RELATIONS NATIONALES

Responsabilités institutionnelles

- M. Denis est membre de la Section 29 du Comité National de la Recherche Scientifique, élu président de la Section (mars 2000).

- M. Denis est membre du Directoire de l'Action Information, Communication, Société (ICS) du CNRS, représentant pour les Sciences de la Vie.

- M. Denis est Vice-Président de la Société Française de Psychologie, chargé des Relations Internationales.

- M. Denis est responsable (avec J. Lorenceau) du Réseau de Sciences Cognitives d'Ile-de-France (Programme Cognitique).

- M. Denis est responsable (avec M. Hickmann) de l'Atelier ``Repré sentation de l'Espace'' du Réseau Ile-de-France.

- M. Denis est membre du Jury Junior de l'Institut Universitaire de France.

- Conseil de Laboratoire du LIMSI (M. Denis).

- Bureau de l'Institut des Sciences Cognitives et de la Communication (M. Denis, R. Bussone).

- J.-P. Rossi est Président de la Commission de Spécialistes et d'Etablissement (16ème Section) de l'Université de Paris-Sud. Il est membre des CSE des Universités de Montpellier et de Tours.

- J.-P. Rossi est conseiller pour la psychologie et les facteurs humains à la DGA.

- J.-P. Rossi a été conseiller de la Directrice de l'Enseignement Sup érieur, chargé des formations et de la contractualisation des é tablissements (avril 1997-juin 1999).

Relations scientifiques

- M. Denis : Groupe d'Imagerie Neurofonctionnelle (Cyceron, Caen) ; SHFJ-CEA (Orsay) ; LPPA (Collège de France) ; CRNC (Marseille) ; Laboratoire Jacques-Lordat (Toulouse).

- F. Gaunet : CRNC (Marseille) ; Unité INSERM Espace et Action (Lyon) ; Laboratoire Cognition et Développement (Paris) ; CREA (Paris) ; Collè ge de France (Paris).

Conventions de recherche et contrats

- Contrat DGA : ``Analyse des vicariances intra-individuelles dans des tâ ches complexes'' (J.-P. Rossi).

- Contrats GIS Sciences de la Cognition : ``Systèmes de dialogue pour l'aide à la navigation automobile : Une approche conjointe associant l'informatique, la psychologie cognitive et l'ergonomie cognitive'' (X. Briffault, M. Denis et F. Néel) ; ``Dysfonctionnements de la cognition spatiale : Etude de patients cérébrolésés (pariétaux et frontaux) et de déments de type Alzheimer'' (J.-L. Nespoulous et M. Denis).

- Contrat CIFRE avec la RATP (M. Denis).

- Contrat de recherche avec Bouygues Telecom : ``Analyse des descriptions d'itinéraires en environnement urbain'' (M. Denis).

- Contrat MENRT (Programme Ville) : ``Spécifications pour un système d'aide verbale au déplacement pour des piétons aveugles dans des environnements urbains complexes'' (M. Denis, F. Gaunet).

- Contrat MENRT (Programme Cognitique, Projet Innovant) : ``L'acquisition des représentations spatiales et leur utilisation'' (F. Gaunet).

- Contrat MENRT (Programme Cognitique) : ``Format des représentations spatiales'' (F. Gaunet, M. Denis, en collaboration avec R. Casati, responsable du projet).

- Contrat MENRT (Programme Cognitique) : ``Etude de la planification de parcours en ville'' (M. Denis, en collaboration avec W. Visser, INRIA, responsable du projet).

RELATIONS INTERNATIONALES

Responsabilités institutionnelles

- M. Denis est membre du Comité Exécutif de l'Union Internationale de Psychologie Scientifique, responsable du projet ``Psychology in a Multidisciplinary Environment''.

- M. Denis a été expert scientifique auprès de l'Université d'Helsinki (1999).

- J.-P. Rossi est expert scientifique auprès de l'Agence de Recherche du Canada.

Relations scientifiques

- M. Denis : S. M. Kosslyn (Harvard), B. Tversky (Stanford), C. Cornoldi (Padoue), R. H. Logie (Aberdeen), M. de Vega (La Laguna), J. Engelkamp (Sarrebruck), P. Saariluoma (Helsinki), M. Rinck (Dresde), G. Edwards (Qu ébec).

- F. Gaunet : J. Loomis (Santa Barbara), M. Ittyerah (New Delhi)

Conventions de recherche et contrats

- Contrat Picasso avec l'Université de La Laguna (M. Denis et M. de Vega).

- Contrat Royal Society - CNRS avec l'Université d'Aberdeen (M. Denis et R. H. Logie).

- Contrat Procope avec l'Université de Dresde (M. Denis et M. Rinck).

- Contrat Galilée avec l'Université de Padoue (M. Denis et C. Cornoldi).

DptCHM

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