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Bipédies des Hominines : Analyse de la marche bipède des Hominines par la Morphologie Fonctionnelle Spécimen-Spécifique – HoBiS

HoBiS : Bipédies des Hominines

Exploration fonctionnelles des marches bipèdes chez les hominidés grâce à la morphologie fonctionnelle spécimens-spécifique

Enjeux et objectifs

HoBiS est un projet de recherche pluridisciplinaire qui vise à mieux comprendre l'une des caractéristiques les plus frappantes de la lignée humaine, la bipédie habituelle et la diversité des formes passées. Il propose 1) de mettre en œuvre une approche qui intègre la biologie comparative et expérimentale, la paléoanthropologie, la modélisation anatomique et les sciences du mouvement, et 2) d’étudier divers modèles biologiques (humains et primates non humains) aux morphologies, répertoires locomoteurs et environnements variés. Les objectifs principaux de HoBiS sont : 1) sur le plan fondamental, jeter un nouvel éclairage sur notre histoire phylogénétique en intégrant à ces scénarios de nouvelles connaissances sur les capacités bipèdes des hominines en relation avec l'anatomie ; 2) sur le plan méthodologique, développer la Morphologie fonctionnelle spécimens-spécifique , totalement nouvelle en anthropologie évolutive, en proposant un système d'aide à la décision standardisé et spécifique aux spécimens fossiles qui vise à mieux évaluer les relations forme-fonction à partir de connaissances anatomiques partielles (fossiles). Pour atteindre ces objectifs, HoBiS propose en 4 work-packages scientifiques d’intégrer et d’accroître significativement les connaissances fondamentales et techniques de divers domaines scientifiques : anatomie locomotrice hominine, anatomie fonctionnelle et biomécanique comparées, ainsi que modélisation anatomique et simulation de mouvements, et de relever 3 défis principaux : collecter une vaste base de données d'anatomie comparative et de biomécanique de la marche afin de déduire des anatomies locomotrices complètes plausibles à partir de restes fossiles partiels, et de simuler à partir de ces anatomies reconstruites d’hominines des marches plausibles.

HoBiS a conçu une approche intégrée qui s'articule autour de 4 work packages scientifiques :
WP1 - Constituer une large base de données comparatives anatomiques et biomécaniques pour une grande diversité de primates (humains, Chimpanzés, Babouins, Gibbons,...), ainsi que d'hominidés fossiles. Ces données sont de 3 types principaux : morphologie fossile et anatomie comparative du système locomoteur grâce à l'imagerie 3D et à la dissection, ainsi que le mouvement comparatif grâce à l’expérimentation sur des espèces vivantes.
WP2 - Reconstruction par transfert anatomique de l'anatomie locomotrice et de modèles musculo-squelettiques (MSM) à partir d’informations partielles. En effet, les fossiles sont généralement incomplets avec des indices indirects sur les tissus mous. HoBiS développe un logiciel dans le cadre d’un contrat pour générer des modèles anatomiques complets et des MSM plausibles à partir de données anatomiques partielles et d'un ensemble d'hypothèses (distribution de la masse,...).
WP3- Simulation et validation biomécanique. Le système d’aide à la décision (DSS) est basé sur un simulateur visant à prédire une locomotion bipède plausible sur la base d'une heuristique paléoanthropologique et d'un MSM donné. En raison de la grande complexité du système, l'exploration de l'espace des mouvements potentiels est longue et conduit à un DSS inutilisable, et peut conduire à une solution sous-optimale. Nous proposons donc d'explorer une approche de simulation de grossière à fine : les résultats d'un contrôleur cinématique basé uniquement sur les angles des articulations sont utilisés comme estimation initiale pour intégrer ensuite un contrôleur dynamique basé sur les couples des articulations.
WP4 - Application aux spécimens fossiles : nous appliquerons la morphologie fonctionnelle spécifique à un échantillon de 7 espèces sélectionnées parce qu'elles permettent de répondre à des questions spécifiques sur la bipédie des hominines.

Les travaux ont porté sur les Work Packages scientifiques WP1 (Données comparatives et fossiles), WP2 (Reconstruction des structures anatomiques) et WP3 (Outils de simulation de la marche).
Les travaux du WP1 ont généré pour le babouin olive les données individuelles anatomiques (CTScan) et de mouvements (Expérimentations sur animaux entrainés) pour 4 individus. Un jeu complémentaire de données transversales (CTScan, dissections, et expérimentation en milieu de vie) a également été collecté pour cette espèce sur un large effectif. Les travaux concernant les autres espèces sont en cours. La banque de données 3D d’empreintes de pas d’hominines fossiles est constituée et des modèles 3D des os des néandertaliens, hommes modernes et Australopithecus afarensis sont disponibles. Une base de données intégrant ces différents types de données (images 3D, Mouvement, …) est en cours de réalisation et sera à terme accessible à la communauté.
Les travaux du WP2 ont porté sur le développement d’un logiciel dans le cadre d’un contrat avec la société Anatoscope. La solution proposée se présente en 2 modules permettant 1) de générer des atlas anatomiques statistiques augmentés de modes de déformation et 2) de recaller et déformer un atlas donné sur un os partiel afin de proposer une reconstruction des parties manquantes et les zones d’intérêts (points, surfaces) par transfert anatomique. Dans ce WP, un MMS par éléments finis spécifique au fonctionnement du pied humain a été adapté aux autres espèces étudiées.
Les travaux du WP3 ont permis de concevoir une nouvelle méthode de simulation de locomotion bipède à partir d'une structure cinématique et des empreintes de pas à suivre. Cette méthode garantie un mouvement symétrique et périodique. Les travaux sur la simulation physique ont débuté. Une des difficultés de cette simulation dynamique est la gestion des contacts et des efforts externes, en particulier sous le pied dans le cas de la marche.

Les prochains mois vont permettre la finalisation de la collecte des données comparatives et fossiles et leur intégration dans la base de données dédiée. L'outil de reconstruction des structures anatomiques sera opérationnel au printemps 2021 et permettra les premières reconstructions anatomiques pour des spécimens jusqu'ici partiellement connus. L'outil de simulation cinématique développé permettra les premières simulations de marche bipèdes pour les espèces fossiles les mieux représentées à ce jour (Néandertalien, Australopithecus afarensis )et leur comparaison à celle des l'homme moderne. La simulation physique interviendra plus tard en 2021. Au final, HoBiS vise à reconstruire l'anatomie locomotrice et la marche bipède de 7 espèces fossiles sélectionnées parce qu'elles permettent de répondre à des questions spécifiques sur la bipédie et l'évolution des hominines. Cela permettra de démontrer davantage le spectre d'action de cette nouvelle méthodologie et donc d'améliorer considérablement notre connaissance de la diversité des allures bipèdes chez les hominines.

Les 2 premières années de HoBiS ont donné lieu à 6 communications scientifiques et à la publication de 6 articles dans des revues à comité de lecture :
DUVEAU J, BERILLON G, VERNA C, Laisné G, and CLIQUET D. 2019. The composition of a Neandertal social group revealed by the hominin footprints at Le Rozel (Normandy, France). PNAS 116(39):19409-19414
DUVEAU J, BERILLON G, VERNA C, LAISNÉ G, AND CLIQUET D. (sous presse) On the Tracks of Neandertals. The Ichnological Assemblage from Le Rozel (Normandy, France). In Pastoors A. & Lenssen-Erz T. (ed) Reading Prehistoric Human Tracks, Springer.
HARENG N, WATIER B, MULTON F (2020) Prediction of plausible locomotion using nonlinear kinematic optimization. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 23 (sup1), S136-S138
PERRIER A., BUCKI M., SUPIOT A., DELCROIX N., LAMBERTON F., DRUELLE F., HERREL A., BERILLON G., 2019, Comparative functional anatomy using rigid multibody simulation and anatomical transfer: Homo sapiens, Pan paniscus and Papio anubis. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2019, 22, S1, S457-S459
DRUELLE F., AERTS P., D’AOÛT K., LACOSTE R., MOLINA VILA P., RIMBAUD B., BERILLON G., 2019, Muscle recruitment pattern of primates (bipedal vs quadrupedal): is it different to other quadrupedal mammals? Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2019, 22, S1, S82-S83
DUVEAU J., MULTON F., MARCHAL F., ANDUZE D., BERILLON G., 2019, Walking with hominins: from the reconstruction of a plausible anatomical model to gait energetics in Neandertals. Methodological aspects. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2019, 22, S1, S519-S520

HoBiS est un projet de recherche fondamentale pluridisciplinaire et centrée sur des questions paléoanthropologiques liées à la bipédie habituelle, l'une des caractéristiques les plus frappantes de la lignée humaine. Les découvertes récentes (jusqu'à 7 Ma) mettent en évidence une diversité inattendue d'anatomies locomotrices chez les homininés qui conduisent les paléoanthropologues à émettre l'hypothèse que la bipédie chez les homininés a pris des formes distinctes au cours de l'évolution humaine. Ces bipédies étaient ni transitoires ni inefficaces, mais constituaient probablement des modes positionnels efficaces et bien coordonnés. Un scénario beaucoup plus complexe d'évolution des homininés que celui proposé il y a quelques années émerge dans lequel les connaissances sur l'anatomie locomotrice jouent un rôle croissant.
HoBiS veut apporter un nouvel éclairage sur notre histoire phylogénétique en intégrant à ces scénarios de nouvelles connaissances sur les capacités bipèdes en rapport avec l'anatomie locomotrice. En tant qu'objectif méthodologique principal et contribution majeure à l'anthropologie évolutive et à l'anatomie fonctionnelle, HoBiS veut développer une approche spécimen spécifique appelée Morphologie fonctionnelle spécimen-spécifique: un système d’aide à la décision (DSS) standardisé et spécimen spécifique qui vise à mieux évaluer les relations forme-fonction à partir de connaissances anatomiques partielles. Pour atteindre ces objectifs, HoBiS intégrera et améliorera les connaissances fondamentales et techniques provenant de différents domaines scientifiques: l'anatomie locomoteur des homininés, l'anatomie fonctionnelle et la biomécanique comparée, ainsi que la modélisation anatomique et la simulation du mouvement. Pour cela il relève les défis suivants: inférer des anatomies locomoteurs complètes plausibles à partir de restes fossiles partiels, relier ces anatomies reconstruites et les modèles musculo-squelettiques (MSM) à une démarche plausible à l'aide de la simulation. Les deux défis reposent sur la constitution d’une large base de données sur l'anatomie comparée et la biomécanique de la marche afin d’entrainer et valider le DSS.
Dans ce but, HoBiS regroupe 5 laboratoires français (fédérés 3 partenaires) et 1 belge (non financé) en anthropologie évolutive, anatomie fonctionnelle, biomécanique, modélisation numérique et simulation. Leur programme de travail est construit autour de 4 tâches scientifiques principales: WP1 - Réaliser une grande base de données sur l'anatomie comparée (humains et primates non humains (PNH) vivants et fossiles) et de mouvement (humains et PNH), et fournissant ainsi la plus large base de données comparative anatomique et biomécanique pour une grande variété de PNH, ainsi que des humains et des homininés fossiles. WP2 - Concevoir une modélisation assistée par ordinateur de l'anatomie complète et de MSM basée sur des informations partielles. En reconstruisant de nombreuses espèces, HoBiS améliorera considérablement notre connaissance de l'anatomie locomotrice des homininés. WP3 – Concevoir un outil de simulation des locomotions bipèdes afin de prédire in-silico une locomotion plausible pour le MSM développé dans WP2. WP4 - Application sur 7 espèces fossiles afin que notre approche améliore significativement, en précision et en nombre d'espèces, notre connaissance des capacités bipèdes chez les homininés tout au long de notre histoire phylogénétique. Nous pensons que HoBiS augmentera considérablement les connaissances sur les mécanismes de la marche bipède et leur base anatomique chez les primates vivants et les homininés. Cela nous permettra d'aborder la complexité de notre histoire évolutive et pourrait être réutilisé dans le domaine de l'anthropologie évolutive et de la biologie comparative pour traiter d'autres fonctions. Des impacts importants sont attendus dans les autres domaines, y compris la biomécanique, le contrôle moteur, les sciences du mouvement et la robotique.

Coordinateur du projet

Monsieur Gilles Berillon (HNHP)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MNHN HNHP
Antwerp University / FunMorph-lab
LAAS-CNRS Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS
M2S Laboratoire Mouvement Sport Santé

Aide de l'ANR 460 360 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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