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Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information LIRIS UMR 5205 CNRS/INSA de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/Université Lumière Lyon 2/Ecole Centrale de Lyon
http://liris.cnrs.fr
Quelques exemples de projets de recherche impliquant chercheurs en sciences cognitives
et chercheurs en informatique
Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Nathalie Guin - Projet CASES
! Connaissances Abstraites et/ou Spatialement Evoquées en Situation ! Contexte :
� Financement : ACI "Cognitique" � Durée du projet : 3 ans � Partenaires :
� LIRIS � Laboratoire de psychologie cognitive de l’Université
de Provence
2 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Question(s) de recherche
! Pour résoudre un problème, est-il préférable d'évoquer et d'adapter une connaissance qui elle-même contient des informations liées au contexte ou est-il préférable d'avoir recours à une connaissance dégagée de ces aspects ? ! Modélisation de l’expertise de résolution de
problèmes � Raisonnement à partir de classes de problèmes � Raisonnement à partir de cas
3 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en informatique et en psychologie cognitive ? (1)
! Psycho : état de l’art sur l’expertise � capacité du système cognitif à avoir recours
simultanément à des stratégies différentes ! Info et psycho : formulation d’hypothèses sur
l’utilisation conjointe de connaissances abstraites et de connaissances contextualisées ! Psycho : expérimentation pour tester ces
hypothèses dans le contexte de la résolution de problèmes d’échecs, fondée sur le temps de résolution
4 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en informatique et en psychologie cognitive ? (2)
! Info : conception et implémentation d’un modèle de raisonnement utilisant conjointement classes de problèmes et cas, appliqué aux échecs ! Psycho : expérimentation pour valider le modèle en
comparant les temps de résolution du système et des sujets humains, toujours sur le domaine des échecs
5 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels résultats ?
! Un nouveau modèle de raisonnement en résolution de problèmes, combinant connaissances contextualisés et connaissances abstraites ! Avantages de la collaboration :
� Pour les chercheurs en psychologie cognitive : � des questions plus précises permettant de nouvelles
expérimentations � Pour les chercheurs en informatique :
� un modèle fondé sur la connaissance du raisonnement humain, et validé par des expérimentations
6 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Nathalie Guin - Projet AMBRE
! Apprentissage de Méthodes Basé sur le Raisonnement à partir de l'Expérience ! Contexte :
� Financement : programme interdisciplinaire STIC-SHS "Société de l'information" du CNRS
� Durée du projet : 3 ans � Partenaires :
� LIRIS � Laboratoire de psychologie cognitive de l’Université
de Provence � Thèse de Sandra Nogry
7 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Question(s) de recherche
! Comment faire apprendre des connaissances abstraites (classes de problèmes) à partir d’un processus de résolution de problèmes utilisant des cas (problèmes prototypes) ? ! Objectif : conception d’un EIAH permettant
l’enseignement de méthodes
8 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en informatique et en psychologie cognitive ? (1)
! Info : proposition du « cycle AMBRE » fondé sur le raisonnement par analogie pour l’apprentissage d’une méthode de résolution basée sur des classes de problèmes ! Psycho : résultats sur l’apprentissage à partir
d ’ e x e m p l e s i s s u s d e l ’ é t a t d e l ’ a r t e t d’expérimentations complémentaires � Appropriation des exemples
� Pour des novices, il vaut mieux faire analyser que faire résoudre � Choix des exemples : plus proche contraste
� Choix des problèmes à résoudre : d’abord un problème proche, puis un problème transfert
9 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en informatique et en psychologie cognitive ? (2)
! Info : conception et implémentation d’un EIAH AMBRE appliqué au domaine des problèmes arithmétiques (CE1-CE2) ! Psycho : évaluation du logiciel
� évaluation de l’utilisabilité en laboratoire � évaluation de son utilité (impact sur l’apprentissage)
� une méthode comparative � en situation réelle d’utilisation
10 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels résultats ?
! Un principe d’apprentissage : le cycle AMBRE ! Un EIAH AMBRE appl iqué aux problèmes
arithmétiques (CE1-CE2) très apprécié des élèves et des enseignants ! Avantages de la collaboration :
� Pour les chercheurs en psychologie cognitive : � des questions plus précises permettant de nouvelles
expérimentations � une méthode pour évaluer l’utilité des EIAH
� Pour les chercheurs en informatique : � Un EIAH fondé sur des études en didactique des mathématiques
et favorisant le déclenchement de processus d’apprentissage � Un principe d’apprentissage validé par l’expérimentation
11 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Audrey Serna – Projet AILISA
! Contexte : � Projet AILISA : Ingénierie du Lien Social et Médical,
de l’Autonomie et de la Sécurité des Personnes Âgées � Financement : Allocation doctorale Région Rhône-
Alpes � Thèse en sciences cognitives et informatique � Laboratoire TIMC-IMAG (Grenoble) et laboratoire
DOMUS, Université de Sherbrooke (Canada) � Collaboration :
� Institut de Réadaptation de Montréal (Canada), collaboration avec des ergothérapeutes
� Service de gérontologie de l’hôpital Broca à Paris
12 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Question(s) de recherche
! Problématique de recherche
13 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Modélisation de
l’utilisateur
Interaction avec
l’utilisateur
FAVORISER L’AUTONOMIE DE L’UTILISATEUR DANS LES ENVIRONNEMENTS INTERACTIFS
Comprendre et modéliser l’utilisateur: -‐ ses comportements -‐ ses caractéristiques cognitives -‐ ses handicaps
Interagir pertinemment : -‐ Adapter le système au contexte -‐ Intégrer les modèles utilisateurs -‐ Privilégier l’ergonomie
EIS
➡ Perte d’autonomie / besoin d’assistance
ne confronte pas ses résultats avec les objectifs fixés
pas de conscience des erreurs ou absence de correction
Environnements intelligents pour la santé et l’autonomie (EIS): Aides technologiques destinées à améliorer la sécurité et le confort
des personnes
Question(s) de recherche
Vieillissement réussi ou aggravé par une maladie (MCI, maladie d’Alzheimer)
! Atteintes des fonctions cognitives principales: � Mémoire, Perception, Langage
! Troubles de l’attention ! Dégradation des fonctions exécutives:
� Prise de décision, Planification, Initiation, Exécution, Contrôle de l’action
CONTEXTE: LA PERTE D’AUTONOMIE
l Environnements intelligents pour la santé à système d’assistance à la tâche pour les personnes en perte d’autonomie
15
• Développer des modèles computationnels des processus cognitifs
• Simuler et prédire le comportement humain
➡ Besoin de modèles «profonds»
modélisation cognitive =
(Cooper, 2002)
Apports des chercheurs en informatique
! Approfondissement d’un modèle cognitif théorique ! Implémentation informatique du modèle
16 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
(Cooper, 2002)
Contributions
! Protocole expérimental : observation et analyse des difficultés des personnes vieillissantes dans le quotidien (problèmes de planification et de contrôle) ! Cadre théorique : modélisation des processus cognitifs ! Modèles computationnels : simulation des activités
quotidiennes et reproduction des erreurs typiques : � Modèle des processus mnésiques et attentionnels (ACT-R) � Modèle des processus de contrôle exécutif
17 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
scénarios normaux et anormaux
Phase d’apprentissage HIS
Phase d’aide à la tâche
comportement attendu
HIS comportement
réel
assistance adaptée
Magali Ollagnier-Beldame Questions de recherche
18 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Comment des sujets construisent-ils du
sens ensemble lorsqu’ils sont confrontés
à leurs traces numériques ?
Comment concevoir des systèmes à base
de traces soutenant la construction
du sens ?
M. Ollagnier-Beldame – Questions de recherche
19 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
« Com-prendre » l’information
Collaborer S’approprier le support numérique
USAGES
Concevoir des systèmes ouverts et adaptatifs
Spécifier
Observer
Cognition distribuée
[Hutchins]
Cognition située
[Suchman]
Comment des sujets construisent-ils du
sens ensemble lorsqu’ils sont confrontés
à leurs traces numériques ?
Comment concevoir des systèmes à base
de traces soutenant la construction
du sens ?
M. Ollagnier-Beldame - Projets transdiciplinaires choisis
20 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Thèse en sciences cognitives mention informatique (2002-2006) « Traces d’interactions et processus cognitifs en activité conjointe » Co-encadrement A.Mille (PR en 27ème section CNU au LIRIS) C.Brassac (MC HDR en 16ème section CNU au LabPsyLor) + encadrement expé.: S.Metz (MC 16ème), ICAR-ENS Lyon Séjours (8 + 5 mois) à TECFA – Univ. de Genève. Sc. Éducation / Informatique Soutenance, 3 rapporteurs : 27ème, 16ème et 70ème sections du CNU
Post doctorat en ergonomie cognitive (2008-2009) « Activité collaborative médiée et traces d'interactions » Projet PROCOGEC (2007-2010) Knowings : éditeur logiciels collaboratifs LIRIS, G-Scop, Syscom : informatique ESC Chambéry : KM, ergonomie GdF : partenaire utilisateur
Apports des chercheurs en informatique
! Théorie de la « trace informatique » ! Méthodologie pour la spécification des systèmes
� Exigences fonctionnelles � Interfaçage
21 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Apports des chercheurs en sciences cognitives
! Théories de l’activité humaine ! Méthodologie d’analyse des usages
22 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Situations réelles de co-conception
Recueil de données qualitatives ! Enregistrements vidéo et audio ! Transcriptions
Analyse ! De l’activité en « 3ème personne »
� Ex. Clinique de l’activité [Brassac]
! De l’expérience subjective en « 1ère personne » � Ex. Cours d’action [Theureau]
Co-rédaction asynchrone - GdF
Résultats Doctorat
• Classification des « systèmes traçants » • Formalisation des traces brutes
• Propriétés des traces Ex. : Appartenance, persistance
• Construction du sens
• Activité productive / constructive [Revue Activités, 2008], [Journal of Human Mediated Interactions, to appear]
• Appropriation du système [Revue du Management Technologique, 2008], [International Journal of KM, 2010]
23 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Résultats Post-doctorat
• Formalisation des traces brutes
• Schèmes d’usage Ex. : Partage, modelage [International Journal on Computer Science and Information Systems, accepted]
• Visualisation de traces • Spécification d’un nouvel outil
Développement logiciel par Knowings
24 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Olivier Georgeon – Projet ABSTRACT � Financement :
(Réseau d’excellence HumanIST)
� Durée du projet : 3 ans
� Partenaires : � IFSTARR (Institut français des sciences et
t e c h n o l o g i e s d e s t r a n s p o r t s , d e l'aménagement et des réseaux) LESCOT (Laboratoire d’Ergonomie et de Sciences Cognitives pour les Transports).
� Université Lumière Lyon 2. Laboratoire LEACM.
25 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Question de recherche
! Modélisation du conducteur automobile à partir de traces d’activité
26 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Angle volant, Position pédales, Vitesse, Clignotant, regards (Oculomètre), distance de suivi (Télémètre), Cartographie (GPS), Bouton actionnable, Vidéos
Quels apports des chercheurs en informatique ?
! Notion de traces d’activité � Mille (2006). From case-based reasoning to traces-based
reasoning. Annual Reviews in Control, 30(2), 223-232.
! Outils d’ingénierie des connaissances � Outils de visualisation interactive. � Outil de gestion des connaissances (ontologies). � Outils de calcul et d’inférence symbolique.
! Notions épistémologiques � Jean Charlet (2005). L’ingénierie des connaissances, entre
science de l’information et science de gestion.
27 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en Sc Co ?
! Notions épistémologiques � Le Moigne, (1995). Les épistémologies constructivistes :
Presse Universitaire de France.
! Méthologie expérimentale ! Expertise d’analyse
28 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Méthodologie
29 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Données brutes
Trace collectée
Trace modélisée
Modèles d'activité
Analyse
Activité
Quels résultats ? � Méthodolgie
� Georgeon, Mille, Bellet, Mathern, & Ritter, (2011). Supporting activity modelling from activity traces. Expert Systems.
� Prototype logiciel � http://liris.cnrs.fr/abstract/
� Résultats d’analyse � Henning, Georgeon, & Krems, (2007). The quality of behavioral
and environmental indicators used to infer the intention to change lanes. International Driving Symposium on Human Factors in Driver Assessment, 231-237. Stevenson, Washington.
� Georgeon, Morgan, Horgan, & Braddock, (2010). Process Modeling for the Study of Non-State Political Violence. Annual Conference on Behavior Representation in Modeling Simulation. Charleston, NC.
� Résultats qui auraient pu être obtenus sans cette collaboration ? Aucun.
30 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Olivier Georgeon – Projet IDEAL � Financement :
(Programme retour Post-Doc)
� Durée du projet : 3 ans
� Partenaires : � Pennstate.
Department of information sciences and technology.
� Sahra Lawrence College. New York (USA) Department of computer sciences and robotics.
� Ouvert à propositions de collaborations…
31 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Question de recherche
! Implémenter un mécanisme artificiel d’apprentissage DEveloppementAL (IDEAL).
� Etayer les hypothèses émergentiste … � Gibson (1979). The ecological approach to visual perception. � Varela, Thompson, & Rosch, (1991). The Embodied Mind:
Cognitive Science and Human Experience. � … et constructiviste de la cognition.
� Piaget (1937). La construction du réel chez l'enfant. � Norman, J. (2002). Two visual systems and two theories of
perception: An attempt to reconcile the constructivist and ecological approaches.
32 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en informatique ?
! Notion de traces d’activité � Mille (2006). From case-based reasoning to traces-based reasoning.
Annual Reviews in Control, 30(2), 223-232.
! Implémentations de référence � Drescher, (1991). Made-up minds, a constructivist approach to
artificial intelligence. Cambridge: MIT Press. � Oudeyer, & Kaplan (2007). Intrinsic motivation systems for
autonomous mental development. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 11(2), 265-286.
! En contraste par rapport à : � Newell, (1990). Unified Theories of Cognition. Cambridge, MA:
Harvard University Press. � Brooks, (1991). Intelligence without representation. Artificial
Intelligence Journal, 47, 139–159.
33 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Quels apports des chercheurs en Sc Co ?
! Neuro-anatomie fonctionnelle. � Cotterill, R. (2001). Cooperation of basal ganglia, cerebellum,
sensory cerebrum and hippocampus: Possible implications for cognition, consciousness, intelligence and creativity. Progress in Neurobiology, 64, 1-33.
34 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
INTERACTON TIMELINE
Activity at hand
Past activity
SENSORIMOTOR SYSTEM
CHEMICAL RECEPTORS
TOUCH RECEPTORS
VISUAL RECEPTORS
MOTION EFFECTORS
MANIPULATION EFFECTORS
SEQUENTIAL SYSTEM
HIERARCHICAL SEQUENTIAL SENSORIMOTOR MEMORY
PREMOTOR FOLLOWUP
SENSORIMOTOR SEQUENTIAL INTEGRATION R
efle
x
Dyn
amic
fe
atur
es
Record Activate
Upd
ate
Act
ivat
e
STATIC SYSTEM
STATIC FEATURE MEMORY
MOTIVATIONAL ASSOCIATIVE SYSTEM
Static features
Rec
ord
/ Ref
resh
Inhibit
MOTIVATIONAL STATE
Update
Pro
pose
A
ssoc
iate
x o
+
EYE SACCADE EFFECTORS
… …
Implémentation ! Algorithme d’apprentissage séquentiel intrinsèquement motivé :
Intrinsically motivated Schema Mechanism (http://e-ernest.blogspot.com/)
35 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Alain Mille : présentation de la thèse de Luc Damas ! Etude théorique et pratique de
la production d'effets d'amorçage de la mémoire Application à l'assistance à la remémoration chez l'utilisateur d'un système informatique pour une tâche d'apprentissage
! Thèse de doctorat, spécialité informatique, Université Claude Bernard, Lyon 1, 15/12/2003 ! Direction : Alain Mille, Rémy Versace
36 Journée Sciences Cognitives et Informatique – 10 mai 2011
Problématique
! Cadre : assistance à l'utilisateur ! Constat : la mémoire est omniprésente. ! La remémoration permet la poursuite de la
tâche. ! Idée : Assister une tâche en assistant la
remémoration � 1er effet bénéfique : utile à court terme � 2ème effet bénéfique : renforcement à long
terme ! Problématique : Est-il possible d’assister la
remémoration d’un utilisateur ?
Idée
Utilisateur
Outil informatique utilisé
Système informatique
Alter-ego de l'tilisateur
transmet
interactions observe
Assistant
1 amorce
2
remémoration 3
4
simulateur de
mémoire
Validation et évaluation
! Validation du simulateur de mémoire � Expérimentations � Simulations
! PUIS ! Évaluation de l'assistance basée sur ce
principe � Mise en oeuvre de l’alter-ego � Expérimentation
! Approche incrémentale
Modélisation de la mémoire
! Modèle épisodique à traces multiples � Conteneur d'expériences
� Succession de traces � Processus
� Ecphorie synergique [Tulving, 1973]
! Modèle choisi : � Minerva 2 [Hintzman, 1986]
Exemple : catégorisation Codage de
l’item Codage de la catégorie
C2X1
F9B4
F1G4
A9B4
C3X2
C5X8
V3E1
Sonde C7R1
Proto 1 C3X1
Proto 2 F9G4
J. Lallouette, H. Berry
EPI Combining/Beagle INRIA Rhône-Alpes LIRIS – UMR 5205 CNRS INSA UCBL 69603 Villeurbanne France
Sch. Physics & Astronomy / Sch. Electrical Engineering Tel Aviv University, 69978 Tel Aviv - Israel
Wave propagation in glial cell networks : the other network of the brain
Y. Hanein, E. Ben Jacob
Glial cells : the other cells in the brain ! Neurons are only 50% of the cells in our
brain ! Other half = coined ‘glial cells’ (to glue) late
19th – early 20th century ! Until 1990’s glial cells are only support for
neurons (nutrients, oxygen, immunology)
! Recently, all this started to change � Glial cells form interconnected networks with
c h e m i c a l w a v e s a s i n t e r c e l l u l a r communications
� Glial cells interact with neurons at “tripartite synapses” where
� Glia regulates neuronal information transfer � Neuronal information transfer triggers glia-glia
communication
neuron
glia
Glial cells : the other cells in the brain neuron
glia
presyn. neuron
postsyn. neuron
glia
! Neurons are only 50% of the cells in our brain
! Other half = coined ‘glial cells’ (to glue) late 19th – early 20th century
! Until 1990’s glial cells are only support for neurons (nutrients, oxygen, immunology)
! Recently, all this started to change � Glial cells form interconnected networks with
c h e m i c a l w a v e s a s i n t e r c e l l u l a r communications
� Glial cells interact with neurons at “tripartite synapses” where
� Glia regulates neuronal information transfer � Neuronal information transfer triggers glia-glia
communication
Glial cells : the other cells in the brain neuron
glia ≈10 m/sec
≈10 m/sec
≈10 µm/sec
! Neurons are only 50% of the cells in our brain
! Other half = coined ‘glial cells’ (to glue) late 19th – early 20th century
! Until 1990’s glial cells are only support for neurons (nutrients, oxygen, immunology)
! Recently, all this started to change � Glial cells form interconnected networks with
c h e m i c a l w a v e s a s i n t e r c e l l u l a r communications
� Glial cells interact with neurons at “tripartite synapses” where
� Glia regulates neuronal information transfer � Neuronal information transfer triggers glia-glia
communication
! The issue : experiments only yield hypotheses on these phenomena where each element is disconnected from the other
! Our goal : combine computer simulations (Berry / Ben Jacob) with experimental investigations (Hanein) in order to � test experimental-based hypothesis (predict new ones) � glue all these separate elements into a coherent picture
! Already achieved � neuron è glia communications [De Pittá et al. J Biol Phys, 2009] � glia è neuron regulation [De Pittá et al. submitted] � glia è glia communication in 1d [Goldberg et al. PLoS Comp Biol,
2010]
! Current work : � glia è glia communication in 3d : Effect of the topology of the
connectivity network - P(k) , x - on the glia-glia communication (Jules Lallouette, Master 2 CODE)
Our research
presyn. neuron
postsyn. neuron
glia
Funding
! Collaboration is 5 years old ! No funding up to now ! Under review : application to a Research Networks
Program in Computational Neurosciences and Computational Cognitive Sciences (High Council for Scientific and Technological Cooperation between France-Israel) : only travels / equipment (no salary) ! Jules Lallouette application for PhD at ED InfoMath
this year.