Reconstitution virtuelle en Paléoanthropologie : développement de nouvelles méthodes et applications à des crânes d’enfants pléistocènes

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.

Le doctorat s'effectuera au Musée de l'Homme, place du Trocadéro à Paris, au sein du laboratoire de Préhistoire (UMR 7194) ; le Musée de l'Homme fait partie du Muséum national d'Histoire naturelle.

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…