Le cerveau des mouches coordonne les comportements complexes, grâce à un système de neurones plus ou  moins spécialisés, expliquent les chercheurs de l’EPFL. Le texte ci-dessous est largement tiré d’un texte rédigé par Nik Papageorgiou, de l’EPFL.

Des scientifiques de l’EPFL ont découvert comment les réseaux neuronaux des mouches du vinaigre transforment de simples signaux cérébraux en actions coordonnées. La découverte permet de mieux comprendre les mécanismes neuronaux à l’origine des comportements complexes, ce qui pourrait être utile en robotique.

En général, le cerveau envoie des instructions de mouvement au corps par l’intermédiaire de «neurones descendants» (descending neurons, DN) afin de commander à la fois réflexes simples et des comportements complexes. L’étude des DN est rendue difficile par leurs connexions complexes. Par exemple, une souris possède environ 70 000 DN, et le cerveau humain en compte plus d’un million.

Avec son système nerveux relativement simple, la mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster) est plus facile à étudier. Elle possède environ 1 300 DN . Associée à des outils génétiques avancés, cette simplicité fait de la mouche du vinaigre un modèle idéal pour étudier les bases neuronales du comportement.

Chez la mouche du vinaigre, ces neurones  DN peuvent commander la marche en avant, la fuite, la ponte ou certaines parties de la danse nuptiale. Une équipe de scientifiques sous la houlette de Pavan Ramdya de l’EPFL vient de découvrir comment les DN de la mouche du vinaigre orchestrent des comportements complexes. Ils se sont intéressés aux DN de type «commande»,  le sous-ensemble de neurones descendants dont des études antérieures ont montré qu’ils étaient suffisants pour commander des comportements complets. Chez la mouche du vinaigre, ils commandent la marche en avant, la fuite, la ponte et certaines parties de la danse nuptiale de l’insecte. Les DN de type commande n’agissent pas de manière isolée mais recrutent d’autres réseaux de DN, ce qui permet de mieux comprendre comment des commandes cérébrales simples peuvent entraîner des actions coordonnées.

Les scientifiques  ont étudié ce que les DN font quand un DN « commande »  est actif. Ils ont eu recours à l’optogénétique – technique qui utilise la lumière pour contrôler les neurones – pour activer des ensembles spécifiques de DN de type commande chez les mouches. Ils ont étudié trois types de DN qui commandent respectivement la marche en avant, le toilettage antennaire et la marche à reculons. En enregistrant l’activité d’autres DN dans le cerveau pendant ces activations, ils ont observé la façon dont ces signaux initiaux recrutaient d’autres neurones.

En cartographiant les connexions, ils ont identifié le mode d’interaction des DN de type commande avec d’autres DN. Cette approche a montré que les DN de type commande n’agissent pas de manière isolée et forment des connexions excitatrices directes avec d’autres DN, créant ainsi des réseaux qui fonctionnent ensemble pour produire des comportements complexes. Par exemple, le DN responsable de la marche en avant recrute un plus grand réseau de DN que ceux qui contrôlent des comportements plus simples comme le toilettage. Ces réseaux sont spécifiques au comportement, différents groupes de neurones étant activés pour différents types de comportements.

Les scientifiques ont mené des expériences sur des mouches sans tête afin d’isoler le rôle de ces réseaux. Ils ont constaté que certains mouvements simples pouvaient être exécutés en l’absence de réseaux, alors que des comportements plus complexes tels que la marche en avant et le toilettage nécessitaient un réseau complet de DN dans le cerveau.

Cette recherche établit un nouveau cadre pour comprendre comment les signaux cérébraux se transforment en actions: plutôt que d’avoir des neurones qui agissent comme de simples centres de commande, la plupart des comportements sont orchestrés par les actions de réseaux plus vastes. Ce modèle peut servir à la conception de contrôleurs robotiques plus performants et même nous aider à comprendre les troubles moteurs chez l’être humain.
Financement

Fonds Boehringer Ingelheim ; Fonds national suisse de la recherche scientifique
Références : Jonas Braun, Femke Hurtak, Sibo Wang-Chen, Pavan Ramdya. Networks of descending neurons transform command-like signals into population-based behavioral control. Nature 05 juin 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07523-9

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