Les mouches des fruits pourraient-elles révéler les mécanismes cachés de l'esprit?



Quelle est la base biologique de la pensée? Comment les cerveaux stockent-ils des souvenirs? Des questions comme celles-ci intriguent l’humanité depuis des millénaires, mais les réponses restent encore largement insaisissables.

Vous pourriez penser que la mouche des fruits humble, Drosophila melanogaster, Il y a peu de choses à ajouter ici, mais depuis les années 1970, les scientifiques étudient les bases neurales des fonctions cérébrales supérieures, telles que la mémoire, chez ces insectes. Travail classique –– effectué par plusieurs laboratoires, y compris ceux de Martin Heisenberg et Seymour Benzer –– axé sur l'étude du comportement des types sauvages et génétiquement mutés Drosophile dans des tâches simples d’apprentissage et de mémoire, menant finalement à la découverte de plusieurs molécules clés et autres mécanismes sous-jacents Cependant, comme on ne pouvait pas regarder dans le cerveau des mouches agissantes pour écouter les neurones en action, ce champ, dans sa forme originale, ne pouvait aller plus loin que dans l'explication des mécanismes de la cognition.

En 2010, alors que j'étais chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Michael Dickinson, nous avons développé la première méthode de mesure de l'activité électrique des neurones dans leur comportement. Drosophile. Une méthode similaire a été développée en parallèle par Johannes Seelig et Vivek Jayaraman. Dans ces approches, on colle une mouche sur une plaque personnalisée qui permet de retirer soigneusement la cuticule sur le cerveau et de mesurer l'activité neurale via des électrodes ou une microscopie à fluorescence. Bien que la mouche soit collée en place, l'animal peut toujours battre des ailes en vol attaché ou marcher sur une balle à coussin d'air qui agit comme un tapis roulant sphérique sous ses jambes.

Ces réalisations techniques ont attiré l’attention de la Drosophile communauté de neurobiologie, mais est-ce que quelqu'un devrait se soucier de voir un cerveau de mouche en action au-delà de ce petit groupe vénérable de nerds épris d'arthropodes (dont je suis honoré d'être membre)? En d’autres termes, ces méthodes aideront-elles à révéler quelque chose d’intérêt général au-delà des mouches? De plus en plus, la réponse semble être Oui.

Il existe quelques dizaines de cellules qui projettent les fibres neurales dans une structure en forme de beignet au milieu du cerveau de la mouche, chaque cellule se ramifiant pour remplir l’un des 16 quartiers en forme de tranche de pizza constituant le beignet. Seelig et Jayaraman ont d'abord analysé l'activité de ces neurones chez des mouches ambulantes en utilisant la microscopie à fluorescence via les nouvelles méthodes que nous venons de décrire. Remarquablement, ils ont observé que cette population de cellules exprime une "bosse" d'activité neuronale qui persiste de manière stable à un endroit autour du beignet tandis qu'une mouche se tient immobile et que cette bosse d'activité tourne autour du beignet, comme une aiguille de la boussole gauche ou droite.

La bosse met à jour sa position autour du beignet avec plus de précision si la mouche reçoit un repère visuel qui indique son cap angulaire lorsqu’elle allume la balle flottante. Cependant, même dans le noir complet, la bosse est toujours présente dans le cerveau et sa position autour du beignet suit l’orientation de la mouche (mais pas aussi précisément qu’avec un signal visuel). Ces résultats ont démontré de manière convaincante que les mouches ont un sens interne de l'orientation, similaire à notre propre sens de l'orientation dans un environnement qui persiste même après la fermeture des yeux.

Un étudiant diplômé de mon laboratoire, Jonathan Green, a poussé les choses un peu plus loin. Il a décrit un mécanisme de circuit neuronal qui explique comment la bosse d'activité tourne autour du beignet, même dans l'obscurité la plus totale, guidée par le sens interne de la mouche à quelle vitesse et dans quelle direction elle se sent tourner. (Un circuit similaire a été décrit simultanément par Dan Turner-Evans et Stephanie Wegener dans le laboratoire de Vivek Jayaraman.) En outre, dans notre dernier ouvrage, Jonathan Green, aux côtés d'un chercheur postdoctoral, Vikram Vijayan, et d'un autre étudiant diplômé, Peter Mussells Pires, ont décrit comment. les mouches se servent du mouvement de l’activité pour guider le comportement de navigation.

Plus précisément, nous avons montré que la mouche utilise la position de la bosse dans le beignet comme une estimation du cap actuel similaire à une boussole, comparée à un cap d’objectif (angle le long duquel la mouche souhaite se diriger), afin de déterminer la direction tourner et – quantitativement – combien il est difficile de tourner et à quelle vitesse avancer. Ce même mécanisme fondamental est très probablement en jeu dans le cerveau des abeilles, des fourmis et d'autres navigateurs d'insectes plus expérimentés, lors de leurs voyages de recherche de nourriture à partir du nid et à destination du nid.

Dans les années 1980, James Ranck et Jeff Taube ont découvert les cellules dites de direction de la tête: des neurones chez les mammifères dont les propriétés physiologiques ressemblent étrangement aux neurones de la boussole. Les humains ont presque certainement aussi des cellules de direction de la tête. Chez les humains ou d'autres mammifères, cependant, un circuit neuronal expliquant comment se met à jour l'activité de la tête de direction-cellule reste incertain, de même que le rôle fonctionnel précis que ces neurones jouent dans la navigation. Ainsi, mis à part les insectes, notre travail dans Drosophile jette des bases qui pourraient servir de feuille de route pour analyser la manière dont des cerveaux plus grands, peut-être même le nôtre, pourraient créer un sens de l'orientation et utiliser ce sens interne pour guider les actions de navigation.

Au-delà de l'orientation angulaire, notre compréhension de la manière dont nous nous souvenons des emplacements dans un espace 2D ou 3D ou de la manière dont nous effectuons des opérations cognitives non spatiales – comme le suivi du temps écoulé ou la prévision de la probabilité d'événements futurs – reste tout aussi floue. . Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas eu de progrès. Des neurones dont l'activité physiologique est en corrélation avec de nombreux processus de ce type ont été découverts dans le cerveau des mammifères et les scientifiques sont même capables d'activer et d'inactiver artificiellement ces neurones chez les animaux à comportement. Cependant, nous ne comprenons toujours pas comment le cerveau produit une impression d'espace, de temps ou de valeur interne, ni comment ces sensations internes guident le comportement.

Heureusement, Drosophile semblent mettre en œuvre des versions des processus cognitifs susmentionnés (et probablement de nombreux autres). Car Drosophile offre un petit cerveau à côté de certaines des méthodes génétiques, anatomiques et physiologiques les plus avancées en neuroscience, moi et d’autres dans mon domaine pensons que les premiers mécanismes neuronaux détaillés expliquant la mise en œuvre de tels processus mentaux deviendront clairs chez cet insecte au cours des prochaines années . Notre récent succès dans le domaine des rubriques angulaires pourrait représenter le sommet de l'iceberg en ce qui concerne la manière dont la mouche pourrait expliquer les mécanismes sous-jacents à de nombreuses autres opérations cognitives.

Dans l'ensemble, les mouches n'ont pas joué un rôle mineur dans l'histoire de la biologie. C'est en étudiant Drosophile que nous avons d’abord appris que les gènes résident physiquement sur les chromosomes, qu’une boucle de rétroaction transcriptionnelle génère les rythmes circadiens qui imprègnent presque toute la vie sur Terre, et que hox les gènes agissent en tant que régulateurs maîtres de la morphogenèse corporelle. Compte tenu du rôle fondamental joué par Drosophile dans la génétique, les rythmes circadiens, le développement et de nombreux autres domaines scientifiques, il ne faudrait peut-être pas s'étonner de voir Drosophile joue maintenant un rôle de pionnier dans les neurosciences cognitives. Les projets de recherche pouvant durer des années, voire des décennies, chez un rat ou un singe, ne prendraient que quelques mois Drosophile.

Cette différence signifie que l'on peut prendre plus de risques en étudiant les mouches et poser plus facilement des questions apparemment insolubles, sans parier toute sa carrière sur une réponse spécifique qui s'avère être la bonne. Comme la communauté des mouches recueille les premières réponses sur la Drosophile mettre en œuvre leurs calculs cognitifs –– même s'ils sont sous une forme réduite par rapport aux nôtres –– nous espérons inspirer des tests dirigés pour des mécanismes similaires dans le cerveau des mammifères, où le travail exploratoire initial est plus difficile à réaliser.

Un aspect particulièrement intéressant de l’étude de la neurobiologie dans Drosophile est la possibilité d’unifier notre compréhension de la cognition aux niveaux des gènes, des cellules et des circuits. La plupart des troubles de l'esprit, comme la maladie d'Alzheimer et d'autres démences, résultent d'anomalies moléculaires dans les gènes largement conservés chez l'homme et les mouches. Des efforts intenses ont été déployés pour comprendre la physiopathologie des voies moléculaires pertinentes, sans toutefois permettre de lier de manière robuste la biologie moléculaire de ces voies à leur rôle normal et anormal dans la cognition et le comportement.

Les principales méthodes de génétique moléculaire disponibles chez les mouches, parallèlement aux approches neurophysiologiques et comportementales matures, devraient permettre de mieux comprendre comment les gènes, par leurs effets sur la physiologie cellulaire et des circuits, influent sur le fonctionnement et le comportement du cerveau. Ainsi, les mouches peuvent éclairer notre compréhension de base de la cognition tout en ouvrant la voie à une conception plus rationnelle des médicaments pour la maladie mentale, à terme.

De nouvelles connaissances en neuroscience cognitive font leur apparition dans Drosophile. Seul le temps nous dira toute l'étendue de ce que nous allons apprendre, mais il semble possible que ce minuscule insecte puisse aider à percer certains des plus grands mystères du cerveau. Restez à l'écoute.