Bien qu’elles bourdonnent de manière agaçante autour d’un lot de bananes dans nos cuisines, les mouches des fruits semblent avoir peu de choses en commun avec les mammifères. Mais en tant qu’espèce modèle pour la science, les chercheurs découvrent des similitudes sans cesse croissantes entre nous et de minuscules insectes qui aiment les fruits.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Kavli Institute for Brain and Mind (KIBM) de l’Université de Californie à San Diego ont découvert que les mouches des fruits (Drosophile melanogaster) ont des capacités cognitives plus avancées qu’on ne le croyait auparavant. En utilisant un environnement personnalisé de réalité virtuelle immersive, des manipulations neurogénétiques et Habitent imagerie de l’activité cérébrale en temps réel, les scientifiques présentent de nouvelles preuves le 16 février dans la revue La nature des liens remarquables entre les capacités cognitives des mouches et des mammifères.

Un champ de réalité virtuelle a été combiné avec l’imagerie de l’activité cérébrale par fluorescence in vivo pour observer la dynamique neuronale des structures cérébrales impliquées dans l’apprentissage et la formation de la mémoire pendant le conditionnement. Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

L’approche à plusieurs niveaux de leurs enquêtes a révélé des capacités similaires à l’attention, à la mémoire de travail et à la conscience chez les mouches des fruits, des capacités cognitives qui ne sont généralement testées que chez les mammifères. Les chercheurs ont pu observer la formation, la distraction et la disparition éventuelle d’une trace de mémoire dans leur petit cerveau.

« Malgré l’absence de similitude anatomique évidente, cette recherche parle de notre fonctionnement cognitif quotidien : à quoi nous prêtons attention et comment nous le faisons », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Ralph Greenspan, professeur à la Division des sciences biologiques de l’UC. associer. Directeur du KIBM. « Étant donné que tous les cerveaux ont évolué à partir d’un ancêtre commun, nous pouvons établir des correspondances entre les régions cérébrales des mouches et des mammifères en fonction des caractéristiques moléculaires et de la manière dont nous stockons nos souvenirs. »

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Pour aller au cœur de leurs nouvelles découvertes, les chercheurs ont créé un environnement de réalité virtuelle immersif pour tester le comportement des mouches par stimulation visuelle et couplé les images affichées avec un laser infrarouge comme stimulus thermique aversif. L’arène panoramique à presque 360 ​​degrés a permis drosophile battre des ailes librement tout en étant attachés, et avec la réalité virtuelle constamment mise à jour en fonction de leur mouvement d’aile (analysé en temps réel à l’aide de caméras de vision artificielle à grande vitesse), cela a donné aux mouches l’illusion de voler librement dans le monde. Cela a donné aux chercheurs la possibilité d’entraîner et de tester des mouches pour des tâches de conditionnement en permettant à l’insecte de s’éloigner d’une image associée au stimulus thermique négatif et vers une seconde image non associée à la chaleur.

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Les chercheurs ont créé une arène de réalité virtuelle panoramique où les mouches ont été conditionnées pour associer l’image d’un « T » vertical avec un stimulus thermique négatif et un « T » inversé sans chaleur. Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

Ils ont testé deux variantes de conditionnement, une dans laquelle les mouches recevaient une stimulation visuelle superposée dans le temps avec de la chaleur (conditionnement retardé), les deux finissant ensemble, ou une seconde, un conditionnement en trace, attendant 5 à 20 secondes pour délivrer la chaleur après affichage et éliminant stimulation visuelle. Le temps intermédiaire est considéré comme l’intervalle de « trace » pendant lequel la mouche conserve une « trace » du stimulus visuel dans son cerveau, une caractéristique indicative de l’attention, de la mémoire de travail et de la conscience chez les mammifères.

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Les chercheurs ont également imagé le cerveau pour suivre l’activité du calcium en temps réel à l’aide d’une molécule fluorescente qu’ils ont génétiquement modifiée dans leurs cellules cérébrales. Cela a permis aux chercheurs d’enregistrer la formation et la durée de la mémoire vivante de la mouche, car ils ont vu la trace scintiller alors qu’elle était conservée dans la mémoire à court terme (de travail) de la mouche. Ils ont également découvert qu’une distraction introduite pendant l’entraînement, une légère bouffée d’air, entraînait une décoloration plus rapide de la mémoire visuelle, marquant la première fois que des chercheurs ont pu tester une telle distraction chez les mouches et impliquant un besoin attentionnel chez les mouches. drosophile.

« Ce travail démontre non seulement que les mouches sont capables de cette forme supérieure de conditionnement des traces, et que l’apprentissage est distrait comme chez les mammifères et les humains, mais que l’activité neuronale sous-jacente à ces processus d’attention et de mémoire du travail à la volée montre une similitude frappante avec ceux-ci. chez les mammifères », a déclaré Dhruv Grover, membre du corps professoral de recherche UC San Diego KIBM et auteur principal de la nouvelle étude. « Ce travail démontre que les drosophiles pourraient servir de modèle puissant pour l’étude des fonctions cognitives supérieures. En termes simples, la mouche continue de nous étonner de voir à quel point elle est vraiment intelligente. »

Les scientifiques ont également identifié la zone du cerveau de la mouche où la mémoire s’est formée et s’est estompée, une zone connue sous le nom de corps ellipsoïde du complexe central de la mouche, un emplacement qui correspond au cortex cérébral dans le cerveau humain.

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Des images des battements d’ailes des mouches ont été prises et analysées en temps réel (200 Hz) pour déterminer si elles volaient en ligne droite (à gauche), dans le sens des aiguilles d’une montre (au milieu) ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (à droite). Les images de réalité virtuelle ont ensuite été tournées pour refléter l’orientation de la mouche volante. Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

De plus, l’équipe de recherche a découvert que la dopamine neurochimique est nécessaire pour un tel apprentissage et des fonctions cognitives supérieures. Les données ont révélé que les réactions dopaminergiques se produisaient de plus en plus tôt dans le processus d’apprentissage, anticipant finalement le stimulus thermique imminent.

Les chercheurs étudient maintenant les détails de la façon dont l’attention est physiologiquement codée dans le cerveau. Grover cree que es probable que las lecciones aprendidas de este sistema modelo informen directamente nuestra comprensión de las estrategias de cognición humana y los trastornos neuronales que las interrumpen, pero también contribuyen a nuevos enfoques de ingeniería que conducen a avances en el rendimiento de los diseños de intelligence artificielle.

Les co-auteurs de l’étude incluent Dhruv Grover, Jen-Yung Chen, Jiayun Xie, Jinfang Li, Jean-Pierre Changeux et Ralph Greenspan (tous affiliés au Kavli Institute for Brain and Mind de l’UC San Diego, et J.-P. Changeux également membre du Colmoige de France).

Les partisans de la recherche comprennent l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-14-1-0211 et FA9550-19-1-0280); la Fondation Mathers (20154167); Fondation nationale des sciences (1212778); le programme-cadre pour la recherche et l’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (accord de subvention 945539, Human Brain Project SGA3); et un prix international de la faculté du Kavli Institute for Brain and Mind.