Notre sens de l’orientation est crucial pour notre capacité à naviguer dans le monde qui nous entoure. Il agit comme une boussole interne du cerveau, nous aidant à trouver le bon chemin et, plus important encore, nous incitant à changer de cap lorsque nous nous dirigeons dans la mauvaise direction.
Mais malgré de nombreuses recherches sur le fonctionnement de la navigation dans le cerveau, les scientifiques ne comprennent toujours pas clairement comment cette boussole interne contrôle directement le comportement.
Aujourd’hui, une étude sur les mouches des fruits menée par des chercheurs de la Harvard Medical School offre de nouvelles informations sur la façon dont deux régions différentes du cerveau – le siège de la boussole et le centre de contrôle – communiquent pendant la navigation.
Les résultats seront publiés le 7 février Nature.
Dans l’étude, les chercheurs ont examiné le cerveau de mouches des fruits qui avaient dévié de leur trajectoire alors qu’elles couraient dans une direction particulière. Ils ont découvert que trois groupes différents de neurones permettent la communication entre les régions boussole et de contrôle du cerveau, travaillant ensemble pour aider la mouche à corriger sa trajectoire. Les neurones traduisent les signaux de la boussole interne d’une mouche en comportement pour la déplacer dans la bonne direction.
“Jusqu’à présent, personne ne savait vraiment comment le sens de l’orientation, un état cognitif interne, était lié aux actions d’un animal dans le monde”, a déclaré l’auteur principal Rachel Wilson, professeure Joseph B. Martin de recherche fondamentale en neurobiologie à l’Université Blavatnik. Institut HMS.
Malgré leur petite taille, les mouches des fruits ont un cerveau et des comportements complexes. Les résultats pourraient donc servir de base à de futures études sur la façon dont les signaux dans le cerveau se transforment en actions chez des espèces plus complexes, y compris les humains.
Rester sur la bonne voie
Les humains et autres animaux complexes possèdent une boussole interne de cellules cérébrales qui utilisent les informations internes et externes pour créer un sens de l’orientation. Les scientifiques ont découvert que ces cellules – appelées cellules de direction de la tête – sont disposées selon un motif circulaire chez les mouches des fruits, ce qui les rend particulièrement faciles à étudier.
Contrairement à ce que son nom l’indique, les mouches des fruits passent plus de temps à courir qu’à voler. Des recherches antérieures ont montré que lorsque les mouches se promènent, ces cellules de direction de la tête suivent activement leurs mouvements de rotation, comme tourner à droite ou à gauche.
Dans la nouvelle étude, Wilson et ses collègues voulaient examiner comment cette boussole est fonctionnellement connectée à la région de contrôle du cerveau pour comprendre comment elle contrôle la navigation. Pour ce faire, ils ont utilisé un schéma de circuit existant de toutes les connexions neuronales du cerveau de la mouche des fruits pour créer un modèle informatique montrant comment ces régions pourraient être connectées les unes aux autres. Ce modèle leur a permis d’identifier et de faire des prédictions sur la couche de neurones reliant les deux régions.
Pour confirmer leurs prédictions, les chercheurs ont analysé l’activité de la couche de neurones identifiée par le modèle alors que les mouches se promenaient dans un environnement de réalité virtuelle. Souvent, les mouches couraient droit dans une direction aléatoire, probablement pour échapper à leur environnement. Lorsque leur monde virtuel a été tourné pour les faire dévier de leur trajectoire, les mouches ont rapidement corrigé leur trajectoire. Il est intéressant de noter que ces corrections de trajectoire étaient effectuées par trois groupes de neurones différents : deux groupes de neurones poussaient la mouche à aller à droite ou à gauche, et un autre donnait le signal de faire demi-tour complètement.
“Vous pouvez considérer ces trois groupes de neurones comme trois sentinelles gardant un château”, a déclaré Wilson, “chacune étant chargée de surveiller dans une direction différente et d’effectuer les corrections nécessaires pour rapprocher la mouche de sa cible.”
Les résultats expliquent comment les mouches des fruits utilisent leur sens de l’orientation pour estimer où elles se trouvent par rapport à une cible et comment elles utilisent cette estimation pour ajuster leur comportement.
“Il s’agit d’une description très concrète du fonctionnement d’un processus cognitif complexe et de la manière dont il produit des comportements spécifiques et contrôlés en temps réel”, a déclaré Wilson.
Les résultats complètent une deuxième étude également publiée dans Nature le 7 février et dirigé par une équipe distincte de chercheurs de l’Université Rockefeller décrivant des parties du même circuit neuronal chez les mouches des fruits.
Prises ensemble, les deux études fournissent une compréhension encore plus complète de la façon dont le sens de l’orientation affecte le comportement animal.
Un point de départ solide
Wilson a déclaré que les observations de son équipe ont des implications au-delà de l’identification des connexions entre la boussole et les régions de contrôle du cerveau. Les résultats fournissent des indices importants sur le format et l’emplacement des cibles de navigation dans le cerveau – et pourraient ouvrir la voie à une compréhension de la manière dont d’autres types de cibles sont stockés.
“Je pense que nous avons touché à l’un des aspects les plus mystérieux du fonctionnement cérébral, à savoir la façon dont nous stockons les informations et les intentions sous une forme latente dans notre esprit et agissons ensuite en conséquence”, a déclaré Wilson, ajoutant que même les insectes ont cette capacité. fonctionnalité . “Nous étudierons comment cela fonctionne à l’avenir.”
Wilson souhaite également en savoir plus sur les trois groupes de neurones identifiés par l’étude – et s’il existe des groupes analogues de neurones responsables d’ajustements fins et grossiers dans d’autres réseaux cérébraux.
“Nous soupçonnons qu’il s’agit en fait d’un principe clé du fonctionnement cérébral et qu’il pourrait expliquer de nombreuses voies de signalisation apparemment redondantes dans le cerveau”, a expliqué Wilson.
Wilson a ajouté que, comme les mouches des fruits ont un cerveau et des comportements complexes, elles constituent un bon point de départ pour étudier les aspects de la cognition qui se produisent chez des espèces d’ordre supérieur telles que les souris ou les humains.
“En comprenant un système dans un petit cerveau, je pense que nous avons fait des progrès importants en formulant des hypothèses claires sur la façon dont il pourrait fonctionner dans des cerveaux plus complexes”, a-t-elle déclaré. “À ce stade, je ne vois pas de fin évidente aux similitudes entre les espèces.”