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Nous l’avons tous déjà entendu : si vous mettez une grenouille dans de l’eau bouillante, elle en sautera. Mais mettez la même grenouille dans de l’eau tiède et faites-la chauffer petit à petit, puis faites bouillir la grenouille. Souvent utilisés comme métaphore de la réaction insouciante et persistante de nombreuses personnes face à une menace qui grandit lentement, les mécanismes qui sous-tendent le mythe urbain sont devenus un sujet de fascination pour les chercheurs.
Cette parabole semble avoir inspiré de nouvelles recherches de l’Université Northwestern, qui ont identifié une voie cérébrale responsable de la détection rapide des menaces.
“Les animaux sont plus susceptibles de réagir à des changements environnementaux rapides plutôt que lents”, a déclaré l’auteur principal Marco Gallio, professeur agrégé de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. “Dans la présente étude, nous identifions un circuit cérébral chez les mouches des fruits qui réagit sélectivement aux changements thermiques rapides et prépare ainsi un comportement de fuite.”
Les résultats ont été publiés dans la revue la semaine dernière Communication naturelle.
Gallio utilise généralement les mouches des fruits pour comprendre les circuits sensoriels et la manière dont ils produisent des perceptions du monde physique. En utilisant la mouche comme modèle, le laboratoire examine les principes de base de la prise de décision chez un animal qui possède une fraction du nombre de neurones (100 000) que celui des humains (environ 100 milliards). En tant qu’organisme modèle bien étudié pour la recherche biologique, les mouches sont également des sujets expérimentaux utiles en raison des outils déjà disponibles pour étudier les neurones et le comportement des mouches.
“Il existe souvent deux types de réponses aux stimuli externes dans le cerveau : certains neurones répondent à un stimulus tel que la lumière ou la température avec une activité très soutenue”, a déclaré Gallio. « D’autres neurones se déclenchent au tout début, comme lorsqu’une lumière s’allume, puis leur activité s’arrête. Nous nous sommes toujours demandé quelle était la signification de ces réactions éphémères.»
Lorsqu’il est exposé à des stimuli visuels, le cerveau est préparé à percevoir un contraste important entre la lumière et l’obscurité. Gallio a déclaré que la réaction avait également un sens intuitif pour le sens du toucher : vous ne pensez pas à la pression lorsque votre main repose sur une surface. Cependant, lorsque vous passez la main sur quelque chose de nouveau, vous remarquerez de subtils changements de texture. L’équipe de Gallio a voulu savoir si la même chose s’appliquait à la sensation de température.
Pour étudier comment les mouches réagissent aux changements rapides, l’équipe a utilisé une caméra haute résolution pour observer les mouches naviguant dans différents environnements de température. Lorsque les mouches rencontrent un front de chaleur rapide, elles font toujours demi-tour pour s’en éloigner.
Le laboratoire a découvert que les mouches réagissaient toujours aux changements rapides de température, mais pas aux changements lents.
L’équipe a également identifié un circuit dans le cerveau de la mouche qui ne réagit qu’aux changements rapides de température (plus de 0,2 degrés Celsius par seconde). Semblables aux cellules allumées du système visuel, ces neurones se sont déclenchés au début d’un réchauffement rapide, puis sont devenus silencieux.
“Notre hypothèse était que ces réponses à la chaleur pourraient en fait être corrélées au taux de changement de température”, a déclaré Jenna Jouandet, première auteure de l’étude et étudiante diplômée. Étudiant au Gallio Lab. “Et cela permet aux mouches d’anticiper des conditions thermiques potentiellement dangereuses et de se préparer à s’échapper.”
Lorsque les chercheurs ont inactivé expérimentalement ces neurones, les mouches se sont en réalité échappées moins rapidement.
Pour mieux comprendre l’importance de l’activité de ces neurones dans le comportement de la mouche, les chercheurs ont travaillé avec William Kath, professeur de mathématiques appliquées à l’Université Northwestern et directeur adjoint du nouvel Institut national de théorie et de mathématiques en biologie. Doctorat en mathématiques appliquées. L’étudiant Richard Suhendra a construit un petit modèle informatique doté de deux antennes et de deux roues pour démontrer comment l’ajout d’un neurone prédisant une chaleur dangereuse pourrait améliorer la flexibilité de la réponse du véhicule. (Jouez avec le modèle dans un jeu simple sur le site Web de Gallio Lab.)
“Les neurones que nous avons découverts à l’origine reçoivent les informations des neurones thermosensoriels situés sur les antennes et transmettent les informations au cerveau supérieur”, a déclaré Gallio. “Les mouches sont un excellent modèle pour cartographier les circuits cérébraux car nous avons pu reconstruire l’intégralité du circuit, depuis les neurones sensoriels jusqu’aux centres qui génèrent le mouvement.”
Gallio a expliqué que les changements rapides sont presque toujours dangereux pour une petite mouche.
“Si la température change d’un demi-degré par seconde en 30 ou 40 secondes – ce qui n’est pas beaucoup – la mouche pourrait être morte”, a déclaré Gallio. « Ce système est une sonnette d’alarme qui prépare un animal à son comportement de fuite. Nous voyons la mouche s’échapper.
Gallio soupçonne que les résultats sont largement généralisables, notamment parce qu’il voit que le fait que quelqu’un entre dans une pièce avec une température différente ou prenne une douche chaude, cela affecte également les gens. Il a dit que ces neurones semblent être capables de ressentir quelque chose que d’autres ne ressentent pas : ils semblent être capables de prédire l’avenir.
Les recherches rapportées dans cette publication ont été soutenues par les National Institutes of Health (subventions R01NS086859, R21EY031849 et R21NS130554), un programme Pew Scholars en sciences biomédicales et un McKnight Technological Innovations in Neuroscience Awards. La recherche a été soutenue en partie par les ressources informatiques fournies à l’installation de calcul haute performance Quest de l’Université Northwestern, qui est soutenue conjointement par le Bureau du prévôt, le Bureau de la recherche et la technologie de l’information de l’Université Northwestern ; la subvention de formation en recherche sur le circadien et le sommeil (T32HL007909) et la subvention de formation à la recherche de la National Science Foundation (DMS-1547394).
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