Des mouches dans une arène de réalité virtuelle prouvent qu’elles sont plus intelligentes qu’on ne le pensait

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Fly Virtual Reality Arena
Arène de réalité virtuelle pour les mouches

Une arène de réalité virtuelle a été couplée à 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. Crédit : Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

La réalité virtuelle immersive et l’imagerie de l’activité cérébrale en temps réel mettent en évidence les capacités d’attention, de mémoire de travail et de conscience de la drosophile.

Lorsqu’elles bourdonnent autour d’un lot de bananes dans nos cuisines, les mouches à fruits semblent avoir peu en commun avec les mammifères. Mais en tant qu’espèce modèle pour la science, les chercheurs découvrent de plus en plus de similitudes entre nous et ces minuscules insectes amateurs de 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 à fruits (Drosophila melanogaster) ont des capacités cognitives plus avancées que ce que l’on croyait auparavant. À l’aide d’un environnement immersif de réalité virtuelle construit sur mesure, de manipulations neurogénétiques et de in vivo l’imagerie de l’activité cérébrale en temps réel, les scientifiques ont présenté de nouvelles preuves le 16 février 2022, dans le journal. Nature des liens remarquables entre les capacités cognitives des mouches et des mammifères.

Arène de réalité virtuelle panoramique de mouches

Les chercheurs ont créé une arène de réalité virtuelle panoramique où les mouches ont été conditionnées à associer l’image d’un “T” droit à un stimulus thermique négatif et un “T” inversé sans chaleur. Crédit : Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

L’approche à plusieurs niveaux de leurs recherches a permis de découvrir des capacités d’attention, de mémoire de travail et de conscience chez les mouches des fruits, des capacités cognitives généralement testées uniquement chez les mammifères. Les chercheurs ont pu observer la formation, la distractibilité et l’éventuelle disparition d’une trace de mémoire dans leurs minuscules cerveaux.

“Malgré l’absence de similitude anatomique évidente, cette recherche concerne notre fonctionnement cognitif quotidien – ce à quoi nous faisons 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 San Diego et directeur associé du KIBM. “Comme 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 sur la base de caractéristiques moléculaires et de la façon dont nous stockons nos souvenirs.”

Battements d'ailes de mouche

Les battements d’ailes des mouches ont été imagés et analysés en temps réel (200 Hz) afin de déterminer si elles volaient droit (à gauche), tournaient dans le sens des aiguilles d’une montre (au centre) ou dans le sens inverse (à droite). L’imagerie de réalité virtuelle a ensuite été tournée pour refléter l’orientation de la mouche en vol. Crédit : Dhruv Grover, UC San Diego KIBM

Pour arriver au cœur de leurs nouvelles découvertes, les chercheurs ont créé un environnement de réalité virtuelle immersif pour tester le comportement de la mouche par le biais d’une stimulation visuelle et ont couplé l’imagerie affichée avec un laser infrarouge comme stimulus de chaleur averse. L’arène panoramique de près de 360 degrés a permis de… Drosophila de battre librement des ailes tout en restant attachées et, grâce à la réalité virtuelle qui se met constamment à jour en fonction du mouvement de leurs ailes (analysé en temps réel à l’aide de caméras de vision artificielle à haute vitesse), les mouches ont l’illusion de voler librement dans le monde. Les chercheurs ont ainsi pu entraîner et tester les mouches pour des tâches de conditionnement en permettant à l’insecte de s’éloigner d’une image associée au stimulus thermique négatif et de s’orienter vers une seconde image non associée à la chaleur.

Ils ont testé deux variantes de conditionnement, l’une dans laquelle les mouches recevaient une stimulation visuelle se chevauchant dans le temps avec la chaleur (conditionnement à retardement), les deux se terminant en même temps, ou une seconde, le conditionnement par trace, en attendant 5 à 20 secondes pour délivrer la chaleur après avoir montré et retiré la 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 indiquant l’attention, la mémoire de travail et la conscience chez les mammifères.

Les chercheurs ont également réalisé des images du cerveau pour suivre l’activité calcique en temps réel à l’aide d’une molécule fluorescente qu’ils ont génétiquement intégrée aux cellules cérébrales. Cela a permis aux chercheurs d’enregistrer la formation et la durée de la mémoire vivante de la mouche, puisqu’ils ont vu la trace clignoter pendant qu’elle était conservée dans la mémoire à court terme (de travail) de la mouche. Ils ont également constaté qu’une distraction introduite au cours de l’entraînement – un léger souffle d’air – entraînait une disparition plus rapide de la mémoire visuelle. C’est la première fois que des chercheurs ont pu prouver l’existence d’une telle distraction chez les mouches, ce qui implique une exigence d’attention dans le processus d’apprentissage.formation de la mémoire dans Drosophila.

“Ce travail démontre non seulement que les mouches sont capables de cette forme supérieure de conditionnement par trace, et que l’apprentissage est distractible comme chez les mammifères et les humains, mais que l’activité neuronale qui sous-tend ces processus d’attention et de mémoire de travail chez la mouche présente une similitude remarquable avec celle des mammifères”, a déclaré Dhruv Grover, membre de la faculté de recherche du KIBM de l’UC San Diego et auteur principal de la nouvelle étude. “Ce travail démontre que la mouche à fruits pourrait servir de modèle puissant pour l’étude des fonctions cognitives supérieures. Pour dire les choses simplement, la mouche continue de nous étonner par son intelligence réelle”.

Les scientifiques ont également identifié la zone du cerveau de la mouche où la mémoire se forme et s’estompe – 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.

En outre, l’équipe de recherche a découvert que la dopamine, un neurochimique, est nécessaire à cet apprentissage et aux fonctions cognitives supérieures. Les données ont révélé que les réactions à la dopamine se produisaient de plus en plus tôt dans le processus d’apprentissage, anticipant finalement le stimulus thermique à venir.

Les chercheurs étudient maintenant les détails de la manière dont l’attention est codée physiologiquement dans le cerveau. Grover estime que les leçons tirées de ce système modèle sont susceptibles d’éclairer directement notre compréhension des stratégies de cognition humaine et des troubles neuronaux qui les perturbent, mais aussi de contribuer à de nouvelles approches d’ingénierie qui conduisent à des percées en matière de performances dans les conceptions d’intelligence artificielle.

Référence : “Differential mechanisms underlie trace and delay conditioning in Drosophila” par Dhruv Grover, Jen-Yung Chen, Jiayun Xie, Jinfang Li, Jean-Pierre Changeux et Ralph J. Greenspan, 16 février 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04433-6

Les coauteurs de l’étude sont 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 Collège de France). Changeux est également membre du Collège de France).

Les soutiens de la recherche comprennent le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air (FA9550-14-1-0211 et FA9550-19-1-0280), la Fondation Mathers (20154167), la National Science Foundation (1212778), le programme-cadre Horizon 2020 de l’Union européenne pour la recherche et l’innovation (accord de subvention 945539, Human Brain Project SGA3), et une bourse de la faculté internationale de l’Institut Kavli pour le cerveau et l’esprit.

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