La navigation ne se déroule pas toujours comme prévu – une leçon que les mouches apprennent à leurs dépens, lorsqu’un fort vent de face les fait reculer au mépris de leurs ailes qui battent vers l’avant. Les poissons nageant en amont, les crabes sabordant latéralement et même les humains suspendus à gauche tout en regardant vers la droite font face à des défis similaires. La façon dont le cerveau calcule la direction de déplacement d’un animal lorsque la tête pointe dans un sens et le corps dans un autre est un mystère en neurosciences.
Une nouvelle étude fait des progrès significatifs dans la résolution de ce mystère en signalant que le cerveau de la mouche possède un ensemble de neurones qui signalent la direction dans laquelle le corps se déplace, quelle que soit la direction dans laquelle pointe la tête. Les conclusions, publiées dans La nature, décrivent également en détail comment le cerveau de la mouche calcule ce signal à partir d’entrées sensorielles plus basiques.
« Non seulement ces neurones signalent la direction de déplacement de la mouche, mais ils le font également dans un cadre de référence centré sur le monde », explique Gaby Maimon, neuroscientifique de Rockefeller. Ce qui est remarquable, ajoute le premier auteur Cheng Lyu, un étudiant diplômé du laboratoire Maimon, c’est que ces insectes transforment les entrées sensorielles référencées par le corps en un signal référencé dans le monde, permettant à la mouche de savoir qu’elle voyage, par exemple, à 90 degrés. à droite du soleil ou vers le nord.
Trouver sa place
Même lorsque nous fermons les yeux, nous conservons généralement une bonne idée de l’endroit où nous sommes dans une pièce et de la direction vers laquelle nous faisons face. C’est parce que, même dans l’obscurité, notre cerveau construit une compréhension interne de l’endroit où nous sommes dans l’espace. Dans les années 1980, les scientifiques ont découvert qu’un groupe de cellules appelées cellules de direction de la tête jouaient un rôle clé en nous permettant de connaître notre orientation angulaire et il a été découvert plus tard que les mouches ont des cellules ayant une fonction similaire. L’activité des cellules indique l’angle dans lequel pointe la tête, un peu comme une aiguille de boussole indique son orientation dans un environnement.
Tout va bien tant que nous marchons – ou que les mouches volent – dans la même direction que la tête. Les cellules de direction de la tête peuvent être utilisées pour mettre à jour le sens interne de l’endroit où l’on va. Mais si nous marchons vers le nord en faisant face à l’est, ou si une mouche essaie de bourdonner vers l’avant alors que le vent la pousse vers l’arrière, les cellules de direction de la tête pointent dans la mauvaise direction. Pourtant, le système fonctionne toujours. Les mouches sont relativement peu perturbées par les indignités des courants de vent, et les humains ne se perdent pas lorsqu’ils pivotent pour admirer le paysage. Lyu et Maimon se sont demandé comment les mouches savaient où elles allaient, même lorsque leurs cellules de direction de la tête relayaient apparemment des informations inexactes.
Pour répondre à cette question, Lyu a collé des mouches des fruits à des harnais miniatures qui ne maintiennent que la tête des insectes en place, lui permettant d’enregistrer l’activité cérébrale tout en laissant les mouches libres de battre des ailes et de diriger leur corps dans un environnement virtuel. La configuration contenait plusieurs repères visuels, y compris une lumière vive représentant le soleil et un champ de points de gradation qui pouvaient être ajustés pour donner l’impression que la mouche était soufflée vers l’arrière ou sur le côté.
Comme prévu, les cellules de direction de la tête indiquaient systématiquement l’orientation de la mouche par rapport au soleil, simulée par la lumière vive, indépendamment du mouvement des points de gradation. De plus, les chercheurs ont identifié un nouvel ensemble de cellules qui indiquaient dans quelle direction les mouches se déplaçaient, et pas seulement la direction vers laquelle leur tête pointait. Par exemple, si les mouches étaient orientées directement vers le soleil à l’est tout en étant soufflées vers l’arrière, ces cellules indiquaient que les mouches se dirigeaient (virtuellement) vers l’ouest. “Il s’agit du premier ensemble de cellules connues pour indiquer dans quelle direction un animal se déplace dans un cadre de référence centré sur le monde”, explique Maimon.
Calcul mental
Mais l’équipe s’est également demandé comment les cerveaux des mouches calculaient la direction de déplacement de l’animal au niveau cellulaire. En collaboration avec Larry Abbott, un théoricien de Université de Columbia‘s Zuckerman Institute, Lyu et Maimon ont pu démontrer que le cerveau de la mouche s’engage dans une sorte d’exercice mathématique.
Un étudiant en physique traçant la trajectoire d’un objet divisera la trajectoire en composantes de mouvement, tracées le long des axes x et y. De même, dans le cerveau de la mouche, quatre classes de neurones sensibles au mouvement visuel indiquent la direction de déplacement de la mouche en tant que composants le long de quatre axes. Chaque classe neuronale peut être considérée comme représentant un vecteur mathématique. L’angle du vecteur pointe dans la direction de son axe associé. La longueur du vecteur indique à quelle vitesse la mouche se déplace dans cette direction. “Étonnamment, un circuit neuronal dans le cerveau de la mouche fait tourner ces quatre vecteurs afin qu’ils soient correctement alignés avec l’angle du soleil, puis les additionne”, explique Maimon. “Le résultat est un vecteur de sortie qui pointe dans la direction dans laquelle se déplace la mouche, référencé au soleil.”
Les mathématiques vectorielles sont plus qu’une simple analogie pour le calcul en cours. Au contraire, le cerveau de la mouche semble effectuer littéralement des opérations vectorielles. Dans ce circuit, les populations de neurones représentent explicitement les vecteurs comme des vagues d’activité, la position de l’onde représentant l’angle du vecteur et la hauteur de l’onde représentant sa longueur. Les chercheurs ont même testé cette idée en manipulant avec précision la longueur des quatre vecteurs d’entrée et en montrant que le vecteur de sortie change comme il le ferait si les mouches additionnaient littéralement les vecteurs.
« Nous soutenons fermement que ce qui se passe ici est une implémentation explicite des mathématiques vectorielles dans un cerveau. » dit Maimon. “Ce qui rend cette étude unique, c’est que nous montrons, avec de nombreuses preuves, comment les circuits neuronaux mettent en œuvre des opérations mathématiques relativement sophistiquées.”
Comprendre la cognition spatiale
La présente recherche clarifie comment les mouches déterminent dans quelle direction elles vont, sur le moment. De futures études examineront comment ces insectes gardent une trace de leur direction de voyage au fil du temps pour savoir où ils se sont finalement retrouvés. “Une question centrale est de savoir comment le cerveau intègre les signaux liés à la direction et à la vitesse de déplacement de l’animal au fil du temps pour former des souvenirs”, explique Lyu. « Les chercheurs peuvent utiliser nos découvertes comme plate-forme pour étudier à quoi ressemble la mémoire de travail dans le cerveau. »
Les résultats pourraient également avoir des implications pour les maladies humaines. Parce que la confusion spatiale est souvent un signe précoce de Alzheimer maladie, de nombreux neuroscientifiques sont intéressés à comprendre comment le cerveau construit un sens interne de l’espace. “Le fait que les insectes, avec leurs cerveaux minuscules, aient une connaissance explicite de leur direction de déplacement devrait obliger les chercheurs à rechercher des signaux similaires et des opérations quantitatives analogues dans le cerveau des mammifères”, explique Maimon.
“Une telle découverte pourrait éclairer certains aspects du dysfonctionnement sous-jacent à la maladie d’Alzheimer, ainsi que d’autres troubles neurologiques qui affligent la cognition spatiale.”
Référence : « Building an allocentric travel direction signal via vector computation » par Cheng Lyu, LF Abbott et Gaby Maimon, 15 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04067-0