Du décollage au vol, le câblage du système nerveux d’une mouche est cartographié

Des travaux sont en cours sur un schéma de câblage des circuits moteurs du système nerveux central qui contrôlent les muscles des mouches des fruits. Ce connectome, comme on appelle le schéma de câblage, fournit déjà des informations détaillées sur la façon dont la coordination nerveuse des mouvements des jambes diffère de celle contrôlant les ailes.

Bien que les mouches des fruits semblent être des créatures simples, les chercheurs ont déclaré que leur système moteur contient « un niveau de complexité inattendu ».

“Un motoneurone de mouche typique reçoit des milliers de synapses provenant de centaines de neurones prémoteurs présynaptiques”, ont observé les scientifiques. “Ce nombre est comparable à l’échelle d’intégration synaptique dans les cellules pyramidales du cortex des rongeurs.”

Certaines des dernières découvertes dans ce domaine sont publiées dans deux articles le 26 juin dans la revue scientifique Nature. Ils sont intitulés « Architecture synaptique des réseaux de contrôle prémoteur des pattes et des ailes chez la drosophile » et « Reconstruction connectomique d’un cordon nerveux ventral femelle de drosophile ».

Les scientifiques principaux supervisant conjointement la recherche étaient John C. Tuthill, professeur agrégé de physiologie et de biophysique à la faculté de médecine de l’Université de Washington à Seattle, et Wei-Chung Allen Lee, professeur agrégé de neurologie à la faculté de médecine de Harvard à Boston. Un groupe multi-institutionnel de scientifiques a contribué aux études.

Cette recherche fait progresser la compréhension de la manière dont le système nerveux central des animaux coordonne les muscles individuels pour mener à bien divers comportements. Une mouche des fruits utilise ses pattes, par exemple, pour sauter, marcher, se toiletter, se battre et faire la cour. Il peut également adapter sa démarche pour naviguer sur des terrains tels que les plantes d’intérieur, les murs, les surfaces humides, les plafonds et même les tapis roulants à échelle d’insectes.

Tous ces mouvements, depuis les réflexes posturaux qui permettent à la mouche de maintenir sa position stable jusqu’au franchissement d’obstacles ou au changement de direction de vol, proviennent de signaux électriques provenant des motoneurones. Ces signaux sont transmis par des projections filiformes du motoneurone pour stimuler les muscles.

Les six pattes d’une mouche sont contrôlées par seulement 60 à 70 motoneurones, ont souligné les chercheurs. Chez un chat, ont-ils noté, environ 600 motoneurones alimentent un seul muscle du mollet félin. Seuls 29 motoneurones contrôlent les muscles moteurs et directeurs de l’aile d’une mouche à fruits. En comparaison, le muscle pectoral d’un colibri est alimenté par 2 000 motoneurones.

Bien que les motoneurones de la mouche soient peu nombreux, elle réalise des prouesses aériennes et terrestres remarquables.

Les scientifiques ont expliqué que les unités motrices sont composées d’un seul motoneurone et des fibres musculaires qu’il peut exciter. Diverses unités motrices, activées selon différentes combinaisons et séquences, collaborent pour réaliser une myriade de comportements de mouvement.

Les scientifiques impliqués dans ces deux études s’intéressaient à la logique de câblage des circuits prémoteurs. Ils souhaitaient comprendre comment le système nerveux d’une mouche coordonne les unités motrices pour accomplir diverses tâches.

L’une des études a utilisé des outils automatisés, l’apprentissage automatique, l’annotation de types de cellules et la microscopie électronique pour identifier 14 600 corps cellulaires neuronaux et environ 45 millions de synapses (jonctions de transmission de signal) dans la corde nerveuse ventrale d’une mouche des fruits femelle. La corde nerveuse ventrale des mouches est analogue à la moelle épinière des vertébrés. Les scientifiques ont ensuite appliqué l’apprentissage profond pour reconstruire automatiquement l’anatomie des neurones et leurs connexions dans l’ensemble de la mouche femelle.

Ensuite, les chercheurs ont utilisé des méthodes sophistiquées pour cartographier les muscles ciblés par les motoneurones des jambes et des ailes. Ils ont déterminé quels motoneurones du connectome du cordon nerveux de la femme adulte se connectent aux muscles individuels de la jambe avant et de l’aile. À partir de là, ils ont créé un atlas des circuits qui coordonnent les mouvements des pattes et des ailes de la mouche pendant le décollage et l’initiation du moteur de vol.

Pour s’élever dans les airs, la mouche étend ses pattes médianes pour sauter et fléchit ses pattes avant pour décoller. Cela ressemble un peu à un avion de ligne qui rétracte ses roues après avoir quitté le sol ou à un héron qui replie ses pattes grêles pour les garder à l’écart alors qu’il s’élance dans les airs.

Dans le cadre de leurs travaux, les scientifiques ont également découvert que certaines fibres musculaires des mouches adultes sont innervées par plusieurs motoneurones. Cela se produit également au stade larvaire de la mouche des fruits et chez les criquets. Alors que certains mammifères possèdent de multiples innervations de fibres nerveuses dès le nouveau-né, celles-ci disparaissent généralement à l’âge adulte.

Des innervations multiples pourraient offrir plus de flexibilité et expliquer pourquoi les membres d’un insecte peuvent fonctionner avec précision malgré si peu de motoneurones.

Les scientifiques ont également examiné le système moteur de l’aile de la mouche, qui comporte environ trois sections regroupées par fonction : alimenter le battement de l’aile, diriger l’insecte et ajuster le mouvement de l’aile.

L’étude de la connectivité des neurones prémoteurs a permis aux chercheurs de comparer l’organisation des circuits prémoteurs pour deux types de membres. La patte et l’aile des mouches des fruits ont chacune une évolution et une biomécanique distinctes.

Plus généralement, les connectomes permettent aux scientifiques de produire de nouvelles théories sur le fonctionnement des circuits neuronaux et de démystifier certaines idées fausses. Les scientifiques ont mentionné que les récents efforts de la communauté pour développer le connectome de la mouche des fruits ont conduit à l’un des premiers schémas de câblage au niveau synapse pour n’importe quel animal doté de membres. Ils espèrent que des connectomes supplémentaires permettront aux chercheurs de comparer le câblage neuronal des individus. La reconstruction anticipée du cordon nerveux central d’une mouche des fruits mâle pourrait éclairer les différences entre les sexes.