Les mouches des fruits - Drosophila melanogaster - ont une relation compliquée avec le dioxyde de carbone. Dans certains contextes, le CO₂ indique la présence de sources alimentaires savoureuses, car la levure de fermentation du sucre dans les fruits produit la molécule en tant que sous-produit. Mais dans d'autres cas, le CO₂ peut être un avertissement pour rester à l'écart, signalant un environnement pauvre en oxygène ou surpeuplé avec trop d'autres mouches. Comment les mouches font-elles la différence ?

Aujourd'hui, une nouvelle étude révèle que les neurones olfactifs de la drosophile, responsables de la détection des "odeurs" chimiques telles que le CO₂ – ont la capacité de se parler à travers une voie inconnue auparavant. Le travail donne un aperçu des processus fondamentaux par lesquels les cellules cérébrales communiquent entre elles et donne également de nouveaux indices pour résoudre les mystères de longue date sur les mouches des fruits et le CO₂ .

La recherche a été menée dans le laboratoire d'Elizabeth Hong (BS '02), professeure adjointe de neurosciences et boursière Chen de l'Institut Tianqiao et Chrissy Chen de neurosciences à Caltech. Un article décrivant l'étude paraît dans la revue Current Biology le 6 septembre.

"CO₂ est un signal important mais complexe que l'on trouve dans toutes sortes de situations différentes dans l'environnement naturel, et il illustre un défi majeur auquel les neurobiologistes sont confrontés pour comprendre le cerveau :comment le cerveau traite-t-il le même signal sensoriel dans différents contextes pour permettre à l'animal de réagir de manière appropriée ?" dit Hong. "Nous abordons cette question en utilisant le système olfactif de la mouche, l'un des circuits sensoriels les mieux étudiés et les mieux caractérisés. Et même encore, avec cette recherche, nous avons découvert un nouveau phénomène surprenant dans la façon dont le cerveau traite les signaux sensoriels."

L'olfaction, ou le sens de l'odorat, était le système sensoriel original à évoluer chez tous les animaux. Bien que les humains soient principalement visuels, la majorité des animaux utilisent l'olfaction comme principale méthode de compréhension de leur environnement :flairer la nourriture, éviter les prédateurs et trouver des partenaires. Les mouches des fruits sont un modèle particulièrement gérable pour comprendre les mécanismes biologiques qui sous-tendent l'odorat :une mouche des fruits ne possède qu'une cinquantaine de récepteurs olfactifs différents, alors qu'un humain en possède environ 400 à 500 et une souris plus d'un millier.

Le "nez" d'une mouche est composé de ses deux antennes. Ces antennes sont recouvertes de poils fins appelés sensilles, et à l'intérieur de chaque sensille se trouvent les neurones olfactifs. Odeurs, comme le CO₂ ou les esters volatils produits par la pourriture des fruits - se diffusent dans de minuscules pores de la sensille et se lient aux récepteurs correspondants sur les neurones olfactifs. Les neurones envoient ensuite des signaux dans la sensille et dans le cerveau. Bien que nous n'ayons pas d'antennes, un processus analogue se produit dans votre propre nez lorsque vous vous penchez pour respirer une délicieuse cuisine ou pour reculer face aux mauvaises odeurs.

Chez les mouches des fruits, alors que la plupart des odeurs activent environ 20 types différents de neurones sensoriels à la fois, le CO₂ est inhabituel en ce sens qu'il n'active qu'un seul type. En utilisant une combinaison d'analyse génétique et d'imagerie fonctionnelle, les chercheurs du laboratoire de Hong ont découvert que les câbles de sortie, ou axones, du CO₂ -les neurones olfactifs sensibles peuvent en fait communiquer avec d'autres canaux neuronaux olfactifs, en particulier les neurones qui détectent les esters, des molécules qui sentent particulièrement bon pour une mouche des fruits.

However, this olfactory crosstalk depends on the timing of CO₂ cues. When CO₂ is detected in fluctuating pulses, such as a wind-borne cue from a distant food source, the CO₂ -sensing olfactory channel sends a message to the channels encoding esters, signaling to the brain that delicious food is upwind. However, if CO₂ is continually elevated in the local environment, for instance from a rotting log, this crosstalk is quickly shutoff, and the CO₂ -sensitive neurons signal directly to the brain to avoid the source.

This is the first time that olfactory neurons have been shown to talk to one another between their axons, processing incoming information before these signals ever reach the brain. The results cut against the prevailing dogma in neuroscience that information processing is limited to the integration of inputs by neurons; the new findings show that signals are reformatted at the output end as well.

The scientists also discovered that how flies behave toward CO₂ also depends on the timing of CO₂ signals. "We found that the behavior of the animal is affected by the temporal structure of the CO₂ signal," says Hong. "When the fly walks into a cloud of elevated CO₂ , it tends to turn away from the direction it was traveling. But in an environment where CO₂ is pulsing, the fly will run upwind toward the source of the odor. This difference in how flies behave toward fluctuating CO₂ , versus sustained CO₂ , parallels the dependence of the crosstalk from the CO₂ -sensing neurons to attraction-promoting food-sensing neurons."

Understanding fruit fly olfaction, particularly with respect to sensing CO₂ , is a long-standing goal for Caltech researchers. Decades ago, researchers in the laboratory of David Anderson— Seymour Benzer Professor of Biology; Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair; Investigator, Howard Hughes Medical Institute; director, Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience—discovered that flies avoid CO₂ as a chemical indicating an overcrowded environment. But recently, researchers in the lab of Michael Dickinson—Esther M. and Abe M. Zarem Professor of Bioengineering and Aeronautics and executive officer for Biology and Biological Engineering—discovered that flies can also be attracted to CO₂ , when using it to sniff out a source of food.

"Our work builds on these prior studies and provides one possible neural solution for how CO₂ could be triggering opposing behaviors in flies in varying contexts. It has been a highlight of having my lab at Caltech to have the opportunity to directly interact with David's and Michael's labs and discuss the connections between our work and theirs," says Hong.

The next major question is to understand how these parallel olfactory axons are talking to one another. The team ruled out most forms of classical chemical transmission that neurons use to communicate, and the mechanisms by which olfactory neurons are able to send and receive messages between their axons are mysterious. Solving this problem may provide new insights into how animal brains detect and process sensory information. + Explorer plus loin

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