Les insectes tels que les mouches des fruits, en revanche, ne disposent que de 100 000 neurones avec lesquels travailler. Pourtant, leur survie dépend de leur capacité à déchiffrer la signification de mélanges d’odeurs complexes qui les entourent pour localiser leur nourriture, rechercher des partenaires potentiels et éviter les prédateurs. Les scientifiques ont réfléchi à la manière dont les insectes sont capables de sentir ou d'extraire des informations à partir des odeurs, avec un système sensoriel olfactif beaucoup plus petit que celui des mammifères.

Des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego pensent avoir la réponse à cette question déroutante. Palka Puri, docteur en physique. L'étudiant, en collaboration avec le chercheur postdoctoral Shiuan-Tze Wu, le professeur agrégé Chih-Ying Su et le professeur adjoint Johnatan Aljadeff (tous au Département de neurobiologie), ont découvert comment les mouches des fruits utilisent un système simple et efficace pour reconnaître les odeurs.

"Nos travaux mettent en lumière les algorithmes de traitement sensoriel utilisés par les insectes pour répondre à des stimuli olfactifs complexes", a déclaré Puri, le premier auteur de l'article, publié dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences. . "Nous avons montré que l'organisation spécialisée des neurones sensoriels des insectes détient la clé du puzzle :la mise en œuvre d'une étape de traitement essentielle qui facilite les calculs dans le cerveau central."

Des recherches antérieures sur le système de traitement des odeurs chez les mouches se sont concentrées sur le cerveau central en tant que plaque tournante principale du traitement des signaux olfactifs. Mais la nouvelle étude montre que l'efficacité des capacités sensorielles de l'insecte repose sur une étape de « prétraitement » à la périphérie de son système sensoriel, qui prépare les signaux olfactifs pour les calculs qui se produisent plus tard dans la région centrale du cerveau.

Les mouches sentent à travers leurs antennes, qui regorgent de poils sensoriels qui détectent les éléments de l'environnement qui les entourent. Chaque cheveu sensoriel comporte généralement deux neurones récepteurs olfactifs, ou ORN, qui sont activés par différentes molécules odorantes présentes dans l'environnement. Curieusement, les ORN présents dans les mêmes cheveux sensoriels sont fortement couplés par des interactions électriques.

"Ce scénario s'apparente à deux fils porteurs de courant placés à proximité l'un de l'autre", a expliqué Puri. "Les signaux transportés par les fils interfèrent les uns avec les autres via des interactions électromagnétiques."

Dans le cas du système olfactif des mouches, cette interférence est cependant bénéfique. Les chercheurs ont montré que lorsque les mouches rencontrent un signal olfactif, le modèle spécifique d'interférence entre les récepteurs aide les mouches à calculer rapidement « l'essentiel » de la signification de l'odeur :« Est-ce bon ou mauvais pour moi ? Le résultat de cette évaluation préliminaire en périphérie est ensuite relayé vers une région spécifique du cerveau central de la mouche, où les informations sur les odeurs présentes dans le monde extérieur sont traduites en une réponse comportementale.

Les chercheurs ont construit un modèle mathématique de la manière dont les signaux olfactifs sont traités par couplage électrique entre les ORN. Ils ont ensuite analysé le schéma de câblage (« connectome ») du cerveau de la mouche, un ensemble de données à grande échelle généré par des scientifiques et des ingénieurs du campus de recherche du Howard Hughes Medical Institute. Cela a permis à Puri, Aljadeff et leurs collègues de retracer comment les signaux olfactifs provenant de la périphérie sensorielle sont intégrés dans le cerveau central.

"Remarquablement, nos travaux montrent que le mélange optimal d'odeurs - le rapport précis auquel chaque cheveu sensoriel est le plus sensible - est défini par la différence de taille génétiquement prédéterminée entre les neurones olfactifs couplés", a déclaré Aljadeff, membre du corps professoral de l'École de biologie. Les sciences. "Notre travail met en évidence le rôle algorithmique de grande envergure de la périphérie sensorielle dans le traitement des odeurs à la fois intrinsèquement significatives et apprises dans le cerveau central."

Aljadeff décrit le système avec une analogie visuelle. À l'instar d'une caméra spécialisée capable de détecter des types spécifiques d'images, la mouche a développé une méthode génétique pour distinguer les images, ou dans ce cas, les mélanges d'odeurs.

"Nous avons découvert que le cerveau de la mouche possède le câblage nécessaire pour lire les images de cette caméra très spéciale et ensuite initier un comportement", a-t-il déclaré.

Pour arriver à ces résultats, la recherche a été intégrée aux découvertes précédentes du laboratoire de Su qui décrivaient l'organisation conservée des ORN dans le système olfactif de la mouche en poils sensoriels. Le fait que les signaux véhiculés par les mêmes molécules odorantes interfèrent toujours les uns avec les autres, chez chaque mouche, a suggéré aux chercheurs que cette organisation a un sens.

"Cette analyse montre comment les neurones des centres cérébraux supérieurs peuvent profiter d'un calcul équilibré en périphérie", a déclaré Su. "Ce qui amène vraiment ce travail à un autre niveau, c'est à quel point ce prétraitement périphérique peut influencer les fonctions cérébrales supérieures et les opérations des circuits."

Ces travaux pourraient inspirer des recherches sur le rôle du traitement dans les organes périphériques dans d'autres sens, tels que la vue ou l'ouïe, et contribuer à jeter les bases de la conception de dispositifs de détection compacts capables d'interpréter des données complexes.

"Ces résultats donnent un aperçu des principes fondamentaux des calculs sensoriels complexes en biologie et ouvrent la porte à de futures recherches sur l'utilisation de ces principes pour concevoir de puissants systèmes d'ingénierie", a déclaré Puri.