Le vol a évolué quatre fois dans l’histoire de la vie sur Terre :chez les oiseaux, les chauves-souris, les ptérosaures et les insectes. Les trois premiers groupes d'animaux ont développé leurs ailes à partir de bras, ce qui rend ces ailes faciles à comprendre, car d'autres animaux similaires ont des os et une musculature analogues. Les ailes des insectes, cependant, n’ont ni muscles ni nerfs. Ils sont plutôt contrôlés par des muscles situés à l'intérieur du corps qui actionnent un système de poulies en forme de marionnette au sein d'une charnière complexe à la base de l'aile.

"La charnière de l'aile de mouche est peut-être la structure la plus mystérieuse et la plus sous-estimée de l'histoire de la vie", déclare Michael Dickinson, professeur Esther M. et Abe M. Zarem de Caltech de bio-ingénierie et d'aéronautique, et directeur général de la biologie et du génie biologique. "Si les insectes n'avaient pas développé cette articulation très improbable pour battre des ailes, le monde serait un endroit très différent, dépourvu de plantes à fleurs et de créatures familières comme les oiseaux, les chauves-souris et probablement les humains."

La manière dont un insecte contrôle cette structure minuscule et complexe chez la mouche des fruits, Drosophila melanogaster, fait l'objet d'une nouvelle étude menée par Dickinson et ses collègues. À l'aide de caméras à grande vitesse et de l'apprentissage automatique, le laboratoire de Dickinson a collecté des données sur des dizaines de milliers de battements d'ailes de mouches et a créé une carte de la façon dont les muscles des mouches contrôlent le mouvement de la charnière de l'aile pour créer des manœuvres de vol aérodynamiques agiles.

L'étude a été publiée dans la revue Nature le 17 avril.

La charnière de l'aile d'une mouche contient 12 muscles de contrôle, avec un neurone connecté à chacun. Pour le contexte, même si un colibri possède la même maniabilité qu'une mouche, il utilise des milliers de motoneurones pour exécuter des manœuvres de vol similaires.

"Nous ne voulions pas simplement prédire le mouvement des ailes; nous voulions connaître le rôle de chaque muscle", explique Johan Melis (Ph.D. '23), le premier auteur de l'étude. "Nous voulions relier la biomécanique de la charnière de l'aile aux circuits neuronaux qui la contrôlent."

Tout d’abord, l’équipe a créé D. melanogaster génétiquement modifié dans lequel les muscles contrôlant la charnière de l’aile brilleraient d’une lumière fluorescente lorsqu’ils seraient activés. Les chercheurs ont ensuite placé les mouches dans une chambre équipée de trois caméras à grande vitesse capables de capturer 15 000 images par seconde pour mesurer le mouvement des ailes, et d'un microscope pour détecter l'activation fluorescente des muscles charnières des ailes de la mouche.

Après avoir collecté plus de 80 000 battements d’ailes, l’équipe a appliqué des techniques d’apprentissage automatique pour traiter le grand volume de données et générer une carte de la façon dont les 12 minuscules muscles de contrôle agissent ensemble pour réguler avec précision le mouvement des ailes. Les modèles informatiques précédents de vol en vol décrivaient simplement le schéma de mouvement des ailes. Le nouveau modèle, en revanche, intègre la manière dont les muscles de contrôle modifient la mécanique de la charnière de l'aile, produisant ainsi un mouvement de l'aile.

Dans le cadre de travaux de suivi, l'équipe vise à créer un modèle détaillé basé sur la physique qui intègre la biomécanique de la charnière avec l'aérodynamique des ailes et les circuits neuronaux sous-jacents dans le cerveau de la mouche. Les chercheurs prévoient également de collecter des données sur d'autres espèces d'insectes volants, comme les moustiques et les abeilles, pour comprendre comment les structures des ailes ont évolué pour permettre des comportements de vol sophistiqués.

Le but ultime est de comprendre le lien neurobiologique entre le cerveau d'une mouche et le mouvement de ses ailes. "La charnière de l'aile n'est que du matériel ; la véritable passion dans notre laboratoire a été l'interface cerveau-corps", explique Dickinson.

"Nous voulons comprendre les circuits entre la biomécanique et la neurobiologie. Très peu de fois au cours de l'évolution, un animal a eu une forme de locomotion très réussie - la marche - et en a simplement ajouté une autre - le vol. Cela signifie que le cerveau des insectes doit avoir tout les circuits pour réguler des moyens de déplacement complètement différents. "