Une équipe de neurobiologistes expérimentaux de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de biologistes théoriques de la Humboldt-Universität zu Berlin a réussi à résoudre un mystère qui déconcerte les scientifiques depuis des décennies. Ils ont pu déterminer la character de l’activité électrique du système nerveux des insectes qui contrôle leur vol. Dans un write-up récemment publié dans Character, ils rapportent une fonction jusque-là inconnue des synapses électriques utilisées par les mouches des fruits pendant le vol.
La mouche des fruits Drosophila melanogaster bat des ailes approximativement 200 fois par seconde pour avancer. D’autres petits insectes gèrent même 1 000 battements d’ailes par seconde. C’est cette fréquence élevée de battements d’ailes qui génère le bourdonnement aigu et ennuyeux que nous associons couramment aux moustiques. Chaque insecte doit battre des ailes à une certaine fréquence pour ne pas rester “coincé” dans l’air, qui agit comme un milieu visqueux en raison de sa petite taille. Pour cela, ils emploient une stratégie astucieuse largement utilisée dans le monde des insectes. Cela implique une activation par étirement réciproque des muscle tissue antagonistes qui soulèvent et abaissent les ailes. Le système peut osciller à des fréquences élevées, produisant ainsi le taux élevé de battements d’ailes nécessaires à la propulsion. Les neurones moteurs sont incapables de suivre le rythme de la vitesse des ailes, de sorte que chaque neurone génère une impulsion électrique qui ne contrôle les muscle tissue des ailes qu’environ tous les 20 battements d’ailes. Ces impulsions sont précisément coordonnées avec l’activité des autres neurones. Des modèles d’activité spéciaux sont générés dans les motoneurones qui régulent la fréquence des battements d’ailes. Chaque neurone se déclenche à un rythme régulier mais pas en même temps que les autres neurones. Il y a des intervalles fixes entre lesquels chacun d’eux tire. Bien que l’on sache depuis les années 1970 que des modèles d’activité neuronale de ce variety se produisent chez la mouche des fruits, il n’y avait aucune explication du mécanisme de contrôle sous-jacent.
Le circuit neuronal régule le vol des insectes
En collaboration avec l’unité de recherche RobustCircuit 5289 financée par la Fondation allemande pour la recherche, des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence et de la Humboldt-Universität zu Berlin ont finalement réussi à trouver la alternative au casse-tête. “Le mouvement des ailes chez la mouche des fruits Drosophila melanogaster est régi par une alternative de circuit miniaturisé qui ne comprend que très peu de neurones et de synapses”, a expliqué le professeur Carsten Duch de la faculté de biologie du JGU. Et il est fort probable que ce ne soit pas seulement le cas de la mouche des fruits. Les chercheurs supposent que les furthermore de 600 000 espèces d’insectes connues qui s’appuient sur une méthode de propulsion similaire utilisent également un circuit neuronal de ce kind.
Drosophila melanogaster est un sujet de recherche idéal dans le domaine de la neurobiologie car il est probable de manipuler génétiquement les différents composants de son circuit neuronal. Les synapses individuelles peuvent être activées et désactivées et même l’activité des neurones individuels peut être directement influencée, pour ne citer que deux exemples. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé une combinaison de ces outils génétiques pour mesurer l’activité et les propriétés électriques des neurones du circuit. Ainsi, ils ont pu identifier toutes les cellules et interactions synaptiques du circuit neuronal impliquées dans la génération des schémas de vol. En conséquence, ils ont découvert que le réseau neuronal régulant le vol est composé d’un petit nombre de neurones qui communiquent entre eux uniquement via des synapses électriques.
Nouveaux principles de traitement de l’information par le système nerveux central
On avait précédemment supposé que lorsqu’un neurone s’activait, des substances neurotransmetteurs inhibitrices étaient libérées entre les neurones du réseau de vol, les empêchant ainsi de s’activer en même temps. En utilisant l’expérimentation et la modélisation mathématique, les chercheurs ont pu montrer qu’une telle distribution séquentielle de la génération d’impulsions peut également se produire lorsque l’activité neuronale est directement contrôlée électriquement, sans la présence de neurotransmetteurs. Les neurones créent alors un form particulier d’impulsion et « s’écoutent » étroitement les uns les autres, surtout s’ils viennent d’être actifs.
Les analyses mathématiques ont prédit que cela ne serait pas possible avec des impulsions “normales”. Par conséquent, il semblerait peu possible que la transmission entre neurones sous une forme purement électrique entraîne ce schéma de déclenchement séquencé. Afin de tester expérimentalement cette hypothèse théorique, certains canaux ioniques dans les neurones du réseau ont été manipulés. Comme prévu, le schéma d’activité du circuit de vol s’est synchronisé, tout comme le modèle mathématique l’avait prédit. Cette manipulation expérimentale a provoqué des versions importantes de la puissance générée pendant le vol. Il apparaît donc que la désynchronisation du modèle d’activité déterminé par les synapses électriques du circuit neuronal est nécessaire pour s’assurer que les muscle mass du vol sont capables de générer une puissance de sortie constante.
Les découvertes de l’équipe basée à Mayence et à Berlin sont d’autant additionally surprenantes qu’on pensait auparavant que les interconnexions par les synapses électriques entraînaient en fait une activité synchronisée des neurones. Le modèle d’activité généré par les synapses électriques détecté ici indique qu’il pourrait bien y avoir des formes de traitement de l’information par le système nerveux qui sont encore inexpliquées. Le même mécanisme peut non seulement jouer un rôle dans des milliers d’autres espèces d’insectes, mais aussi dans le cerveau humain, où le but des synapses électriques n’est pas encore entièrement compris.
