Des tapis roulants miniatures accélèrent les études sur la marche des insectes

Des mouches à fruits marchant sur des tapis roulants miniatures aident les scientifiques à comprendre comment le système nerveux permet aux animaux de se déplacer dans un monde imprévisible et complexe.

Des résultats obtenus grâce à l’utilisation de ces tapis roulants de la taille d’une mouche à fruits ont été rapportés le 30 août Biologie actuelle. Plusieurs vidéos de mouches courant sur des tapis roulants sont disponibles sur le site de recherche en ligne. L’auteur principal est Brandon G. Pratt, un récent diplômé en physiologie et biophysique de la faculté de médecine de l’université de Washington à Seattle et chercheur diplômé de la National Science Foundation.

Il a conçu des machines à petite échelle à partir de pièces peu coûteuses, en se basant sur un prototype de Max Mauer, un ancien élève en génie mécanique de l’UW.

Pratt et ses collègues de recherche ont expliqué que les animaux qui marchent, y compris les insectes et les humains, doivent reconnaître et gérer rapidement les changements inattendus sous leurs pieds. Si un animal n’était pas en mesure de le faire, il lui serait presque impossible de se déplacer dans le monde et les blessures dues aux chutes seraient probables.

Comment le système nerveux détecte-t-il ces événements inattendus et contrôle-t-il le corps pour qu’il retrouve son équilibre pendant la locomotion ? Cette question est étudiée dans le laboratoire de John Tuthill au département de physiologie et de biophysique de l’Université de Washington, où Tuthill est professeur associé et Pratt a mené ses recherches doctorales. Ses collègues de laboratoire Su-Yee J. Lee et Grant M. Chou ont également contribué à ce projet.

Le laboratoire de Tuthill étudie la proprioception : la façon dont le corps perçoit en permanence ses articulations et ses mouvements. La maladie, les blessures et d’autres facteurs peuvent interférer avec la capacité des personnes et des animaux à coordonner leur corps et entraver des tâches simples comme prendre un verre d’eau ou marcher quelques mètres.

Étudier la manière dont la proprioception contrôle le corps lorsque celui-ci se dérègle pendant la locomotion est un défi fondamental pour les neuroscientifiques. Les perturbations expérimentales de la proprioception peuvent freiner les comportements des animaux et ainsi contrecarrer les efforts visant à étudier le rôle de la proprioception dans des activités naturelles comme la marche.

Historiquement, les tapis roulants ont effectivement ravivé l’envie de marcher des animaux après des perturbations du système nerveux. Les tapis roulants ont permis de mieux comprendre le contrôle neuronal de la marche et de la course chez les invertébrés (animaux sans colonne vertébrale) comme les cafards et les phasmes, ainsi que chez les vertébrés comme les rongeurs, les chats et les humains.

Les tapis roulants à courroies séparées sont dotés de deux courroies qui se déplacent indépendamment. Les chercheurs les utilisent pour étudier comment la coordination entre les jambes s’adapte lorsque les jambes du côté gauche du corps se déplacent à une vitesse différente de celles du côté droit. Ces tapis roulants ont joué un rôle clinique dans l’évaluation des patients victimes d’un AVC.

Les deux types de tapis roulants ont inspiré les chercheurs du laboratoire Tuthill à concevoir des versions miniatures pour étudier la locomotion des mouches à fruits. Ces minuscules créatures constituent un bon modèle pour étudier le contrôle neural de la locomotion car elles possèdent un système nerveux compact et entièrement cartographié. De plus, une série d’outils génétiques permet aux scientifiques d’effectuer des manipulations précises et spécifiques du système nerveux des mouches.

Le système de tapis roulant linéaire du laboratoire de Tuthill force les mouches à marcher et permet un suivi 3D à long terme. Les chercheurs ont pu analyser la marche à différentes vitesses chez des mouches avec et sans altération de la proprioception.

Sur le tapis roulant, les mouches marchaient par à-coups, sprintant jusqu’à l’avant de la chambre du tapis roulant, puis remontaient le tapis jusqu’à l’arrière. Elles passaient environ la moitié de leur temps à marcher. Elles accéléraient en même temps que le tapis. Tout comme les humains et les cafards, leur taille augmentait lorsqu’elles marchaient plus vite. En utilisant le tapis roulant dans leurs expériences, les chercheurs ont obtenu la vitesse de marche la plus rapide jamais enregistrée pour des mouches à fruits.

« Ils ont pu dépasser une vitesse de marche instantanée de 50 millimètres par seconde », ont noté les chercheurs.

Les chercheurs ont également désactivé génétiquement les neurones responsables de la proprioception et ont fait courir les insectes sur un tapis roulant linéaire. Sans ce retour sensoriel, les mouches ont fait moins de pas, mais de plus grands pas. Étonnamment, la coordination de leurs pattes ne semblait pas affectée, peut-être parce que d’autres neurones proprioceptifs sont plus importants pour coordonner la marche, ou parce que le système nerveux a peut-être compensé le manque de retour d’information.

Les scientifiques ont constaté que le tapis roulant à courroies séparées n’avait que peu d’effet sur la coordination entre les jambes. Cependant, les mouches modifiaient considérablement la distance des pas de leurs pattes médianes lorsque les deux courroies se déplaçaient à des vitesses différentes. Les chercheurs suggèrent que les mouches modifient leurs pas pour continuer à marcher droit en présence de perturbations rotationnelles.

« Les pattes du milieu sont idéalement positionnées pour faire pivoter de manière stable le corps de la mouche autour de son centre de masse, comme si l’on ramait un bateau à partir de son centre », ont expliqué les chercheurs.

Les scientifiques ont noté que « ces résultats illustrent comment les tapis roulants comblent une lacune importante entre la marche libre et les préparations attachées pour étudier les mécanismes neuronaux et comportementaux de la locomotion des mouches. »

Les chercheurs ont fourni les conceptions logicielles et matérielles de ces systèmes de tapis roulants miniatures sous forme de source ouverte et gratuite à leurs collègues scientifiques.