Le vol des insectes peut sembler sans effort, mais comme pour tout animal, leurs mouvements seraient extrêmement inégaux sans un système complexe de signalisation neuronale et de réponse musculaire pour les stabiliser et les diriger.
Une collaboration dirigée par l’Université Cornell a utilisé une combinaison de manipulation neuronale ciblée et de perturbation magnétique pour identifier les deux composants du système de stabilisation du vol d’une mouche des fruits. Plus précisément, les chercheurs ont identifié deux éléments du système musculaire de direction responsables de l’actionnement de deux signaux de commande distincts qui permettent à l’insecte de stabiliser son tangage : le déplacement angulaire et la vitesse angulaire. La découverte fournit la preuve d’un principe d’organisation dans lequel chaque muscle a une fonction spécifique dans le contrôle du vol.
L’article du groupe, « Neuromuscular Embodiment of Feedback Control Elements in Drosophila Flight », publié le 14 décembre dans Avancées scientifiques.
Afin d’analyser ce système neuromusculaire complexe, l’équipe, dirigée par l’auteur principal Itai Cohen, professeur de physique au Collège des arts et des sciences, a étudié des mouches génétiquement modifiées pour utiliser une technique appelée optogénétique, qui installe la lumière. canaux sensibles sur des neurones spécifiques. En faisant briller une lumière à la volée, les chercheurs pourraient allumer ou éteindre des neurones moteurs spécifiques, affectant la fonction de tout muscle activé par ce neurone.
De plus, chaque mouche avait de petites broches ferromagnétiques collées sur la face dorsale de son thorax, ce qui a permis aux chercheurs de perturber son vol en appliquant un champ magnétique. La perturbation a fait basculer la mouche vers l’avant ou vers l’arrière – essentiellement « déclenchant » la mouche en l’air – et, à l’aide de trois caméras à grande vitesse filmant à 8 000 images par seconde, les chercheurs ont capturé les efforts de la mouche pour générer un couple correctif et récupérer de cette perturbation.
Le réflexe de stabilisation de la mouche commence par le haltere, un appareil sensoriel qui est en fait les restes des troisième et quatrième ailes de la mouche, et sert en quelque sorte d’organe d’équilibrage. Le haltere enregistre le taux de rotation du corps de la mouche, puis envoie une rétroaction rapide via un circuit neuronal aux 12 muscles des ailes de la mouche qui la dirigent et la stabilisent.
Les chercheurs ont modélisé ces réflexes avec ce qu’on appelle un contrôleur proportionnel-intégral, une sorte de boucle de contrôle qui compense la rétroaction, semblable aux systèmes de régulateur de vitesse dans les automobiles.
« Ils transmettent les informations des systèmes sensoriels à ces deux composants du contrôleur, la partie intégrale et la partie proportionnelle, qui s’additionnent », a déclaré Cohen. « Ce signal combiné détermine, à travers les muscles de l’aile, le nouveau paramètre de course d’aile qui fournira un couple aérodynamique correctif, qui agit sur le corps de la mouche, qui agit ensuite sur le capteur, fournissant un circuit fermé. »
Les chercheurs ont déterminé que les muscles b1 et b2 de la mouche étaient directement responsables du déplacement angulaire (le terme intégral) et de la vitesse angulaire (le terme proportionnel) qui régissent l’angle de balayage vers l’avant de l’aile.
Cohen et Whitehead ont travaillé avec une gamme de collaborateurs, dont le co-auteur Nilay Yapici, professeur adjoint de neurobiologie et de comportement et Nancy et Peter Meinig Family Investigator in the Life Sciences; Jesse Goldberg, professeur agrégé de neurobiologie et de comportement ; et Joseph Fetcho, professeur de sciences biologiques Dr. David et Dorothy Joslovitz Merksamer, tous au Collège des arts et des sciences.
« Ce qui est en jeu est de comprendre comment un système biologique comme la mouche, utilisant des neurones et des muscles, met en œuvre une stratégie de contrôle qui est omniprésente dans les systèmes conçus par l’homme », a déclaré Whitehead. « Nous sommes particulièrement ravis que nos découvertes ne soient pas seulement un premier pas dans cette direction, mais aussi une preuve de concept pour de futures études qui explorent ces circuits neuronaux de manière plus holistique. »
Les co-auteurs incluent le chercheur postdoctoral Matt Meiselman ; et des chercheurs de l’Université Villanova, de l’Institut de technologie de Californie, de l’Université Johns Hopkins et du campus de recherche Janelia de l’Institut médical Howard Hughes.
Plus d’information:
Samuel C. Whitehead et al, Incarnation neuromusculaire d’éléments de contrôle de rétroaction dans le vol de la drosophile, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo7461