Les mouches des fruits génétiquement modifiées ont permis aux scientifiques de percer les mystérieux mécanismes de vol des insectes. Grâce à l’IA, ils ont cartographié comment les muscles de la mouche Drosophile melanogaster Ils manipulent la charnière de l’aile pour effectuer des manœuvres de vol agiles et aérodynamiques.
Peu de prouesses évolutives intriguent autant la science que la capacité de voler. Cette capacité, qui a évolué indépendamment chez les oiseaux, les chauves-souris, les ptérosaures et les insectes, n’est pas seulement un témoignage de la diversité de la vie, mais aussi une fenêtre sur l’ingénierie biologique à son meilleur.
Parmi ces maîtres des airs, les insectes se démarquent par leur énigmatique système de vol. Contrairement à leurs homologues vertébrés, les ailes des insectes ne contiennent ni muscles ni nerfs.
Au lieu de cela, ils sont contrôlés par un ensemble de muscles situés à l’intérieur du corps, qui actionnent un système de poulies semblable à une marionnette au sein d’une charnière complexe à la base de l’aile.
Réseau neuronal prédictif
Une nouvelle recherche, dirigée par Michael Dickinsonprofesseur de bioingénierie et d’aéronautique à Caltech, met en lumière ce mystérieux mécanisme.
Cette équipe a développé un réseau neuronal qui prédit le mouvement des ailes des mouches des fruits en fonction de l’activité musculaire, afin de mieux comprendre la structure complexe des charnières des ailes.
Cela impliquait de créer un « jeu vidéo » pour les mouches, en les entourant d’écrans LED qui simulaient des signaux environnementaux et les incitaient à modifier leurs schémas de vol et leurs vitesses. Les chercheurs ont collecté des téraoctets de données sur 72 000 volets.
Aussi l’IA
À l’aide de caméras à grande vitesse et de l’apprentissage automatique (une branche de l’intelligence artificielle), le laboratoire de Dickinson a cartographié la façon dont les muscles de la mouche Drosophila melanogaster manipulent la charnière de l’aile pour effectuer des manœuvres de vol agiles et aérodynamiques.
La charnière de l’aile d’une mouche contient 12 muscles de contrôle, chacun connecté à un seul neurone. Pour mettre cela en perspective, même si un colibri possède la même maniabilité qu’une mouche, il utilise des milliers de motoneurones pour exécuter des manœuvres de vol similaires.
Apport génétique
L’équipe de Dickinson a créé des mouches génétiquement modifiées dont les muscles des charnières des ailes brillaient d’une lumière fluorescente lorsqu’ils étaient activés.
Ensuite, ils ont 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 de la charnière des ailes.
« Nous ne voulions pas seulement prédire le mouvement de l’aile ; « Nous voulions connaître le rôle de chaque muscle » Expliquer Johan Mélis, premier auteur de l’étude. Il a expliqué que les chercheurs voulaient relier la biomécanique de la charnière de l’aile aux circuits neuronaux qui la contrôlaient.
Points de vue
L’équipe vise à aller au-delà de la simple cartographie de la mécanique du vol des insectes, puisqu’elle vise à développer un modèle intégrant la mécanique des charnières des ailes, l’aérodynamique du vol et même les circuits cérébraux de l’insecte.
De plus, l’équipe étendra ses recherches à d’autres espèces d’insectes volants, notamment les moustiques et les abeilles. Cela leur permettra de mieux comprendre comment les variations de la structure des ailes se traduisent par divers comportements de vol dans le monde des insectes.
Interface cerveau-corps
En fin de compte, cela les aidera à comprendre de manière globale le lien neurobiologique entre le cerveau d’un insecte et les mouvements complexes de ses ailes.
« La charnière de l’aile n’est que le matériel ; La véritable passion de notre laboratoire a été l’interface cerveau-corps », conclut Dickinson.
Référence
L’apprentissage automatique révèle les mécanismes de contrôle d’une charnière d’aile d’insecte. Johan M. Melis et coll. Nature, volume 628, pages 795-803 (2024). DOOI :https://doi.org/10.1038/s41586-024-07293-4