Une étude menée par des scientifiques de Johns Hopkins a observé que des organismes allant des microbes et poissons aux chiens et humains présentent des schémas de mouvement similaires pour comprendre leur environnement. Les poissons-couteaux électriques, en particulier, affichaient des changements dans leurs schémas de mouvement en fonction des niveaux de lumière afin de mieux détecter leur environnement. Ce comportement sensoriel s’est avéré cohérent dans divers organismes comme les amibes, les chauves-souris et les humains.
Les scientifiques de Johns Hopkins ont découvert des mouvements cohérents et dépendants des sens dans divers organismes, des microbes aux humains, avec des applications potentielles en robotique.
Un poisson-couteau électrique scintille dans l’eau pour la même raison qu’un chien renifle ou qu’un humain regarde autour d’un nouvel endroit : pour donner un sens à son environnement. Pour la première fois, les scientifiques démontrent qu’un large éventail d’organismes, même des microbes, effectuent le même schéma de mouvements afin de percevoir le monde.
« Les amibes n’ont même pas de système nerveux, et pourtant elles adoptent un comportement qui a beaucoup en commun avec l’équilibre postural d’un humain ou avec un poisson caché dans un tube », a déclaré l’auteur Noah Cowan, professeur de génie mécanique à Johns Hopkins. « Ces organismes sont assez éloignés les uns des autres dans l’arbre de vie, ce qui suggère que l’évolution a convergé vers la même solution à travers des mécanismes sous-jacents très différents. »
La recherche, qui a des implications pour la cognition et la robotique, est publiée dans Intelligence des machines naturelles.
Un bassin d’observation éclairé par infrarouge montre le comportement du poisson-couteau électrique avec les lumières allumées (en haut) et les lumières éteintes (en bas). Crédit : Université Johns Hopkins
Mouvements pour la perception et la robotique
Les résultats découlent des efforts de l’équipe visant à comprendre ce que fait le système nerveux lorsque les animaux bougent pour améliorer leur perception du monde, et si ce comportement pourrait être traduit en systèmes de contrôle robotisés.
En observant des poissons-couteaux électriques dans un bassin d’observation, les chercheurs ont remarqué que lorsqu’il faisait sombre, les poissons se balançaient beaucoup plus fréquemment. Lorsque les lumières étaient allumées, le poisson se balançait doucement avec seulement des mouvements rapides occasionnels.
Dans la nature, les poissons-couteaux sont programmés pour trouver refuge afin d’éviter les prédateurs. Ils émettent de faibles décharges électriques pour détecter leur emplacement et trouver un abri. Se tortiller rapidement leur permet de détecter activement leur environnement, en particulier dans les eaux sombres. À la lumière, ils effectuent encore des mouvements aussi rapides, mais beaucoup moins fréquemment.
« Nous avons constaté que la meilleure stratégie consiste à passer brièvement en mode exploration lorsque l’incertitude est trop élevée, puis à revenir en mode exploitation lorsque l’incertitude est redescendue », a déclaré le premier auteur Debojyoti Biswas, chercheur postdoctoral à Johns Hopkins.
Relier les comportements entre les espèces
C’est la première fois que des scientifiques déchiffrent cette stratégie de changement de mode chez les poissons. C’est également la première fois que quelqu’un fait le lien entre ce comportement et espèces.
L’équipe a créé un modèle qui simule les principaux comportements de détection et, en utilisant les travaux d’autres laboratoires, a repéré les mêmes mouvements sensoriels dépendants dans d’autres organismes. Les créatures qui partageaient le comportement du poisson comprenaient des amibes, des papillons de nuit, des cafards, des taupes, des chauves-souris, des souris et des humains.
« Pas une seule étude que nous avons trouvée dans la littérature n’a violé les règles que nous avons découvertes chez le poisson électrique, pas même les organismes unicellulaires comme l’amibe détectant un champ électrique », a déclaré Cowan.
Les scientifiques commencent tout juste à comprendre comment les animaux contrôlent inconsciemment leurs mouvements. L’équipe soupçonne que tous les organismes disposent de calculs cérébraux qui gèrent l’incertitude.
« Si vous allez dans une épicerie, vous remarquerez que les gens qui font la queue changeront entre être immobiles et se déplacer en attendant », a déclaré Cowan. « Nous pensons que c’est la même chose qui se produit : pour maintenir un équilibre stable, vous devez de temps en temps vous déplacer et exciter vos capteurs comme le poisson-couteau. Nous avons constaté que les caractéristiques statistiques de ces mouvements sont omniprésentes chez un large éventail d’animaux, y compris les humains.
L’équipe espère que les résultats pourront être utilisés pour améliorer les drones de recherche et de sauvetage, les rovers spatiaux et d’autres robots autonomes.
Ensuite, ils vérifieront si leurs idées s’appliquent à d’autres êtres vivants, même aux plantes.
Les auteurs incluent Andrew Lamperski de l’Université du Minnesota à Minneapolis ; Yu Yang de Johns Hopkins ; Kathleen Hoffman de l’Université du Maryland, comté de Baltimore ; John Guckenheimer de l’Université Cornell ; et Eric S. Fortune du New Jersey Institute of Technology.
Financement : Bureau de recherche navale, National Science Foundation
