Des chercheurs développent un schéma de câblage détaillé des circuits moteurs du système nerveux central des mouches à fruits. Ce connectome révèle la coordination complexe entre les nerfs contrôlant les mouvements des pattes et des ailes. Les résultats d'études récentes mettent en évidence la complexité des neurones moteurs et leur rôle dans divers mouvements comme le vol et la marche, offrant ainsi une base pour de futures recherches sur la fonctionnalité des circuits neuronaux. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr
Des études sur les mouches à fruits mettent en lumière la coordination neuronale complexe des mouvements, améliorant ainsi notre compréhension de la fonctionnalité des motoneurones.
Des scientifiques développent un schéma électrique des circuits moteurs du système nerveux central des mouches à fruits qui contrôlent leurs muscles. Ce schéma, appelé connectome, a déjà permis de mieux comprendre la coordination complexe entre les nerfs qui contrôlent les mouvements des pattes et des ailes.
La complexité des créatures simples
Bien que les mouches à fruits semblent être des créatures simples, les chercheurs ont déclaré que leur système moteur contient « un niveau de complexité inattendu ».
« Un neurone moteur typique d’une mouche reçoit des milliers de synapses provenant de centaines de neurones prémoteurs présynaptiques », ont observé les scientifiques. « Ce nombre est comparable à l’échelle d’intégration synaptique dans les cellules pyramidales du cortex des rongeurs. »
Reconstruction anatomique des motoneurones qui contrôlent les muscles des pattes et des ailes de la mouche à fruits. Crédit : Tyler Sloan/Quorometrix Studio
Nouvelles études sur la coordination motrice
Deux nouveaux articles publiés dans la revue scientifique Nature ont révélé les dernières découvertes dans ce domaine, faisant progresser notre compréhension de la manière dont le système nerveux central des animaux coordonne les muscles individuels pour faciliter une variété de comportements.
Animation de la reconstruction anatomique de différentes structures du système nerveux impliquées dans le décollage et le vol chez une mouche à fruits femelle.
Efficacité et adaptabilité des motoneurones
Les mouches à fruits utilisent leurs pattes pour de nombreuses activités telles que sauter, marcher, se toiletter, se battre et faire la cour. Elles peuvent également adapter leur démarche pour se déplacer sur des terrains tels que les plantes d'intérieur, les murs, les surfaces humides, les plafonds et même les tapis roulants à écailles d'insectes.
Tous ces mouvements, depuis les réflexes posturaux qui permettent à la mouche de maintenir sa position stable jusqu'au franchissement d'obstacles ou au changement de direction de vol, proviennent de signaux électriques provenant des motoneurones. Ces signaux sont transmis par des projections filiformes du motoneurone pour stimuler les muscles.
Les six pattes d'une mouche sont contrôlées par seulement 60 à 70 motoneurones, ont souligné les chercheurs. Chez un chat, ont-ils noté, environ 600 motoneurones alimentent un seul muscle du mollet félin. Seuls 29 motoneurones contrôlent les muscles moteurs et directeurs de l'aile d'une mouche à fruits. En comparaison, le muscle pectoral d'un colibri est alimenté par 2 000 motoneurones.
Bien que les neurones moteurs de la mouche soient peu nombreux, elle accomplit des prouesses aériennes et terrestres remarquables.
Reconstruction anatomique du cordon nerveux ventral d'une mouche à fruits femelle. Crédit : Tyler Sloan/Quorometrix Studio
Logique de câblage des circuits prémoteurs
Les scientifiques ont expliqué que les unités motrices sont composées d'un seul motoneurone et des fibres musculaires qu'il peut exciter. Plusieurs unités motrices, activées selon différentes combinaisons et séquences, collaborent pour réaliser une multitude de comportements de mouvement.
Les scientifiques impliqués dans ces deux études s'intéressaient à la logique de câblage des circuits prémoteurs. Ils souhaitaient comprendre comment le système nerveux d'une mouche coordonne les unités motrices pour accomplir diverses tâches.
Cartographie détaillée et architecture synaptique
L’une des études a utilisé des outils automatisés, apprentissage automatiquel'annotation du type cellulaire et la microscopie électronique ont permis d'identifier 14 600 corps cellulaires neuronaux et environ 45 millions de synapses (jonctions de transmission du signal) dans la moelle nerveuse ventrale d'une mouche à fruits femelle. La moelle nerveuse ventrale des mouches est analogue à la moelle épinière des vertébrésLes scientifiques ont ensuite appliqué l’apprentissage profond pour reconstruire automatiquement l’anatomie des neurones et leurs connexions dans toute la mouche femelle.
Motoneurones et activation musculaire en vol
Les chercheurs ont utilisé des méthodes sophistiquées pour cartographier les muscles ciblés par les motoneurones des pattes et des ailes. Ils ont déterminé quels motoneurones du connectome du cordon nerveux de la femelle adulte se connectent aux différents muscles de la patte avant et de l'aile. À partir de là, ils ont créé un atlas des circuits qui coordonnent les mouvements des pattes et des ailes de la mouche pendant le décollage et l'initiation motrice du vol.
Pour s'élever dans les airs, la mouche étend ses pattes médianes pour sauter et fléchit ses pattes avant pour décoller. Cela ressemble un peu à un avion de ligne qui rétracte ses roues après avoir quitté le sol ou à un héron qui replie ses pattes grêles pour les garder à l'écart alors qu'il s'élance dans les airs.
Les scientifiques ont également découvert que certaines fibres musculaires des mouches adultes sont innervées par plusieurs motoneurones. Ce phénomène se produit également au stade larvaire de la mouche à fruits et des criquets. Alors que certains mammifères présentent de multiples innervations de fibres nerveuses à la naissance, celles-ci disparaissent généralement à l'âge adulte.
Des innervations multiples pourraient offrir plus de flexibilité et expliquer pourquoi les membres d'un insecte peuvent fonctionner avec précision malgré si peu de motoneurones.
Informations fonctionnelles et évolutives de Fly Connectomics
Les scientifiques ont également examiné le système moteur de l'aile de la mouche, qui comporte environ trois sections regroupées par fonction : alimenter le battement de l'aile, diriger l'insecte et ajuster le mouvement de l'aile.
L'étude de la connectivité des neurones prémoteurs a permis aux chercheurs de comparer l'organisation des circuits prémoteurs de deux types de membres. La patte et l'aile des mouches à fruits ont chacune une évolution et une biomécanique distinctes.
Implications et orientations futures de la recherche sur le connectome
Les connectomes permettent aux scientifiques de produire de nouvelles théories sur le fonctionnement des circuits neuronaux et de réfuter certaines fausses idées. Les scientifiques ont mentionné que le récent effort communautaire pour développer le connectome de la mouche à fruits a conduit à l'un des premiers synapseLes chercheurs ont également mis au point des schémas de câblage au niveau du cerveau pour tout animal doté de membres. Ils espèrent que des connectomes supplémentaires permettront aux chercheurs de comparer le câblage neuronal entre les individus. La reconstruction prévue d'un cordon nerveux central de mouche à fruits mâle pourrait mettre en lumière les différences entre les sexes.
La recherche a été financée par un prix Searle Scholar, une bourse Klingenstein-Simons, un prix Pew Biomedical Scholar, un prix McKnight Scholar, une bourse de recherche Sloan et la New York Stem Cell Foundation. Université de Washington Prix de l'innovation, Prix Genise Goldenson, Instituts nationaux de la santé Bourses U19NS104655, RO1MH177808.
