D’une certaine manière, les mouches des fruits sont comme nous. Ils ont des yeux, des jambes, un système nerveux et ils aiment les fruits. Contrairement à nous, cependant, ils n’ont que quelques milliers de neurones dans leur cerveau, ce qui signifie que les scientifiques peuvent cartographier non seulement toutes les cellules, mais toutes les connexions entre elles – produisant pour la première fois un « connectome » numérique complet d’une créature vivante qui est , quand on y pense, fondamentalement un humain.
J’exagère peut-être nos similitudes avec les mouches des fruits, communément appelées par leur nom scientifique, Drosophila (melanogaster, bien que cette partie ne soit généralement pas nécessaire), mais il y a une raison pour laquelle nous les utilisons dans de nombreuses expériences biologiques. Vous pensez peut-être que vous ne ressemblez pas beaucoup à l’une de ces créatures, mais vous ressemblez certainement plus à une mouche des fruits qu’à une bactérie ou à un dinoflagellé. Comprendre même un animal relativement simple comme la drosophile nous en apprend beaucoup sur les animaux et la vie en général.
En dépit d’être, avec la levure, peut-être les organismes les mieux compris, une seule drosophile est encore des ordres de grandeur trop complexes pour simuler tous les aspects. Enfer, nous avons du mal à simuler correctement une seule cellule. Cependant, si vous considérez une créature non pas comme une gestalt mais comme un ensemble de systèmes interdépendants, vous pouvez commencer à mordre l’éléphant.
La morsure la plus récente, d’une équipe dirigée par des biologistes de l’Université de Cambridge, est une « carte synapse par synapse » d’un cerveau larvaire de drosophile. Avec 3 016 neurones et 548 000 synapses, c’est 10 fois la complexité du dernier organisme dont le cerveau a été cartographié, un membre du Congrès. (En fait, c’était l’un des pires types de vers, un annélide. Les humains ont environ 86 milliards de neurones et des synapses presque innombrables.)
La larve de la mouche des fruits n’est bien sûr pas une mouche, mais c’est déjà une créature sophistiquée, avec des comportements adaptatifs, des structures analogues au cerveau des mouches adultes, une mémoire à court et à long terme et d’autres fonctions cérébrales attendues. De plus, ils sont plus faciles à attraper. Plus important encore, il a « un cerveau compact avec plusieurs milliers de neurones qui peuvent être imagés à l’échelle nanométrique avec la microscopie électronique (EM) et ses circuits reconstruits dans un délai raisonnable », comme le dit l’article publié aujourd’hui dans Science. En d’autres termes, c’est la bonne taille et pas trop bizarre.
Le cerveau a été découpé en couches incroyablement fines et imagé par EM, et les tranches résultantes ont été soigneusement examinées pour déterminer comment les neurones, les axones et d’autres structures cellulaires continuaient entre eux. « Nous avons développé un algorithme pour suivre la propagation du signal dans tout le cerveau à travers les voies polysynaptiques et analysé les voies d’action directe (du sensoriel à la sortie) et de rétroaction, l’intégration multisensorielle et les interactions entre les hémisphères », écrivent-ils.
Volume de microscopie électronique en coupe en série révélant la structure cérébrale de la drosophile. Crédits image : Michel Bobinage
Le résultat est le modèle que vous voyez, ressemblant à une limace portant une perruque de clown (je n’ai pas besoin d’ajouter que ce n’est pas ce à quoi il ressemble in vivo).
Bien sûr, il y a beaucoup d’observations intéressantes sur la façon dont le cerveau est organisé, des boucles récurrentes imbriquées, de l’intégration multisensorielle, des interactions entre les hémisphères et de toutes ces bonnes choses. Mais avoir un connectome complet d’une créature vivante complexe est fondamentalement excitant pour quiconque dans cet espace – vous pouvez faire beaucoup de choses lorsque vous avez une simulation décente d’un cerveau. Alors que des études antérieures ont reproduit des sous-systèmes individuels ou des cerveaux plus petits, il s’agit de la caractérisation la plus importante et la plus complète à ce jour et, en tant que ressource numérique 3D, elle sera presque certainement utilisée et citée dans toute la discipline.
Certaines de ces choses se retrouvent même dans les réseaux de neurones artificiels ; étudier comment un comportement aussi complexe est produit par un cerveau aussi peu peuplé pourrait « peut-être inspirer de nouvelles architectures d’apprentissage automatique ».
Chose intéressante, nous avons déjà un modèle mécanique détaillé du corps et des mouvements de la mouche adulte, et bien que la question soit évidente, la réponse est non : nous ne pouvons pas mettre ce cerveau dans ce corps et dire que nous avons simulé l’ensemble chose. Mais peut-être l’année prochaine.