Florian Muijres, Laboratoire Dickinson
Il y a environ 350 millions d’années, notre planète a été témoin de l’évolution des premières créatures volantes. Ils sont toujours là, et certains continuent de nous agacer avec leur bourdonnement. Alors que les scientifiques ont classé ces créatures comme des ptérygotes, le reste du monde les appelle simplement des insectes ailés.
De nombreux aspects de la biologie des insectes, notamment leur vol, restent un mystère pour les scientifiques. La première est simplement la façon dont ils bougent leurs ailes. La charnière des ailes de l’insecte est une articulation spécialisée qui relie les ailes d’un insecte à son corps. Il est composé de cinq structures en forme de plaques interconnectées appelées sclérites. Lorsque ces plaques sont déplacées par les muscles sous-jacents, les ailes de l’insecte battent.
Jusqu’à présent, il était difficile pour les scientifiques de comprendre la biomécanique qui régit le mouvement des sclérites, même en utilisant des technologies d’imagerie avancées. « Les sclérites à l’intérieur de la charnière de l’aile sont si petits et se déplacent si rapidement que leur fonctionnement mécanique pendant le vol n’a pas été capturé avec précision malgré les efforts utilisant la photographie stroboscopique, la vidéographie à haute vitesse et la tomographie à rayons X », Michael Dickinson, professeur de biologie à Zarem. et la bio-ingénierie au California Institute of Technology (Caltech), a déclaré à Ars Technica.
En conséquence, les scientifiques sont incapables de visualiser exactement ce qui se passe à l’échelle microscopique dans la charnière de l’aile pendant leur vol, ce qui les empêche d’étudier le vol des insectes en détail. Cependant, une nouvelle étude menée par Dickinson et son équipe a finalement révélé le fonctionnement des sclérites et de la charnière des ailes des insectes. Ils ont capturé le mouvement des ailes des mouches des fruits (Drosophile melanogaster) analysant 72 000 battements d’ailes enregistrés à l’aide d’un réseau neuronal pour décoder le rôle joué par les sclérites individuels dans la formation du mouvement des ailes des insectes.
Comprendre la charnière des ailes des insectes
La biomécanique qui régit le vol des insectes est très différente de celle des oiseaux et des chauves-souris. C’est parce que les ailes des insectes n’ont pas évolué à partir de membres. « Dans le cas des oiseaux, des chauves-souris et des ptérosaures, nous savons exactement d’où viennent les ailes au cours de l’évolution, car tous ces animaux volent avec leurs membres antérieurs. Ils utilisent essentiellement leurs bras pour voler. Chez les insectes, c’est une toute autre histoire. Ils ont évolué à partir d’organismes à six pattes et ont conservé leurs six pattes. Cependant, ils ont ajouté des appendices battants sur la face dorsale de leur corps, et la provenance de ces ailes reste un mystère », a expliqué Dickinson.
Certains chercheurs suggèrent que les ailes des insectes provenaient d’appendices branchiaux présents chez les anciens arthropodes aquatiques. D’autres soutiennent que les ailes proviennent de « lobes », des excroissances spéciales trouvées sur les pattes d’anciens crustacés, ancêtres des insectes. Ce débat est toujours en cours, son évolution ne peut donc pas nous dire grand-chose sur le fonctionnement de la charnière et des sclérites.
Comprendre la mécanique des charnières est crucial car c’est ce qui fait des insectes des créatures volantes efficaces. Il leur permet de voler à des vitesses impressionnantes par rapport à leur taille (certains insectes peuvent voler à 33 mph) et de faire preuve d’une grande maniabilité et stabilité en vol.
« La charnière de l’aile de l’insecte est sans doute l’une des structures squelettiques les plus sophistiquées et les plus importantes du point de vue de l’évolution dans le monde naturel », selon les auteurs de l’étude.
Cependant, il a été impossible d’imaginer l’activité de quatre des cinq sclérites qui forment la charnière en raison de leur taille et de la vitesse à laquelle ils se déplacent. Dickinson et son équipe ont eu recours à une approche multidisciplinaire pour surmonter ce défi. Ils ont conçu un appareil équipé de trois caméras à grande vitesse qui enregistraient l’activité des mouches des fruits attachées à 15 000 images par seconde en utilisant la lumière infrarouge.
Ils ont également utilisé une protéine sensible au calcium pour suivre les changements dans l’activité des muscles directeurs des insectes pendant leur vol (le calcium aide à déclencher les contractions musculaires). « Nous avons enregistré un total de 485 séquences de vols provenant de 82 vols. Après avoir exclu un sous-ensemble de battements d’ailes des séquences au cours desquelles la mouche a arrêté de voler ou a volé à une fréquence de battements d’ailes anormalement basse, nous avons obtenu un ensemble de données final de 72 219 battements d’ailes », notent les chercheurs.
Ensuite, ils ont formé un réseau neuronal convolutif (CNN) basé sur l’apprentissage automatique en utilisant 85 % de l’ensemble de données. « Nous avons utilisé le modèle CNN pour étudier la transformation entre l’activité musculaire et le mouvement des ailes en effectuant un ensemble de manipulations virtuelles, en exploitant le réseau pour exécuter des expériences difficiles à réaliser sur des mouches réelles », ont-ils expliqué.
En plus du réseau neuronal, ils ont également développé un réseau neuronal codeur-décodeur (une architecture utilisée dans l’apprentissage automatique) et l’ont alimenté avec des données liées à l’activité musculaire de pilotage. Alors que le modèle CNN pouvait prédire le mouvement des ailes, le codeur/décodeur pouvait prédire l’action des muscles sclérites individuels pendant le mouvement des ailes. Il était désormais temps de vérifier si les données prédites étaient exactes.