Drosophila melanogaster, la mouche commune des fruits, est à certains égards une créature simple. Mais dans d’autres, il est si complexe que, comme pour toute forme de vie, nous ne faisons qu’effleurer la surface de sa compréhension. Les chercheurs ont franchi une étape majeure avec D. melanogaster en créant le jumeau numérique le plus précis à ce jour – au moins dans la façon dont il se déplace et, dans une certaine mesure, pourquoi.
NeuroMechFly, comme les chercheurs de l’EPFL appellent leur nouveau modèle, est un « modèle biomécanique morphologiquement réaliste » basé sur des scans minutieux et une observation attentive de mouches réelles. Le résultat est un modèle 3D et un système de mouvement qui, lorsqu’il y est invité, fait des choses comme se promener ou répondre à certains stimuli de base à peu près comme le ferait une vraie mouche.
Pour être clair, il ne s’agit pas d’une simulation cellule par cellule complète, sur laquelle nous avons constaté des progrès ces dernières années avec des micro-organismes beaucoup plus petits. Il ne simule ni la faim, ni la vision, ni aucun comportement sophistiqué – pas même la façon dont il vole, mais seulement la façon dont il marche le long d’une surface et se toilette.
Qu’est-ce qui est si difficile à ce sujet, demandez-vous? Eh bien, c’est une chose de se rapprocher de ce type de mouvement ou de comportement et de faire une petite mouche 3D qui se déplace plus ou moins comme une vraie. C’en est une autre de le faire à un degré précis dans un environnement physiquement simulé, comprenant un exosquelette biologiquement précis, des muscles et un réseau neuronal analogue à celui de la mouche qui les contrôle.
Pour réaliser ce modèle très précis, ils sont partis d’un scanner d’une mouche, afin de créer le maillage 3D morphologiquement réaliste. Ensuite, ils ont enregistré une mouche marchant dans des circonstances très soigneusement contrôlées et ont suivi avec précision les mouvements de ses pattes. Les chercheurs de l’EPFL ont ensuite dû modéliser exactement comment ces mouvements correspondaient aux « parties du corps articulées physiquement simulées, telles que la tête, les jambes, les ailes, les segments abdominaux, la trompe, les antennes, les licols », ce dernier étant une sorte d’organe de détection de mouvement. qui aide pendant le vol.
Crédits image : Pavan Ramdya (EPFL)
Ils ont montré que ceux-ci fonctionnaient en apportant les mouvements précis de la mouche observée dans un environnement de simulation et en les rejouant avec la mouche simulée – les mouvements réels étant correctement mappés sur ceux du modèle. Ensuite, ils ont démontré qu’ils pouvaient créer de nouvelles allures et mouvements basés sur ceux-ci, laissant la mouche courir plus vite ou de manière plus stable que ce qu’ils avaient observé.
Crédits image : Pavan Ramdya (EPFL)
Non pas qu’ils améliorent la nature, exactement; ils montrent simplement que la simulation du mouvement de la mouche s’est étendue à d’autres exemples plus extrêmes. Leur modèle était même robuste contre les projectiles virtuels… dans une certaine mesure, comme vous pouvez le voir dans l’animation ci-dessus.
« Ces études de cas ont renforcé notre confiance dans le modèle. Mais ce qui nous intéresse le plus, c’est lorsque la simulation ne parvient pas à reproduire le comportement animal, en indiquant des moyens d’améliorer le modèle », a déclaré Pavan Ramdya de l’EPFL, qui dirige le groupe qui a construit le simulateur (et d’autres modèles liés à D. melanogaster). Voir où leur simulation tombe en panne montre où il y a du travail à faire.
« NeuroMechFly peut améliorer notre compréhension de la façon dont les comportements émergent des interactions entre les systèmes neuromécaniques complexes et leur environnement physique », lit le résumé de l’article publié la semaine dernière dans Nature Methods. En comprenant mieux comment et pourquoi une mouche se déplace comme elle le fait, nous pouvons également mieux comprendre les systèmes qui la sous-tendent, produisant des informations dans d’autres domaines (les mouches des fruits sont parmi les animaux expérimentaux les plus utilisés). Et bien sûr, si jamais nous voulions créer une mouche artificielle pour une raison quelconque, nous voudrions certainement savoir d’abord comment cela fonctionne.
Alors que NeuroMechFly est à certains égards une énorme avancée dans le domaine de la simulation numérique de la vie, il est toujours (comme ses créateurs seraient les premiers à le reconnaître) incroyablement limité, se concentrant uniquement sur des processus physiques spécifiques et non sur les nombreux autres aspects du corps minuscule. et l’esprit qui font d’une drosophile une drosophile. Vous pouvez consulter le code et peut-être contribuer sur GitHub ou Code Ocean.