Michael Dickinson : Comment une mouche peut-elle voler ?

La capacité d'un insecte à voler est certainement un des exploits les plus formidables de l'évolution. Michael Dickinson explore comment une simple mouche s'envole, avec ses ailes si fragiles, grâce à un mouvement de battement remarquable, grâce à des muscles qui sont à la fois puissants et agiles.
L'ingrédient secret du vol, c'est le cerveau de la mouche. (Filmé à TEDxCaltech.)

J'ai grandit en regardant Star Trek.
J'adore Star Trek.

Star Trek m'a donné envie
de voir des créatures extra-terrestres,

des créatures d'un monde lointain.

Mais en fait, je me suis rendu compte
que je pouvais trouver

ces créatures étranges
ici-même sur la Terre.

Moi, j'étudie les insectes.

Je suis passionné par les insectes,
et plus particulièrement par leur vol.

Je pense que l'évolution du vol
des insectes est peut-être

un des évenements les plus importants
de l'histoire de la vie.

Sans les insectes,
il n'y aurait pas de plantes à fleurs,

Sans les plantes à fleurs,
il n'y aurait pas de

primates fructivores et intelligents
donnant des conférences TED.

(Rires).

Alors,

David, Hidehiko et Ketaki

ont raconté une histoire très probante

sur les similitudes entre les
mouches drosophiles et les êtres humains,

il y a de nombreuses similitudes,

et vous pourriez penser que si les hommes
et les mouches drosophiles sont similaires,

le comportement préféré d'une drosophile
drosophile serait par exemple celui-ci -

(Rires)

mais, dans cette conférence, je ne souhaite pas
mettre l'accent sur les similitudes

entre les hommes et les mouches drosophiles,
mais plutôt sur les différences

et me concentrer sur les comportements pour
lesquels les mouches sont particulièrement douées.

Alors, je vais vous montrer une
vidéo à haute vitesse,

d'une mouche filmée à 7000 images
seconde en lumière infra-rouge,

et à droite, hors de l'écran, il y a
un prédateur électronique qui approche,

qui est prêt à sauter sur
la mouche.

La mouche va sentir
ce prédateur,

va tendre ses pattes,

et va s'en aller en se pavanant

pour vivre une nouvelle
journée de mouche.

Alors, j'ai découpé cette séquence

pour qu'elle dure exactement
le temps d'un clignement d’œil humain,

et pendant le temps qu'il
vous faut pour cligner de l’œil,

la mouche a vu ce prédateur
qui approche,

a estimé sa position, a mis en route
un schéma pour s'enfuir,

en battant des ailes 220 fois par seconde.

Je trouve que c'est
un comportement fascinant

qui montre à quelle vitesse le cerveau
de la mouche peut traiter des informations.

Mais, le vol. Que faut-il
pour voler ?

Pour voler, comme dans un avion,

il vous faut des ailes qui peuvent générer
suffisamment de forces aérodynamiques,

il vous faut un moteur capable de générer
assez d'énergie pour un vol,

et il vous faut un contrôleur,

dans le premier avion,
le contrôleur était tout simplement

le cerveau d'Orville et Wilbur
assis dans le cockpit.

Alors, quel rapport avec
une mouche ?

J'ai passé une grande partie de
mon début de carrière à essayer de comprendre

comment les ailes des insectes pouvaient
générer assez de force pour les maintenir en l'air.

Et vous avez peut-être entendu parler du
fait que des ingénieurs ont prouvé

qu'un bourdon ne pouvait pas voler ?

Et bien, le problème était d'avoir
pensé que les ailes des insectes

fonctionnent comme les ailes des avions.
Mais ce n'est pas le cas.

On a résolu le problème
en construisant

des insectes robots géants, à l'échelle,

qui battaient des ailes dans des
piscines géantes d'huile minérale

où nous pouvions étudier les
forces aérodynamiques.

Et il se trouve que les insectes
battent des ailes

d'une façon très intelligente,
avec un angle d'attaque très élevé

qui crée une structure à
l'extrémité de l'aile,

une sorte de structure comme une tornade,
que l'on appelle un vortex

et que c'est ce vortex qui
permet aux ailes

de créer assez de force pour
que l'animal reste en l'air.

Mais, en fait, ce qui est le plus -
ce qui est fascinant,

ce n'est pas le fait que l'aile ait
une morphologie intéressante.

Ce qui est intéressant, c'est la façon
dont la mouche bat de l'aile,

ce qui est bien évidemment contrôlé
par son système nerveux,

qui lui permet de voler et de réaliser

ces figures aériennes remarquables.

Alors, qu'en est-il du moteur?

Le moteur de la mouche
est totalement fascinant.

Elles ont deux types de
muscle pour voler :

le muscle dit de puissance,
qui s'active en s'étirant,

ce qui veut dire qu'il s'active
et n'a pas besoin d'être contrôlé

par le système nerveux sur un mode
de contraction- par contraction.

Ce muscle génère l'énorme puissance
qui est demandée pour le vol,

et il remplit la partie
au milieu de la mouche,

donc quand une mouche
heurte votre pare-brise,

c'est tout simplement le muscle
de la puissance que vous avez en face de vous.

Mais aussi, attachés à
la base de l'aile,

il y a un ensemble de petits muscles
de contrôle minuscules

qui ne sont pas du tout puissants,
mais qui sont très rapides

et qui peuvent reconfigurer
la charnière de l'aile

à chaque battement,

et c'est ce qui permet à la mouche
de changer son orientation

et qui est à l'origine des changements
dans les forces aérodynamiques

qui changent sa trajectoire de vol.

Bien sûr, c'est au système nerveux
de contrôler tout ça.

Alors, regardons un peu
le contrôleur.

Les mouches excellent dans
le type de capteurs sensoriels

qu'elles ont pour résoudre
ce problème.

Elles ont des antennes qui sentent les odeurs
et qui détectent le vent.

Elles ont un œil sophistiqué qui

est le système visuel
le plus rapide de la planète.

Elles ont aussi un autre groupe d'yeux
sur le sommet de la tête.

Et nous ne savons pas
à quoi ils servent.

Elles ont des capteurs sur
leurs ailes.

Leurs ailes sont couvertes de capteurs,
y compris des capteurs

qui mesurent la déformation de l'aile.

Elle peuvent même gouter
avec leurs ailes.

Un des capteurs les plus
sophistiqués de la mouche

est une structure qu'on
appelle les haltères.

Les haltères sont en fait des gyroscopes.

Ces éléments battent d'avant en arrière
à environ 200 hertz pendant le vol,

l'animal peut les utiliser pour
ressentir la rotation de son corps

et faire des manœuvres correctives
extrêmement rapides.

Toutes ces informations sensorielles
doivent être analysées

par un cerveau, et oui, en effet,
les mouches ont un cerveau,

un cerveau d'environ
100 000 neurones.

Plusieurs personnes
présentes à cette conférence

ont déjà suggéré que les drosophiles
soient utilisées en neurosciences.

parce qu'elles ont un modèle simple
de fonction cérébrale.

Le point central de
mon exposé est que,

je voudrais que l'on y
réfléchisse,

je ne pense pas qu'il y ait
un modèle simple pour quoi que ce soit.

Et je pense que les mouches
sont un modèle formidable,

elles sont un modèle formidable
pour les mouches.

(Rires)

Examinons un peu cette notion
de simplicité.

Je pense que malheureusement
de nombreux spécialistes des neurosciences

nous sommes tous
un peu narcissiques.

Quand on pense cerveau,
on bien sûr pense à notre propre cerveau.

Mais souvenez-vous que
ce type de cerveau,

qui est beaucoup plus petit

- il a 100 000 neurones
et pas 100 milliards -

c'est la forme la plus courante
de cerveau de cette planète

depuis 400 millions d'années.

Alors, est-il juste de dire
qu'il est simple ?

Il est simple dans la mesure
où ce cerveau a moins de neurones,

mais est-ce la bonne
façon de mesurer ?

Je pense que ce n'est pas
une bonne façon de mesurer.

Réfléchissons-y un peu,
Nous devons comparer

(Rires)

nous devons comparer la taille
du cerveau

à ce que le cerveau
peut faire.

Admettons que nous ayons
un chiffre façon Trump,

et que ce chiffre soit le ratio
entre le nombre de comportements

de cet homme et le nombre
de neurones de son cerveau.

Nous allons calculer ce chiffre
pour la mouche drosophile.

Combien de personnes pensent
ici que ce chiffre

est supérieur pour la drosophile ?

(Applaudissements)

Nous avons un public
vraiment très intelligent.

Oui, c'est bien dans ce
sens qu'il faut lire cette équation.

Bon, je conçois bien que
ça semble un peu absurde

de comparer les comportements
d'un humain à ceux d'une mouche.

Mais prenons par exemple un autre animal.
Voici une souris.

Une souris a 1 000 fois plus
de neurones qu'une mouche.

J'étudiais les souris à une époque.
Quand j'étudiais les souris,

je parlais très lentement.

Ensuite, quand j'ai commencé à travailler sur
les mouches, il s'est passé quelque chose.

(Rires)

Je pense que si on compare l'histoire
naturelle des mouches et des souris,

c'est très similaire.
Les deux sont en quête de nourriture.

Elles doivent faire la cour
pour trouver leur partenaire.

Elles ont des relations sexuelles.
Elles se cachent de leurs prédateurs.

Elles font de nombreuses
choses similaires.

Mais je dirais que les mouches
font bien plus.

Voici par exemple un film,

et je dois avouer que certains
de mes financements proviennent de l'armée,

alors je vais vous montrer cette vidéo
classée secret défense

dont vous ne pourrez pas parler
à l'extérieur de cette pièce. D'accord ?

Regardez la charge

sur la queue de la drosophile.

Regardez attentivement,

et vous comprendrez pourquoi
mon fils de six ans

veut devenir un spécialiste
en neurosciences.

Attendez un instant.

Pouf.

Alors si les drosophiles
ne sont pas aussi intelligentes que les souris

vous conviendrez qu'elles sont au moins
aussi intelligentes que les pigeons. (Rires)

Mais, je veux vous expliquer que
ce n'est pas qu'un problème de chiffres,

mais c'est aussi le défi posé
à la mouche pour calculer

tout ce qui se présente à son cerveau
en utilisant des neurones aussi petits.

Voici une photo superbe d'un interneurone
de la vision d'une souris,

qui provient du laboratoire de
Jeff Lichtman,

et vous voyez ces images
magnifiques des cerveaux

qu'il a montrées dans sa conférence.

Au coin en haut à droite,
vous pouvez voir,

à la même échelle, l'interneurone
de la vision d'une mouche.

Je vais agrandir.

C'est un neurone d'une
complexité magnifique.

Il est vraiment minuscule, et
les défis bio-physiques

pour calculer avec des neurones aussi
minuscules sont immenses.

A quel point les neurones peuvent-ils être petits ?
Regardons cet insecte.

Il ressemble à une mouche.
Il a des ailes, il a des yeux,

il a des antennes, des pattes
une histoire de vie compliquée.

C'est un parasite qui doit voler
et trouver des chenilles

à parasiter.

Non seulement son cerveau est
de la taille d'un grain de sable,

de celui d'une mouche,

il est réellement de
la taille d'un grain de sable.

Voici d'autres organismes
à la même échelle.

Cet animal est de la taille d'une
paramécie et d'un amibe

et a un un cerveau de 7000 neurones
qui est si petit -

vous avez entendu parler de
ces corps cellulaires

où se trouve le noyau du neurone ?

Cet animal s'en débarrasse car
ils prennent trop de places.

C'est une session sur
les limites des neurosciences.

Mon postutlat est qu'une des frontières en
neurosciences est de comprendre comment
le cerveau de cet animal fonctionne.

Réfléchissons un peu. Comment si peu
de neurones peuvent faire autant de choses ?

Je pense, que du point de vue d'un ingénieur,

on pense au multiplexage.

On prend un matériel et on lui fait faire

différentes choses à différents moments,

ou alors, on fait faire différentes choses
au différentes parties de ce matériel.

Voici les deux concepts que
j'aimerais étudier.

Ce ne sont pas des concepts
que j'ai imaginés,

mais ce sont des concepts qui ont été
avancés par d'autres dans le passé.

Une de ces idées vient
d'études sur la mastication des crabes.

Je ne parle pas de
mastiquer des crabes.

J'ai grandi à Baltimore, et je
mastique vraiment très bien les crabes.

Non, je parle des crabes
qui eux-mêmes mastiquent.

La mastication des crabes est
réellement fascinante.

Les crabes ont une structure
très complexe sous leur carapace

que l'on appelle
le moulin gastrique

et qui meule la nourriture
de plusieurs façons différentes.

Voici une vidéo endoscopique
de cette structure.

Le plus épatant, c'est qu'elle est contrôlée

par un tout petit groupe de neurones,
environ 24 neurones,

qui peuvent générer une grande
variété de schémas moteurs,

et ceci est possible grâce
à ce minuscule ganglion

qui est dans le crabe et qui est
inondé par de nombreux neuromodulateurs.

On a parlé des neuro-modulateurs
un peu plus tôt.

Il y a plus de neuromodulateurs

qui changent, qui innervent la structure
que de neurones dans la structure en fait,

et ils sont capables de produire
des schémas complexes.

C'est le travail d'Eve Marder
et de ses nombreux collègues

qui ont étudié ce système fascinant

qui ont montré qu'un tout petit
groupe de neurones

peut faire vraiment beaucoup de choses,

parce que la neuromodulation peut avoir lieu
à chaque moment.

C'est donc du multiplexage dans le temps.

Imaginez un réseau de neurones
avec un unique neuromodulateur.

Vous choisissez un groupe de cellules
pour avoir un certain comportement,

un autre neuromodulateur,
un autre groupe de cellules,

un autre schéma, et vous voyez bien

qu'on peut extrapoler
à un système beaucoup plus compliqué.

Peut-on prouver que les mouches le font ?

Et bien , pendant de nombreuses années, dans
mon labo et dans de nombreux labos dans le monde,

nous avons étudié les comportements de
la mouche dans des petits simulateurs de vols.

On peut attacher la mouche
à un petit bâton.

On peut mesurer les forces
aérodynamiques ainsi créées.

On peut permettre à la mouche
de jouer à un jeu vidéo

en la laissant voler devant
une visualisation.

Je vais vous en montrer
une toute petite séquence.

Voici une mouche

et vous avez une vue étendue en infra-rouges
de la mouche dans le simulateur de vol,

et c'est un jeu auquel les mouches adorent jouer.

On leur permet de se diriger vers
la petite bande,

et elle s'y dirigent encore et encore.

Ça fait partie de leur système
de navigation visuel.

Mais depuis peu, il est possible

de modifier ce genre d'arène comportementale
pour de la physiologie.

Voici le document que l'un
de mes post-doctorants

Gaby Maimon, qui est maintenant
à Rockfeller, a développé,

c'est tout simplement
un simulateur de vol

mais dans lequel on peut
coller une électrode

dans le cerveau de la mouche
et enregistrer

à partir d'un neurone identifié génétiquement
dans le cerveau de la mouche.

Voici à quoi ressemble une de ses expérences.

C'est une séquence tirée d'un autre
post-doctorant du laboratoire,

Bettina Schnell.

La trace verte en bas est
le potentiel de la membrane

d'un neurone du cerveau d'une mouche,

et vous voyez que la mouche commence
à voler et qu'en fait

elle contrôle la rotation de ce modèle visuel

en produisant son propre
mouvement d'aile

et vous voyez que cet interneurone visuel

répond au modèle de mouvement d'aile
au fur et à mesure que la mouche vole.

Pour la première fois, nous avons
été vraiment en mesure d'enregistrer

à partir des neurones de la mouche
pendant que la mouche

réalise des mouvements aussi
sophistiqués que le vol.

Une des leçons qu'on en a tiré,

c'est que la physiologie des cellules
que nous avions étudiées

pendant de nombreuses
années sur des mouches au repos

n'est pas la même
que la physiologie de ces cellules

lorsque la mouche est active,

comme par exemple quand
elle vole, avance, etc.

Pourquoi la physiologie est-elle différente ?

Il se trouve que c'est le fait
de ces neuromodulateurs,

tout comme les neuromodulateurs
du petit ganglion des crabes.

Voici une photo du
système de l'octopamine.

L'octopamine est un neuromodulateur

qui semble jouer un rôle important
dans le vol et dans d'autres comportements.

Mais c'est juste un des
nombreux neuromodulateurs

présents dans le cerveau de la mouche.

Je pense vraiment
qu'au fil de nos découvertes,

nous allons découvrir
que le cerveau de la mouche tout entier

n'est qu'une version plus grande
du ganglion stomatogastrique

et que c'est une des raisons pour laquelle
il peut en faire tant, avec si peu de neurones.

Une autre idée,
une autre façon de multiplexer,

est de multiplexer dans l'espace,

et de faire faire des choses différentes

aux différentes parties d'un neurone
au même moment.

Là, vous voyez deux types
de neurones canoniques,

celui d'un vertébré
et celui d'un invertébré,

un neurone pyramidal humains
de Ramon Y Cajal,

et une autre cellule à droite,
un interneurone sans poussées,

c'est le travail réalisé il y a bien des années
par Alan Watson et Malcolm Borrows,

et Malcom Burrows est arrivé à une
conclusion particulièrement intéressante

basée sur le fait que ce neurone de sauterelle

ne déclenche pas de potentiels actionnels;

c'est une cellule sans poussée.

Une cellule classique,
comme le neurone de notre cerveau

a une partie appelée dendrite
qui reçoit une information

et cette information s'additionne

et génèrera des potentiels d'action

qui courront le long de l'axone et activeront

toutes les zones réactives du neurone.

Mais les neurones sans poussée
sont en fait très complexes

car ils ont des synapses réceptives
et des synapses émettrices

toutes emboitées, et il n'y aucun potentiel d'action

qui actionne toutes les émissions
au même moment.

Il est possible qu'il y est
des subdivisions computationnelles

qui permettent aux différentes
zones du neurone

de faire des choses différentes
en même temps.

Ces concepts simple d'activités
en multi-tâche dans le temps,

en multi-tâche dans l'espace,

je pense qu'ils sont également valables
pour nos cerveaux

mais je suis persuadé que les
insectes sont les vrais maîtres en la matière.

J'espère que vous verrez les
insectes d'un autre œil la prochaine fois,

et comme je dis,
réfléchissez un peu avant d'en écraser un.

(Applaudissements)