En quoi le cerveau d'une mouche pourrait-il nous éclairer sur le comportement humain ?

Des chercheurs ont cartographié l'ensemble des 124 millions de connexions entre toutes les cellules nerveuses du cerveau d'une mouche mâle.

Ils l'ont comparée à la carte du cerveau d'une mouche femelle et ont identifié des différences dans le câblage qui, selon eux, expliquent les différences de comportement chez les mâles en matière d'agressivité, de parade nuptiale et de chant d'amour.

L'équipe précise que ces recherches ne permettront pas d'expliquer les différences entre les hommes et les femmes, car notre comportement est bien plus complexe.

Mais ces travaux pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre le comportement humain et les troubles dans lesquels les différences génétiques affectent le câblage cérébral, tels que l'autisme et la schizophrénie.

Le professeur Gregory Jefferis, du Laboratoire de biologie moléculaire du Medical Research Council à Cambridge, qui a dirigé ces recherches, a déclaré à BBC News que cette avancée constituait « une nouvelle piste vraiment importante en neurosciences », la comparant à l'invention du télescope pour ce qui est d'approfondir notre compréhension de l'Univers.

« Nous avons dans notre tête ce système extraordinaire qui nous permet de faire des choses incroyables, comme jouer une sonate ou résoudre un problème scientifique. Et cette avancée pourrait nous aider à comprendre comment fonctionnent ces systèmes incroyables. »

Le cerveau de la mouche est aussi magnifique qu'incroyable. Il a la taille d'une tête d'épingle, mais il est, à bien des égards, plus efficace qu'un superordinateur et capable de surpasser l'IA la plus sophistiquée.

L'équipe du Dr Jefferis et ses collaborateurs ont minutieusement analysé chaque cellule nerveuse, chaque fibre et chaque connexion du cerveau d'une mouche à fruits mâle. Ils ont ensuite assemblé ces données pour créer une carte en 3D. Il y a deux ans, cette même équipe avait cartographié le cerveau d'une mouche femelle dans le cadre de son objectif final : comparer et mettre en contraste les deux cerveaux, faisant ainsi faire un bond de géant à la science du cerveau.

L'étude a révélé qu'environ 95 % des cellules sont communes aux cerveaux des mouches mâles et femelles. Mais les 5 % restants suffisent à déterminer des comportements très distincts, selon le Dr Isabella Beckett, co-auteure principale de l'article scientifique publié aujourd'hui dans la revue *Cell*.

« Nous nous attendions à trouver des différences, et nous en avons trouvé ; nous sommes ravis des résultats obtenus », a-t-elle déclaré.

À première vue, les cerveaux des mouches mâles et femelles semblent identiques de l'extérieur – mais une analyse approfondie de leur câblage a révélé à l'équipe l'existence de petites différences qui entraînent des changements importants dans le comportement.

Lors de la parade nuptiale, par exemple, le mâle suit la femelle dans ses déplacements. Les chercheurs ont identifié les circuits cérébraux associés à ce trait et ont découvert des différences clés dans le câblage. Les mâles possèdent des éléments supplémentaires qui améliorent leur système visuel.

La différence est encore plus marquée au niveau des circuits associés à l'agressivité. Les mâles se battent plus souvent ; leur cerveau comporte donc beaucoup plus de connexions liées à ce comportement que celui des femelles.

Et puis, il y a le circuit du chant d'amour.

Les mâles courtisent les femelles en émettant un son. Ils possèdent un circuit neuronal qui leur est propre et qui leur permet de produire ce son. Selon le Dr Philipp Schlegel, du LMB et coauteur de l'étude, ce circuit doit fonctionner à la perfection, sans quoi les conséquences pour le pauvre mâle pourraient être désastreuses.

« La parade nuptiale consiste également pour le mâle à danser devant la femelle et à lui chanter », m'a-t-il expliqué. « Le son est produit par la vibration des ailes, qui génère un chant très spécifique.

Si la femelle apprécie, elle l'autorisera à s'approcher ; si ce n'est pas le cas et qu'elle n'est pas réceptive à ce moment-là, elle le repoussera, ce qui peut prendre la forme d'un coup de pied au visage. »

Ces trois différences entre le câblage masculin et féminin chez les mouches sont déterminées par deux gènes clés. Les chercheurs connaissent ces gènes depuis des années, ainsi que leur lien avec chacun de ces comportements. Ce qu'ils n'avaient jamais pu observer, c'est le maillon manquant. Aujourd'hui, pour la première fois, ils peuvent observer le câblage réel que ces gènes produisent.

L'objectif premier de cette recherche n'était pas de mettre en évidence les différences entre les mouches mâles et femelles, et encore moins de trouver des explications neurologiques à certaines différences comportementales supposées entre les hommes et les femmes.

Selon Beckett, la comparaison de deux cerveaux présentant de légères différences de connectivité associées à des différences comportementales marquées permet aux scientifiques de mettre clairement en évidence les principes qui sous-tendent les modifications de la connectivité cérébrale à l'origine de tous les comportements.

« Il n'y a qu'une seule variable indépendante, le sexe, et on peut alors observer ce qui diffère. C'est le rêve de tout scientifique. »

Ces différences permettent aux scientifiques de faire un grand pas en avant dans la compréhension de l'une des plus grandes questions de la biologie : comment les gènes influencent-ils le comportement ?

Les scientifiques savent depuis des décennies que c'est le cas, mais ils n'avaient jusqu'à présent qu'une vague idée de la manière exacte dont ils exercent leur influence. Selon le Dr Jefferis, la réponse réside dans la façon dont les gènes façonnent les connexions cérébrales et dont ces connexions influencent le comportement.

« La comparaison avec le cerveau de la mouche nous permet de très bien comprendre ce phénomène », a-t-il déclaré à BBC News.

« Certains schémas comportementaux chez l'être humain semblent reposer sur une base génétique solide. C'est le cas, par exemple, de la schizophrénie ; on connaît aujourd'hui de nombreuses variantes génétiques associées à l'autisme et aux troubles du spectre autistique, que nous ne comprenons pas encore vraiment. »

Il existe également des possibilités d'applications pour améliorer l'IA et optimiser les systèmes informatiques, ajoute-t-il.

« Pour disposer d'une IA aussi efficace que notre cerveau, il faudra probablement s'inspirer davantage de la biologie. Et l'inspiration qui risque d'être déterminante provient en réalité des schémas de connexion biologiques réels.

« Certaines personnes ont intégré le cerveau de la mouche au cœur de réseaux artificiels afin de vérifier s'il pouvait aider à l'apprentissage et au contrôle des systèmes artificiels. »

D'autres collaborateurs scientifiques provenaient du HHMI Janelia Research Campus, du Drosophila Connectomics Group de l'université de Cambridge, de Google Research et de la Fondation Champalimaud.