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Comprendre les déplacements des mouches pour inspirer la robotique
Une nouvelle technique d'enregistrement neural, développée par des bio-ingénieurs de l'EPFL, rend possible pour la première fois la mesure intégrale des circuits neuraux qui contrôlent le mouvement des membres. Les résultats de cette technique, expérimentée sur la drosophile, pourraient inspirer le développement de démarches de contrôle robotique plus sophistiquées.
L'un des buts principaux de la biologie, de la médecine et de la robotique est de comprendre comment les membres sont contrôlés par des circuits de neurones. Et comme si ce n'était pas suffisamment complexe, une étude pertinente de l'activité des membres doit être faite pendant que les animaux sont en mouvement. Le problème est qu'il est virtuellement impossible d'obtenir une vision complète de l'activité des circuits moteurs et prémoteurs qui contrôlent les membres pendant l'activité, que ce soit chez les vertébrés ou les invertébrés.
Des scientifiques du laboratoire de Pavan Ramdya, au Brain Mind Institute et à l'Institut interfacultaire de bio-ingénierie de l'EPFL, ont développé une nouvelle méthode pour enregistrer l'activité des circuits neuraux de contrôle des membres dans l'organisme modèle populaire qu'est la mouche à fruits, Drosophila melanogaster. La méthode a recours à une technique d'imagerie avancée nommée « microscopie à deux photons » pour observer le déclenchement de neurones marqués en fluorescence, qui deviennent plus lumineux lorsqu'ils sont actifs.
Les scientifiques se sont concentrés sur la corde nerveuse ventrale de la mouche, qui constitue un circuit neural majeur contrôlant les pattes, le cou, les ailes, et deux organes en forme d'haltère que l'insecte utilise pour s'orienter. Mais surtout, ils ont pu obtenir une image de la corde nerveuse ventrale pendant que l'animal exécutait des comportements spécifiques.
Les scientifiques ont découvert différents schémas d'activité dans les populations de neurones à l'intérieur de la corde pendant les mouvements et divers comportements. En particulier, les chercheurs ont observé le toilettage et la marche, ce qui leur a permis d'étudier les neurones impliqués dans la capacité de la mouche à marcher en avant, en arrière, ou à tourner pendant qu'elle navigue dans des environnements complexes.
Enfin, l'équipe a développé une technique génétique qui rend l'accès à la corde nerveuse ventrale plus facile. Cela peut être utile pour des recherches futures qui étudieront directement les circuits associés à des mouvements des membres complexes.
« Je suis très content de cette nouvelle stratégie d’enregistrement », souligne le professeur Pavan Ramdya. « En combinaison avec les outils génétiques puissants dont nous disposons pour étudier la mouche, je pense que nous pourrons bientôt mieux comprendre comment nous bougeons nos membres, et comment nous pourrions construire des robots qui se déplacent dans le monde aussi efficacement que les animaux ».
Autres contributeurs
- John Hopkins University
- Groupe d'imagerie biomédicale de l'EPFL
- Centre pour l'imagerie biomédicale de l'EPFL
National Institutes of Health
Fonds National Suisse
Chin-Lin Chen, Laura Hermans, Meera C. Viswanathan, Denis Fortun, Florian Aymanns, Michael Unser, Anthony Cammarato, Michael H. Dickinson, Pavan Ramdya. Imaging neural activity in the ventral nerve cord of behaving adult Drosophila. Nature Communications 22 October 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-06857-z