Quand une mouche du vinaigre verrouille l’odeur d’un fruit en fermentation, elle ne se contente pas de suivre son nez face au vent. Une nouvelle recherche publiée dans Nature révèle que la Drosophile emploie une stratégie de navigation sophistiquée à deux états, traquant le bord d’un panache d’odeur plutôt que son centre, et utilisant une mémoire directionnelle pour guider ses retours après chaque sortie.
Cette découverte remet en cause une hypothèse de longue date selon laquelle la navigation vectorielle (la capacité de stocker et de rappeler une direction vers un objectif) nécessite un cerveau plus gros que celui d’un insecte. Une mouche possède environ 200 000 neurones au total, contre 86 milliards dans un cerveau humain. Pourtant, son complexe central, une structure de seulement quelques centaines de microns de large, implémente une stratégie computationnelle que les chercheurs associaient auparavant aux mammifères et aux oiseaux.
Suivi de bord, pas suivi de centre
L’équipe, dirigée par des chercheurs du Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute et du California Institute of Technology, a développé un système de réalité virtuelle en boucle fermée pour des mouches fixées marchant sur une boule supportée par air comprimé. Une buse asservissait la direction du vent au cap de la mouche, et de l’odeur de vinaigre de cidre de pomme était infusée dans le flux d’air en fonction de la position fictive de la mouche dans un couloir virtuel.
Les résultats furent inattendus. Les mouches ne restaient pas à l’intérieur du panache d’odeur une fois qu’elles l’avaient trouvé. Au lieu de cela, elles en sortaient répétitivement après une moyenne de 4,9 secondes à l’intérieur, puis exécutaient des retours dirigés et efficaces vers la limite du panache. La trajectoire globale n’était pas une errance, mais une alternance systématique entre deux états : « sortie » et « retour », la mouche suivant un seul bord d’un couloir odorant de 50 mm de large.
La plupart des progrès face au vent se produisaient durant les brefs épisodes à l’intérieur. Quand la mouche perdait l’odeur, elle n’errait pas au hasard ; elle retournait selon un vecteur correspondant à la direction du bord du panache. Les chercheurs ont quantifié ce phénomène en analysant les angles d’entrée et de sortie : les mouches entrant et sortant d’un panache à 45 degrés présentaient des distributions angulaires non aléatoires, les trajectoires de retour étant souvent perpendiculaires au bord.
Mémoire directionnelle, pas positionnelle
Pour tester si les mouches stockaient une mémoire positionnelle (où se trouvait le panache) ou une mémoire directionnelle (dans quelle direction retourner), les chercheurs ont réalisé deux expériences clés. Dans la première, des mouches ont suivi un panache à 45 degrés pendant 10 minutes, puis la source odorante a été complètement éteinte. Les mouches ont continué à se diriger dans la même direction utilisée pour les retours précédents, vers l’endroit où se trouvait le panache, bien qu’il n’existe plus. Dans la seconde, le panache était décalé latéralement de 20 mm à chaque sortie de la mouche. Les mouches ajustaient leurs trajectoires lors du retour suivant, confirmant qu’elles utilisaient des indices directionnels plutôt que positionnels.
La mémoire directionnelle se met à jour rapidement. Une seule session d’apprentissage opérant, durant laquelle l’odeur était délivrée uniquement quand la mouche se dirigeait dans une direction de retour spécifique, améliorait significativement le suivi d’un panache orienté dans la direction opposée. Le modèle comportemental qui correspondait le mieux aux données était un système de commutation à deux états : à chaque franchissement de limite, la mouche mettait à jour un vecteur mémoire comme une combinaison pondérée de sa mémoire précédente et de son cap actuel.
Le matériel neuronal
Dans le complexe central de la mouche, un ensemble de structures médianes qui fonctionne comme un centre de navigation, les chercheurs ont identifié des neurones spécifiques responsables de chaque composant de la stratégie. Les neurones EPG du corps ellipsoïde maintenaient une représentation stable du cap de la mouche par rapport au vent. Lorsqu’ils étaient silenciés par inhibition optogénétique, les mouches perdaient leur capacité à effectuer des retours dirigés et erraient sans but face au vent.
Les neurones FC2 du corps en éventail codaient la direction de l’objectif, le vecteur de retour vers la limite du panache. Ces neurones devenaient actifs spécifiquement durant les trajectoires de retour, et leur motif d’activité divergeait du signal de cap EPG avant chaque virage vers la limite. Le silençage des neurones FC2 produisait le même déficit de navigation que le silençage des neurones EPG.
Le modèle circuit proposé implique des synapses plastiques entre les neurones tangentiels répondant aux odeurs (qui transportent l’information sensorielle sur le panache) et les neurones columnaires (qui codent la mémoire directionnelle). La mémoire de l’angle d’entrée est stockée et mise à jour à ces synapses chaque fois que la mouche franchit la limite du panache.
Ce que cela signifie pour l’intelligence des insectes
Cette découverte s’ajoute à une reconnaissance croissante que les cerveaux d’insectes ne sont pas de simples systèmes réflexes. Le complexe central, déjà connu pour coder la direction du cap et soutenir l’intégration de chemin chez les fourmis et les abeilles navigatrices, semble désormais également soutenir la mémoire vectorielle d’objectif pour la recherche olfactive. La même boîte à outils neuronale conservée (direction du cap, direction de l’objectif et commutation d’état) sert différentes tâches de navigation chez différentes espèces d’insectes.
Les chercheurs notent que dans les environnements naturels, la stratégie fonctionne mieux pour les panaches d’odeur cohérents près de la source, là où existent des limites nettes. Dans les panaches turbulents sous le vent composés de filaments déconnectés, l’information de limite est moins fiable et l’avantage de la mémoire diminue. Les mouches basculent probablement entre l’anémotaxie réflexe (se déplacer face au vent en réponse au vent) et le suivi de bord vectoriel selon la structure du panache qu’elles rencontrent.
Pour la robotique et l’olfaction artificielle, la stratégie offre un modèle informatiquement efficace. Un système à deux états avec mémoire directionnelle peut localiser une source chimique sans nécessiter de carte de gradient de concentration, souvent indisponible dans les environnements turbulents. La solution de la mouche au problème du suivi de panache s’avère non pas plus simple que prévu, mais plus élégante.
Référence : Siliciano, A.F., Minni, S., Morton, C. et al. Nature (2026). DOI : 10.1038/s41586-026-10827-7
Traduit par Lydie