Le codage efficace est un principe bien connu en neurobiologie de la vision et de l’audition, selon lequel les neurones sensoriels sont adaptés aux caractéristiques statistiques de leur stimulus naturel. En résumé, les neurones réagissent mieux aux stimuli qui les excitent le plus fréquemment. Pour tester la validité de ce principe en olfaction, les chercheurs de l’INRA de Versailles et de l’Académie des Sciences de Prague ont étudié la communication par phéromone sexuelle des papillons de nuit, dont les mâles localisent les femelles grâce aux phéromones qu’elles émettent. Ils ont déterminé les caractéristiques du panache de phéromone qui sont les mieux détectées par le système de réception des mâles. Ils ont ainsi montré pour la première fois que le système olfactif des insectes obéit lui aussi au principe de codage efficace.
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© INRA / J. Barthes
Etude du comportement en tunnel de vol. Le mâle est en phase d'approche du diffuseur de phéromone sexuelle femelle.
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Le vol des papillons mâles vers les femelles immobiles, dont dépend l’accouplement, est guidé par la phéromone libérée par ces dernières. Les turbulences atmosphériques créent un large spectre de variations spatiotemporelles dans le signal émis par les femelles. Les plus grands tourbillons font des centaines de mètres et peuvent mettre plusieurs minutes pour passer un point fixe, alors que les plus petites variations font moins d’un millimètre et durent seulement quelques millisecondes. A cause de ce mélange hétérogène, les molécules de phéromone ne sont pas uniformément dispersées et restent groupées en grumeaux et filaments séparés par de l’air pur, si bien qu’on peut trouver une forte concentration de phéromone à grande distance de la source, seule la fréquence de ces amas denses diminue avec la distance. Le caractère intermittent de la stimulation qui en résulte est essentiel pour que l’insecte puisse localiser la femelle, source du stimulus. Les expérimentations en tunnel de vol montrent en effet que les papillons ne volent pas vers la source dans un nuage uniforme de phéromone. Les caractéristiques comme la fréquence et l’intensité de la stimulation jouent un rôle clé dans le maintien du vol dans la bonne direction.
Les chercheurs ont étudié cette communication chez un papillon mâle, Antheraea polyphemus, le polyphème d’Amérique. Ils ont choisi ce papillon, car c’est le seul animal pour lequel les propriétés du stimulus naturel et du processus de réception sont connues quantitativement. Les composants des phéromones sont détectés par des récepteurs de neurones olfactifs spécifiques, localisés dans l’antenne mâle. Les chercheurs ont étudié plus particulièrement le type de neurones récepteurs qui détecte le composé majoritaire de la phéromone sexuelle. Les molécules de ce composé sont adsorbées par la cuticule, diffusent à l’intérieur de la soie olfactive jusqu’à la membrane du neurone et subissent au passage une dégradation enzymatique. La réponse cellulaire initiale est déclenchée par la liaison des molécules de phéromone aux récepteurs portés par la membrane du neurone. Une cascade d’évènements suit qui amplifient cette réponse initiale et déclenchent finalement une suite de potentiels d’action (« influx nerveux ») conduits vers le cerveau. La concentration en phéromone détermine à chaque instant la réponse des neurones olfactifs. Les chercheurs ont donc fondé leur étude sur un modèle décrivant comment chaque stimulus (concentration en phéromone de l’air) est transformé en réponse (concentration des récepteurs activés).
Pour tester si ce système transforme de manière optimale le stimulus en une réponse, ce qui est le principe du codage efficace, les chercheurs ont déterminé en le simulant sur ordinateur les caractéristiques statistiques du panache de phéromone qui sont les mieux détectées par le système de réception du mâle, c’est-à-dire conduisent à transférer le plus d’informations possibles sur le stimulus par unité de temps. Ils ont ensuite comparé ces caractéristiques à celles mesurées dans les conditions naturelles sur des panaches de molécules volatiles. Ils ont montré que les caractéristiques prédites, telles que, par exemple, la fréquence des diverses concentrations de phéromone et l’intermittence du stimulus, sont en accord avec les mesures expérimentales en champ. Ils montrent ainsi pour la première fois que l’olfaction, comme la vision et l’audition, obéit au principe du « codage efficace ». Les résultats obtenus incitent à mener des études quantitatives sur l’adaptation évolutive des systèmes nerveux olfactifs aux panaches odorants et sur les caractéristiques des panaches qui sont les plus « informatives » pour le receveur. Ces deux aspects sont pertinents pour la conception de capteurs olfactifs de robots « traqueurs d’odeurs » aux multiples applications.
Références :
“Efficient olfactory coding in the pheromone receptor neuron of a moth”
Lubomir Kostal, Petr Lansky & Jean-Pierre Rospars
PLoS Computational Biology, vol. 4, fasc. 4 (avril 2008)
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