Comment les mouches des fruits parviennent à un comportement visuel précis malgré des conditions d’éclairage changeantes

Lorsque les conditions d’éclairage changent rapidement, nos yeux doivent réagir à ce changement en quelques fractions de seconde pour maintenir un traitement visuel stable. Cela est nécessaire lorsque, par exemple, nous traversons une forêt et traversons ainsi des étendues d’ombre et de soleil clair. “Dans de telles situations, il ne suffit pas que les photorécepteurs s’adaptent, mais un mécanisme correcteur supplémentaire est nécessaire”, a déclaré le professeur Marion Silies de l’université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU). “Des travaux antérieurs entrepris par son groupe de recherche avaient déjà démontré qu’un tel mécanisme correctif de” contrôle du gain “existait chez la mouche des fruits. Drosophile melanogasteroù il agit directement en aval des photorécepteurs. L’équipe de Silies a maintenant réussi à identifier les algorithmes, les mécanismes et les réseaux neuronaux qui permettent à la mouche de maintenir un traitement visuel stable lorsque les niveaux de lumière changent rapidement. L’article correspondant a été publié récemment dans Communication naturelle.

Les changements rapides de luminance remettent en question un traitement visuel stable

Notre vision doit fonctionner avec précision dans de nombreuses situations différentes : lorsque nous nous déplaçons dans notre environnement ainsi que lorsque nos yeux suivent un objet qui passe de la lumière à l’ombre. Cela s’applique à nous, les humains, ainsi qu’à des milliers d’espèces animales qui dépendent fortement de la vision pour naviguer. Les changements rapides de luminance constituent également un problème dans le monde des objets inanimés lorsqu’il s’agit du traitement des informations, par exemple par les systèmes de navigation basés sur des caméras. Par conséquent, de nombreuses voitures autonomes dépendent d’une technologie supplémentaire basée sur le radar ou le lidar pour calculer correctement le contraste d’un objet par rapport à son arrière-plan. “Les animaux sont capables de faire cela sans une telle technologie. Nous avons donc décidé de voir ce que nous pourrions apprendre des animaux sur la façon dont les informations visuelles sont traitées de manière stable dans des conditions d’éclairage en constante évolution”, a expliqué Marion Silies à propos de la question de recherche.

Combinaison d’approches théoriques et expérimentales

L’oeil composé de Drosophile melanogaster se compose de 800 unités individuelles ou ommatidies. Le contraste entre un objet et son arrière-plan est déterminé post-synaptique des photorécepteurs. Cependant, si les conditions de luminance changent soudainement, comme dans le cas d’un objet se déplaçant dans l’ombre d’un arbre, il y aura des différences dans les réponses de contraste. Sans contrôle du gain, cela aurait des conséquences sur toutes les étapes ultérieures du traitement visuel, ce qui donnerait à l’objet une apparence différente. L’étude récente menée avec l’auteur principal, le Dr Burak Gür, a utilisé la microscopie à deux photons pour décrire où, dans les circuits visuels, des réponses de contraste stables ont été générées pour la première fois. Cela a conduit à l’identification de types de cellules neuronales positionnées deux synapses derrière les photorécepteurs.

Ces types de cellules ne répondent que très localement aux informations visuelles. Pour que la luminance de fond soit correctement incluse dans le contraste informatique, ces informations nécessitent une mise en commun spatiale étroite, comme l’a révélé un modèle informatique mis en œuvre par la co-auteure, le Dr Luisa Ramirez. “Nous avons commencé avec une approche théorique qui prédisait un rayon optimal dans les images d’environnements naturels pour capturer la luminance de fond dans une région particulière de l’espace visuel tout en recherchant en parallèle un type de cellule possédant les propriétés fonctionnelles nécessaires pour y parvenir. ” a déclaré Marion Silies, responsable du laboratoire de circuits neuronaux à l’Institut JGU de biologie du développement et de neurobiologie (IDN).

Les informations sur la luminance sont regroupées spatialement

L’équipe de neuroscientifiques basée à Mayence a identifié un type de cellule qui répond à tous les critères requis. Ces cellules, désignées Dm12, regroupent les signaux de luminance sur un rayon spécifique, ce qui corrige à son tour la réponse de contraste entre l’objet et son arrière-plan dans des conditions d’éclairage changeant rapidement. “Nous avons découvert les algorithmes, les circuits et les mécanismes moléculaires qui stabilisent la vision même lorsque des changements rapides de luminance se produisent”, résume Silies, qui étudie le système visuel de la mouche des fruits depuis 15 ans. Elle prédit que le contrôle du gain de luminance chez les mammifères, y compris les humains, est mis en œuvre de la même manière, en particulier lorsque le substrat neuronal nécessaire est disponible.