Gain Control of Peripheral Input by Core Brain Thermosensors Drives Drosophila Thermoregulation

Chaque créature vivante est confrontée à un défi constant et invisible : la température du monde qui l'entoure est rarement la même que la température nécessaire à sa survie. Pour les animaux qui ne peuvent pas générer leur propre chaleur interne, comme les insectes, la solution est comportementale. Ils doivent se déplacer, cherchant les points chauds lorsqu'ils sont trop froids et les points frais lorsqu'ils sont trop chauds. Ce processus, connu sous le nom de thermotaxie, n'est pas un simple réflexe ; c'est un calcul complexe. L'animal doit percevoir comment la température change en ce moment même, mais il doit aussi connaître sa température idéale. Si l'air se réchauffe, est-ce une bonne ou une mauvaise chose ? La réponse dépend entièrement de l'endroit où se trouve l'animal par rapport à sa zone de confort personnelle. S'il est trop froid, le réchauffement est le bienvenu. Si il est déjà trop chaud, ce même signal de réchauffement devient un avertissement l'incitant à s'éloigner. Le mystère qui a longtemps intrigué les scientifiques est de savoir comment le cerveau effectue ce calcul. Comment un minuscule système nerveux peut-il prendre un signal disant « il fait plus chaud » et décider de continuer à avancer ou de faire demi-tour, en se basant sur un nombre de température spécifique que l'animal n'a jamais vu ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Harvard, de l'Université de Brandeis et de l'Université de Cambridge a maintenant cartographié la circuiterie qui résout ce problème chez les larves de drosophile. En étudiant les minuscules vers transparents qui éclosent des œufs de drosophile, ils ont découvert un groupe spécifique de cellules cérébrales qui agissent comme les décideurs. Ces cellules ne font pas que détecter la température ; elles pèsent l'information entrante provenant des capteurs du corps par rapport au point de consigne interne de l'animal. Les chercheurs ont découvert que ces cellules cérébrales utilisent une protéine spécifique pour amplifier le signal du corps uniquement lorsque la température dépasse un certain seuil. Ce mécanisme permet à la larve de savoir exactement quand cesser de chercher la chaleur et commencer à l'éviter, définissant ainsi efficacement sa température préférée.

L'histoire commence avec les capteurs sur le corps de la larve. La larve de drosophile possède des cellules nerveuses spécialisées sur son dos, appelées cellules de refroidissement de l'organe dorsal et cellules de réchauffement de l'organe dorsal. Ces cellules sont extrêmement sensibles, capables de détecter des changements de température aussi petits qu'un centième de degré par seconde. Quand l'environnement se réchauffe, les cellules de réchauffement s'activent ; quand il se refroidit, les cellules de refroidissement s'activent. Cependant, ces cellules ont une limitation : elles ne rapportent que la direction du changement. Elles disent au cerveau « il fait plus chaud », mais elles ne savent pas si la larve est actuellement trop froide ou trop chaude. Chez une larve de type sauvage, ce signal conduit à des comportements différents selon la température absolue. Si la larve est à une température fraîche de 20 degrés Celsius, le réchauffement est agréable et l'animal continue de se déplacer en ligne droite. Si la larve est à une température chaude de 29 degrés Celsius, ce même signal de réchauffement est désagréable et l'animal s'en détourne. Les chercheurs voulaient savoir quelle partie du cerveau opère ce basculement.

Pour trouver la réponse, les scientifiques ont observé comment les larves se comportaient lorsque la température était soumise à une oscillation, montant et descendant en une onde fluide autour d'un point central. Ils ont constaté que les larves tournaient plus souvent lorsque la température montait, mais seulement si la température centrale était déjà élevée. Lorsque la température centrale était basse, les larves ignoraient le réchauffement et continuaient à avancer droit devant elles. Les chercheurs ont ensuite examiné les gènes qui contrôlent ce comportement. Ils se sont concentrés sur un gène appelé TrpA1, qui produit un canal protéique qui s'ouvre lorsque la température augmente. Ils ont découvert que sans ce gène, les larves perdaient la capacité de s'éloigner de la chaleur lorsqu'elles étaient déjà chaudes. Les larves continuaient à avancer droit dans la chaleur, incapables de reconnaître qu'elles avaient dépassé leur zone de confort.

L'étape suivante consistait à localiser précisément où ce gène agissait. Le gène TrpA1 est actif dans de nombreuses parties de la mouche, y compris dans les capteurs de douleur du corps et l'intestin. Les chercheurs ont systématiquement désactivé le gène dans différents tissus pour voir lequel était responsable du comportement de rotation. Ils ont constaté que désactiver le gène dans les capteurs de douleur du corps ou dans l'intestin n'avait aucun effet sur le comportement. L'emplacement critique était un minuscule amas de seulement six cellules dans le cerveau, trois de chaque côté. Les chercheurs les ont nommées les Thermocapteurs Cérébraux Latéraux Postérieurs, ou LPBTs. Lorsqu'ils ont réduit au silence ces cellules cérébrales spécifiques, les larves se comportaient exactement comme les mutants sans le gène : elles ne parvenaient pas à s'éloigner du réchauffement lorsqu'elles étaient chaudes. Lorsqu'ils activaient artificiellement ces cellules avec de la lumière, les larves tournaient immédiatement, même si la température ne changeait pas. Cela a prouvé que ces six cellules sont le centre de commande de la décision de tourner.

Mais l'histoire ne s'arrêtait pas à la localisation. Les chercheurs devaient comprendre comment ces cellules fonctionnaient. Ils s'attendaient à ce que ces cellules cérébrales soient simplement des capteurs de chaleur qui s'activent lorsque la température devient élevée. Cependant, lorsqu'ils ont observé les cellules avec un microscope qui brille en réponse à l'activité, ils ont vu quelque chose de plus complexe. Les cellules ne se contentaient pas de s'activer d'elles-mêmes. Elles nécessitaient un signal provenant des capteurs périphériques du corps. Si les chercheurs bloquaient les signaux provenant des cellules de réchauffement et de refroidissement du corps, les cellules cérébrales cessaient de répondre aux changements de température. Les cellules cérébrales n'agissaient pas comme des thermomètres indépendants ; elles étaient des intégrateurs. Elles écoutaient les capteurs du corps et y ajoutaient leur propre contexte interne.

La clé de cette intégration était la protéine TrpA1 située à l'intérieur des propres cellules cérébrales. Les chercheurs ont découvert que les cellules cérébrales utilisaient cette protéine pour agir comme un contrôle de gain, un mécanisme qui ajuste le volume du signal. Lorsque la température était inférieure au point de consigne préféré, autour de 25 degrés Celsius, les cellules cérébrales répondaient aux signaux de réchauffement du corps, mais la réponse était modeste. À mesure que la température augmentait au-dessus de ce point, la protéine TrpA1 intervenait, amplifiant le signal des capteurs du corps. Cette amplification faisait que les cellules cérébrales s'activaient beaucoup plus fortement, déclenchant le comportement de rotation. Sans la protéine TrpA1, les cellules cérébrales pouvaient toujours percevoir le réchauffement, mais elles ne pouvaient pas amplifier suffisamment le signal pour déclencher un virage lorsqu'il faisait chaud. La protéine ne créait pas le signal ; elle réglait la sensibilité du circuit en fonction de la température absolue.

Cette découverte révèle une stratégie de survie sophistiquée. La larve n'a pas besoin d'une carte complexe du monde ou d'une mémoire des températures passées. Au lieu de cela, elle utilise un circuit simple où les cellules cérébrales combinent les informations immédiates du corps (« il fait plus chaud ») avec un indicateur interne de l'état actuel (« nous sommes déjà au chaud »). La protéine TrpA1 agit comme l'interrupteur qui relie ces deux informations. Lorsque l'indicateur interne affiche une valeur élevée, l'interrupteur augmente le volume du signal de réchauffement, forçant l'animal à s'écarter. Ce mécanisme permet à l'animal de maintenir une température corporelle stable en ajustant constamment sa trajectoire. Les chercheurs suggèrent que cette même logique de combinaison des signaux périphériques avec la modulation centrale pourrait être la manière dont d'autres animaux, y compris les mammifères, régulent leur température corporelle. Chez la drosophile, un minuscule amas de six cellules, utilisant une seule protéine pour régler sa sensibilité, résout le problème fondamental de savoir quand cesser de chercher la chaleur pour commencer à chercher la fraîcheur.