Publié le 11 février 2024 20h00. Des chercheurs ont identifié des signaux chimiques dans le cerveau des abeilles qui prédisent leur capacité à apprendre, ouvrant de nouvelles perspectives sur les mécanismes de l’apprentissage et de la prise de décision, potentiellement applicables à l’étude des troubles neurologiques chez l’humain.
- L’équilibre entre deux neurotransmetteurs, l’octopamine et la tyramine, détermine la vitesse à laquelle une abeille associe une odeur à une récompense.
- Ces modèles chimiques sont détectables avant même le début de l’apprentissage et réapparaissent lorsque le comportement appris se manifeste.
- La combinaison de neurosciences et d’apprentissage automatique a permis d’étudier la chimie cérébrale des abeilles en temps réel.
Une équipe multidisciplinaire du Fralin Biomedical Research Institute de Virginia Tech Carilion (États-Unis) a réalisé une avancée significative dans la compréhension des mécanismes de l’apprentissage. Pour la première fois, des chercheurs ont mis en évidence des schémas d’activité chimique cérébrale qui anticipent la rapidité avec laquelle une abeille est capable de former de nouvelles associations. Ces découvertes, publiées dans la revue Science Advances, pourraient éclairer les fondements biologiques de l’apprentissage et de la prise de décision, non seulement chez les insectes, mais aussi chez les humains.
L’étude révèle que l’équilibre entre l’octopamine et la tyramine, deux neurotransmetteurs clés, joue un rôle déterminant dans la capacité d’une abeille à apprendre. Selon les chercheurs, cet équilibre influence la vitesse à laquelle l’insecte associera une odeur à une récompense. Il est important de noter que ces mêmes neurotransmetteurs sont impliqués dans les processus d’attention et d’apprentissage chez l’humain, suggérant que les résultats pourraient aider à expliquer pourquoi certaines personnes apprennent plus vite que d’autres et comment ces processus peuvent être perturbés dans divers troubles cérébraux.
Les modèles chimiques détectés par l’équipe de recherche apparaissent avant même que l’apprentissage ne commence et se reproduisent lorsque l’abeille manifeste un comportement acquis. Cela suggère que ces neurotransmetteurs régulent l’attention et renforcent la mémoire.
« Nos résultats concordent avec l’idée selon laquelle la dynamique de ces neurotransmetteurs donne le ton sur la façon dont l’apprentissage se déroulera lorsque l’abeille entre dans différents états. »
Paul Sands, co-auteur de l’étude
L’équilibre entre l’octopamine et la tyramine n’est pas statique. Il évolue au fil du temps en fonction de divers facteurs, tels que le rôle de l’abeille au sein de la ruche, son état nutritionnel ou encore la saison de l’année.
Cette recherche innovante a été rendue possible grâce à la combinaison de la neurosciences et de l’apprentissage automatique, permettant aux chercheurs d’étudier la chimie complexe du cerveau en temps réel. « Cette méthode nous permet de soulever de nombreuses questions intéressantes sur la surveillance de molécules de signalisation spécifiques dans des régions spécifiques du cerveau des humains et d’autres animaux éveillés et actifs », explique Paul Sands, co-auteur de l’étude.
Le laboratoire de Lire Montague, au Fralin Biomedical Research Institute, étudie la manière dont les abeilles reconnaissent les odeurs et les récompenses, en combinant des expériences avec des modèles informatiques prédictifs. Montague collabore avec Brian Smith de l’Arizona State University, s’inspirant des travaux du regretté neuroscientifique Martin Hammer, dont les recherches ont considérablement fait progresser notre compréhension des mécanismes neuronaux de la mémoire et de l’apprentissage chez les insectes.
En 1995, Montague avait déjà publié un modèle dans la revue Nature décrivant comment les signaux émis par des neurones individuels guident les abeilles dans des environnements inconnus, les aidant à identifier les images et les odeurs pertinentes. Cette approche permet de mieux comprendre comment un cerveau de petite taille peut accomplir des tâches complexes d’apprentissage et de prise de décision.
Les abeilles, en raison de leur courte durée de vie, doivent s’adapter rapidement aux changements de leur environnement. Comme l’explique Smith : « Une abeille ne peut pas naître en sachant ce dont elle a besoin pour trouver des fleurs et récolter du nectar et du pollen. Cette abeille doit être une machine à apprendre. Elle doit être prête à oublier ce qu’elle a appris hier et à apprendre quelque chose de nouveau aujourd’hui. »
Le modèle informatique développé par les chercheurs montre que les abeilles apprennent grâce à des prédictions successives qui conduisent à des récompenses. « Les abeilles disposent de systèmes sophistiqués pour cela », souligne Montague. « Elles peuvent utiliser ces systèmes pour prendre des décisions prudentes ou risquées. » Les résultats expérimentaux confirment la précision du modèle.
« Non seulement c’était une prouesse d’ingénierie amusante et stimulante, mais il était remarquable de voir à quel point ces créatures étaient complexes et avec quelle rapidité certaines apprenaient. »
Seth Batten, co-auteur de l’ouvrage
Les abeilles domestiques forment rapidement des associations entre les odeurs et les récompenses, ce qui en fait un modèle idéal pour étudier l’apprentissage. À Roanoke, les chercheurs ont mesuré la réponse d’extension de la trompe (le tube alimentaire de l’abeille) lorsque l’insecte apprend qu’une odeur prédit la présence de sucre.
Les chercheurs ont enregistré l’activité de quatre neurotransmetteurs clés – la dopamine, la sérotonine, la tyramine et l’octopamine – dans le lobe antenne de l’abeille. Ils ont également utilisé l’apprentissage automatique pour suivre plusieurs produits chimiques simultanément. Ils ont ainsi découvert que les abeilles se répartissent en deux groupes : les « apprentis » et les « non-apprenants », et que la vitesse d’apprentissage est fortement corrélée au signal précoce et à la force de l’octopamine et de la tyramine, avant même que l’odeur ne soit associée au sucre.
Ces résultats suggèrent que l’interaction entre l’octopamine et la tyramine régule la sensibilité et la durée de l’apprentissage. « En termes de biomédecine, la compréhension des réseaux neuronaux nous donne un aperçu du fonctionnement des grands cerveaux », explique Smith. L’étude a également des implications pour l’agriculture, étant donné que « une grande partie de notre production alimentaire dépend des abeilles ».
L’apprentissage dépend de l’activité coordonnée de plusieurs systèmes neuromodulateurs, tels que la dopamine et la sérotonine, dans différentes régions du cerveau. Démêler les rôles spécifiques de chacun représente un défi, et les mesures réalisées dans le lobe antenne de l’abeille ne donnent qu’une vision partielle de l’ensemble.
« L’équilibre dynamique entre les différents neuromodulateurs influencera le développement de l’apprentissage et de la prise de décision. À mesure que votre corps et votre esprit changent d’état, l’équilibre de vos neuromodulateurs influencera la façon dont votre comportement change. »
Paul Sands
Bien que certains rôles de la dopamine et de la sérotonine puissent passer inaperçus, l’apprentissage et le contrôle comportemental nécessitent la coordination de tous ces systèmes.
« En fin de compte, la dopamine et la sérotonine pourraient jouer des rôles que nous n’avons pas pu observer pleinement dans notre conception expérimentale. Cependant, l’apprentissage et le contrôle comportemental dépendront de l’activité coordonnée de tous ces systèmes neuromodulateurs », conclut le chercheur.
Référence:
« The dynamics of octopamine and tyramine predict learning rate phenotypes during associative conditioning in honeybees ». Science Advances