Les fascinants secrets de l’odorat animal

Le 2 octobre 2022, quatre jours après que l'ouragan Ian a frappé la Floride, un Rottweiler de recherche et de sauvetage nommé Ares marchait dans les rues ravagées de Fort Myers lorsque le moment est venu pour lequel il s'était entraîné. Ares a détecté une odeur dans une maison détruite et a couru à l'étage, avec son maître derrière lui, se frayant un chemin avec précaution à travers les débris.

Ils ont trouvé un homme qui avait été piégé dans sa salle de bain pendant deux jours après que le plafond s'est effondré. Quelque 152 personnes sont mortes à Ian, l'un des pires ouragans de Floride, mais cet homme chanceux a survécu grâce à la capacité d'Ares à suivre une odeur jusqu'à sa source. .

Nous prenons souvent pour acquis la capacité d'un chien à trouver une personne enterrée sous les décombres, un papillon de nuit à suivre un panache odorant jusqu'à son compagnon ou un moustique à sentir le dioxyde de carbone que vous expirez. Pourtant, naviguer au nez est plus difficile qu'il n'y paraît, et les scientifiques tentent encore de comprendre comment les animaux le font.

"Ce qui rend les choses difficiles, c'est que les odeurs, contrairement à la lumière et au son, ne voyagent pas en ligne droite", déclare Gautam Reddy, physicien biologique à l'Université de Harvard, co-auteur d'une enquête sur la façon dont les animaux localisent les sources d'odeurs dans la revue annuelle 2022. de physique de la matière condensée. Vous pouvez voir le problème en regardant un panache de fumée de cigarette. Au début, il monte et se déplace plus ou moins en ligne droite, mais très vite il commence à osciller et finalement il commence à dégringoler de manière chaotique, dans un processus appelé écoulement turbulent. Comment un animal a-t-il pu suivre une route aussi compliquée pour revenir à son origine ?

Au cours des deux dernières décennies, une suite de nouveaux outils de haute technologie, allant de la modification génétique à la réalité virtuelle en passant par les modèles mathématiques, a permis d'explorer la navigation olfactive de manière radicalement différente. Les stratégies utilisées par les animaux, ainsi que leurs taux de réussite, s'avèrent dépendre de divers facteurs, notamment la forme du corps de l'animal, ses capacités cognitives et la quantité de turbulence dans le panache d'odeur. Un jour, cette compréhension croissante pourrait aider les scientifiques à développer des robots capables d'accomplir des tâches pour lesquelles nous dépendons désormais des animaux : des chiens pour rechercher des personnes disparues, des cochons pour rechercher des truffes et, parfois, des rats pour rechercher des mines terrestres.

Le problème du suivi d'une odeur semble devoir avoir une solution élémentaire : il suffit de renifler et de se diriger dans la direction où l'odeur est la plus forte. Continuez jusqu'à ce que vous trouviez la source.

Cette stratégie - appelée recherche de gradient ou chimiotaxie - fonctionne assez bien si les molécules d'odeur sont réparties dans un brouillard bien mélangé, qui est l'étape finale d'un processus connu sous le nom de diffusion. Mais la diffusion se produit très lentement, donc un mélange minutieux peut prendre beaucoup de temps. Dans la plupart des situations naturelles, les odeurs circulent dans l'air dans un flux ou un panache étroit et bien délimité. De tels panaches, et les odeurs qu'ils véhiculent, voyagent beaucoup plus rapidement qu'ils ne le feraient par diffusion. À certains égards, c'est une bonne nouvelle pour un prédateur, qui ne peut pas se permettre d'attendre des heures pour suivre sa proie. Mais les nouvelles ne sont pas toutes bonnes : les panaches d'odeurs sont presque toujours turbulents, et le flux turbulent rend la recherche par gradient extrêmement inefficace. À un moment donné, il est tout à fait possible que la direction dans laquelle le parfum augmente le plus rapidement puisse s'éloigner de la source.

Les animaux peuvent faire appel à une variété d'autres stratégies. Les insectes volants, tels que les papillons de nuit à la recherche d'un partenaire, adoptent une stratégie de "lancer et surgir", qui est une forme d'anémotaxie, ou une réponse basée sur les courants d'air. Lorsqu'un papillon mâle détecte les phéromones d'une femelle, il commencera immédiatement à voler contre le vent, en supposant qu'il y ait du vent. S'il perd l'odeur - ce qui arrivera probablement, surtout lorsqu'il est loin de la femelle - il commencera alors à "jeter" d'un côté à l'autre dans le vent. Lorsqu'il retrouvera le panache, il recommencera à voler contre le vent (le "surge") et répétera ce comportement jusqu'à ce qu'il voie la femelle.

Certains insectes terrestres peuvent utiliser une stratégie appelée tropotaxie, qui pourrait être considérée comme une odeur en stéréo : comparez la force de l'odeur au niveau des deux antennes et tournez-vous vers l'antenne qui reçoit le signal le plus fort. Les mammifères, qui ont généralement des narines plus étroitement espacées par rapport à la taille du corps que les antennes d'un insecte, utilisent souvent une stratégie de comparaison appelée klinotaxie : tournez la tête et reniflez d'un côté, tournez la tête et reniflez de l'autre côté, et tournez votre corps dans la direction de l'odeur la plus forte. Cela nécessite un niveau de cognition légèrement supérieur en raison de la nécessité de conserver un souvenir du reniflement le plus récent.

L'environnement olfactif peut dicter la meilleure stratégie de recherche pour trouver la source d'une odeur. Si les molécules d'odeur diffusent uniformément à partir de la source (en haut), ce sera au centre du nuage afin qu'un animal puisse simplement se diriger vers la concentration d'odeur la plus élevée. Si le panache d'odeur est turbulent (moyen), la stratégie de concentration peut toujours fonctionner si l'animal est suffisamment proche de la source, malgré la concentration inégale de l'odorant. Si l'animal est loin de la source (en bas), le panache d'odeur se décompose en "paquets" discrets, de sorte que l'animal ne capte l'odeur que par intermittence. Dans ce cas, l'animal a besoin d'une stratégie de recherche plus complexe dans laquelle il se promène chaque fois qu'il perd l'odeur.

Les robots détecteurs d'odeurs peuvent avoir une autre stratégie sur laquelle ils peuvent s'appuyer - une stratégie que la nature n'aurait peut-être jamais imaginée. En 2007, le physicien Massimo Vergassola de l'École Normale Supérieure de Paris, a proposé une stratégie appelée infotaxis, dans laquelle l'olfaction rencontre l'ère de l'information. Alors que la plupart des autres stratégies sont purement réactives, dans les infotaxis, le navigateur crée un modèle mental de l'endroit où la source est la plus susceptible de se trouver, compte tenu des informations qu'il a précédemment collectées. Il se déplacera alors dans la direction qui maximise les informations sur la source de l'odeur.

Le robot se déplacera soit vers la direction la plus probable de la source (en exploitant ses connaissances antérieures), soit vers la direction sur laquelle il a le moins d'informations (en explorant pour plus d'informations). Son objectif est de trouver la combinaison d'exploitation et d'exploration qui maximise le gain d'information attendu. Au début, l'exploration est meilleure; à mesure que le navigateur se rapproche de la source, l'exploitation est le meilleur pari. Dans les simulations, les navigateurs utilisant cette stratégie parcourent des trajectoires qui ressemblent beaucoup aux trajectoires de lancement et de poussée des papillons de nuit.

Dans la première version de Vergassola, le navigateur doit créer une carte mentale de son environnement et calculer une quantité mathématique appelée entropie de Shannon, une mesure d'imprévisibilité qui est élevée dans les directions que le navigateur n'a pas explorées et faible dans les directions qu'il a explorées. Cela nécessite probablement des capacités cognitives que les animaux ne possèdent pas. Mais Vergassola et d'autres ont développé de nouvelles versions d'infotaxis moins gourmandes en calcul. Un animal, par exemple, "peut prendre des raccourcis, peut-être approcher la solution à moins de 20%, ce qui est plutôt bien", déclare Vergassola, co-auteur de l'article sur les revues annuelles.

Infotaxis, klinotaxis, tropotaxis, anemotaxis… quels taxis vous amèneront à destination en premier ? Une façon de comprendre cela est d'aller au-delà des observations qualitatives du comportement animal et de programmer une créature virtuelle. Les chercheurs peuvent alors déterminer le taux de réussite de diverses stratégies dans diverses situations, à la fois dans l'air et dans l'eau. "Nous pouvons manipuler beaucoup plus de choses", déclare Bard Ermentrout, mathématicien à l'Université de Pittsburgh et membre d'Odor2Action, un groupe de recherche de 72 personnes organisé par John Crimaldi, un dynamique des fluides à l'Université du Colorado à Boulder. Par exemple, les chercheurs peuvent tester dans quelle mesure la stratégie d'une mouche fonctionnerait sous l'eau, ou ils peuvent augmenter la turbulence du fluide et voir quand une stratégie de recherche particulière commence à échouer.

Jusqu'à présent, les simulations montrent que lorsque la turbulence est faible, l'odeur stéréo et les achats de comparaison fonctionnent la plupart du temps - bien que, comme prévu, le premier fonctionne mieux pour les animaux avec des capteurs largement espacés (pensez aux insectes) et le second fonctionne mieux pour les animaux avec capteurs rapprochés (pensez aux mammifères). Pour les turbulences élevées, cependant, un animal simulé ne fonctionne pas bien avec l'une ou l'autre approche. Pourtant, les vraies souris semblent à peine déconcertée par un panache turbulent, montrent des expériences en laboratoire. Cela suggère que les souris peuvent encore avoir des astuces que nous ne connaissons pas, ou que notre description de la klinotaxie est trop simple.

De plus, bien que les simulations puissent vous dire ce qu'un animal pourrait faire, elles ne disent pas nécessairement ce qu'il fait. Et nous n'avons toujours pas de moyen de demander à l'animal : « Quelle est votre stratégie ? Mais les expériences de haute technologie avec les mouches des fruits se rapprochent de plus en plus de ce rêve à la Dr. Dolittle.

Les mouches des fruits sont à bien des égards des organismes idéaux pour la recherche sur les odeurs. Leurs systèmes olfactifs sont simples, avec seulement environ 50 types de récepteurs (contre environ 400 chez l'homme et plus de 1 000 chez la souris). Leur cerveau est également relativement simple et les connexions entre les neurones de leur cerveau central ont été cartographiées : le connectome de la drosophile, une sorte de schéma de câblage de son cerveau central, a été publié en 2020. « Vous pouvez rechercher n'importe quel neurone et voir qui il est connecté », explique Katherine Nagel, neuroscientifique à l'Université de New York et autre membre de l'équipe Odor2Action. Avant, le cerveau était une boîte noire ; maintenant, des chercheurs comme Nagel peuvent simplement rechercher les connexions.

L'une des énigmes à propos des mouches est qu'elles semblent utiliser une version différente de la stratégie "surge-and-cast" que les papillons de nuit. "Nous avons remarqué que les mouches, lorsqu'elles rencontrent un panache d'odeur, se tournent généralement vers la ligne centrale du panache", explique Thierry Emonet, biophysicien à l'Université de Yale. Une fois qu'ils ont trouvé la ligne médiane, la source est plus susceptible d'être directement au vent. "[Nous] avons demandé, comment diable la mouche sait-elle où se trouve le centre du panache?"

Emonet et son collaborateur Damon Clark (un physicien dont le laboratoire est à côté) ont répondu à cette question avec une ingénieuse combinaison de réalité virtuelle et de mouches génétiquement modifiées. Au début des années 2000, des chercheurs ont développé des mouches mutantes dotées de neurones olfactifs qui réagissent à la lumière. "Cela transforme l'antenne en un œil primitif, ce qui nous permet d'étudier l'olfaction de la même manière que nous étudions la vision", explique Clark.

Cela a résolu l'un des plus gros problèmes de la recherche sur les odeurs : vous ne pouvez généralement pas voir le panache d'odeur auquel un animal réagit. Désormais, vous pouvez non seulement le voir, mais aussi projeter un film de n'importe quel paysage olfactif de votre choix. La mouche génétiquement modifiée percevra cette réalité virtuelle comme une odeur et y réagira en conséquence. Une autre mutation a rendu les mouches aveugles, de sorte que leur vision réelle n'interfère pas avec «l'odeur» visuelle.

Dans leurs expériences, Clark et Emonet ont placé ces mouches génétiquement modifiées dans un conteneur qui limite leur mouvement à deux dimensions. Une fois que les mouches se sont habituées à l'arène, les chercheurs leur ont présenté un paysage olfactif visuel composé de rayures en mouvement. Les mouches marchaient toujours vers les rayures venant en sens inverse, ont-ils trouvé.

Ensuite, Clark et Emonet ont présenté un paysage d'odeurs plus réaliste, avec des rebondissements et des tourbillons turbulents copiés à partir de vrais panaches. Les mouches ont réussi à naviguer jusqu'au centre du panache. Enfin, les chercheurs ont projeté un film inversé dans le temps du même panache, de sorte que le mouvement moyen de l'odeur dans le panache virtuel était vers le centre, plutôt que loin - une expérience qui ne pouvait pas être réalisée avec un véritable panache d'odeur. . Les mouches ont été confondues par ce panache du monde bizarre et se sont éloignées du centre plutôt que vers lui.

Cette vidéo montre comment les mouches naviguent en sentant comment les odeurs se déplacent. La première partie de la vidéo montre des simulations informatiques de mouches programmées pour se retourner afin que les odeurs viennent directement vers elles ; au fil du temps, cela conduit les mouches à se déplacer vers la source, même dans un panache odorant turbulent. Après la marque des 25 secondes, la vidéo montre des mouches réelles, génétiquement modifiées pour que leurs cellules détectrices d'odeurs réagissent à la lumière, suite à un panache de "parfum" vidéo projeté sur le sol de leur conteneur. Les mouches réagissent à peu près de la même manière que les mouches simulées.

CRÉDIT : YALECAMPUS

Les mouches, ont conclu Clark et Emonet, doivent sentir le mouvement des paquets d'odeurs, comme Emonet appelle des amas discrets de molécules d'odeur. Pensez-y une seconde : lorsque vous sentez l'odeur du barbecue du voisin, pouvez-vous dire si les particules de fumée qui passent devant votre nez se déplacent de gauche à droite ou de droite à gauche ? Ce n'est pas évident. Mais une mouche peut le dire - et les chercheurs en olfaction ont précédemment négligé cette possibilité.

Comment la détection du mouvement des molécules odorantes aide-t-elle la mouche à trouver le centre du panache ? Le point clé est qu'à tout moment, il y a plus de molécules d'odeur qui s'éloignent du centre du panache que vers celui-ci. Comme l'explique Emonet, "le nombre de paquets dans la ligne centrale est plus élevé que loin de celle-ci. Ainsi, beaucoup de paquets du centre s'éloignent, et pas autant de l'extérieur. Chaque paquet a individuellement la même probabilité de se déplacer dans n'importe quelle direction, mais collectivement, il y a une dispersion loin du centre.

En fait, les mouches traitent les informations sensorielles entrantes d'une manière remarquablement sophistiquée. Dans un environnement venteux, la direction dans laquelle se déplace la mouche est en fait une combinaison de deux directions distinctes, la direction du flux d'air et la direction moyenne dans laquelle les paquets d'odeurs se déplacent. En utilisant le connectome de la mouche, Nagel a identifié l'un des endroits du cerveau où ce traitement doit se produire. Les neurones de détection du vent de la mouche s'entrecroisent sur ses neurones de détection de direction olfactive à un endroit particulier du cerveau appelé de manière descriptive le "corps en forme d'éventail". Ensemble, les deux ensembles de neurones indiquent à la mouche dans quelle direction se déplacer.

En d'autres termes, la mouche ne se contente pas de réagir à ses entrées sensorielles, mais les combine également. Puisque chaque ensemble de directions est ce que les mathématiciens appellent un vecteur, la combinaison est une somme vectorielle. Il est possible, dit Nagel, que les mouches ajoutent littéralement des vecteurs. Si tel est le cas, leurs neurones effectuent un calcul que les étudiants humains apprennent à faire en calcul vectoriel.

Les mouches peuvent dire où se trouve le centre d'un panache d'odeur en surveillant dans quelle direction se déplacent la plupart des molécules d'odeur, car plus de molécules s'éloignent du centre du panache que vers celui-ci. Une partie du cerveau de la mouche appelée le corps en forme d'éventail combine ces informations sur l'odeur (portées par un groupe de cellules nerveuses appelées neurones tangentiels) avec des informations sur la direction du vent (codées par différents neurones appelés neurones colonnaires), pour déterminer les emplacements de l'odeur source.

Nagel prévoit de rechercher ensuite des structures neuronales similaires dans le cerveau des crustacés. "L'odeur est complètement différente, la locomotion est différente, mais cette région complexe centrale est conservée", dit-elle. « Font-ils fondamentalement la même chose que les mouches ? »

Alors que les expériences de connectome et de réalité virtuelle produisent des informations étonnantes, de nombreuses questions restent sans réponse. Comment les chiens comme Ares détectent-ils une odeur qui est en partie sur le sol et en partie dans l'air ? Comment répartissent-ils leur temps entre renifler le sol et renifler l'air ? D'ailleurs, comment fonctionne le "sniffing" ? De nombreux animaux perturbent activement le flux d'air, plutôt que de simplement le recevoir passivement ; les souris, par exemple, « fouettent » avec leurs moustaches. Comment utilisent-ils ces informations ?

Et quelles autres capacités non humaines les animaux pourraient-ils posséder, semblables à la capacité des mouches à détecter le mouvement d'un paquet d'odeurs ? Ces mystères et bien d'autres sont susceptibles de garder les biologistes, les physiciens et les mathématiciens à la recherche de réponses pendant longtemps.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI