Si l’homme ne connaît pas cette sensation, l’électroréception est relativement courante dans le règne animal. Les requins, les abeilles et même l’ornithorynque partagent tous cette capacité à détecter les champs électriques dans leur environnement.
Des scientifiques de l’UC Santa Barbara viennent d’ajouter les mouches à fruits à cette liste. Une équipe de chercheurs dirigée par Matthieu Louis a découvert que les larves de mouches des fruits peuvent détecter les champs électriques et se diriger vers le potentiel électrique négatif à l’aide d’un petit ensemble de neurones sensoriels situés dans leur tête.
Ces résultats, publiés dans Current Biology représentent une immense opportunité. Les mouches des fruits sont sans doute les animaux expérimentaux les plus couramment utilisés, à la base d’études dans des domaines aussi disparates que la génétique, la neurobiologie et le vieillissement. La découverte de l’électro-réception chez les mouches des fruits ouvre de nouvelles voies de recherche sur les fondements de ce sens et pourrait même déboucher sur de nouvelles techniques de bio-ingénierie.
Découverte d’un sixième sens chez la mouche des fruits
« Pour nous, l’électrosensation est probablement quelque chose qui ne veut pas dire grand-chose, parce que nous n’y réagissons pas. Mais on reconnaît de plus en plus que, pour de nombreux animaux, elle est en fait très importante », précise Matthieu Louis, professeur agrégé au département de biologie moléculaire, cellulaire et développementale.
Aussi, lorsqu’il a appris que cette capacité avait été découverte chez le nématode C. elegans (un autre organisme modèle couramment utilisé), il a été curieux de voir si les drosophiles possédaient également cette capacité.
Julia Riedl, étudiante de Louis à l’époque et coauteur de l’étude, a entrepris de mener des recherches en utilisant une technique courante dans la recherche en biologie : l’électrophorèse sur gel, qui utilise un champ électrique pour pousser les molécules à travers un gel doté de petits pores. Cette technique est souvent utilisée pour trier des fragments d’ADN, mais Riedl l’a utilisée pour immerger une larve de drosophile dans un champ électrique. « Tous ceux qui dirigent un laboratoire possèdent cet appareil », a déclaré M. Riedl, qui travaille aujourd’hui à l’Imperial College de Londres. « Au lieu d’y placer de l’ADN, nous y avons placé des larves, ce qui a donné un comportement très robuste. La larve s’est réorientée et a commencé à se déplacer vers l’électrode négative. »
Localiser la sensation
Après avoir observé la réaction de l’animal, l’équipe a voulu localiser les neurones responsables de cette réaction. Pour cela, il fallait trouver un moyen d’éteindre différentes parties du système nerveux. Ils ont donc ciblé le gène GAL4. Les gènes promoteurs comme GAL4 servent de panneaux de signalisation qui indiquent à la machinerie cellulaire où commencer à copier l’ADN en ARN, une étape cruciale dans l’expression des gènes.
Lorsqu’il est activé, le gène GAL4 déclenche la production d’une forme modifiée de toxine tétanique. Celle-ci agit comme un « barrage » moléculaire, empêchant les neurones ciblés de communiquer avec d’autres neurones. En utilisant des lignées de larves où GAL4 est exprimé dans différents neurones, l’équipe a pu réduire au silence des groupes spécifiques de neurones afin de voir comment le comportement des animaux changeait.
En réduisant au silence différents neurones, le groupe a pu déterminer ceux qui étaient essentiels à l’électroréception. Ils ont localisé les neurones intéressants de chaque côté de la tête de la larve, près de l’extrémité, dans une zone impliquée dans les sensations olfactives et gustatives.
Riedl a inséré un gène codant pour une protéine fluorescente lorsque les neurones sont actifs, afin de pouvoir suivre l’activité en temps réel. L’exposition du segment de tête à un champ électrique sous le microscope a confirmé sa découverte initiale. « Il n’est pas nécessaire de procéder à une analyse sophistiquée », a-t-elle déclaré. « Si les neurones réagissent vraiment, ils s’allument. »
« Honnêtement, je n’arrivais pas à y croire. C’était tellement clair », a-t-elle ajouté.
En fait, un seul neurone de ce groupe a réagi au champ électrique. Ce neurone était inhibé lorsque l’électrode se trouvait devant la tête, et activé lorsque l’électrode se trouvait derrière, ce qui déclenchait la réorientation de la larve.
Le dur labeur de la réduction de l’incertitude
Louis et Riedl ont commencé ce travail en 2009, alors que Louis était chercheur au Centre de régulation génomique (CRG) de Barcelone, en Espagne. « C’est un projet intéressant parce qu’il a duré plus de 15 ans. Un véritable marathon scientifique. »
Cela s’explique en partie par le fait que les champs électriques sont difficiles à mesurer et à visualiser, contrairement aux champs magnétiques, qui peuvent être mis en évidence avec de la limaille de fer. L’équipe craignait que les larves ne réagissent à d’autres facteurs confondants du dispositif expérimental, tels que le courant électrique, l’acidité ou le gradient de température.
Lorsque Louis a rejoint la faculté de l’UCSB, il a pu entrer en contact avec l’électrochimiste Lior Sepunaru et l’ingénieur mécanique Alex Eden, qui ont pu modéliser le champ électrique dans l’expérience. Eden a fourni au groupe les simulations sophistiquées dont il avait besoin pour caractériser l’environnement de l’expérience. Le laboratoire de Louis n’est pas étranger à l’exécution de simulations, mais « cette modélisation dépasse de plusieurs ordres de grandeur ce que nous pouvons faire habituellement », a-t-il ajouté.
Grâce à une meilleure description des conditions expérimentales, l’équipe a pu commencer à éliminer systématiquement les facteurs de confusion. Ils ont opté pour une solution électrolytique dont l’acidité ne changerait pas au cours de l’expérience. Ils ont également renforcé leur contrôle sur le chauffage résistif du gel.
« Afin de vérifier si le courant ou le champ électrique était réellement l’élément à l’origine du comportement, nous voulions modifier l’un mais pas l’autre », explique Louis, « ce qui est extrêmement difficile à réaliser, car les deux sont imbriqués ».
Les simulations d’Eden ont révélé qu’ils pouvaient y parvenir en modifiant l’épaisseur du milieu agar. Les résultats ont confirmé leur hypothèse : les larves réagissaient au champ électrique lui-même, et non au courant qu’il induisait dans le gel d’agar. Et ce sont précisément les neurones de leur tête qui ont détecté le champ électrique, sa force et son orientation.
Spéculation sur l’adaptation
Les auteurs ne savent pas exactement pourquoi les larves de drosophile ont développé l’électro-réception, mais ils ont formulé quelques hypothèses. L’électrosensibilité pourrait aider les larves à s’orienter dans les fruits pourris où elles vivent. Les larves de mouches des fruits se développent en quelques jours seulement et doivent donc trouver rapidement des zones où la pulpe est plus tendre, où il y a plus de sucre et moins d’alcool. La fermentation peut créer un gradient électrique que les animaux utilisent ensuite pour naviguer, explique Louis.
En outre, l’intérieur d’une pomme est assez sombre. « Les sens qui se développent au cours de l’évolution représentent les propriétés physiques de l’environnement », ajoute M. Riedl. « Ainsi, s’il existe un champ électrique, pourquoi ne pas le détecter ? ».
L’autre possibilité est d’aider les animaux à éviter la prédation. Les insectes volants captent une charge positive. Cette aversion pour les charges positives pourrait donc être une adaptation permettant aux larves de drosophile d’éviter les guêpes parasitoïdes, qui peuvent capturer jusqu’à 90 % des larves avant qu’elles n’atteignent l’âge adulte.
Ou encore, il pourrait s’agir d’une combinaison de facteurs, « les conduisant à la fois vers la partie la plus favorable d’un fruit et les éloignant d’une attaque de guêpes », a noté M. Riedl.
Quoi qu’il en soit, cette découverte permet de mieux comprendre l’Umwelt de la drosophile, c’est-à-dire la manière dont les organismes d’une espèce donnée perçoivent et expérimentent le monde, en fonction de leurs organes sensoriels et de leurs systèmes de perception.
D’autres questions et de nouvelles possibilités
Chez la plupart des animaux étudiés par les scientifiques, l’électro-réception implique une structure mécano-sensorielle qui détecte les mouvements en réponse à une charge statique, un peu comme les poils de votre bras qui tressaillent lorsque vous démêlez du linge frais. Mais les auteurs n’ont pas observé ce phénomène chez les larves de drosophile : les neurones semblaient répondre directement au champ électrique.
Il se peut qu’il y ait un appareil caché que les auteurs n’ont pas encore localisé, ou qu’il se passe quelque chose de très intéressant dans ces neurones électro-sensoriels.
En outre, les neurones responsables de cette sensation sont intégrés dans un groupe qui détecte les odeurs et les goûts. En fait, les neurones en question expriment toujours un gène qui les rend sensibles aux substances amères. Il est possible que les cellules réagissent à la fois aux champs électriques et aux goûts amers, puisque les deux stimuli provoquent la même réponse. Il est possible que le pôle positif d’un champ électrique provoque chez les larves de drosophile une sensation similaire à celle du goût amer et qu’elles les évitent.
Le groupe considère sa découverte comme une étape vers une compréhension plus large de l’électro-réception. « Tous ces animaux différents peuvent détecter les champs électriques. Mais comme aucun d’entre eux n’est un organisme modèle, il est très difficile d’accéder à la base génétique de ce sens », commente le coauteur David Tadres, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Louis. Mais comme la drosophile est un organisme de référence pour l’étude de toutes sortes de questions génétiques, l’équipe a bon espoir de pouvoir identifier les gènes impliqués dans cette sensation.
L’étude de la base de l’électro-sensation a des implications qui vont au-delà de la simple compréhension des systèmes sensoriels chez les animaux. Les cellules se déplacent souvent en réponse à des champs et des courants électriques. La recherche sur la drosophile pourrait éclairer ce comportement, qui est un élément important de la cicatrisation des plaies, explique Louis.
Cette découverte pourrait également déboucher sur de nouveaux outils de recherche. Par exemple, les gènes sensibles à la lumière dans les algues ont conduit au développement de l’optogénétique : la capacité de contrôler directement l’expression des gènes et l’activité neuronale à l’aide de la lumière. Tous les outils moléculaires permettant de contrôler ces activités à distance nécessitent un accès à la cellule, ce qui peut être assez invasif. Mais une technique utilisant un champ électrique pourrait simplement pénétrer dans le tissu.
« L’étude d’une nouvelle modalité sensorielle dans une minuscule larve de drosophile pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la bio-ingénierie », a conclu M. Louis.
Légende illustration : Les larves de mouches des fruits se réorientent vers le pôle négatif d’un champ électrique.
Article : « Sensation of electric fields in the Drosophila melanogaster larva » – DOI : 10.1016/j.cub.2025.03.014
