Une protéine fluorescente aide à identifier les parties du cerveau qui aident les animaux à naviguer dans un monde d’odeurs.

Des chercheurs ont créé des fourmis transgéniques dont les antennes brillent en vert sous un microscope, révélant comment le cerveau des insectes traite les odeurs alarmantes.

Les résultats identifient trois régions cérébrales uniques qui répondent aux signaux d’alarme. Dans ces zones, appelées glomérules, les terminaisons nerveuses des fourmis se croisent. Le travail a été publié sur le serveur de préimpression bioRxiv le 29 décembre 2022 ¹ et n’a pas encore été évalué par des pairs.

« Les fourmis sont comme de petites usines chimiques ambulantes », explique le co-auteur de l’étude, Daniel Kronauer, biologiste à l’Université Rockefeller de New York. Des recherches antérieures se sont concentrées sur l’identification des produits chimiques que les fourmis libèrent ou sur l’analyse des réponses comportementales des insectes à ces odeurs, mais

« comment les fourmis peuvent réellement sentir les phéromones devient vraiment un peu plus clair maintenant », dit Kronauer.

« C’est la première fois que, chez un insecte social, un glomérule particulier est très fortement associé à un comportement particulier », ajoute-t-il.

Signaux malodorants

Les fourmis sont des animaux sociaux qui communiquent entre elles en libérant des produits chimiques parfumés appelés phéromones. Les fourmis pilleuses clonales ( Ooceraea biroi ) que les chercheurs ont étudiées sont aveugles. 

« Ils vivent essentiellement dans un monde d’odeurs », explique Kronauer. « Ainsi, la grande partie de leur comportement social est régulée par ces composés chimiques. »

Lorsqu’une fourmi perçoit un danger, elle libère des phéromones d’alarme d’une glande dans sa tête pour avertir ses compagnons de nidification. D’autres fourmis répondent à ce signal en ramassant leurs larves et en évacuant le nid. 

« Au lieu d’avoir des zones cérébrales dédiées à la reconnaissance faciale ou au traitement du langage, les fourmis ont un système olfactif massivement étendu », explique Kronauer.

Les chercheurs ont créé des fourmis pilleuses clonales transgéniques en injectant aux œufs des insectes un vecteur porteur d’un gène pour une protéine fluorescente verte combiné à un gène exprimant une molécule indiquant l’activité du calcium dans le cerveau.

Le processus a été facilité par la biologie unique des animaux, dit Kronauer. 

« Ils sont asexués, ils n’ont pas de reines, nous pouvons donc propager par clonage n’importe quelle insertion transgénique à partir de n’importe quel individu. »

L’équipe a exposé 13 fourmis transgéniques à 4 phéromones d’alarme lors de l’imagerie du cerveau des animaux pour examiner comment elles traitent les signaux de danger. Les scientifiques ont été surpris de constater que les quatre phéromones activaient moins de six glomérules dans tout le cerveau. 

« C’est très différent de ce que nous pensions voir arriver, à cause de toutes ces études précédentes qui ont suggéré que ces réponses sont très larges », déclare Kronauer.

« Nous nous attendions à ce que peut-être 20% des glomérules répondent, ce qui aurait été 100 glomérules », explique le co-auteur de l’étude, Taylor Hart, biologiste chez Rockefeller. Mais « il s’est avéré qu’en fait la plupart du temps il y en a trois ».

Les auteurs ont identifié un glomérule spécifique – qu’ils ont nommé «panic glomerulus, large» ou PG _b – qui répondait fortement à trois des phéromones, qui provoquaient toutes un comportement de fuite. 

Ils ont également identifié deux glomérules voisins : un qui répond à la quatrième phéromone, ce qui fait que les fourmis quittent le nid sans leurs larves, et un autre qui transmet les signaux des trois phéromones alarmantes au PG _b .

Outils transgéniques

Les scientifiques fabriquent des mouches des fruits transgéniques ( Drosophila melanogaster ) depuis les années 1980 et des moustiques transgéniques de diverses espèces depuis les années 1990. 

Mais la modification génétique des insectes aux systèmes sociaux complexes, comme les fourmis, n’a commencé qu’au cours de la dernière décennie. Les auteurs disent que le travail améliorera la compréhension de la biologie sophistiquée des fourmis.

« Ces découvertes aident à comprendre comment l’olfaction fonctionne au niveau moléculaire, comment elle est traitée et comment l’individu réagit et comment cela conduit à une réponse de la société dans son monde naturel », explique Juergen Liebig, biologiste à l’Arizona State University à Tempe. « On peut maintenant utiliser ces outils transgéniques et fabriquer des fourmis transgéniques pour étudier la fonction de gènes spécifiques », dit-il, « et comment cela affecte potentiellement l’organisation de la société des fourmis ».

Silke Sachse, neurobiologiste à l’Institut Max Planck d’écologie chimique à Iéna, en Allemagne, affirme que de futures études pourraient utiliser des outils transgéniques similaires chez d’autres fourmis pour identifier les récepteurs olfactifs qui répondent aux phéromones d’alarme. 

« Il serait intéressant de savoir si ces récepteurs sont conservés entre différentes espèces », dit-elle.

doi : https://doi.org/10.1038/d41586-023-00106-0