Etude muti-échelle d’un apprentissage social et la mémoire chez la drosophile: du gène à la culture animale – MoleCulture

Le protocole comportemental : Une femelle drosophile peut exploiter une information publique pour sélectionner un partenaire parmi d’autres. En effet, une femelle « observatrice » va s’accoupler préférentiellement avec un mâle poudré d’une couleur artificielle (exemple rose) qu’elle a vu préalablement s’accoupler avec une femelle « démonstratrice », plutôt qu’à un mâle poudré d’une autre couleur (exemple verte) qu’elle a vu s’être fait rejeter par une autre femelle « démonstratrice ». La femelle drosophile peut donc utiliser une information apprise socialement. Ces résultats pourraient avoir des implications sur l'évolution, puisque les préférences sexuelles socialement acquises pourraient conduire à l'isolement reproductif, et donc peuvent ouvrir la voie à la spéciation.

Ce projet de recherche explore les mécanismes et les conséquences évolutives de la copie du choix du partenaire (MC) chez la drosophile.

Sur le plan des fondements neuronaux et moléculaires, l'étude se penche sur l'apprentissage social par observation. La protéine rutabaga (rut), impliquée dans la synthèse de l'AMPc, a été identifiée comme essentielle à ce processus, agissant comme un "détecteur de coïncidence" entre stimuli. Le projet vise à identifier les structures cérébrales clés pour le MC, notamment le corps ellipsoïde (EB), le corps en éventail (FSB) et les corps pédonculés (MBs), reconnus pour leur rôle dans l'apprentissage visuel et la mémoire. Le rôle de la dopamine et de la sérotonine en tant que voies du stimulus inconditionnel (SI) sera également examiné via des approches pharmacologiques puis neurogénétiques, utilisant des stimuli écologiquement pertinents (accouplement réel) et des mouches en liberté.

Concernant la Mémoire Sociale à Long Terme (SoLTM), le projet cherche à démontrer son existence chez la drosophile via des démonstrations répétées. Il est prévu de montrer que cette mémoire dépend de la synthèse protéique (caractéristique de la mémoire à long terme) et d'identifier les centres neuronaux impliqués en utilisant un sauvetage génétique de la mutation rutabaga.

Pour les conséquences évolutives du MC, l'objectif est de prouver que D. melanogaster possède les capacités cognitives pour la transmission culturelle des préférences sexuelles sur plusieurs générations, menant à des traditions locales durables. Le projet explorera le conformisme des femelles drosophiles en observant si elles se conforment à la majorité des choix de partenaires observés, en utilisant un dispositif hexagonal. Enfin, de longues chaînes de transmission seront menées pour tester empiriquement la stabilité de cette transmission culturelle.

En termes de développement méthodologique, la complexité des démonstrations répétées, pourra être surmontée par la création d'une nouvelle méthodologie basée sur des photos de couples. Cela permettra de standardiser et d'accélérer les expériences, de tester si les indices visuels seuls suffisent pour le MC, et d'affiner l'étude des indices influents.

Ce projet a révélé que la drosophile possède les capacités cognitives nécessaires pour transmettre une préférence pour un trait de manière culturelle (Danchin et al., 2018). Ce constat remet en question la vision de la culture comme l'apanage de l'humain et s'inscrit dans un débat plus large sur la transmission culturelle chez les vertébrés.

Pour prouver la transmission culturelle, cinq critères ont été vérifiés chez la drosophile

1. Apprentissage social par observation des congénères.

2. Apprentissage par des individus plus âgés à des plus jeunes

3. Mémorisation à long terme.

4. Le comportement concerne des caractéristiques individuelles (ici la couleur du mâle).

5. Le comportement est conformiste, les individus apprenant la préférence la plus fréquente.

Ces recherches ont souligné le rôle clé du conformisme et ont révolutionné notre perception de la capacité de transmission culturelle chez les invertébrés, et fourni une définition mécanistique de la culture au sens large, ouvrant des horizons prometteurs pour l'étude de l'évolution de la culture.

Décodage du Processus Comportemental et des Stimuli du MC

Le processus comportemental de la copie du choix du partenaire a été finement analysé. Il a été établi que les femelles observatrices se basent sur l'observation de l'acceptation du mâle par la femelle démonstratrice, et non sur le rejet d'un mâle éconduit (Noebel et al., 2022). Cette distinction est cruciale pour comprendre la nature positive du signal d'apprentissage.

Concernant les stimuli nécessaires, des expériences novatrices ont montré que la démonstration n'exige pas d'interactions in vivo. Des images 2D, même très simplifiées, de couples en accouplement sont suffisantes pour déclencher le MC chez les femelles naïves (Noebel et al., 2022).

L'ordre des informations sociales a également été examiné. Face à des démonstrations contradictoires et séquentielles, les femelles drosophiles présentent un biais de primauté, c'est-à-dire qu'elles préfèrent le mâle caractérisé par le trait observé en premier (Santiago et al., 2024).

Un modèle mécanistique de cet apprentissage social a été proposé, où l'observation de l'accouplement agit comme un stimulus inconditionnel associé à la couleur du mâle comme stimulus conditionnel. Les femelles observatrices formeraient ainsi une mémoire associative simple. Des recherches sur le mutant rutabaga (rut), déficient en adénylyl cyclase (Rut+) essentielle à la synthèse d'AMPc et impliquée dans divers apprentissages associatifs, ont montré que Rut+ dans les cellules de Kenyon (KC) gamma (gamma-KC) des corps pédonculés est nécessaire pour le MC (Noebel et al., 2023), et que des cellules de Kenyon supplémentaires alpha-KC et beta-KC sont recrutées (Noebel et al. 2025), pour établir de la mémoire à long terme et montre une spécificité de structures cérébrales dans différentes phases de mémoire comme la mémoire non sociale.

À partir d'un paradigme développé sur l'apprentissage social par observation – la copie du choix du partenaires (mate copying : MC) chez la drosophile – notre nouveau projet vise à identifier et à explorer les mécanismes neurobiologiques de l'apprentissage social et de la mémoire dans un cerveau contenant un million de fois moins de neurones que celui d'un humain. Nos travaux ont démontré que la drosophile possède les capacités cognitives nécessaires pour transmettre cet apprentissage social au niveau de la population. Cependant, il reste à déterminer si cette transmission peut persister dans un contexte naturel.

En tirant parti des outils génétiques disponibles chez la drosophile, nous prévoyons de :

1) Identifier et caractériser fonctionnellement les réseaux neuronaux spécifiques impliqués dans le MC avec une résolution cellulaire : nous développerons un nouveau dispositif d'imagerie in vivo qui nous permettra d'examiner les propriétés physiologiques des neurones nouvellement identifiés en réponse aux stimuli visuels impliqués dans le MC, fournissant ainsi des données fonctionnelles sur le MC, à partir desquelles nous pourrons modéliser cet apprentissage social observationnel.

2) Déterminer les effets du MC et tester l'implication des neurones MC identifiés au niveau de la population : nous mènerons une expérience semi-naturelle pour évaluer l'impact du MC et le rôle de neurones spécifiques dans ce processus.

Ainsi, nous clarifierons les fondements anatomiques et fonctionnels de cet apprentissage social et évaluerons son importance dans la transmission culturelle.

Les neurobiologistes sont unanimes à reconnaître que les expériences personnelles influencent le cerveau, qui en retour influencent les expériences personnelles. Ainsi, les individus peuvent apprendre de leurs propres expériences. Cependant, les individus peuvent aussi apprendre des expériences de l'observation des autres, un processus appelé " apprentissage observationnel " (une forme d'apprentissage social). Ce processus est une alternative aux stratégies de type « essais et d'erreurs », très coûteuses dans certains contextes tels que l’ingestion d'aliments toxiques, la confrontation avec un prédateur ou encore plus pour les décisions de reproduction à cause du petit nombre de périodes de reproduction dans toute la vie d'un animal.
Du point de vue évolutif, l'apprentissage par l'observation ou l'apprentissage social en général, peuvent faire émerger un processus d'hérédité culturelle qui en retour affecte les pressions de sélection sur les individus. Alors que l'apprentissage social a été documenté chez un grand nombre d'espèces, au-delà de l'homme, la transmission culturelle n'a été documentée que chez un nombre retreint d'espèces de mammifères et d'oiseaux. Nous avons cependant proposé récemment sur la base d'une étude expérimentale et théorique approfondie des propriétés de l'apprentissage social dans le contexte du choix du partenaire sexuel, que l'apprentissage social chez la drosophile puisse faire émerger de véritables traditions culturelles de préférences sexuelles pour tel ou tel type de mâle, traditions qui varieraient entre les populations. Au vue de l'importance de tels processus en termes de sélection sexuelle, nous proposons ici de marier les approches neurobiologiques et évolutives pour étudier ce type d'apprentissage social selon les aspects évolutif et mécanistique.
D'une manière générale, les mécanismes d'apprentissage social ont surtout été étudiées au niveau de l'individu, mais ses fondements neurobiologiques et les pressions évolutives ayant prévalu à leur acquisition au cours de l'évolution restent mal connus. En effet, il n'existe actuellement aucun modèle biologique simple qui intègre et traite les stimuli sociaux pour permettre l'étude de la façon dont le cerveau apprend et mémorise l'information sociale. De plus, la recherche sur l'apprentissage social se concentre soit sur les causes proximales ou sur les cause ultimes, mais n'intègre que très rarement ces deux niveaux d'analyse dans une même approche alors que l'existence de ce type d'apprentissage est le fruit à la fois de contraintes évolutives (avantage en terme de fitness) et de contraintes mécanistiques (existence des structures sensorielles et neuronales capables de détecter les stimuli et d'en tirer des informations pour la prise de décision qui en retour peuvent affecter la fitness et ainsi de suite).
Ce projet est interdisciplinaire dans son essence. Son but est d’explorer l'apprentissage social tant en terme des mécanismes neurobiologiques sous jacents et en terme des conséquences à l'échelle de l'individu, de la population et de l'évolution. Comme corollaire, ce projet fera de Drosophila melanogaster un nouveau modèle mécanistique de l'apprentissage social.