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Insectes et olfaction : codage olfactif au royaume de la turbulence

L’orientation olfactive à distance est une tâche difficile car les turbulences atmosphériques effacent les gradients d’odeur et rendent le panache odorant discontinu. Reproduisant au laboratoire la dynamique de tels panaches odorants, des chercheurs de l’Inra ont décrit chez un papillon de nuit comment les neurones des deux premières couches du système olfactif encodent ce signal complexe quelle qu’en soit la dynamique.

Papillon mâle de la noctuelle Agrotis ipsilon avec l’organisation de son cerveau en surimpression. © Inra - Univ. Angers, M. Renou et A. Abrieux
Mis à jour le 21/03/2018
Publié le 05/01/2018

Chez les insectes, l’olfaction joue un rôle majeur dans l’expression des comportements sexuels et alimentaires. Parmi eux, les papillons de nuit mâles démontrent des capacités exceptionnelles de localisation à grande distance des femelles émettrices de phéromone sexuelle, des substances chimiques libérées par les adultes d'une espèce afin d’attirer le partenaire de la même espèce. Ces performances reposent sur un système olfactif sensible, sélectif et rapide et sur des capacités encore mal comprises de traitement d’une information particulièrement complexe. En effet, faute de gradient de concentration d’odeur en condition naturelle où l’odeur est transportée par un flux turbulent, le comportement d’orientation de l’insecte en vol n’est guidé que par la dynamique des détections d’odeurs.

 

Combinant électrophysiologie et modélisation, des chercheurs de l’Inra et leurs collègues ont analysé les mécanismes par lesquels les neurones olfactifs encodent la dynamique du panache odorant et permettent à l’insecte en vol d’utiliser les successions rapides de détections et pertes du signal odorant pour une orientation efficace vers sa source.

Chez la noctuelle ravageuse des cultures Agrotis ipsilon, ils ont enregistré l’activité des neurones olfactifs présents dans l’antenne – le nez de l’insecte – et dans les lobes antennaires – le centre olfactif primaire du cerveau de l’insecte. Ils ont analysé et modélisé les réponses de ces deux populations de neurones à des scènes olfactives mimant la structure naturelle du panache phéromonal à différentes distances de la source (8 à 64 m).

Pour la première fois, ils ont ainsi déterminé quelle information l’insecte extrait à différentes distances de la source d’odeur pour s’orienter. Les scientifiques ont montré que le système olfactif encode la structure temporelle de scènes olfactives par la reconnaissance des débuts et fins des bouffées d’odeurs. Alors que cette information est encodée au niveau populationnel par les neurones antennaires – c’est-à-dire entrant dans le lobe antennaire, un seul neurone de projection – c’est-à-dire sortant du lobe antennaire - est suffisant pour fournir une représentation fiable de la dynamique temporelle du stimulus à n’importe quelle distance de la source.

 

La compréhension des capacités de codage du système olfactif des insectes représente un préalable indispensable à l’élucidation de leur(s) stratégie(s) d’orientation dans un paysage odorant complexe et changeant - la dynamique du signal change en un point donné et évolue selon la distance à la source et sa détection est altérée par la présence de composés volatils émis par les plantes.

Elle constitue une avancée d’intérêt dans deux domaines : celui du biocontrôle où les odeurs peuvent être utilisées pour surveiller ou réduire les populations d’insectes ravageurs, limitant ainsi le recours aux insecticides et celui de l’olfaction artificielle où la compréhension des mécanismes d’orientation olfactive chez les insectes pourra aider à la mise au point de solutions biomimétiques de localisation de sources d’odeur par des robots, par exemple en cas de fuites chimiques.

Reference

Vincent Jacob, Christelle Monsempès, Jean-Pierre Rospars, Jean-Baptiste Masson, Philippe Lucas (2017) Olfactory coding in the turbulent realm.  PLoS Computational Biology 13(12):e1005870. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005870