Une chauve-souris frugivore accrochée au coin d’une grotte s’agite ; il est prêt à bouger. Il scrute l'espace à la recherche d'un perchoir libre, puis prend son envol, ajustant ses ailes membraneuses pour s'approcher d'un endroit à côté de l'un de ses congénères duveteux. Ce faisant, les données neurologiques extraites de son cerveau sont diffusées vers des capteurs installés dans les parois de la grotte.

Ce n’est pas une grotte douce au bord de la mer Méditerranée. Le groupe de chauves-souris frugivores égyptiennes se trouve à Berkeley, en Californie, naviguant dans une grotte artificielle dans un laboratoire que des chercheurs ont mis en place pour étudier le fonctionnement interne de l'esprit des animaux.

Les chercheurs ont eu une idée : lorsqu’une chauve-souris navigue dans son environnement physique, elle navigue également dans un réseau de relations sociales. Ils voulaient savoir si les chauves-souris utilisent la même ou des parties différentes de leur cerveau pour cartographier ces réalités qui se croisent.

Dans une nouvelle étude publiée dans Nature en août, les scientifiques ont révélé que ces cartes se chevauchaient. Les cellules cérébrales qui informent une chauve-souris de sa propre localisation codent également des détails sur les autres chauves-souris à proximité – non seulement leur localisation, mais aussi leur identité. Les résultats soulèvent la possibilité intrigante que l’évolution puisse programmer ces neurones à des fins multiples pour répondre aux besoins de différentes espèces.

Les neurones en question sont situés dans l’hippocampe, une structure située au plus profond du cerveau des mammifères et impliquée dans la création de souvenirs à long terme. On pense qu’une population spéciale de neurones hippocampiques, appelés cellules de lieu, crée un système de navigation interne. Identifié pour la première fois dans l'hippocampe du rat en 1971 par le neuroscientifique John O'Keefe, les cellules placent le feu lorsqu'un animal se trouve dans un endroit particulier ; différentes cellules de lieu codent différents lieux. Ce système aide les animaux à déterminer où ils se trouvent, où ils doivent aller et comment s'y rendre. En 2014, O'Keefe a reçu le prix Nobel pour sa découverte des cellules de lieu, et au cours des dernières décennies, elles ont été identifiées chez plusieurs espèces de primates, y compris les humains.

Cependant, se déplacer d’un endroit à l’autre n’est pas la seule façon pour un animal de ressentir un changement dans son environnement. Dans votre maison, les murs et les meubles restent pour la plupart les mêmes d'un jour à l'autre, a déclaré Michael Iartsev, qui étudie les bases neuronales du comportement naturel à l'Université de Californie à Berkeley et a codirigé les nouveaux travaux. Mais le contexte social de votre espace de vie pourrait changer assez régulièrement.

"Si les gens entrent, ils se déplacent, ils interagissent", a déclaré Yartsev. L'endroit où se trouvent ces personnes et la nature de votre relation avec chaque individu influencent la façon dont vous vous déplacerez dans l'espace. "L'environnement spatial est très dynamique, mais pas parce que les murs bougent", a-t-il déclaré.

Yartsev pensait que l'environnement social étant une caractéristique en constante évolution de l'environnement physique, les informations le concernant pourraient être codées dans des cellules spatiales. Mais aucun test direct n’avait jamais été réalisé dans un cadre hautement social, comme dans une colonie de chauves-souris frugivores.

"Cet aspect particulier [de l'environnement], si inhérent à nos vies, n'avait jamais été étudié auparavant", a déclaré Yartsev.

Pour mieux comprendre comment le cerveau pourrait naviguer dans l'environnement social, Yartsev et son boursier postdoctoral Angelo Forli se sont tournés vers les chauves-souris frugivores égyptiennes, qu'ils avaient déjà utilisées dans des études sur le câblage de navigation du cerveau.

Dans le laboratoire de Yartsev, ils ont construit une grotte artificielle : une salle de vol de la taille d'un salon conçue pour mesurer l'activité cérébrale des chauves-souris tout en suivant leur comportement. Cinq à sept chauves-souris à la fois étaient libres de voler dans la pièce recouverte de mousse insonorisante et équipée de perchoirs et de fruits à manger. Pour suivre les mouvements 3D précis des chauves-souris, les chercheurs ont équipé des colliers d'accéléromètres et d'étiquettes mobiles – modifiés à partir des systèmes utilisés pour suivre les colis dans les entrepôts – qui communiquaient avec des capteurs installés dans les murs de la pièce. L'équipe a également implanté de minuscules électrodes dans le cerveau des chauves-souris pour enregistrer sans fil le déclenchement des neurones de l'hippocampe lorsque les animaux volaient autour de leur enclos et interagissaient les uns avec les autres.

Les chercheurs ont mis tous ces efforts élaborés dans leur configuration expérimentale afin de pouvoir étudier les interactions sociales spontanées des chauves-souris, qui seraient vraisemblablement similaires à celles vécues dans la nature. Cela signifiait en grande partie laisser les chauves-souris à elles-mêmes sans ingérence humaine.

"L'idée était simplement de sortir les humains de la pièce", a déclaré Yartsev, et de laisser les chauves-souris faire ce qu'elles font normalement.

Comme prévu, les cellules de localisation d'une chauve-souris donnée ont modifié leur activité en fonction de l'emplacement de la chauve-souris dans la grotte. Certaines cellules spatiales tiraient plus fréquemment lorsque la chauve-souris se trouvait à un endroit particulier, tandis que d'autres augmentaient leur tir lorsque la chauve-souris se trouvait ailleurs.

La présence ou l'absence d'autres chauves-souris a également influencé le déclenchement des neurones. Lorsqu'une chauve-souris se dirigeait vers un atterrissage, les cellules du lieu se comportaient différemment selon qu'il y avait ou non un compagnon de perchoir sur le site d'atterrissage. De plus, les neurones semblaient coder l'identité de chauves-souris spécifiques, distinguant ainsi les amis des connaissances. Si une chauve-souris atterrissait à côté d’un contact social étroit, les neurones se comportaient différemment que si elle atterrissait à proximité d’une chauve-souris avec laquelle elle ne passait pas beaucoup de temps.

En bref, le système de navigation des chauves-souris semblait remplir une double fonction de carte sociale. Les mammifères ne se déplaçaient pas seulement dans leur maison, ils utilisaient également exactement les mêmes cellules cérébrales pour suivre qui se trouvait dans les locaux.

"[Les chercheurs] sortent du parc en ce qui concerne l'étude des neurosciences d'un comportement naturel", a déclaré le neuroscientifique comportemental. Andy Alexandre de l'Université de Californie à Santa Barbara, qui n'a pas participé à l'étude.

Cette découverte a immédiatement soulevé la question de savoir si cette réutilisation des cellules de l'hippocampe s'applique au-delà des chauves-souris frugivores égyptiennes dans l'évolution du cerveau social. L'hippocampe est une structure cérébrale ancienne : il est hautement conservé parmi les mammifères ayant des modes de vie et des degrés de socialité divers, depuis les ornithorynques en grande partie solitaires jusqu'aux personnes très communautaires. Il est possible que le système de navigation de l'hippocampe enregistre l'environnement social de la même manière pour toutes les espèces. Cependant, il est également possible que les circuits du lieu aient développé ce double objectif uniquement chez la chauve-souris frugivore égyptienne. Seules des recherches supplémentaires peuvent combler les lacunes.

Les résultats vont au-delà de la carte sociale. Ils correspondent également au concept de sélectivité mixte, a déclaré Alexander: l'idée selon laquelle il est plus efficace sur le plan informatique que des neurones uniques codent plusieurs caractéristiques de l'environnement.

En ce sens, a déclaré Forli, l'hippocampe peut être comme une carte graphique puissante dans un ordinateur, qui peut avoir de nombreuses utilisations, du rendu graphique pour les jeux vidéo à l'exécution de calculs d'apprentissage automatique. L'hippocampe peut être doué pour certains types de calculs et peut avoir la capacité d'être modifié ou programmé par l'évolution.

"Nous avons classiquement pensé à l'hippocampe comme étant doté de cellules [de lieux] qui codent des emplacements particuliers dans l'espace", a déclaré Alexander. "Mais je pense que nous découvrons de plus en plus qu'il est en réalité hautement adaptatif et flexible, et que l'hippocampe codera pour toutes sortes de choses en fonction de ce que vous lui présentez."

Quanta mène une série d’enquêtes pour mieux servir notre public. Prenez notre enquête auprès des lecteurs de biologie et vous serez inscrit pour gagner gratuitement Quanta marchandise.