Sentez une tasse de café.
Sentez-le à l’intérieur ou à l’extérieur; été ou hiver; dans un café avec un scone ; dans une pizzeria avec du pepperoni — même dans une pizzeria avec un scone ! — le café sent le café.
Pourquoi d’autres odeurs ou différents facteurs environnementaux ne « gênent-ils pas », pour ainsi dire, l’expérience de sentir des odeurs individuelles ? Des chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis se sont tournés vers leur sujet de recherche de confiance, le criquet, pour le découvrir.
Ce qu’ils ont trouvé était « étonnamment simple », selon Barani Raman, professeur de génie biomédical. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
Raman et ses collègues travaillent avec des criquets depuis des années, observant leur cerveau et leurs comportements liés à l’odorat dans le but de concevoir des criquets renifleurs de bombes. En cours de route, ils ont réalisé des gains substantiels dans la compréhension des mécanismes en jeu dans l’odorat des criquets.
Pour comprendre comment il se fait qu’un criquet puisse reconnaître systématiquement les odeurs quel que soit le contexte, ils se sont inspirés d’Ivan Pavlov. Comme les chiens de Pavlov, les criquets étaient entraînés à associer une odeur à la nourriture, leur préférence étant un brin d’herbe. Après avoir passé une journée sans nourriture, un criquet a été exposé à une bouffée d’odeur (une bouffée d’hexanol ou d’acétate d’isoamyle), puis a reçu un brin d’herbe. En seulement six présentations de ce type, le criquet a appris à ouvrir ses palpes (appendices sensoriels près de la bouche) dans l’attente d’une collation après avoir simplement senti l’« odorant d’entraînement ». Tout comme nous reconnaissons le café, le criquet entraîné pouvait reconnaître l’odeur et ne laissait pas d’autres facteurs gêner.
À ce stade, les chercheurs ont commencé à examiner quels neurones se déclenchaient lorsque le criquet était exposé à l’odeur dans différentes conditions, y compris en conjonction avec d’autres odeurs, dans des conditions humides ou sèches, lorsqu’ils étaient affamés ou entièrement nourris, entraînés ou non entraînés, et pour des durées différentes.
Dans différentes circonstances, il s’est avéré que les chercheurs ont vu des schémas très incohérents de neurones activés même si les palpes de criquet s’ouvraient à chaque fois. « Les réponses neuronales étaient très variables », a déclaré Raman. « Cela semblait être en contradiction avec ce que les criquets faisaient, sur le plan comportemental. »
Comment des réponses neuronales variables pourraient-elles produire un comportement cohérent ou stable ? Pour sonder cela, les chercheurs se sont tournés vers un algorithme d’apprentissage automatique. « Nous voulions voir si, étant donné ces modèles de réponse neuronale variables, pouvons-nous prédire le comportement des criquets ? » dit Raman. « La réponse était oui, nous pouvons. »
L’algorithme s’est avéré très simple à interpréter. Il a exploité deux types fonctionnels de neurones : il y a les neurones ON, qui sont activés lorsqu’un odorant est présent, et il y a les neurones OFF, qui sont réduits au silence lorsqu’un odorant est présent mais deviennent activés après la fin de la présentation de l’odeur.
« Vous pouvez penser aux neurones ON comme véhiculant » une preuve » de la présence d’une odeur, et les neurones OFF comme » une preuve contre » cette odeur étant présente « , a déclaré Raman. Pour reconnaître la présence d’un odorant, les chercheurs devaient simplement ajouter des preuves de la présence de l’odorant (c’est-à-dire ajouter les pointes sur tous les neurones ON) et soustraire des preuves contre cette odeur présente (c’est-à-dire ajouter les pointes sur tous les neurones OFF). Si le résultat dépassait un certain seuil, l’apprentissage automatique prédirait que le criquet sentirait l’odeur.
« Nous avons été surpris de constater que cette approche simple est tout ce qui était nécessaire pour reconnaître de manière robuste un odorant », a déclaré Raman.
Raman a comparé le processus à l’achat d’une chemise. Supposons que vous ayez une liste de qualités que vous recherchez – coton, manches longues, boutonné, couleur unie, peut-être une poche avant pour ranger vos lunettes – et quelques bonnes affaires, telles que le nettoyage à sec uniquement ou les pois .
Vous pouvez avoir de la chance et trouver une chemise qui correspond précisément à ce que vous recherchez. Mais, de manière plus pragmatique, vous feriez un achat tant que la plupart des fonctionnalités que vous recherchez sont présentes et que la majorité des fonctionnalités qui brisent les affaires ne sont pas présentes.
Trouver les fonctionnalités que vous souhaitez est similaire aux informations véhiculées par les neurones ON. L’absence de deal breakers est similaire au silence des neurones OFF. Tant que suffisamment de neurones ON qui sont généralement activés par un odorant se sont déclenchés – et la plupart des neurones OFF ne l’ont pas fait – il serait prudent de prédire que le criquet ouvrira ses palpes en prévision d’une friandise herbeuse.
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