La façon dont la drosophile utilise des antennes pour détecter la chaleur pourrait-elle nous aider à apprendre aux voitures autonomes à prendre des décisions? – Technoguide

Avec plus de 70% des répondants à une enquête annuelle de l’AAA sur la conduite autonome déclarant qu’ils auraient peur d’être dans une voiture entièrement autonome, des fabricants comme Tesla pourraient être de retour à la planche à dessin avant de déployer des systèmes de conduite autonome entièrement autonomes. Mais de nouvelles recherches de l’Université Northwestern nous montrent que nous ferions peut-être mieux de mettre des mouches des fruits au volant plutôt que des robots.

La drosophile est un sujet de science depuis que les humains ont mené des expériences en laboratoire. Mais étant donné leur taille, il est facile de se demander ce que l’on peut apprendre en les observant. Une recherche publiée aujourd’hui dans la revue Nature Communications démontre que les mouches des fruits utilisent la prise de décision, l’apprentissage et la mémoire pour exécuter des fonctions simples comme échapper à la chaleur. Et les chercheurs utilisent cette compréhension pour remettre en question notre façon de penser les voitures autonomes.

«La découverte que la prise de décision flexible, l’apprentissage et la mémoire sont utilisés par les mouches au cours d’une tâche de navigation aussi simple est à la fois nouvelle et surprenante», a déclaré Marco Gallio, l’auteur correspondant de l’étude. “Cela peut nous amener à repenser ce que nous devons faire pour programmer des véhicules autonomes sûrs et flexibles.”

Selon Gallio, professeur agrégé de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences, les questions sous-jacentes à cette étude sont similaires à celles des ingénieurs vexants qui construisent des voitures qui se déplacent seuls. Comment une mouche des fruits (ou une voiture) fait-elle face à la nouveauté? Comment pouvons-nous construire une voiture capable de s’adapter de manière flexible aux nouvelles conditions?

Cette découverte révèle des fonctions cérébrales chez le ravageur domestique qui sont généralement associées à des cerveaux plus complexes comme ceux des souris et des humains.

«Le comportement des animaux, en particulier celui des insectes, est souvent considéré comme des machines en grande partie fixes et câblées», a déclaré Gallio. “La plupart des gens ont du mal à imaginer que des animaux aussi différents de nous qu’une mouche des fruits peuvent posséder des fonctions cérébrales complexes, telles que la capacité d’apprendre, de se souvenir ou de prendre des décisions.”

Pour étudier comment les mouches des fruits ont tendance à échapper à la chaleur, le laboratoire Gallio a construit une minuscule chambre en plastique avec quatre carreaux de sol dont la température pourrait être contrôlée indépendamment et confiné les mouches à l’intérieur. Ils ont ensuite utilisé des enregistrements vidéo haute résolution pour cartographier la réaction d’une mouche lorsqu’elle rencontrait une limite entre une tuile chaude et une tuile froide. Ils ont découvert que les mouches étaient remarquablement douées pour traiter les limites thermiques comme des barrières invisibles pour éviter la douleur ou les dommages.

À l’aide de mesures réelles, l’équipe a créé un modèle 3D pour estimer la température exacte de chaque partie du petit corps de la mouche tout au long de l’expérience. Au cours d’autres essais, ils ont ouvert une fenêtre dans la tête de la mouche et enregistré l’activité cérébrale dans les neurones qui traitent les signaux de température externes.

Miguel Simões, stagiaire postdoctoral au laboratoire Gallio et co-premier auteur de l’étude, a déclaré que les mouches sont capables de déterminer avec une précision remarquable si le meilleur chemin vers la sécurité thermique est à gauche ou à droite. Cartographiant la direction de l’évasion, Simões a déclaré que les mouches «presque toujours» s’échappent à gauche lorsqu’elles s’approchent de la droite, «comme une balle de tennis rebondissant sur un mur».

“Lorsque les mouches rencontrent de la chaleur, elles doivent prendre une décision rapide”, a déclaré Simões. “Est-il sûr de continuer ou devrait-il faire demi-tour? Cette décision dépend fortement de la dangerosité de la température de l’autre côté.”

L’observation de la réponse simple a rappelé aux scientifiques l’un des concepts classiques des débuts de la robotique.

«Dans son célèbre livre, le cybernéticien Valentino Braitenberg a imaginé des modèles simples faits de capteurs et de moteurs qui pourraient se rapprocher de reproduire le comportement animal», a déclaré Josh Levy, étudiant diplômé en mathématiques appliquées et membre des laboratoires de Gallio et professeur de mathématiques appliquées William Kath. “Les véhicules sont une combinaison de fils simples, mais le comportement qui en résulte semble complexe et même intelligent.”

Braitenberg a fait valoir qu’une grande partie du comportement des animaux pouvait être expliquée par les mêmes principes. Mais cela signifie-t-il que le comportement des mouches est aussi prévisible que celui de l’un des robots imaginaires de Braitenberg?

L’équipe Northwestern a construit un véhicule en utilisant une simulation informatique du comportement des mouches avec le même câblage et algorithme qu’un véhicule Braitenberg pour voir à quel point ils pouvaient reproduire le comportement animal. Après avoir exécuté des simulations de course de modèles réduits, l’équipe a mené une sorte de processus de sélection naturelle, en choisissant les voitures qui ont le mieux fonctionné et en les mutant légèrement avant de les recombiner avec d’autres véhicules très performants. Levy a dirigé 500 générations d’évolution dans le puissant cluster informatique NU, construisant des voitures qu’ils espéraient finalement faire aussi bien que des mouches pour échapper à la chaleur virtuelle.

Cette simulation a démontré que les véhicules «câblés» ont finalement évolué pour fonctionner presque aussi bien que les mouches. Mais alors que les vraies mouches ont continué à améliorer leurs performances au fil du temps et à apprendre à adopter de meilleures stratégies pour devenir plus efficaces, les véhicules restent «stupides» et inflexibles. Les chercheurs ont également découvert que même si les mouches accomplissaient la simple tâche d’échapper à la chaleur, le comportement des mouches reste quelque peu imprévisible, laissant de la place aux décisions individuelles. Enfin, les scientifiques ont observé que si les mouches manquant d’antenne s’adaptent et découvrent de nouvelles stratégies pour échapper à la chaleur, les véhicules «endommagés» de la même manière sont incapables de faire face à la nouvelle situation et de tourner en direction de la pièce manquante, finissant par être piégés dans un tourbillon comme un chien poursuivant sa queue.

Gallio a déclaré que l’idée que la navigation simple contient une telle complexité fournit du fourrage pour les travaux futurs dans ce domaine.

Le travail dans le laboratoire Gallio est soutenu par le NIH (prix n ° R01NS086859 et R21EY031849), un programme Pew Scholars en sciences biomédicales et un McKnight Technology Innovation in Neuroscience Awards.

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