Par Niall Firth
Stefan Siebert et Charles David
Le tir de chaque neurone dans le corps d’un animal a été enregistré, en direct. Cette percée dans l’imagerie du système nerveux d’une hydre – une créature minuscule et transparente apparentée aux méduses – pendant qu’elle tressaute et se déplace a permis de comprendre comment des animaux aussi simples contrôlent leur comportement.
Des techniques similaires pourraient un jour nous aider à mieux comprendre le fonctionnement de notre propre cerveau. « Cela pourrait être important non seulement pour le cerveau humain, mais aussi pour les neurosciences en général », déclare Rafael Yuste de l’Université Columbia à New York.
A la place d’un cerveau, l’hydre possède le système nerveux le plus élémentaire de la nature, un réseau nerveux dans lequel les neurones se répartissent dans tout son corps. Malgré cela, les chercheurs ne savent encore presque rien sur la façon dont les quelques milliers de neurones de l’hydre interagissent pour créer un comportement.
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Pour le découvrir, Yuste et son collègue Christophe Dupre ont génétiquement modifié l’hydre pour que ses neurones s’illuminent en présence de calcium. Comme la concentration d’ions calcium augmente lorsque les neurones sont actifs et émettent un signal, Yuste et Dupre ont pu établir un lien entre le comportement et l’activité des circuits lumineux des neurones.
Par exemple, un circuit qui semble être impliqué dans la digestion dans la cavité semblable à l’estomac de l’hydre est devenu actif chaque fois que l’animal ouvrait la bouche pour se nourrir. Ce circuit pourrait être un ancêtre de notre système nerveux intestinal, suggèrent les deux chercheurs.
Code neuronal
Un deuxième circuit se déclenche lorsque l’hydre contracte son corps en boule pour se cacher des prédateurs. Un troisième semble détecter la lumière et pourrait permettre à l’animal de savoir quand manger – malgré sa cécité, l’hydre a besoin de lumière pour chasser et elle le fait davantage le matin.
L’équipe a constaté qu’aucun neurone n’était membre de plus d’un circuit. Cela suggère que l’animal a évolué des réseaux distincts pour chaque réflexe – un arrangement primitif, beaucoup moins complexe que nos propres systèmes nerveux interconnectés.
Néanmoins, l’hydre est le premier pas vers la rupture du code neuronal – la façon dont l’activité neuronale détermine le comportement, dit Yuste. « L’hydre a le « cerveau » le plus simple de l’histoire de la terre, donc nous pourrions avoir une chance de les comprendre d’abord et ensuite d’appliquer ces leçons à des cerveaux plus compliqués », dit-il.
Yuste espère que voir comment les circuits fonctionnent en temps réel pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur le cerveau humain et nous en dire plus sur les maladies mentales comme la schizophrénie, par exemple. « Nous ne pouvons pas guérir les patients tant que nous ne savons pas comment le système fonctionne », dit-il.
Yuste était l’un des nombreux neuroscientifiques, dont George Church de l’Université de Harvard, qui ont lancé le projet de carte d’activité cérébrale en 2012. Il s’agissait d’un cri de ralliement aux neuroscientifiques, les appelant à enregistrer l’activité de chaque neurone du cerveau humain. Le projet constitue la planche centrale de l’initiative BRAIN, dotée d’un milliard de dollars, lancée par l’administration du président Obama en 2013.
Moment de vérité
L’hydre est désormais le premier animal à disposer d’une de ces cartes créées pour l’ensemble de son corps, bien que l’activité du cerveau entier de poissons zèbres ait également été cartographiée de manière similaire. Ces travaux constituent une « étape impressionnante qui mérite d’être célébrée », a déclaré M. Church. Mais l’étendre aux rongeurs ou aux primates sera très difficile, dit-il.
Dale Purves, neuroscientifique au Duke Institute for Brain Sciences, en Caroline du Nord, doute que l’animal se révèle utile pour nous comprendre. « Vous devez vous demander : est-ce un animal qui va rejoindre la mouche à fruits, le ver et la souris comme organisme modèle à examiner dans la quête d’une meilleure compréhension du système nerveux ? » dit-il. « Ma réponse serait malheureusement non. »
Mais Yuste collabore désormais avec sept autres équipes pour déchiffrer le code neuronal de l’hydre. Ils veulent acquérir une compréhension si complète de la façon dont ses neurones se déclenchent qu’ils pourront utiliser un modèle informatique pour prédire son comportement à partir de son activité neuronale.
« L’un de nos rêves est d’arriver au point des neurosciences où la génétique est arrivée quand elle a compris la double hélice de l’ADN », dit Yuste. Bien que certains aient suggéré que le cerveau est trop compliqué pour cela, Yuste est optimiste. « J’espère que cela se produira de notre vivant et que ce sera un moment aha lorsque le puzzle s’assemblera », dit-il.
Référence du journal : Current Biology, DOI : 10.1016/j.cub.2017.02.049
Lire la suite : « Une brève histoire du cerveau »
Nos cerveaux ont suivi un chemin sinueux de développement à travers des créatures qui ont nagé, rampé et marché sur la terre bien avant nous. Voici quelques-uns de ces animaux, et comment ils ont contribué à faire de nous ce que nous sommes.
Hydra
Nos ancêtres unicellulaires possédaient des mécanismes sophistiqués pour détecter et répondre à l’environnement. Une fois que les premiers animaux multicellulaires sont apparus, cette machinerie a été adaptée à la communication de cellule à cellule. Des cellules spécialisées capables de transmettre des messages au moyen d’impulsions électriques et de signaux chimiques – les premières cellules nerveuses – sont apparues très tôt.
Les premiers neurones étaient probablement connectés en un réseau diffus à travers le corps d’une créature comme cette hydre. Ce type de structure, connu sous le nom de réseau nerveux, peut encore être observé dans les corps frémissants des méduses et des anémones de mer.
Urbilaterien
Lorsque des groupes de neurones ont commencé à se regrouper, l’information pouvait être traitée plutôt que simplement relayée, permettant aux animaux de se déplacer et de répondre à l’environnement de manière toujours plus sophistiquée. Les groupes de neurones les plus spécialisés – la première structure semblable au cerveau – se sont développés près de la bouche et des yeux primitifs.
Selon de nombreux biologistes, cela s’est produit chez une créature ressemblant à un ver, connue sous le nom d’urbilatérien, l’ancêtre de la plupart des animaux vivants, y compris les vertébrés, les mollusques et les insectes.
Cerveau de lamproie
Des régions cérébrales plus spécialisées sont apparues chez les premiers poissons, dont certains ressemblaient aux lamproies vivantes. Leur mode de vie plus actif et nageur a conduit à une pression de construction cérébrale pour s’accoupler, trouver de la nourriture et éviter les prédateurs.
Plusieurs de ces structures centrales se trouvent encore dans nos cerveaux : le tectum optique, impliqué dans le suivi des objets en mouvement avec les yeux ; l’amygdale, qui nous aide à répondre aux situations de peur ; des parties du système limbique, qui nous donne des sentiments de récompense et aide à fixer les souvenirs ; et les ganglions de la base, qui contrôlent les modèles de mouvements.
Cerveau des amphibiens
À un moment donné entre le déplacement des premiers amphibiens sur la terre ferme et l’évolution des mammifères, le néocortex est apparu – des couches supplémentaires de tissu neuronal à la surface du cerveau. Cette partie du cerveau s’est ensuite considérablement développée et est responsable de la complexité et de la flexibilité des mammifères – nous y compris.
Mais comment et quand le néocortex est apparu reste un mystère. Nous ne pouvons pas voir une structure cérébrale équivalente chez les amphibiens vivants, et les fossiles n’aident pas beaucoup non plus : le cerveau des amphibiens et des reptiles ne remplit pas toute la cavité de leur crâne, de sorte que les restes de ces animaux nous disent peu de choses sur la forme de leur cerveau.
Cerveau primitif de mammifère
Le cerveau des mammifères est devenu de plus en plus gros par rapport à leur corps alors qu’ils luttaient pour survivre dans un monde dominé par les dinosaures.
Les scanners CT de mammifères fossiles similaires aux musaraignes ont révélé que la première région à être gonflée était le bulbe olfactif, ce qui suggère que les mammifères dépendaient fortement de leur odorat. Les régions du néocortex qui cartographient les sensations tactiles – probablement l’ébouriffement des poils en particulier – ont également été fortement stimulées, ce qui suggère que le sens du toucher était également vital. Ces résultats cadrent parfaitement avec l’idée que les premiers mammifères ont adopté un mode de vie nocturne pour les aider à esquiver les dinosaures.
Cerveau de chimpanzé
Après la disparition des dinosaures, les ancêtres des primates se sont mis aux arbres. La chasse aux insectes autour des arbres nécessitait une bonne vision, ce qui a conduit la partie visuelle du néocortex à se développer. Le plus grand défi mental pour les primates, cependant, a peut-être été de garder une trace de leur vie sociale, ce qui pourrait expliquer l’énorme expansion des régions frontales du néocortex des primates.
Ces régions frontales sont également devenues mieux connectées, à la fois en elles-mêmes, et à d’autres parties du cerveau qui traitent des entrées sensorielles et du contrôle moteur. Tout cela a permis aux primates de traiter davantage d’informations entrantes et de trouver des moyens plus intelligents d’y réagir. Une lignée de primates, les grands singes, est devenue particulièrement cérébrale.
Cerveau humain
Les chercheurs pensaient que le fait de passer à deux pattes a fait que la taille du cerveau humain a dépassé celle de nos cousins primates les orangs-outans, les gorilles et les chimpanzés. Cependant, les découvertes de fossiles montrent que des millions d’années après que les premiers hominidés soient devenus bipèdes, ils avaient encore de petits cerveaux.
C’est seulement il y a environ 2,5 millions d’années que notre cerveau a commencé à devenir plus gros. Nous ne savons toujours pas pourquoi, mais il est possible qu’une mutation ait affaibli les muscles de la mâchoire de nos ancêtres et permis à nos crânes de s’étendre.
Une fois que nous sommes devenus assez intelligents pour développer des outils et trouver un régime alimentaire plus riche, un effet de rétroaction positif peut s’être déclenché, entraînant une nouvelle expansion du cerveau. De nombreux nutriments sont essentiels pour un gros cerveau, et les animaux intelligents ont plus de chances de les trouver.
Le tableau général est celui d’un cerveau en constante expansion, grâce à l’interaction entre l’alimentation, la culture, la technologie, le langage et les gènes. C’est ce qui a fait naître le cerveau humain moderne en Afrique il y a environ 200 000 ans.Cependant, au cours des 15 000 dernières années, la taille moyenne du cerveau humain par rapport à notre corps a diminué de 3 ou 4 %.
Pour savoir pourquoi, et en savoir plus sur le parcours évolutif du cerveau, lisez « Une brève histoire du cerveau ».
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