Les neurones uniques des cténophores éclairent l’évolution du cerveau animal

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| UCal/Kenneth

L’un des débats les plus actifs en biologie de l’évolution concerne l’émergence et l’évolution du cerveau. La majorité des modèles considèrent que les premiers animaux étaient dépourvus de neurones, car les éponges n’en possèdent pas. Toutefois, l’étude détaillée des neurones uniques et inhabituels des cténophores pourrait contredire cette hypothèse. En effet, cela indiquerait que cerveau et neurones ont évolué plusieurs fois indépendamment entre animaux, les cténophores s’étant hypothétiquement détachés de l’arbre évolutionnaire animal avant les éponges. 

Les animaux marins appelés cténophores ont un système nerveux différent de celui de tout autre animal connu. Leurs neurones sont de forme étrange et utilisent des substances chimiques que l’on ne trouve pas dans ceux des autres animaux. Des neurones tout à fait uniques selon Pawel Burkhardt, de l’Université de Bergen en Norvège.

Les neurones particuliers des cténophores peuvent être une adaptation à leur style de vie et au fonctionnement de leur corps. Ils ajoutent également au débat en cours parmi les biologistes évolutionnistes sur la façon dont les premiers cerveaux d’animaux ont évolué. En particulier, il existe une controverse quant à savoir si le cerveau a évolué une fois chez les animaux très précoces, ou plusieurs fois dans différents groupes.

Les cténophores sont l’un des plus anciens groupes d’animaux — et le groupe le plus ancien à avoir un système nerveux. Bien qu’ils ressemblent un peu à des méduses, ils ont une histoire évolutive distincte. Leur nom vient des structures en « peignes » qui longent l’extérieur de leur corps. Chaque peigne est une rangée de minuscules tentacules, qui propulsent les cténophores dans l’eau.

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Ces animaux n’ont pas de grand cerveau central. Au lieu de cela, ils ont un mince réseau de neurones. Les neurones d’autres animaux produisent des signaux chimiques caractéristiques, en particulier de petites protéines appelées neuropeptides. Mais personne n’avait identifié de neuropeptides dans les neurones des cténophores.

Des neurones formant des réseaux individuels

L’équipe de Burkhardt a étudié un spécimen appelé Mnemiopsis leidyi, dont le génome avait déjà été séquencé. Les chercheurs ont utilisé un outil d’apprentissage automatique pour prédire 129 neuropeptides possibles du génome. Ils ont ensuite cultivé M. leidyi en laboratoire et identifié 16 de ces neuropeptides dans leurs neurones. Ils ne ressemblaient à ceux observés chez aucun autre animal.

Dans des expériences de suivi, l’équipe a utilisé les neuropeptides pour marquer les neurones individuels et a découvert que quatre des substances chimiques avaient des effets détectables sur le comportement, modifiant la vitesse à laquelle les cténophores nageaient. Enfin, les chercheurs ont obtenu une image tridimensionnelle d’un neurone à partir du réseau nerveux de l’animal. Ils l’ont créé en prenant de fines tranches de cténophores et en les scannant au microscope électronique, avant de combiner les images résultantes.

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Visualisation d’un neurone de cténophore. Les neurites fusionnent à de très nombreux endroits, formant un véritable réseau. © Maria Y Sachkova et al. 2021

Les neurones ont un corps cellulaire central avec plusieurs vrilles, appelées neurites. Le neurone de cténophore a un vaste éventail de neurites, mais ils fusionnent en plusieurs points. Cela signifie que ce ne sont pas seulement les neurones collectivement qui forment un réseau : les neurones individuels ressemblent également à des réseaux.

On ne sait pas pourquoi les cténophores ont des neurones en forme de réseau… Burkhardt indique que c’est peut-être parce que pour bouger, ils doivent simultanément activer tous leurs peignes, qui sont largement espacés ; le signal de mouvement doit donc être transmis rapidement sur tout le corps.

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Reconsidérer l’évolution du cerveau et des neurones chez les animaux

La découverte peut ajouter aux discussions sur la façon dont les cerveaux ont évolué. Pendant des décennies, on a supposé que les premiers animaux n’avaient pas de neurones parce qu’ils n’existaient pas chez les éponges — dont les ancêtres ont peut-être été le premier des groupes d’animaux encore vivants à se détacher de l’arbre évolutionnaire animal et à commencer à évoluer indépendamment.

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Cependant, certains biologistes croient maintenant que les ancêtres des cténophores plutôt que des éponges ont été les premiers à se détacher de l’arbre évolutionnaire animal, ce qui est conforme à l’idée que les neurones et le cerveau ont évolué au moins deux fois de manière indépendante. Le génome de M. leidyi, publié en 2013, le suggérait — mais depuis lors, l’argument a été soumis à débat.

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Arbre d’évolution des métazoaires, avec les scénarios possibles de l’origine du système nerveux des animaux. © Maria Y Sachkova et al. 2021

L’idée que les cténophores ont émergé en premier est contre-intuitive, car ils sont plus complexes que les éponges, explique Babonis. « Il est difficile pour les gens d’accepter cette relation entre la complexité perçue et l’ordre évolutif de ces animaux. Mais de plus en plus de données le montrent ». Burkhardt rappelle que nous ne devrions pas confondre la question de savoir quel groupe s’est séparé en premier avec la question de savoir combien de fois les neurones ont évolué.

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Il souligne qu’un autre groupe d’animaux, les placozoaires, sont connus pour s’être séparés après les cténophores, et n’ont pas de neurones. « Même si les cténophores sont en deuxième position, ils pourraient très probablement avoir créé leur propre système nerveux. Je pense qu’il est trop tôt pour dire si les neurones ont évolué indépendamment. Mais cette étude ouvre clairement la voie ».

Sources : bioRxiv

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