Les insectes comme les crustacés possèdent des structures cérébrales en forme de champignon connues chez les insectes pour être nécessaires à l’apprentissage, à la mémoire et peut-être à la négociation d’environnements complexes en trois dimensions, selon cette étude dirigée par le neuroscientifique Nicholas Strausfeld de l’Université d’Arizona.
La recherche, publiée dans la revue en accès libre eLife, remet en question une croyance largement répandue dans la communauté scientifique selon laquelle ces structures cérébrales — appelées « corps champignons » — brillent par leur absence dans le cerveau des crustacés.
En 2017, l’équipe de Strausfeld a rapporté une analyse détaillée des corps champignons découverts dans le cerveau de la crevette mante, Squilla mantis. Dans l’article actuel, le groupe fournit des preuves que les caractéristiques neuro-anatomiques qui définissent les corps de champignons — à un moment donné, on pensait qu’il s’agissait d’une caractéristique évolutive propre aux insectes — sont présentes chez tous les crustacés, un groupe qui comprend plus de 50 000 espèces.
On sait que les crustacés et les insectes descendent d’un ancêtre commun qui vivait il y a environ un demi-milliard d’années et qui s’est éteint depuis longtemps.
« Le corps en forme de champignon est une structure cérébrale fondamentale incroyablement ancienne », a déclaré Strausfeld, professeur de neurosciences des Régents et directeur du Center for Insect Science de l’Université d’Arizona. « Quand vous regardez à travers les arthropodes en tant que groupe, c’est partout. »
En plus des insectes et des crustacés, les autres arthropodes comprennent les arachnides, comme les scorpions et les araignées, et les myriapodes, comme les mille-pattes et les centipèdes.
Caractérisés par leur squelette externe et leurs appendices articulés, les arthropodes constituent le groupe d’animaux connu le plus riche en espèces, peuplant presque tous les habitats imaginables. Il y a environ 480 millions d’années, l’arbre généalogique des arthropodes s’est divisé, une lignée produisant les arachnides et une autre les mandibulates. Le second groupe s’est à nouveau divisé pour fournir la lignée menant aux crustacés modernes, dont les crevettes et les homards, et aux créatures à six pattes, dont les insectes — le groupe le plus diversifié d’arthropodes vivant aujourd’hui.
Des décennies de recherche ont permis de démêler les relations évolutives des arthropodes à l’aide de données morphologiques, moléculaires et génétiques, ainsi que de preuves tirées de la structure de leur cerveau.
Les corps des champignons dans le cerveau se sont révélés être les unités centrales de traitement où convergent les entrées sensorielles. La vision, l’odorat, le goût et le toucher y sont tous intégrés, comme l’ont montré des études sur les abeilles domestiques. Disposé par paires, chaque corps de champignon se compose d’une partie en forme de colonne, appelée lobe, coiffée d’une structure en forme de dôme, appelée calice, où convergent les neurones qui relaient les informations envoyées par les organes sensoriels de l’animal. Ces informations sont transmises aux neurones qui alimentent les milliers de fibres nerveuses qui se croisent dans les lobes et qui sont essentielles au calcul et au stockage des souvenirs.
Des recherches récentes menées par d’autres scientifiques ont également montré que ces circuits interagissent avec d’autres centres cérébraux pour renforcer ou réduire l’importance d’un souvenir au fur et à mesure que l’animal rassemble les expériences de son environnement.
« Les corps des champignons contiennent des réseaux où se font des associations intéressantes qui donnent naissance à la mémoire », a déclaré Strausfeld. « C’est ainsi que l’animal donne un sens à son environnement. »
Un groupe de crustacés plus « moderne » du point de vue de l’évolution, appelé Reptantia, qui comprend de nombreux homards et crabes, semble en effet avoir des centres cérébraux qui ne ressemblent pas du tout au corps champignon des insectes. Cela, suggèrent les auteurs, a contribué à créer l’idée fausse que les crustacés sont totalement dépourvus de ces structures.
L’analyse cérébrale des crustacés a révélé que si les corps en champignon trouvés chez les crustacés semblent plus diversifiés que ceux des insectes, leurs éléments neuroanatomiques et moléculaires déterminants sont tous là.
En utilisant des échantillons de cerveau de crustacés, les chercheurs ont appliqué des anticorps marqués qui agissent comme des sondes, se dirigeant vers et mettant en évidence des protéines qui se sont avérées essentielles pour l’apprentissage et la mémoire chez les mouches des fruits. Des techniques sensibles de coloration des tissus ont en outre permis de visualiser l’architecture complexe des corps de champignons.
« Nous connaissons plusieurs protéines qui sont nécessaires à l’établissement de l’apprentissage et de la mémoire chez les mouches des fruits », a déclaré Strausfeld, « et si vous utilisez des anticorps qui détectent ces protéines à travers les espèces d’insectes, les corps de champignons s’illuminent à chaque fois. »
L’utilisation de cette méthode a révélé que les mêmes protéines ne sont pas propres aux insectes ; elles apparaissent dans le cerveau d’autres arthropodes, notamment les mille-pattes, les mille-pattes et certains arachnides. Même les vertébrés, y compris les humains, en possèdent dans une structure cérébrale appelée hippocampe, un centre connu pour la mémoire et l’apprentissage.
« Les centres cérébraux correspondants — le corps du champignon chez les arthropodes, les vers marins, les vers plats et, peut-être, l’hippocampe des vertébrés — semblent avoir une origine très ancienne dans l’évolution de la vie animale », a déclaré Strausfeld.
Alors, pourquoi les crustacés les plus étudiés ont-ils des corps en forme de champignon qui peuvent apparaître si radicalement différents de leurs homologues insectes ? Strausfeld et ses coauteurs ont une théorie : Les espèces de crustacés qui vivent dans des environnements exigeant des connaissances sur des zones tridimensionnelles élaborées sont précisément celles dont les corps de champignons ressemblent le plus à ceux des insectes, un groupe qui a également maîtrisé le monde tridimensionnel en évoluant pour voler.
« Nous ne pensons pas que ce soit une coïncidence », déclare Strausfeld. « Nous proposons que la complexité d’habiter un monde tridimensionnel puisse exiger des réseaux neuronaux spéciaux qui permettent un niveau de cognition sophistiqué pour négocier cet espace en trois dimensions. »
Les homards et les crabes, en revanche, passent leur vie confinés la plupart du temps au fond de la mer, ce qui pourrait expliquer pourquoi on a dit historiquement qu’ils n’avaient pas de corps de champignon.
« Au risque d’offenser les collègues qui ont un faible pour les crabes et les homards : Je considère beaucoup d’entre eux comme des habitants du monde plat », dit Strausfeld. « Les études futures pourront nous dire lesquels sont les plus intelligents : la crevette-mante qui habite les récifs, un prédateur de premier plan, ou le homard reclus. »
Strausfeld a coécrit l’article avec deux de ses anciens étudiants — Gabriella Wolff, maintenant boursière post-doctorale à l’Université de Washington, et Marcel Sayre, maintenant doctorant à l’Université de Lund en Suède. Ils espèrent que l’étude des corps de champignons contribuera davantage à résoudre la question de savoir comment les cerveaux ont pu évoluer et quelles conditions environnementales ont façonné ce processus.
« Cette recherche nous rapproche de la réponse à la question ultime », déclare Strausfeld. « Nous voulons savoir : A quoi ressemblait le cerveau le plus ancien ? »
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