Les scientifiques ont réussi à lire dans l’esprit des méduses (vidéo)

(À gauche) Les chercheurs ont découvert une organisation spatiale de la façon dont les neurones sont activés lorsqu’une méduse coordonne le comportement ; 
(À droite) La méduse replie le côté droit de son corps pour amener une minuscule crevette de saumure à sa bouche. (Crédit image : B. Weissbourd)

Les scientifiques ont conçu un nouveau modèle pour étudier le système nerveux apparemment simple des méduses.

Les méduses sont peut-être sans cervelle, mais elles peuvent faire des choses étonnamment complexes avec leur système nerveux simpliste. Maintenant, en jouant avec les gènes des méduses, des chercheurs ont mis au point un moyen d’espionner le fonctionnement interne des animaux. 

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont créé un modèle utilisant l’espèce de méduse Clytia hemisphaerica , une méduse transparente en forme de parapluie avec une bouche en forme de tube en son centre. La petite méduse ne mesure que 1 centimètre de diamètre, ce qui signifie que l’équipe pourrait placer la méduse entière au microscope et observer l’ensemble de son système nerveux à la fois.

Alors que le cerveau humain sert de centre de contrôle centralisé pour le corps, les méduses n’ont pas une telle structure dans leur système nerveux. Au lieu de cela, de nombreuses méduses portent un « filet » diffus de nerfs qui rayonne symétriquement depuis le centre de leur corps ; en outre, ils ont un anneau nerveux qui court autour du bas de la cloche – la partie en forme de demi-lune de la méduse. Certaines méduses n’ont pas de filets nerveux et n’ont que des anneaux nerveux, selon un rapport publié en 2013 dans la revue Current Biology , mais C. hemisphaerica possède ces deux structures. 

La grande question est, sans contrôle centralisé de leurs mouvements, comment ces petites méduses exécutent-elles des comportements coordonnés ? Par exemple, comment les créatures blobby arrachent-elles les crevettes de la colonne d’eau, puis se replient-elles en deux pour tirer les collations vers leur bouche tubulaire ?

Pour répondre à cette question, l’équipe a soulevé un lot de C. hemisphaerica avec une modification génétique qui code pour une protéine appelée GCaMP, qui devient verte lorsqu’elle entre en contact avec le calcium. 

La protéine incandescente spéciale a été insérée dans un endroit du génome de la méduse afin qu’elle ne s’illumine que dans les neurones actifs, a déclaré le premier auteur Brandon Weissbourd, chercheur postdoctoral en biologie et en génie biologique au California Institute of Technology. 

« Lorsque les neurones sont actifs, la quantité de calcium [à l’intérieur des neurones] augmente, donc GCaMP devient plus fluorescent. Cela signifie que l’activité neuronale ressemble à un clignotement », a déclaré Weissbourd. 

Mais les méduses sont naturellement luminescentes. Donc, pour voir leur clignotement plus clairement, l’équipe a utilisé CRISPR pour extraire un gène spécifique qui produit une protéine fluorescente différente, qui a continué à surpasser le GCaMP qu’ils avaient inséré, a-t-il déclaré.

Avec leurs méduses ainsi transformées en spectacles de lumière miniatures, l’équipe a mené un certain nombre d’expériences pour voir quels neurones s’illuminaient au cours de leurs comportements alimentaires typiques. Ils ont découvert que, lorsque la méduse s’est accrochée à une crevette de saumure ou est entrée en contact avec un « extrait de crevette » fabriqué par l’équipe, un groupe de neurones physiquement près de la crevette s’est soudainement allumé. 

Cette activation n’a pas eu d’effet sur toute la méduse, comme une pierre tombant dans une flaque d’eau enverrait des ondulations sur toute sa surface. Au contraire, seuls les neurones situés dans une région bien définie et en forme de coin de la cloche se sont allumés en réponse à la collation aux crevettes. Ce coin de neurones actifs avait la forme d’une seule tranche de pizza dans une tarte circulaire, selon un communiqué . Les neurones les plus proches de la crevette se sont allumés en premier, a découvert l’équipe, puis une multitude de lumières stroboscopiques illumineraient le reste de la tranche.

Ainsi, par exemple, si une crevette était placée à l’extrémité de la tranche de pizza, sur sa « croûte », la croûte s’allumerait en premier, suivie du reste de la tranche. Cet effet d’entraînement a coïncidé avec le repliement de la méduse dans le coin de sa cloche, afin d’amener la crevette à sa bouche. 

L’équipe ne s’attendait pas à observer ce niveau d’organisation au sein du réseau nerveux apparemment non structuré, a déclaré Weissbourd.

 « La découverte d’une structure intrinsèque au sein du réseau était certainement surprenante », a-t-il déclaré. 

Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’étudier comment les méduses exercent un contrôle sur tous leurs comportements, pas seulement sur l’alimentation, et elle prévoit d’étudier différentes espèces de méduses, qui ont des comportements différents de C. hemisphaerica , a déclaré Weissbourd. Par exemple, alors que certaines méduses ont un comportement de passage de nourriture similaire à celui de C. hemisphaerica , d’autres utilisent plutôt des pièces buccales à longue portée pour arracher la nourriture de leurs tentacules. 

« Compte tenu de la diversité des méduses, et du fait que beaucoup d’entre elles sont petites et transparentes, je pense qu’elles pourraient fournir une plate-forme passionnante à l’avenir pour comprendre comment évoluent les systèmes nerveux. »

Ces études sur les méduses stroboscopiques pourraient également éclairer les principes de base qui régissent tous les systèmes nerveux, du plus simpliste au plus complexe. 

« L’idée est de développer des approches expérimentales et théoriques pour comprendre comment fonctionnent des systèmes nerveux plus simples comme une étape vers la compréhension du cerveau humain, qui est d’un ordre de grandeur plus complexe », a déclaré Weissbourd.

L’équipe a publié ses conclusions dans la revue Cell . 

Vue d’en haut, la minuscule méduse peut être vue avec une bouche centrale et des tentacules disposés uniformément autour de ses bords extérieurs comme des chiffres sur une horloge. 
La méduse a également quatre gonades de forme ovale visibles sur son corps.(Crédit image : B. Weissbourd / J. DeGiorgis)

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