Une recherche révèle comment lire dans l’esprit d’une méduse

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Le cerveau humain possède 100 milliards de neurones, créant 100 000 milliards de connexions. Comprendre les circuits précis des cellules cérébrales qui orchestrent tous nos comportements quotidiens, tels que bouger nos membres, réagir à la peur et à d’autres émotions, etc., est un casse-tête incroyablement complexe pour les neuroscientifiques. Mais maintenant, des questions fondamentales sur les neurosciences du comportement peuvent trouver une réponse grâce à un nouvel organisme modèle beaucoup plus simple : de minuscules méduses.

Grâce à une nouvelle boîte à outils génétique, les chercheurs peuvent voir les neurones des méduses lorsqu’ils s’allument en temps réel. Les méduses n’ont pas de cerveau centralisé ; au contraire, leurs cellules cérébrales (neurones) sont réparties dans un réseau diffus dans tout le corps. Comme le montre cette vidéo, cette étude a découvert qu’il existe en fait une organisation spatiale dans la façon dont les neurones sont activés lorsque l’animal coordonne son comportement. Crédit : B. Weissbourd.


Les chercheurs de Caltech ont développé une sorte de boîte à outils génétique conçue pour bricoler avec Clytia hemisphaerica, un type de méduse d’environ 1 centimètre de diamètre à maturité. À l’aide de cette boîte à outils, les minuscules créatures ont été génétiquement modifiées afin que leurs neurones brillent individuellement d’une lumière fluorescente lorsqu’ils sont activés. Parce qu’une méduse est transparente, les chercheurs peuvent alors observer la lueur de l’activité neuronale de l’animal alors qu’il se comporte naturellement. En d’autres termes, l’équipe peut lire dans l’esprit d’une méduse lorsqu’elle se nourrit, nage, échappe aux prédateurs, etc., afin de comprendre comment le cerveau relativement simple de l’animal coordonne ses comportements.

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Un article décrivant la nouvelle étude paraît dans la revue Cell  le 24 novembre. La recherche a été menée principalement dans le laboratoire de David J. Anderson, Seymour Benzer professeur de biologie, Tianqiao et Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair, Howard Hughes Medical Institute Investigator , et directeur du Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience.

En ce qui concerne les organismes modèles utilisés dans les laboratoires, les méduses sont une valeur aberrante extrême. Les vers, les mouches, les poissons et les souris – certains des organismes modèles de laboratoire les plus couramment utilisés – sont tous plus étroitement liés, génétiquement parlant, les uns aux autres qu’à une méduse. En fait, les vers sont évolutivement plus proches des humains que des méduses.

«Les méduses sont un point de comparaison important car elles sont si éloignées de la parenté», déclare Brady Weissbourd, chercheur postdoctoral et premier auteur de l’étude. “Ils nous laissent poser des questions telles que: existe-t-il des principes de neuroscience communs à tous les systèmes nerveux? Ou à quoi auraient pu ressembler les premiers systèmes nerveux?  En explorant la nature plus largement, nous pouvons également découvrir des innovations biologiques utiles. Il est important de noter que de nombreuses méduses sont petites et transparentes, ce qui en fait des plates-formes passionnantes pour la neuroscience des systèmes. C’est parce qu’il existe de nouveaux outils étonnants pour l’imagerie et la manipulation de l’activité neuronale à l’aide de la lumière, et vous pouvez mettre une méduse vivante entière sous un microscope et avoir accès à l’ensemble du système nerveux à la fois.

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Plutôt que d’être centralisé dans une partie du corps comme notre propre cerveau, le cerveau de la méduse, composé d’environ 10 000 neurones, est diffusé dans tout le corps de l’animal comme un filet. Les différentes parties du corps d’une méduse peuvent fonctionner de manière apparemment autonome, sans contrôle centralisé ; par exemple, une bouche de méduse enlevée chirurgicalement peut continuer à «manger» même sans le reste du corps de l’animal.

A translucent jellyfish viewed from above, with a spherical mouth region in its center, and small tentacles around its edges.Image : Clytia hemisphaerica, vue de dessus. L’animal rond et transparent mesure environ un centimètre de diamètre à pleine maturité, avec une bouche centrale et des tentacules disposés uniformément autour de ses bords extérieurs comme des chiffres sur une horloge. Cette méduse possède également quatre gonades de forme ovale visibles sur son corps. Crédit: B. Weissbourd / J. DeGiorgis

Ce plan corporel décentralisé semble être une stratégie évolutive très réussie, car les méduses ont persisté dans tout le règne animal pendant des centaines de millions d’années. Mais, comment le système nerveux décentralisé des méduses coordonne-t-il et orchestre-t-il les comportements?

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Après avoir développé les outils génétiques pour travailler avec Clytia, les chercheurs ont d’abord examiné les circuits neuronaux qui sous-tendent les comportements alimentaires de l’animal. Lorsque Clytia accroche une crevette de saumure dans un tentacule, elle replie son corps afin d’amener le tentacule à sa bouche et plie sa bouche vers le tentacule simultanément. L’équipe a donc cherché à répondre à la question de savoir comment le cerveau de la méduse, apparemment non structuré et radialement symétrique, coordonne-t-il ce repliement directionnel du corps de la méduse.

En examinant les réactions en chaîne incandescentes se produisant dans les neurones des animaux pendant qu’ils mangeaient, l’équipe a déterminé qu’un sous-réseau de neurones qui produit un neuropeptide particulier (une molécule produite par les neurones) est responsable du repliement vers l’intérieur du corps localisé dans l’espace. De plus, bien que le réseau de neurones des méduses semblait à l’origine diffus et non structuré, les chercheurs ont découvert un degré surprenant d’organisation qui n’est devenu visible qu’avec leur système fluorescent.

“Nos expériences ont révélé que le réseau de neurones apparemment diffus qui sous-tend le parapluie circulaire de la méduse est en fait subdivisé en plaques de neurones actifs, organisés en quartiers comme des tranches de pizza”, explique Anderson. “Lorsqu’une méduse accroche une crevette de saumure avec un tentacule, les neurones de la” tranche de pizza “la plus proche de ce tentacule s’activent d’abord, ce qui à son tour fait que cette partie du parapluie se replie vers l’intérieur, amenant la crevette à la bouche. Surtout, ce niveau d’organisation neuronale est totalement invisible si l’on regarde l’anatomie d’une méduse, même au microscope, il faut pouvoir visualiser les neurones actifs pour la voir, c’est ce que nous pouvons faire avec notre nouveau système”.

Weissbourd souligne que cela ne fait qu’effleurer la surface de la compréhension du répertoire complet des comportements des méduses. “Dans les travaux futurs, nous aimerions utiliser cette méduse comme une plate-forme maniable pour comprendre précisément comment le comportement est généré par des systèmes neuronaux entiers”, dit-il. “Dans le contexte du passage des aliments, comprendre comment les tentacules, le parapluie et la bouche se coordonnent les uns avec les autres nous permet d’aborder des problèmes plus généraux de la fonction de modularité au sein des systèmes nerveux et comment ces modules se coordonnent les uns avec les autres. Le but ultime est non seulement de comprendre le système nerveux des méduses, mais de l’utiliser comme tremplin pour comprendre des systèmes plus complexes à l’avenir”.

Le nouveau système modèle est simple à utiliser pour les chercheurs de n’importe où. Les lignées de méduses peuvent être maintenues dans de l’eau de mer artificielle dans un environnement de laboratoire et expédiées aux collaborateurs qui souhaitent répondre aux questions en utilisant les petits animaux.

L’article s’intitule “A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience”. En plus de Weissbourd et Anderson, les co-auteurs supplémentaires sont Tsuyoshi Momose de Sorbonne Université en France, l’étudiant diplômé Aditya Nair, l’ancienne chercheuse postdoctorale Ann Kennedy (maintenant professeure adjointe à la Northwestern University) et l’ancienne technicienne de recherche Bridgett Hunt. Le financement a été fourni par le Caltech Center for Evolutionary Science, le Whitman Center of the Marine Biological Laboratory, la Life Sciences Research Foundation et le Howard Hughes Medical Institute.

Voir la publication

“A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience” by Brandon Weissbourd, Tsuyoshi Momose, Aditya Nair, Ann Kennedy, Bridgett Hunt and David J. Anderson, 24 November 2021, Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.021

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