Des chercheurs de l’Université de Copenhague ont découvert que les méduses-boîtes des Caraïbes, auparavant considérées comme de simples créatures, possèdent des capacités d’apprentissage avancées malgré leur système nerveux de base. Crédit : Jan Bielecki
Les méduses sont plus avancées qu’on ne le pensait. Une nouvelle étude de l’Université de Copenhague a démontré que les méduses-boîtes des Caraïbes peuvent apprendre à un niveau beaucoup plus complexe qu’on ne l’aurait jamais imaginé, bien qu’elles ne disposent que d’un millier de cellules nerveuses et de l’absence de cerveau centralisé. Cette découverte modifie notre compréhension fondamentale du cerveau et pourrait nous éclairer sur notre propre cerveau mystérieux.
Après plus de 500 millions d’années sur Terre, l’immense succès évolutif des méduses est indéniable. Pourtant, nous les avons toujours considérés comme de simples créatures dotées de capacités d’apprentissage très limitées.
L’opinion dominante est qu’un système nerveux plus avancé équivaut à un potentiel d’apprentissage plus avancé chez les animaux. Les méduses et leurs proches, collectivement connus sous le nom de cnidaires, sont considérés comme les premiers animaux vivants à développer un système nerveux et à avoir un système nerveux assez simple et aucun cerveau centralisé.
Depuis plus d’une décennie, le neurobiologiste Anders Garm étudie les méduses-boîtes, un groupe de méduses communément connues pour être l’une des créatures les plus venimeuses au monde. Mais ces gelées mortelles sont intéressantes pour une autre raison : il s’avère qu’elles ne sont pas aussi simples qu’on le croyait autrefois. Et cela ébranle toute notre compréhension de ce dont les systèmes nerveux simples sont capables.
Une méduse-boîte des Caraïbes. Les points noirs incrustés au bas de la cloche constituent le centre visuel, sensoriel et d’apprentissage de l’animal appelé rhopalia. Crédit : Jan Bielecki
«On pensait autrefois que les méduses ne pouvaient gérer que les formes d’apprentissage les plus simples, y compris l’habituation, c’est-à-dire la capacité de s’habituer à une certaine stimulation, comme un son ou un toucher constant. Nous constatons désormais que les méduses ont une capacité d’apprentissage beaucoup plus raffinée et qu’elles peuvent réellement apprendre de leurs erreurs. Et ce faisant, modifiez leur comportement », explique Anders Garm, professeur agrégé au département de biologie de l’Université de Copenhague.
L’un des attributs les plus avancés du système nerveux est la capacité de changer de comportement à la suite de l’expérience – de se souvenir et d’apprendre. L’équipe de recherche, dirigée par Jan Bielecki de l’Université de Kiel et Anders Garm, a décidé de tester cette capacité chez les méduses-boîtes. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Biologie actuelle.
À propos Tripedalia cystophora
- Les méduses-boîtes sont une classe de méduses connues pour être parmi les animaux les plus venimeux au monde. Ils utilisent leur venin pour attraper des poissons et de grosses crevettes. Tripedalia cystophora a un venin un peu plus doux et se nourrit de minuscules copépodes.
- Les méduses-boîtes n’ont pas de cerveau centralisé comme la plupart des animaux. Au lieu de cela, ils ont quatre structures parallèles semblables à celles d’un cerveau, contenant chacune environ un millier de cellules nerveuses. Un cerveau humain possède environ 100 milliards de cellules nerveuses.
- Les méduses-boîtes ont vingt-quatre yeux répartis dans leurs quatre structures semblables à celles d’un cerveau. Certains de ces yeux forment une image, offrant aux méduses-boîtes une vision plus complexe que les autres types de méduses.
- Pour se frayer un chemin à travers les mangroves obscures, quatre d’entre eux Tripedalia cystophora les yeux lèvent les yeux à travers la surface de l’eau et naviguent à l’aide des canopées des mangroves.
- Tripedalia cystophora est l’une des plus petites méduses-boîtes espèces, avec un corps d’environ un centimètre de diamètre seulement. Il vit dans la mer des Caraïbes et dans le centre de l’Indo-Pacifique.
- Contrairement à de nombreuses espèces de méduses, Tripedalia cystophora en fait, il s’accouple lorsque le mâle capture la femelle avec ses tentacules. Les œufs de la femelle sont ensuite fécondés dans son système intestinal, où ils se transforment également en larves.
Un millier de cellules nerveuses sont plus capables qu’on ne le pensait
Les scientifiques ont étudié la méduse-boîte des Caraïbes, Tripedalia cystophora, une méduse de la taille d’un ongle qui vit dans les mangroves des Caraïbes. Ici, ils utilisent leur impressionnant système visuel comprenant 24 yeux pour chasser de minuscules copépodes parmi les racines des mangroves. Tout en constituant un bon terrain de chasse, le réseau de racines est également un endroit dangereux pour les gelées au corps mou.
Ainsi, lorsque les petites méduses-boîtes s’approchent des racines de la mangrove, elles se retournent et s’éloignent. S’ils virent trop tôt, ils n’auront pas assez de temps pour attraper des copépodes. Mais s’ils se retournent trop tard, ils risquent de se cogner contre la racine et d’abîmer leurs corps gélatineux. Ainsi, évaluer les distances est crucial pour eux. Et ici, le contraste est la clé, comme l’ont découvert les chercheurs :
« Nos expériences montrent que le contraste, c’est-à-dire l’obscurité de la racine par rapport à l’eau, est utilisé par les méduses pour évaluer les distances jusqu’aux racines, ce qui leur permet de s’éloigner au bon moment. Ce qui est encore plus intéressant, c’est que la relation entre la distance et le contraste change quotidiennement en raison de l’eau de pluie, des algues et de l’action des vagues », explique Anders Garm, qui poursuit :
« Nous pouvons constater qu’à mesure que chaque nouvelle journée de chasse commence, les méduses-boîtes apprennent des contrastes actuels en combinant impressions visuelles et sensations lors de manœuvres d’évitement qui échouent. Ainsi, bien qu’elles ne disposent que d’un millier de cellules nerveuses – notre cerveau en compte environ 100 milliards – elles peuvent relier les convergences temporelles de diverses impressions et apprendre une connexion – ou ce que nous appelons l’apprentissage associatif. Et ils apprennent aussi vite que les animaux avancés comme les mouches des fruits et les souris.
Les nouveaux résultats de la recherche rompent avec les perceptions scientifiques antérieures de ce dont les animaux dotés d’un système nerveux simple sont capables :
« Pour les neurosciences fondamentales, c’est une très grande nouvelle. Il offre une nouvelle perspective sur ce qui peut être fait avec un simple système nerveux. Cela suggère que l’apprentissage avancé pourrait avoir été l’un des avantages évolutifs les plus importants du système nerveux dès le début », explique Anders Garm.
La méduse-boîte des Caraïbes vit et se nourrit parmi les racines sous-marines des mangroves. Crédit : Anders Gram
Comment ils l’ont fait
Les chercheurs ont reproduit les conditions des mangroves en laboratoire, où des méduses-boîtes ont été placées dans une arène comportementale. Ici, les chercheurs ont manipulé le comportement des méduses en modifiant les conditions de contraste pour voir quel effet cela avait sur leur comportement.
Ils ont appris que l’apprentissage des méduses se fait grâce à des évasions ratées. Autrement dit, ils apprennent en interprétant mal les contrastes et en se heurtant aux racines. Ici, ils ont combiné l’impression visuelle et le choc mécanique qu’ils ressentaient à chaque fois qu’ils heurtaient une racine – et, ce faisant, ils ont appris quand s’éloigner.
« Nos expériences comportementales démontrent que trois à cinq manœuvres d’évitement ratées suffisent à modifier le comportement des méduses afin qu’elles ne touchent plus les racines. Il est intéressant de noter qu’il s’agit à peu près du même taux de répétition que celui dont une mouche des fruits ou une souris a besoin pour apprendre », explique Anders Garm.
L’apprentissage a ensuite été vérifié par des expériences d’électrophysiologie et de conditionnement classique, qui ont également montré où l’apprentissage a lieu dans le système nerveux de la méduse.
À la recherche des cellules cérébrales où se trouve la mémoire
Les scientifiques ont également montré où se déroule l’apprentissage chez ces méduses-boîtes. Cela leur a donné des opportunités uniques d’étudier désormais les changements précis qui se produisent dans une cellule nerveuse lorsqu’elle est impliquée dans un apprentissage avancé.
« Nous espérons que cela pourra devenir un système modèle pour étudier les processus cellulaires dans l’apprentissage avancé de toutes sortes d’animaux. Nous essayons actuellement d’identifier exactement quelles cellules sont impliquées dans l’apprentissage et la formation de la mémoire. Ce faisant, nous pourrons observer quels changements structurels et physiologiques se produisent dans les cellules au fur et à mesure de l’apprentissage », explique Anders Garm.
Si l’équipe de recherche parvient à identifier les mécanismes exacts impliqués dans l’apprentissage chez les méduses, la prochaine étape consistera à savoir si cela s’applique spécifiquement aux méduses ou si on peut le retrouver chez tous les animaux.
« A terme, nous rechercherons les mêmes mécanismes chez d’autres animaux, pour voir si c’est ainsi que fonctionne la mémoire en général », précise le chercheur.
Ce type de connaissances révolutionnaires pourrait être utilisé à de nombreuses fins, selon Anders Garm :
« Comprendre quelque chose d’aussi énigmatique et extrêmement complexe que le cerveau est en soi une chose absolument incroyable. Mais il existe un nombre inimaginable de possibilités utiles. Les diverses formes de démence constitueront sans aucun doute un problème majeur à l’avenir. Je ne prétends pas que nous trouvions le remède à la démence, mais si nous parvenons à mieux comprendre ce qu’est la mémoire, qui est un problème central dans la démence, nous pourrons peut-être jeter les bases d’une meilleure compréhension de la maladie et peut-être le contrecarrer », conclut le chercheur.
L’étude sera publiée aujourd’hui (22 septembre) dans la revue scientifique Biologie actuelle.
L’étude a été menée par Jan Bielecki de l’Université de Kiel et Anders Garm, Sofie Katrine Dam Nielsen et Gösta Nachman du Département de biologie de l’Université de Copenhague.
