Un organisme unicellulaire en forme de trompette semble capable de prédire qu'une chose en suivra une autre, ce qui laisse entendre qu'un tel apprentissage associatif est apparu bien avant les systèmes nerveux multicellulaires.
Stentor coeruleus est un organisme unicellulaire doté de capacités inattendues
Un simple organisme unicellulaire, sans cerveau ni neurones, semble capable d’une forme avancée d’apprentissage.
La forme d’apprentissage la plus simple, connue sous le nom d’habituation, consiste à réduire progressivement votre réponse à un stimulus répété et inoffensif, comme une odeur ou un bruit. Ceci est courant chez tous les animaux et a même été observé chez les plantes. Cela a également été démontré chez certains protistes, qui possèdent des cellules eucaryotes complexes comme les animaux, les plantes terrestres et les champignons, mais sont généralement des organismes unicellulaires, notamment les organismes en forme de trompette. Stentor coeruleus et la moisissure visqueuse Physarum polycéphalum.
Il est bien plus difficile d’apprendre à relier différents types de stimuli ou d’événements et à prédire que l’un est lié à l’autre. Un tel apprentissage associatif a été démontré de manière célèbre lorsqu'Ivan Pavlov a associé le son d'une cloche au fait de donner de la nourriture aux chiens, ce qui a fait saliver les animaux lorsqu'ils entendaient la cloche sonner.
Sam Gershman de l'Université Harvard et ses collègues ont utilisé des expériences de conditionnement similaires pour montrer que Stentor semble également capable d’apprentissage associatif.
Ces organismes surprenants vivent dans les étangs et nagent en utilisant des lignes de cils ressemblant à des poils qui courent le long de leurs côtés. Mesurant jusqu'à 2 millimètres de long, ce sont des géants parmi la vie unicellulaire. À une extrémité, ils ont une ancre appelée holdfast à attacher à une surface, tandis qu'à l'autre se trouve leur appareil d'alimentation en forme de trompette.
« Lorsqu'ils sont attachés, ils filtrent simplement leur nourriture. S'ils sont dérangés, ils se contracteront rapidement en une sphère. Pendant ce temps, ils ne peuvent pas se nourrir, il est donc écologiquement avantageux de ne pas réagir ainsi très souvent, à moins qu'ils n'y soient obligés », explique Gershman.
Lui et ses collègues ont utilisé ce comportement pour étudier dans quelle mesure Stentor peut apprendre. Tout d’abord, ils ont tapoté vigoureusement au fond de boîtes de Pétri contenant des cultures de quelques dizaines de Stentor cellules. En réponse, la plupart des organismes se sont contractés rapidement au début, mais à mesure que les coups se poursuivaient toutes les 45 secondes, pour un total de 60 bruits sourds, de moins en moins d'organismes se sont contractés. Stentor contractés, montrant qu'ils s'étaient habitués au signal.
Ensuite, le Stentor les cultures ont ressenti une faible pression – en réponse à laquelle moins d'organismes se contractent généralement – 1 seconde avant une forte pression. Les paires de tapotements se répètent toutes les 45 secondes, ce qui correspond à peu près au temps que cela prend Stentor se déployer à nouveau.
Au cours de 10 essais de ce processus, le risque que les organismes se contractent immédiatement après le faible tapotement a d'abord augmenté, puis diminué. « Nous avons vu cette bosse dans le graphique où le taux de contraction augmente initialement avant de diminuer. Si vous présentez simplement le robinet faible seul, vous ne le voyez pas », explique Gershman.
Les chercheurs disent que cela signifie Stentor a associé le robinet faible au robinet plus grand, ce qui en fait le premier protiste connu capable de maîtriser l'apprentissage associatif. « Cela soulève la question de savoir si des organismes apparemment simples sont capables d'aspects cognitifs que nous associons généralement à des organismes multicellulaires beaucoup plus complexes dotés d'un cerveau », explique Gershman.
Cela suggère également une origine évolutive ancienne de l'apprentissage associatif des centaines de millions d'années avant l'émergence des systèmes nerveux multicellulaires, dit-il. D'autres traces de cela peuvent encore être observées dans la manière dont nos neurones semblent capables d'apprendre à partir de leurs entrées d'une manière qui ne dépend pas de la modification des synapses ou des connexions entre les neurones – c'est ainsi que l'on pense que la plupart des apprentissages fonctionnent, dit-il.
« Il est fascinant qu'une seule cellule puisse faire des choses si complexes que nous pensions qu'elles nécessitaient un cerveau, des neurones et un apprentissage comportemental », déclare Shashank Shekhar de l'Université Emory à Atlanta, en Géorgie, qui a montré que Stentor peut se regrouper en groupes éphémères pour se nourrir plus efficacement.
Il pense que d’autres organismes unicellulaires pourraient également être capables d’apprendre par association. « Mon intuition est que si c'est là une fois, il y sera encore plus », dit-il.
Si un organisme apprend, cela signifie qu’il doit d’une manière ou d’une autre stocker une mémoire. Comment cela se produit dans Stentor n'est pas encore connu, mais Gershman soupçonne que cela implique des récepteurs qui répondent au toucher en laissant le calcium circuler dans la cellule, modifiant ainsi la tension à l'intérieur et conduisant Stentor contracter. Il suggère qu'après des stimuli répétés, certains récepteurs sont modifiés d'une manière ou d'une autre, agissant comme un interrupteur moléculaire pour arrêter la contraction.
