Avec une vision exceptionnellement fine et la frappe la plus rapide du règne animal, les crevettes mantis sont de redoutables prédateurs des récifs coralliens du monde entier. Crédit :Roy L. Caldwell, Département de biologie intégrative, Université de Californie, Berkeley, Californie
En examinant de près les systèmes neuronaux de la crevette-mante, top arthropodes prédateurs du récif corallien, chercheurs dirigés par Nick Strausfeld à l'Université d'Arizona et Gabriella Wolff, maintenant à l'Université de Washington, découvert des structures cérébrales qui, selon la sagesse des manuels, ne devraient pas être là.
Connu sous le nom de corps de champignon, ces structures, qui jouent un rôle clé dans la formation des souvenirs et l'apprentissage, n'avait été trouvé que chez les insectes - jusqu'à maintenant. Les résultats semblent remettre en question le scénario le plus courant retraçant l'évolution des structures cérébrales chez les arthropodes.
Comme il est universellement admis que les insectes ont évolué à partir des crustacés, et les corps de champignons sont exclusifs aux insectes (ou c'est ce qu'il semblait), la plupart des biologistes s'accordent à dire que ces structures cérébrales uniques ont évolué après que la lignée des insectes s'est séparée de la lignée des crustacés.
Les implications de l'étude, qui est publié dans la revue en libre accès eLife , indiquer l'un des deux scénarios possibles, à la fois susceptibles de susciter un buzz dans la communauté scientifique. Selon Strausfeld, un professeur des régents du département de neurosciences de l'UA et l'auteur principal de l'article, une interprétation suggère que les corps de champignons sont beaucoup plus anciens que les scientifiques ne le pensaient et ont été perdus dans presque tous les crustacés, à l'exception des crevettes mantis, un groupe connu sous le nom de stomatopodes qui est le groupe frère des crustacés tels que les crevettes, homard et crabes. Dans l'autre scénario, les corps des champignons ont évolué indépendamment chez les stomatopodes et sont analogues à leurs homologues chez les insectes, par un processus connu sous le nom d'évolution convergente.
Composé de plus de 4 millions d'espèces, les arthropodes sont le groupe d'animaux le plus grand et le plus diversifié, y compris les crustacés, insectes et araignées. On pense que tous les arthropodes descendent d'un ancêtre commun, probablement une créature qui habitait le fond de l'océan il y a plus de 550 millions d'années. La ramification exacte de l'arbre généalogique des arthropodes à cette époque précoce reste trouble, une image sommaire voilée par les couches de temps profond et les lacunes dans les archives fossiles.
En visualisant les cellules et les connexions neuronales dans le cerveau des crevettes mantis, les auteurs de l'étude montrent que chez les crustacés, seules les crevettes mantis possèdent de vrais corps de champignons. Curieusement, bien que, ils ont également trouvé certains attributs de ces structures emblématiques chez des proches parents de la crevette mante :crevette plus propre, crevettes pistolet et bernard-l'ermite terrestres.
Les corps de champignons de crevettes mantis révèlent des similitudes frappantes avec ceux trouvés chez les insectes. On voit ici les réseaux orthogonaux caractéristiques des fibres nerveuses du corps du champignon d'une crevette mante (en haut) et d'un cafard (en bas). Crédit :Wolff et al.
Ce n'est peut-être pas une coïncidence, les auteurs suggèrent, faisant valoir que parmi les crustacés, les crevettes mantis et leurs parents sont le seul groupe connu qui dépend de la mémoire des emplacements exacts. Ce n'est donc peut-être pas une coïncidence si précisément ces taxons ont conservé des corps de champignons, car « l'un des moteurs proposés de l'évolution des grands corps de champignons est l'exigence de rappeler les emplacements et les propriétés exacts des lieux à partir desquels obtenir de la nourriture, " comme l'écrivent les auteurs.
« Chez les insectes, les corps de champignons sont nécessaires à l'apprentissage et à la mémoire, " Strausfeld dit. "Nous avons montré plus tôt que chez les cafards, ils sont nécessaires pour mémoriser le lieu. Cela peut être vrai pour la plupart des insectes. Retrouver cette structure chez un crustacé est vraiment passionnant, parce qu'il suggère qu'il peut avoir surgi dans les temps lointains :un centre ancien, conservé pendant plus d'un demi-milliard d'années, pour remplir cette fonction."
En utilisant une technique connue sous le nom d'immunohistochimie, Wolff et Strausfeld ont d'abord préparé des sections très minces de tissu cérébral de crevette-mante et appliqué des anticorps qui détectent spécifiquement certaines protéines connues pour jouer un rôle important dans l'apprentissage et la mémoire. Parce que ces anticorps sont couplés à des marqueurs fluorescents, les chercheurs peuvent retracer les emplacements exacts de ces protéines tout en décrivant l'architecture anatomique du système nerveux.
"Lorsque nous étudions les sections colorées pour les protéines d'apprentissage et de mémoire au microscope, les lobes caractéristiques du corps des champignons qui caractérisent les corps des champignons insectes s'éclairent très intensément, ", dit Strausfeld.
L'équipe est convaincue que les structures qu'elle a identifiées sont bien des corps de champignons. Alors que dans le passé, seuls trois caractères neuroanatomiques étaient couramment utilisés pour identifier ces structures caractéristiques dans le cerveau des insectes, l'équipe a étendu cette suite de personnages à 14 et, selon Strausfeld, « pour notre plus grand plaisir, tout comme les insectes, les crevettes mantis révèlent chacune d'entre elles."
Les auteurs de l'étude reconnaissent que, bien qu'intriguant, leurs découvertes ne fournissent aucune conclusion définitive quant à l'évolution exacte des corps de champignons. L'hypothèse selon laquelle des centres identiques d'une complexité aussi étonnante ont évolué de manière convergente chez les stomatopodes et les insectes est tout aussi fascinante que l'alternative - celle des corps de champignons évoluant tôt dans l'évolution de tous les arthropodes. Strausfeld et ses co-auteurs ne parient pas plus sur l'un que sur l'autre.
Lorsque les chercheurs ont coloré le tissu cérébral de la crevette-mante pour les protéines d'apprentissage et de mémoire connues de la mouche des fruits Drosophila et les ont étudiés au microscope, ils ont découvert que les lobes caractéristiques du corps des champignons qui caractérisent leurs homologues chez les insectes "s'éclairaient très intensément". (Image de gauche :crevette mante; image de droite :cafard) L'image au centre montre l'intégralité du corps de champignon reconstruit en 3D de la crevette mante. Crédit :Wolff et al.
"On ne peut pas exclure la convergence, " dit Wolff, "car il est possible que des structures complexes évoluent plusieurs fois, même si ce n'est pas le scénario le plus probable."
En tant que prédateurs supérieurs qui utilisent leur formidable vision pour traquer et chasser des proies sur des distances considérables, les crevettes-mantes doivent évaluer et mémoriser les caractéristiques complexes de leur environnement, notent les auteurs. De la même manière, crevettes plus propres, les crevettes pistolet et les bernard-l'ermite terrestres reposent sur des capacités avancées de mémoire spatiale et temporelle non partagées par d'autres espèces de crustacés, qui ont peut-être perdu leur corps champignon au cours de l'évolution.
Dans les études précédentes, Wolff et Strausfeld ont découvert des structures ressemblant à des corps de champignons dans des taxons qui ont évolué avant les crustacés et les insectes, comme les mille-pattes, les araignées, même les vers plats. Wolff déclare :« Je pense qu'il est très probable que ces structures existaient dans le dernier ancêtre commun des arthropodes, et les espèces qui n'en ont pas les ont secondairement perdues."
Les auteurs espèrent que l'étude des transcriptomes du corps des champignons, les modèles d'expression génique caractérisant leurs neurones participants, servira d'arbitre ultime.
"La question à laquelle nous voulons finalement répondre est:quel était le premier cerveau?" dit Strausfeld. "Notre recherche nous donne un aperçu d'une ancienne structure cérébrale. Le cerveau le plus ancien n'était pas simplement défini comme l'extrémité antérieure du système nerveux, mais quelque chose de plus élaboré. Des traces fossilisées faites il y a plus de 520 millions d'années nous montrent que même les premiers cerveaux pouvaient décider quoi faire ensuite et où retourner, et ces décisions pourraient très bien avoir été informées non seulement par des informations sensorielles immédiates, mais aussi par le rappel. »
