Des scientifiques découvrent « une toute nouvelle façon de concevoir le système nerveux »

Cette découverte révolutionnaire fournit de nouvelles informations sur l’évolution des systèmes nerveux complexes chez les espèces d’invertébrés et a le potentiel d’inspirer le développement de dispositifs sous-marins autonomes et d’autres innovations en ingénierie robotique.

Les pieuvres ne sont pas comme les humains – ce sont des invertébrés à huit bras et étroitement apparentés aux palourdes et aux escargots. Malgré cela, ils ont développé des systèmes nerveux complexes avec autant de neurones que de cerveaux canins, ce qui leur a permis d’afficher un large éventail de comportements complexes.

Cela en fait un sujet intéressant pour des chercheurs tels que Melina Hill, Ph.D., professeur William Rennie Harper de biologie des organismes et vice-chancelier de l’université à Université de Chicagoqui veulent comprendre comment des structures alternatives du système nerveux peuvent remplir les mêmes fonctions que celles chez l’homme, telles que la détection des mouvements des membres et le contrôle des mouvements.

Dans une étude récente publiée dans Biologie actuelleEnsuite, Hill et ses collègues ont découvert une nouvelle caractéristique surprenante du système nerveux de la pieuvre : une structure qui permet aux cordons neuromusculaires (INC), qui aident la pieuvre à sentir le mouvement de ses bras, de se connecter aux bras de chaque côté de l’animal.

Cette découverte surprenante fournit de nouvelles informations sur la façon dont les espèces d’invertébrés ont évolué indépendamment des espèces neuronales complexes. Cela pourrait également inspirer l’ingénierie robotique, comme les nouveaux dispositifs sous-marins autonomes.

Une tranche horizontale à la base des bras (étiquetée A) montrant la convergence et l’intersection des INC orales (étiquetées O). Crédit : Kuuspalu et al. , Biologie actuelle2022

« Dans mon laboratoire, nous étudions la mécanosensation et la proprioception – comment le mouvement et la position des membres sont détectés », a déclaré Hill. « Ces INC ont longtemps été considérés comme sensoriels, ils ont donc été une cible intéressante pour aider à répondre aux types de questions que notre laboratoire pose. À ce jour, peu de travaux ont été effectués sur eux, mais des expériences précédentes ont indiqué qu’ils sont important pour le contrôle des bras.

Grâce au soutien à la recherche sur les céphalopodes fourni par le Laboratoire de biologie marine, Hill et son équipe ont pu utiliser des bébés poulpes pour l’étude, qui étaient suffisamment petits pour permettre aux chercheurs d’imager la base des huit bras à la fois. Cela permet à l’équipe de suivre les INC à travers le tissu pour déterminer leur trajectoire.

« Ces pieuvres avaient à peu près la taille d’un nickel ou peut-être un quart, il s’agissait donc de coller les spécimens dans la bonne direction et d’obtenir le bon angle tout en les coupant. [for imaging]a déclaré Adam Koospalo, analyste de recherche principal à UChicago et auteur principal de l’étude.

Initialement, l’équipe étudiait les plus gros cordons nerveux axonaux dans les bras, mais a commencé à remarquer que les INC ne s’arrêtaient pas à la base du bras, mais continuaient plutôt hors du bras dans le corps de l’animal. Réalisant que peu de travail avait été fait pour explorer l’anatomie des molécules INC, ils ont commencé à tracer les nerfs, s’attendant à ce qu’ils forment une boucle dans le corps d’une pieuvre, semblable aux cordons nerveux axonaux.

Grâce à l’imagerie, l’équipe a déterminé qu’en plus de parcourir la longueur de chaque bras, au moins deux des quatre cylindres s’étendent dans le corps de la pieuvre, où ils contournent les bras adjacents et fusionnent avec l’INC du troisième bras. Ce modèle signifie que tous les bras sont connectés symétriquement.

Cependant, il était difficile de dire comment le motif tiendrait sur les huit bras. « Pendant que nous tournions, nous avons réalisé qu’ils ne se réunissaient pas tous comme nous l’avions prévu, ils semblaient tous aller dans des directions différentes, et nous essayions de comprendre comment si le motif est cohérent pour tous les bras, comment cela se passe-t-il travail? » dit Hill. « J’ai même apporté l’un de ces jouets pour enfants, le Spirograph, pour jouer avec ce à quoi il ressemblerait et comment tout se connecterait à la fin. Il a fallu beaucoup filmer et jouer avec les graphismes alors que nous nous creusions la tête sur ce que pourrait se produire avant qu’il ne devienne clair comment tout cela s’emboîte.

Les résultats n’étaient pas du tout ce que les chercheurs espéraient trouver.

« Nous pensons qu’il s’agit d’une nouvelle conception du système nerveux basée sur les membres », a déclaré Hill. « Nous n’avons rien vu de tel chez d’autres animaux. »

Les chercheurs ne savent pas encore à quoi pourrait servir cette conception anatomique, mais ils ont quelques idées.

« Certains des documents de recherche les plus anciens ont partagé des idées intéressantes », a déclaré Hill. Une étude des années 1950 a montré que lorsque vous manipulez un bras d’un côté d’une pieuvre avec des régions cérébrales endommagées, vous verrez les bras répondre de l’autre côté. Par conséquent, ces nerfs pourraient permettre un contrôle décentralisé de la réponse réflexive ou du comportement. Cependant, nous voyons également que les fibres sortent des cordons nerveux dans les muscles le long de leurs voies, de sorte qu’elles peuvent également permettre la continuité des réactions allergiques et le contrôle moteur sur toute leur longueur. « 

L’équipe mène actuellement des expériences pour voir si elle peut mieux comprendre cette question en analysant la physiologie des INC et leur conception unique. Ils étudient également le système nerveux d’autres céphalopodes, y compris les seiches et les seiches, pour voir s’ils partagent une anatomie similaire.

En fin de compte, Hill pense qu’en plus de faire la lumière sur les façons inattendues dont les espèces d’invertébrés peuvent concevoir un système nerveux, la compréhension de ces systèmes pourrait aider à développer de nouvelles technologies d’ingénierie, telles que la robotique.

« Les pieuvres pourraient être une source d’inspiration biologique pour la conception d’appareils autonomes sous la mer », a déclaré Hill. « Pensez à leurs bras – ils peuvent se plier n’importe où, pas seulement au niveau des articulations. Ils peuvent tordre et étendre leurs bras et actionner leurs ventouses, le tout indépendamment. La fonction du bras d’une pieuvre est beaucoup plus complexe que la nôtre, alors comprenez comment les pieuvres s’intègrent l’information sensorimotrice et contrôler leur mouvement peut soutenir le développement de nouvelles technologies.

Référence : « Plusieurs cordons nerveux relient les bras des pieuvres, offrant des voies alternatives de signalisation entre les bras » Par Adam Koospalo, Samantha Cuddy et Melina E. Hill, 28 novembre 2022, disponible ici. Biologie actuelle.
DOI : 10.1016/j.cub.2022.11.007

L’étude a été financée par l’Office of Naval Research des États-Unis.