Les céphalopodes sont connus pour leurs incroyables capacités : ils peuvent, par exemple, se déguiser habilement en environnement, utiliser des outils pour résoudre des problèmes, utiliser une mémoire incroyable et faire preuve de curiosité. Et pour cause : ils ont le cerveau le plus développé de tous les invertébrés. Des chercheurs du FAS Center for Systems Biology de l’université d’Harvard ont pu observer directement certains des mécanismes conduisant à ce cerveau atypique : il s’avère que son développement est très similaire à celui des vertébrés.
La classe des céphalopodes, qui comprend notamment les calmars, les seiches et les poulpes, est apparue à la fin du Cambrien, il y a environ 500 millions d’années. Ses représentants ont évolué différemment des vertébrés. Cependant, ils possèdent le système nerveux étendu et complexe et les yeux perçants caractéristiques de la lignée des vertébrés. « La taille du système nerveux animal et la variété des types de cellules qu’il contient sont le résultat d’une régulation stricte de la prolifération et de la différenciation cellulaire au cours du développement », expliquent les chercheurs dans la revue Current Biology.
Cependant, les processus qui déterminent la taille du système nerveux et conduisent à une telle diversité cellulaire ne sont pas bien compris. Pour en savoir plus, la biologiste Kristen Koenig et son équipe ont utilisé une nouvelle technique d’imagerie qui leur a permis d’observer la création de neurones en temps quasi réel chez l’espèce embryonnaire de calmar Doryteuthis pealeii (ou Squid totam), particulièrement commune dans le nord-ouest de l’océan Atlantique. . Ils ont suivi ces cellules tout au long du développement du système nerveux rétinien de l’animal.
Un processus basé sur la formation d’une certaine structure
L’équipe a utilisé des méthodes similaires à celles utilisées pour étudier des organismes modèles tels que les mouches des fruits et le poisson zèbre. Les cellules souches (cellules progénitrices neurales) ont été marquées avec un colorant fluorescent afin qu’elles puissent être cartographiées et suivies ; le comportement de chacun d’entre eux, les chercheurs ont observé à l’aide de microscopes de pointe focalisés sur la rétine d’embryons de calmar – où se concentrent les deux tiers du tissu nerveux de l’animal. Ils ont pris des photos haute résolution toutes les 10 minutes pendant plusieurs heures.
De manière inattendue, l’équipe a remarqué que le calmar Doryteuthis pealeii utilise des mécanismes au cours de la neurogenèse rétinienne qui sont caractéristiques des processus observés chez les vertébrés. « Nos résultats étaient inattendus car une grande partie de ce que nous savons sur le développement neuronal chez les vertébrés a longtemps été considérée comme spécifique à la lignée », a déclaré Kristen Koenig.
Schéma de la neurogenèse rétinienne chez les vertébrés et les céphalopodes. © F. Napoli et al.
Le processus commence par la formation d’un type particulier de structure appelée « épithélium pseudo-stratifié » : les cellules s’allongent pour former un amas dense, mais toutes restent en contact avec la membrane basale. Les chercheurs ont ensuite découvert que les cellules progénitrices rétiniennes de calmar subissent une migration nucléaire jusqu’à ce qu’elles sortent du cycle cellulaire; le noyau de ces structures monte et descend, avant et après la division. « Ce mouvement est important pour garder les tissus organisés et permettre une croissance supplémentaire », ont-ils déclaré.
Schéma d’un système nerveux complexe
Cet épithélium pseudostratifié a été omniprésent dans le développement du cerveau et des yeux des vertébrés, et pour cette raison, on a longtemps pensé qu’il était l’une des raisons pour lesquelles le système nerveux des vertébrés peut devenir si grand et complexe. Cela a déjà été observé chez d’autres animaux, mais l’épithélium de calmar s’est révélé étonnamment très similaire à l’épithélium de vertébré, tant par la taille que par l’organisation et la mobilité des noyaux cellulaires.
Une rétine de calmar dont les membranes cellulaires sont marquées avec un colorant fluorescent. © Kristen Koenig
Ainsi, bien que vertébrés et céphalopodes aient divergé il y a 500 millions d’années, le développement de leur système nerveux repose sur les mêmes mécanismes, et les cellules nerveuses semblent suivre un plan commun. Cela suggère que ces mécanismes peuvent être très importants, voire nécessaires, pour la construction de grands systèmes nerveux, ajoute Koenig.
L’équipe prévoit de poursuivre ses recherches en examinant comment différents types de cellules naissent et se développent dans le cerveau des céphalopodes. Il s’agit notamment de déterminer s’ils s’expriment à des moments différents, comment ils « choisissent » de devenir un type de neurone plutôt qu’un autre, et si cette action est la même d’une espèce à l’autre.
« L’une des leçons importantes de ce type de travail est la valeur qu’il y a à étudier la diversité de la vie. En étudiant cette diversité, on peut en fait revenir aux idées de base même sur notre propre développement », a déclaré le biologiste.
