En mars 2019, dans un train en direction du sud-ouest de Munich, le neuroscientifique Maximilien Bothe Ajusta sa prise prudente sur la glacière sur ses genoux. Il ne contenait pas son déjeuner. À l’intérieur se trouvaient des tissus provenant d’une demi-douzaine de moelles épinières de serpent à sonnette emballées dans de la glace – une livraison spéciale pour son nouveau conseiller de recherche. Boris Chagnaud, neuroscientifique comportemental basé de l'autre côté des Alpes. Dans son laboratoire de l'Université de Graz en Autriche, Chagnaud entretient une ménagerie d'animaux aquatiques qui se déplacent de manière inhabituelle – depuis les piranhas et les poissons-chats qui tambourinent dans leurs vessies pour produire du son jusqu'aux mudskippers qui sautillent sur terre sur deux nageoires. Chagnaud étudie et compare les circuits neuronaux de ces créatures pour comprendre comment de nouvelles façons de se déplacer pourraient évoluer, et Bothe apportait ses épines de serpent à sonnette pour se joindre à cette entreprise.

Les façons dont les animaux se déplacent sont à peu près aussi innombrables que le règne animal lui-même. Ils marchent, courent, nagent, rampent, volent et glissent – ​​et dans chacune de ces catégories se trouvent un nombre considérable de types de mouvements subtilement différents. Une mouette et un colibri ont tous deux des ailes, mais sinon, leurs techniques de vol et leurs capacités sont aux antipodes. Les orques et les piranhas ont tous deux une queue, mais ils accomplissent des types de nage très différents. Même un être humain qui marche ou court bouge son corps de manières fondamentalement différentes.

Le tempo et le type de mouvements qu'un animal donné peut effectuer sont déterminés par le matériel biologique : les nerfs, les muscles et les os dont les fonctions sont liées par des contraintes neurologiques. Par exemple, le rythme de marche des vertébrés est déterminé par des circuits dans leur colonne vertébrale qui se déclenchent sans aucune intervention consciente du cerveau. Le rythme de ce mouvement est dicté par les propriétés des circuits neuronaux qui les contrôlent.

Pour qu’un animal développe une nouvelle façon de se déplacer, quelque chose dans ses circuits neurologiques doit changer. Chagnaud veut décrire exactement comment cela se produit.

« Dans l'évolution, on n'invente pas seulement la roue. Vous prenez des pièces qui étaient déjà là et vous les modifiez », a-t-il déclaré. « Comment modifier les composants partagés par de nombreuses espèces différentes pour créer de nouveaux comportements ? »

Récemment, son équipe a trouvé une réponse à cette question dans ses expériences avec les serpents à sonnettes de Bothe, un organisme doté de deux rythmes de mouvement distincts intégrés dans un corps long et mince.

Leurs résultats, publié dans Current Biology en janvier, a identifié comment le bricolage avec une seule protéine – un canal ionique potassium – pourrait faire en sorte que les motoneurones à déclenchement rapide de la queue cliquetante d'un serpent se comportent davantage comme les motoneurones lents de son corps ondulant, et vice versa. Cette découverte prouve que des changements apparemment infimes dans la physiologie d'un animal peuvent traduire la même commande du système nerveux en différentes manières de se déplacer.

"Ce que j'ai trouvé particulièrement unique et intéressant dans cette étude, c'est qu'elle s'est concentrée sur des motoneurones avec deux fonctions très différentes, mais au sein du même animal", a déclaré le neuroscientifique. Martha Bagnal de l'Université de Washington à Saint-Louis, qui n'a pas participé aux travaux. "Les regarder chez un seul animal leur a donné cette comparaison très intéressante et précise."

Cette découverte montre comment les animaux de l’arbre de vie peuvent développer de nouveaux comportements. Ajuster la bonne pièce de la machinerie biologique – dans ce cas, un canal ionique spécifique – peut changer radicalement les performances, tout comme le fait de tourner la molette de volume sur un haut-parleur. Evolution peut agir d'abord sur les commandes, plutôt que de retravailler l'ensemble de la machine.

"C'était un résultat très net", a déclaré Paul Katz, neuroscientifique comportemental à l'Université du Massachusetts à Amherst, qui n'a pas non plus participé aux travaux. "Et, vous savez, les serpents à sonnettes, ils sont cool."

Vis de réglage

Chagnaud ne s'intéresse pas aux serpents à sonnettes en soi. "Je viens de voir une question biologique intéressante", a-t-il déclaré. "Je suis un opportuniste scientifique."

Son équipe étudie des organismes qui, selon eux, révéleront ce qu'ils appellent l'évolution du comportement. Stellschrauben. Le mot allemand signifie littéralement « vis de réglage », bien que ce soit une traduction maladroite : les Stellschrauben sont les petites commandes qui ajustent les paramètres d'une plus grande machine. Si la machine est le système nerveux et que les réglages sont le comportement direct, les Stellschrauben sont les interrupteurs, déclencheurs et boutons biologiques qui, avec juste un petit ajustement, changent le comportement d'un animal suffisamment radicalement pour avoir des conséquences évolutives.

Les serpents à sonnettes offrent l’opportunité de comprendre comment la biologie modifie ses paramètres de vitesse chez un seul animal. Les chercheurs intéressés par ces questions doivent souvent comparer différentes espèces aux comportements contrastés – par exemple, une mouette et un colibri, qui volent tous deux, mais avec des mouvements différents et des vitesses différentes. Cependant, dans ce cas, il est difficile de déterminer laquelle des nombreuses distinctions biologiques entre les deux espèces sous-tend la variation d’un comportement de mouvement unique. Comparer le glissement lent d'un serpent à sonnettes à son cliquetis rapide évite le problème de comparer des pommes avec des oranges, ou des anchois avec des orques.

Cette idée – que les serpents à sonnettes ont deux façons de se déplacer dans un seul corps – est la raison pour laquelle Bothe s'est retrouvé assis dans un train reliant Munich à Graz avec une glacière pleine d'épines de serpent.

De retour à Graz, il a incorporé le tissu spinal du serpent à sonnettes dans de la gélose, un type de gélatine, et en a fait des tranches très fines pour la microscopie. Visuellement, les motoneurones du hochet et du corps du serpent semblaient exactement les mêmes. Mais lorsque Bothe a utilisé une électrode pour tester leurs propriétés électriques, il a découvert des différences frappantes.

Les neurones modifient leur activité électrique à l'aide de pompes et de canaux intégrés dans leurs membranes cellulaires pour contrôler le flux d'ions chargés comme le potassium et le sodium. Au repos, les neurones gardent leur intérieur plus chargé négativement que leur environnement extérieur, maintenant une tension de membrane au repos d'environ -70 millivolts. Ensuite, lorsque les signaux provenant d’autres neurones augmentent cette tension membranaire, la cellule « se déclenche » : elle ouvre les vannes de ses canaux ioniques et permet aux ions positifs de circuler à l’intérieur, produisant un pic de tension rapide.

Ce pic de tension, appelé potentiel d'action, parcourt la membrane cellulaire du neurone jusqu'à ce qu'il atteigne une synapse, l'interface entre un neurone et une autre cellule, où il déclenche la libération de produits chimiques messagers appelés neurotransmetteurs. Dans le cas des motoneurones et d’un muscle, la libération du neurotransmetteur acétylcholine incite le muscle à se contracter.

Bothe a découvert que le courant électrique nécessaire pour atteindre le seuil de tension et déclencher le motoneurone du corps d'un serpent était « bien inférieur à celui des motoneurones du hochet », a-t-il déclaré. "Vous devez injecter beaucoup plus de courant dans le neurone [du hochet] pour qu'il se déclenche." Et comparés aux motoneurones qui vibrent, les motoneurones du corps réagissent plus lentement.

Étant donné que les neurones à hochet ne se déclenchent qu'en réponse à des signaux importants et évidents, ils sont moins susceptibles d'avoir des ratés en raison de faibles fluctuations du bruit de fond neurologique. Ils sont moins nerveux et plus précis, ce qui leur permet de relayer des signaux à plus haute fréquence.

Après avoir identifié cette différence entre les motoneurones du hochet et ceux du corps, l’étape suivante consistait à trouver les Stellschrauben qui le contrôlent.

Trial and Error

Les neurones sont des cellules, pas des machines, ce qui signifie qu’ils ont une complexité biologique désordonnée. La « vis » que Bothe et Chagnaud recherchaient pour contrôler les propriétés électriques du motoneurone pourrait aller d'une modification subtile de la structure d'une protéine membranaire à l'expression d'un ensemble totalement différent de pompes et de canaux ioniques. Pourtant, les chercheurs avaient de bonnes raisons de penser que leur Stellschrauben impliquerait un canal ionique potassium. Des études antérieures sur les neurones avaient établi que ces canaux sont importants pour régler la précision des neurones, mais leur rôle dans l'ajustement du comportement des motoneurones en particulier n'était pas clair.

"Il existe, disons, une certaine boîte à outils disponible pour l'évolution", a déclaré Bothe. "Alors peut-être que ce sont les mêmes canaux ioniques ici."

Trouver la chaîne exacte a nécessité des années d’essais et d’erreurs. La comparaison de la façon dont les cellules du corps et du hochet exprimaient les gènes des canaux potassiques n’a révélé aucune différence significative. Chagnaud et Bothe ont donc continué en testant les effets de médicaments conçus pour bloquer des types spécifiques de canaux. Finalement, ils ont trouvé un canal qui, une fois bloqué, générait différentes vitesses de déplacement : un canal potassique appelé KV7._2/3.

Bothe a ensuite réalisé des expériences plus précises, en utilisant des médicaments pour améliorer ou entraver l'activité du canal. Lorsqu'il a restreint le canal des motoneurones du hochet, ceux-ci ont déclenché plus lentement et de manière plus imprécise, comme s'il s'agissait de motoneurones corporels. Puis, lorsqu’il a amélioré le canal ionique potassium, il a observé l’effet inverse : les motoneurones du corps se déclenchaient rapidement et précisément, comme des motoneurones qui vibrent.

C'était comme si ce canal ionique était un cadran capable de transformer un type de neurone en un autre. Mais en quoi cette protéine était-elle réellement différente dans le corps et le hochet du serpent ?

Au début, les chercheurs pensaient que les motoneurones du hochet devaient avoir un KV7 supplémentaire._2/3 canaux potassiques. Si les neurones du hochet avaient plus de canaux, pensaient les scientifiques, ils pourraient alors décharger des ions plus rapidement, ramenant la tension vers le bas pour préparer les canaux à se déclencher à nouveau rapidement.

Pour le savoir, Bothe et Chagnaud ont extrait et séquencé l'ARN des deux types de motoneurones de serpent à sonnette et ont envoyé les données à Jason Gallant, biologiste évolutionniste à la Michigan State University, afin de pouvoir comparer l'expression du KV7_2/3 canaliser le gène entre les deux tissus. Le gène du KV7_2/3 Les canaux sont les mêmes dans toutes les cellules du corps de l'animal - mais si les neurones du hochet avaient plus de KV7_2/3 canaux, les chercheurs s’attendraient à voir une expression génique plus élevée dans ce tissu.

Hélas, leur simple explication n’a pas été prouvée. "Il n'y a vraiment aucune différence dans le niveau d'expression des gènes dans ces canaux potassiques, ce qui était décevant", a déclaré Gallant. "Mais je pense que cela ouvre une vision plus réaliste de la biologie."

Les variations dans l'expression du gène auraient fourni un moyen simple et ouvert d'expliquer comment les vis évolutives des motoneurones du serpent à sonnette sont ajustées. Mais la biologie offre d'autres possibilités. Chagnaud et Bothe ont émis l'hypothèse qu'une fois les protéines des canaux construites à partir du modèle génétique, elles pourraient être modifiées sous des formes légèrement différentes qui gèrent les ions différemment. Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour cerner les détails – pour trouver le contrôle qui ajuste le contrôle.

Pour sa part, Katz n'a pas trouvé le résultat décevant du tout. « Ils n’ont donc pas constaté de changement dans l’expression des gènes. C'était la réponse qu'ils attendaient", a-t-il déclaré. "Mais le fait est que c'est un résultat sympa."

Pendant de nombreuses décennies, les chercheurs ont supposé que les circuits moteurs « existent tels qu’ils seront utilisés », a déclaré Katz – ce qui signifie que l’initiation d’un comportement comme la marche ou la natation est simplement une question d’activer le bon circuit. De ce point de vue, l’évolution d’un nouveau comportement nécessiterait une configuration de circuit entièrement nouvelle. Mais dans les études sur des organismes aussi divers que crustacés, limaces de mer et maintenant peut-être des serpents, les chercheurs découvrent que interactions avec les neuromodulateurs et d'autres produits chimiques peuvent moduler l'activité évoquée par un circuit, conduisant les mêmes réseaux de cellules à produire des comportements nettement différents.

La nouvelle étude, a déclaré Katz, laisse entendre que jouer avec cette plasticité pourrait être un moyen de faire évoluer de nouveaux comportements de mouvement. Peut-être que la différence entre le comportement du hochet et celui du corps a quelque chose à voir avec des différences subtiles dans l'environnement chimique de leurs cellules, et non avec la structure ou l'expression du canal ionique lui-même.

"Pour de nombreuses modifications évolutives, votre objectif principal est de ne pas briser l'animal, n'est-ce pas ?" » dit Bagnall. « Tout ce que vous pouvez faire pour ajuster les caractéristiques sans devenir un interrupteur marche/arrêt est un moyen puissant de conduire le changement sans être profondément délétère. »

Tournage et réglage

Cette nouvelle étude montre qu'il est possible d'adapter les motoneurones à des comportements extrêmement différents en modifiant une seule protéine. Mais les motoneurones ne sont qu’une pièce du puzzle du mouvement. Ils constituent le dernier maillon d'une chaîne qui commence par des circuits du système nerveux central appelés générateurs de schémas centraux, qui génèrent les schémas rythmiques impliqués dans la marche ou la natation. Ces circuits en amont sont mieux compris dans d’autres organismes, comme le poisson zèbre. Chez les serpents à sonnettes, les démêler serait la prochaine étape logique.

« Le chaînon manquant numéro un », a déclaré Katz, « est de savoir comment créer la fréquence du hochet ? D’où ça vient ?

Chagnaud est impatient de découvrir si un Stellschraube similaire règle les motoneurones d'une autre espèce redoutée pour sa morsure. Comme les serpents à sonnettes, les piranhas exécutent deux mouvements rythmiques avec des fréquences radicalement différentes : nager, avec une fréquence allant jusqu'à six cycles par seconde, et faire vibrer leur vessie natatoire à des fréquences allant jusqu'à 140 cycles par seconde pour émettre des bruits qui ressemblent à des aboiements, des jappements et battements de tambour. Cependant, contrairement aux serpents à sonnettes, les piranhas utilisent la même section de leur colonne vertébrale pour contrôler les deux types de mouvements.

"Je suis curieux de savoir, est-ce que ce sera KV7_2/3? Nous n’en avons aucune idée», a déclaré Chagnaud. « L'évolution a-t-elle trouvé la même solution au même problème ?

Il a ses doutes. Bien qu’il espère trouver un mécanisme similaire, la découverte surprenante – et parfois frustrante – chez les serpents à sonnettes « a été une révélation », a-t-il déclaré. L'évolution n'est pas un concepteur humain ayant un objectif en tête. Ses méthodes sont mystérieuses et sa boîte à outils est vaste. "Et vous avez des vis très différentes que vous pouvez tourner."