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Comment les cerveaux ont-ils évolué ? Les éponges ont des cellules qui peuvent être

Les éponges sont sans doute les animaux les plus simples et elles n’ont pas de système nerveux, mais des cellules particulières dans leurs chambres digestives peuvent être des précurseurs évolutifs des neurones


La vie


4 novembre 2021

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Une image en microscopie électronique montrant une cellule neuroide spongieuse (orange) avec des projections pouvant communiquer avec une cellule digestive (vert)

Jacob Musser, Giulia Mizzon, Constantin Pape, Nicole Schieber/EMBL

Les éponges n’ont rien qui ressemble à un cerveau, mais elles peuvent néanmoins avoir joué un rôle clé dans l’évolution précoce du système nerveux. Une nouvelle étude révèle que les éponges contiennent des cellules qui ont certaines des capacités des neurones – et celles-ci pourraient être les précurseurs évolutifs des véritables cellules cérébrales.

« Le système nerveux est apparu très tôt chez les animaux et cette transition est jusqu’à présent complètement énigmatique », explique Detlev Arendt au Laboratoire européen de biologie moléculaire à Heidelberg, en Allemagne.

La plupart des animaux ont des cerveaux, ou au moins des neurones, les cellules qui sont leurs éléments constitutifs. Les neurones transportent des signaux électriques sur toute leur longueur et peuvent communiquer entre eux en libérant des substances chimiques appelées neurotransmetteurs, souvent à des jonctions spécialisées appelées synapses.

Cependant, éponges sont l’exception. Elles sont l’un des plus anciens groupes d’animaux encore existantspeut-être le plus ancien. Et ils n’ont pas de système nerveux.

« Les éponges n’ont rien qui ressemble à des neurones, des synapses ou des cerveaux », explique le co-auteur Jacob Musser, également au Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire. Mais son équipe a découvert qu’ils pourraient avoir des précurseurs de ces choses.

Musser, Arendt et leurs collègues ont étudié une éponge d’eau douce appelée Spongilla lacustris. Ils ont séparé des éponges et suivi des cellules individuelles pour voir quels gènes étaient actifs.

Cela a révélé que les éponges étaient composées de 18 types cellulaires distincts, chacun avec un modèle différent d’activité génique. L’équipe a ensuite coloré les différentes cellules pour déterminer où elles se trouvaient dans le corps.

Un type cellulaire s’est démarqué. L’équipe les appelle « neuroïdes » car ils avaient de longues vrilles, ressemblant à celles des neurones. Ils ont été trouvés dans la chambre digestive de l’éponge et sont entrés en contact avec de nombreuses autres cellules à l’intérieur. Leur schéma d’activité génétique suggérait qu’ils sécrétaient des produits chimiques de signalisation, similaires à ceux que les neurones libèrent au niveau des synapses pour communiquer avec leurs voisins.

Arendt souligne que les cellules névroïdes des éponges ne sont pas des neurones. « Nous pensons toujours qu’ils n’ont pas de système nerveux », dit-il. Mais ces cellules peuvent coordonner les activités des cellules digestives. « Nous voyons beaucoup de vésicules dans ces cellules neuroïdes qui indiqueraient qu’elles sécrètent quelque chose, ce qui est une très forte indication pour la communication », dit-il. « Et nous connaissons également le type de molécules qu’ils pourraient produire. »

Éponge biologiste Sally Ley à l’Université de l’Alberta au Canada décrit les données à cellule unique comme « superbe ». Mais elle n’est pas convaincue par l’interprétation de l’équipe. « Je pense qu’il n’y a aucune preuve montrée dans cet article que ceux-ci ont quelque chose à voir avec un précurseur névroïde. »

Leys soutient que bon nombre des gènes sur lesquels l’équipe s’est concentrée sont largement utilisés dans des organismes complexes et ne sont pas spécifiques aux neurones. Les éponges peuvent les utiliser à des fins différentes. Elle veut voir des études fonctionnelles démontrant que les cellules neuroïdes se comportent réellement comme la génétique le suggère.

Arendt souligne que de nombreux gènes et produits chimiques utilisés par les neurones sont en fait anciens : ils sont antérieurs à l’évolution des animaux multicellulaires et peut être trouvé dans nos parents unicellulaires. Plus tard, les gènes ont été dupliqués et certaines versions ont été modifiées, conduisant finalement à des neurones hautement spécialisés pour une communication rapide.

Cette étape s’est produite au début de l’évolution animale. L’autre candidat du groupe animal le plus ancien, les gelées en peigne, avoir des neurones – et ils sont organisés en filet. « Je serais bien d’appeler cela un cerveau », dit Arendt. Les arguments ont fait rage au cours de la dernière décennie pour savoir si les éponges ou les gelées en peigne sont le groupe le plus âgé. Arendt est enclin à croire que les éponges, étant plus simples, sont plus anciennes.

Que penser du fait que les cellules neuroïdes se trouvaient dans le système digestif des éponges ? Arendt et Musser disent qu’il y a de plus en plus de preuves que certains neurones ont évolué à partir de cellules digestives. «Il existe des neurones dans une variété d’animaux différents qui partagent de nombreuses caractéristiques avec les cellules digestives et proviennent même de certains des mêmes précurseurs embryonnaires», explique Arendt. Cependant, d’autres neurones ont plus en commun avec les cellules qui se contractent, comme les cellules musculaires, et peuvent représenter un origine distincte des neurones.

«Beaucoup de chercheurs auraient dit il y a plusieurs années que les neurones avaient probablement une origine unique», explique Musser. « Cette histoire semble changer. »

Référence de la revue : Science, DOI : 10.1126/science.abj2949

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