Le câblage cérébral des comportements fondamentaux peut être écrit dans le génome, aucun apprentissage requis
Sommes-nous nés ainsi ?
L’expérience n’est peut-être pas aussi importante que nous le pensions pour façonner le cerveau.
Crédit d’image : grasycho/Shutterstock.com
Quelque part dans la savane, une gazelle est née. Un coup de langue de maman et un vacillement incertain, et elle est prête à courir. Quelque part sur une plage de sable, une petite tortue éclot. Il s'assoit avec ses frères et sœurs sous le sable, jusqu'à ce que, soudain, ils courent en groupe vers la surface et directement dans la mer. Vous êtes-vous déjà demandé comment les animaux sont capables de faire autant de choses dès leur naissance ?
Pour qu’un cerveau fonctionne pleinement, il doit être correctement câblé. Un cerveau humain compte environ 86 milliards de neurones, chacun se connectant via des milliers de synapses à d’autres neurones. Certains neurones sont connectés à leurs voisins, d’autres doivent se frayer un chemin sur plusieurs centimètres (voire jusqu’à un mètre). La manière dont ces liens sont établis fait l’objet de débats depuis des décennies : quelle part est inscrite dans le génome et quelle part découle de l’expérience ? Jusqu’à présent, le débat se situait quelque part entre les deux.
Une étude récente prend cependant position. Non seulement l’expérience (des sens, des programmes moteurs, etc.) n’est pas nécessaire, mais dans son ensemble, l’activité neuronale - les signaux électriques des neurones qui leur permettent de communiquer - n’est pas non plus nécessaire. Le cerveau est câblé et prêt à fonctionner uniquement sur la base de la génétique. L’étude a adopté une approche assez radicale : pour savoir si l’activité neuronale était nécessaire au développement, ils l’ont entièrement supprimée.
« On ne savait tout simplement pas quelle quantité d'activité de développement était nécessaire pour l'assemblage de circuits. [...] L'inspiration était de le faire sur une larve de poisson zèbre, car c'est actuellement le seul vertébré [...] où l'on peut bloquer toute activité tout au long du développement de manière réversible » auteur principal Dr Florian Engert, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l'Université Harvard, a déclaré à IFLScience. « Ce n’était pas une expérience dont nous attendions le résultat. Nous [were] juste ouvert à tout ici. ”
Il avait déjà été démontré que la suppression de l'activité ou de l'expérience neuronale affectait le développement normal, mais les perturbations avaient été localisées. Cela a créé des déséquilibres dans le cerveau conduisant à une compensation des régions non affectées. Le cerveau est sensible aux perturbations et vise toujours l'équilibre, selon le Dr Engert, expliquant les effets observés dans ces expériences.
Faire taire tout le cerveau pendant plusieurs jours n’est pas une tâche facile. Les chercheurs ont utilisé un médicament appelé tricaïne qui bloque l'activité électrique des neurones. Ils devaient s’assurer que les poissons ne soient pas sensibilisés aux médicaments. Ils ont également découvert que le médicament se décomposait en composés toxiques à la lumière, ils ont donc dû élever les poissons dans l'obscurité. Mais après plusieurs séries de tests, ils ont réussi leur expérience. Chez les poissons adultes, cela peut être mortel, mais les larves de poissons ont survécu ! Ils étaient suffisamment petits pour pouvoir respirer à travers leur peau et manger à partir de leur sac vitellin. Il s’avère que vous n’avez pas besoin d’un cerveau pour grandir.
Pour vérifier si le silence avait un effet, ils ont testé la réponse optomotrice (OMR) du poisson, où le poisson zèbre se tourne pour s'aligner sur la vitesse et la direction du mouvement visuel sur tout le champ. On pense que cela leur permet de rester stationnaires dans un flux en mouvement. L'OMR et les circuits neuronaux qui la sous-tendent sont très bien caractérisés chez le poisson zèbre, ce qui le rend idéal pour cette étude. "L'[OMR] nécessite une intégration temporelle, une accumulation de preuves et un contrôle de gain, [...] qui sont liés à l'apprentissage, à la mémoire et à la prise de décision", explique le Dr Engert. "Donc [il] capture en fait beaucoup d'autres aspects d'ordre supérieur, comportements de type cognitif. »
Après trois jours de vie dans de l'eau infusée de tricaïne, les larves de poisson zèbre se sont réveillées de leur quiétude induite par le médicament avec des circuits neuronaux intacts, prêts à effectuer l'OMR. Le manque d’activité neuronale n’a eu aucun effet, le cerveau du poisson possédait tout ce dont il avait besoin dans le génome. « La connexion et l'assemblage initial d'un connectome se déroulent en trois étapes. Le premier est la différenciation et la position soma. Vous placez toutes les unités individuelles au bon endroit et leur donnez la bonne signature. Le deuxième est la croissance des axones, leur guidage le long des gradients morphogénétiques, le tout sous contrôle génétique. Et la dernière étape est la reconnaissance cellule-cellule, c'est-à-dire trouver vos partenaires synaptiques. »
« Chez pratiquement tous les animaux, la plupart des comportements critiques, sinon tous, sont déjà présents lorsque l’animal entre en contact avec le monde. » déclare le Dr Engert « Les connaissances, les compétences, l'aptitude, l'expertise et le pouvoir cognitif sont tous intégrés dans le génome. Chez aucun animal, quelque chose d’essentiel ne doit être appris. « Alors, tout est codé en dur ? Ce n’est pas entièrement déterministe, selon le Dr Engert. Dans le cerveau des vertébrés, il existe également un « élément de câblage stochastique ».
Si nous sommes nés prêts à partir, que se passe-t-il après la naissance ? Au début, « vous devez constamment vous recalibrer parce que les choses changent encore » parce que votre corps continue de grandir. « Si vous souhaitez observer l'étalonnage en action, vous devriez regarder un film montrant un cheval nouveau-né à sa naissance. Et pendant les dix premières minutes, ils trébuchent de manière désordonnée, mais cela se voit vraiment en temps réel. Vous pouvez voir [...] comment le système se calibre. »
Peut-être qu’un jeune cheval est capable de courir peu de temps après sa naissance, mais avez-vous vu un bébé humain ? Selon le Dr Engert, les humains, comme les singes et d’autres animaux, naissent essentiellement prématurément. Cela ne veut pas dire que l’expérience après la naissance est nécessaire au développement précoce. De plus, en tant qu’êtres humains, nous dépendons de nombreuses connaissances acquises, car le langage est au cœur de nos comportements sociaux et cognitifs. Un être humain pleinement fonctionnel a besoin de plus d’expérience pour façonner son cerveau que celle présente à la naissance.
Le problème de savoir à quel point nos cerveaux sont câblés sans expérience est également intéressant pour les réseaux neuronaux. « Les recherches en intelligence artificielle et en neurosciences computationnelles ont mis en évidence comment des modèles faiblement structurés peuvent apprendre à effectuer des tâches complexes », affirment les auteurs. Contrairement à la plupart des réseaux neuronaux, une grande partie du câblage fonctionnel du cerveau est établie sans apprentissage.
Cette étude est publiée dans la revue Nature communications