Ces organismes unicellulaires, sans cerveau, montrent une étonnante capacité d’apprentissage selon les scientifiques

La redéfinition de la complexité du vivant

Dans le domaine de la biologie, la notion de vie complexe est presque universellement associée aux organismes multicellulaires. La présence de multiples cellules apporte de fait un niveau de sophistication structurelle qui fait défaut aux formes de vie plus simples. Les organismes unicellulaires sont rarement perçus comme capables de fonctions complexes, étant donné leur architecture rudimentaire.

Une nouvelle recherche, dont les résultats ont été mis en ligne sur le répertoire de prépublications scientifiques bioRxiv, remet en perspective cette hiérarchie. L’étude suggère que certains protistes, bien que constitués d’une seule cellule, présentent des capacités d’apprentissage associatif. Cette découverte indique que cette forme d’évolution de l’apprentissage précède l’apparition de la modification synaptique et la formation des systèmes nerveux multicellulaires qui en découlent.

Le contexte historique : de l’habituation à l’apprentissage associatif

Le fonctionnement des micro-organismes unicellulaires pose la question de la mémorisation et de l’apprentissage en l’absence totale de cerveau. Le magazine New Scientist rappelle que des études antérieures ont déjà démontré la capacité des organismes dépourvus de système nerveux à faire preuve d’un apprentissage de base. Ce processus, appelé habituation, se traduit par une diminution de la réponse d’un organisme lorsqu’il est exposé de manière répétée à un même stimulus.

Cependant, l’apprentissage associatif représente une étape cognitive supérieure, puisqu’il consiste à relier une réponse spécifique à un événement déclencheur particulier. Ce concept a été rendu célèbre dans les années 1890 par le physiologiste russe Ivan Pavlov. Lors de ses expériences sur des chiens, il actionnait régulièrement une cloche au moment des repas. Une fois habitués au son de cette cloche, les animaux de laboratoire salivaient à chaque retentissement, anticipant l’arrivée de la nourriture.

L’organisme étudié : le cilié Stentor coeruleus

Pour mener à bien cette nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur un organisme d’eau douce particulier : Stentor coeruleus. Il s’agit d’un cilié unicellulaire décrit comme particulièrement volumineux, capable de s’étirer pour atteindre une longueur impressionnante de deux millimètres. Ce protiste vivant dans les étangs possède une forme caractéristique rappelant celle d’une trompette ou d’un instrument de la famille des cuivres.

Sur le plan anatomique, cet organisme se distingue par deux caractéristiques majeures. Il dispose d’un crampon, une structure en forme de branche qui lui permet de s’ancrer au fond de l’étang, ainsi que d’un appareil d’alimentation en forme de trompette. Lorsqu’il n’est pas perturbé, le protiste se nourrit librement en déployant sa structure. En revanche, s’il est dérangé, il se recroqueville pour former une boule, ce qui interrompt immédiatement son processus d’alimentation.

Le déroulement de l’expérience en boîte de Petri

Pour vérifier la présence d’un apprentissage pavlovien chez ces créatures, les scientifiques ont placé des spécimens de Stentor coeruleus dans une boîte de Petri. La première phase de l’expérience a consisté à soumettre le récipient à 60 tapotements forts, à raison d’un impact toutes les 45 secondes, ce qui correspond au temps nécessaire pour que l’organisme se déploie à nouveau. Initialement, le protiste s’est recroquevillé en boule, mais au fil des tapotements, les contractions se sont espacées, illustrant le phénomène d’habituation.

L’équipe a ensuite mis en place deux configurations distinctes : une séquence combinant un tapotement faible suivi, une seconde plus tard, d’un tapotement fort, et une autre séquence composée uniquement de deux tapotements faibles. Les chercheurs ont observé que les protistes soumis à la première configuration présentaient une réaction amplifiée au premier tapotement faible, comme s’ils anticipaient le tapotement fort à venir. Cette réponse a fini par diminuer avec le temps, laissant place à une habituation prédictive. À l’inverse, le groupe soumis à la séquence de tapotements faibles n’a montré aucune réaction amplifiée.

Les auteurs de l’étude expliquent leur démarche dans leur publication : « Dans une série d’expériences de conditionnement pavlovien avec le cilié Stentor coeruleus, nous montrons que l’association temporelle de stimuli mécaniques faibles et forts entraîne une réponse de contraction transitoirement amplifiée au stimulus faible. » Ils ajoutent ensuite : « Stentor coeruleus semble capable d’apprentissage associatif, suggérant une origine évolutive ancienne qui a précédé l’émergence des systèmes nerveux multicellulaires. »

Les mécanismes cellulaires sans mémorisation synaptique

La capacité de cet organisme à enregistrer une information pose la question du mécanisme à l’œuvre. Sam Gershman, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Université de Harvard, a précisé à New Scientist qu’un système de récepteurs entre en jeu. Ces récepteurs réagissent au toucher en laissant pénétrer du calcium à l’intérieur de la cellule. Ce récepteur spécifique, agissant comme une sorte d’interrupteur, finit par stopper la contraction de l’organisme.

Les scientifiques concluent sur la portée de ces observations. « Nos découvertes ont de vastes implications pour les origines évolutives de l’apprentissage associatif, » écrivent les auteurs. Ils précisent : « Si des ciliés tels que Stentor […] sont capables d’apprentissage associatif, alors il doit exister un mécanisme cellulaire pour un tel apprentissage qui ne dépend pas de la modification synaptique. » Cette avancée suggère que les organismes qualifiés de simples recèlent une complexité fonctionnelle insoupçonnée.

Selon la source : popularmechanics.com