Ces méduses sans cervelle utilisent leurs yeux et leurs faisceaux de nerfs pour apprendre

Pour les méduses-boîtes des Caraïbes, l’apprentissage est littéralement une évidence.

Dans une nouvelle expérience, ces animaux ont appris à repérer et à éviter les obstacles bien qu'ils n'aient pas de cerveau central, rapportent des chercheurs le 22 septembre dans Biologie actuelle. C’est la première preuve que les méduses peuvent établir des liens mentaux entre des événements – comme voir quelque chose et y tomber – et modifier leur comportement en conséquence.

« Peut-être que l'apprentissage n'a pas besoin d'un système nerveux très complexe, mais plutôt qu'il fait partie intégrante des cellules nerveuses ou de circuits très limités », explique Jan Bielecki, neuroéthologue à l'Université de Kiel en Allemagne. Si tel est le cas, cette nouvelle découverte pourrait aider à retracer l’évolution de l’apprentissage chez les animaux.

Le système nerveux d'une méduse-boîte des Caraïbes (Tripedalia cystophora) comprend quatre rhopales en forme de bouton qui pendent sur la cloche de son corps. Chaque rhopalium abrite six yeux et environ 1 000 neurones. Les méduses utilisent leur vision pour se déplacer entre les racines des mangroves dans les lagons tropicaux, où elles chassent de minuscules proies crustacées.

Tisser entre les racines n’est pas une mince affaire. Les méduses-boîtes des Caraïbes jugent la distance d'une racine en fonction de son obscurité par rapport à l'eau environnante, c'est-à-dire de son contraste. Dans les eaux claires, seules les racines lointaines disparaissent au second plan ou présentent un faible contraste. Mais dans les eaux troubles, même les racines les plus proches peuvent se fondre dans leur environnement.

Les eaux peuvent rapidement devenir troubles à cause des marées, des algues et d’autres facteurs. Bielecki et ses collègues se sont demandés si les méduses-boîtes des Caraïbes pouvaient apprendre que des objets peu contrastés, qui pourraient à première vue sembler éloignés, étaient en réalité proches.

L’équipe a placé 12 méduses dans un réservoir rond entouré de rayures grises et blanches alternées à faible contraste. Une caméra a filmé le comportement des animaux pendant environ sept minutes. Au début, les méduses semblaient interpréter les rayures grises comme des racines lointaines et nageaient dans la paroi du réservoir.

Mais ces collisions semblaient conduire les méduses à traiter les rayures grises davantage comme des racines proches dans une eau trouble, et les animaux ont commencé à les éviter. La distance moyenne des gelées par rapport à la paroi du réservoir est passée d'environ 2,5 centimètres au cours des deux premières minutes à environ 3,6 centimètres au cours des deux dernières minutes. Leur moyenne de coups contre le mur est passée de 1,8 par minute à 0,78 par minute.

« J'ai trouvé cela vraiment étonnant », déclare Nagayasu Nakanishi, biologiste évolutionniste à l'Université de l'Arkansas à Fayetteville, qui a étudié le système nerveux des méduses mais n'a pas participé aux nouveaux travaux. « Je n'aurais jamais pensé que les méduses pouvaient vraiment apprendre. »

Le neurobiologiste Björn Brembs considère les résultats avec plus de prudence, notant le petit nombre de méduses testées et la variabilité de leurs performances. « Je veux que cela soit vrai, car ce serait vraiment cool », déclare Brembs, de l'Université de Ratisbonne en Allemagne. Des expériences avec davantage de méduses pourraient le convaincre que les animaux apprennent vraiment.

Dans d'autres expériences, Bielecki et ses collègues ont coupé des rhopalia sur des méduses et ont placé ces faisceaux nerveux portant les yeux devant un écran. Un peu comme cette scène dans Une orange mécanique, dit Bielecki, sauf que les yeux des méduses n'ont pas de paupières pour rester ouvertes. L’écran affichait des barres gris clair à faible contraste, tandis qu’une électrode donnait aux rhopalia une faible impulsion électrique, qui imitait la sensation de heurter quelque chose.

Cet entraînement a amené les rhopalia à commencer à réagir aux barres à faible contraste qu'elles avaient initialement ignorées. Ils ont commencé à envoyer les types de signaux neuronaux qu’ils sont connus pour émettre lorsqu’une méduse s’éloigne d’un obstacle. Cela suggère que les rhopalia seules peuvent apprendre que des obstacles apparemment éloignés et à faible contraste sont en réalité suffisamment proches pour être évités – ce qui, à son tour, laisse entendre que les rhopalia sont les centres d'apprentissage des méduses-boîtes des Caraïbes.

« C'est la partie la plus intéressante de l'article », déclare Ken Cheng, biologiste comportemental à l'Université Macquarie de Sydney. « Cela nous amène à un pas en avant dans le câblage de la façon dont cela fonctionne. »

Pour la neurobiologiste Gaëlle Botton-Amiot, faire remonter l’apprentissage aux rhopalies soulève de nouvelles questions. « Ils ont quatre de ces choses dans leur corps, alors comment ça marche ? » elle demande. « Comment est-ce coordonné ? » Et si une méduse perd une de ses rhopalia, oublie-t-elle tout ce que ses yeux ont vu et tout ce que ses neurones ont appris ? Ou est-ce que les autres rhopales s'en souviennent ?

Les recherches de Botton-Amiot à l'Université de Fribourg en Suisse suggèrent des capacités d'apprentissage similaires chez les anémones de mer. Comme les méduses, ils appartiennent à un groupe d’animaux appelés cnidaires. « Montrer que des cnidaires si différents (peuvent tous deux apprendre) signifie que c'est probablement très répandu en eux », dit-elle, et que peut-être leur ancêtre commun pourrait également apprendre.

« Peut-être que (l'apprentissage) a évolué à plusieurs reprises au cours de l'évolution du système nerveux », dit Nakanishi. Découvrir la machinerie cellulaire et chimique à l’origine de l’apprentissage chez les méduses ou d’autres animaux pourrait faire la lumière sur ce point. « S'il existe de nombreuses similitudes dans les mécanismes d'apprentissage, cela suggère une ascendance commune », dit-il. « Mais s'ils évoluaient indépendamment, on pourrait alors s'attendre à des mécanismes d'apprentissage très différents. »