Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

Le cerveau est une machine construite pour donner un sens au monde, pourtant l'un de ses mystères les plus profonds demeure la manière dont un réseau physique de cellules donne naissance à une expérience interne et privée. Nous savons que les neurones se connectent les uns aux autres, transmettant des signaux tels que des impulsions électriques ou des murmures chimiques pour construire nos perceptions et nos souvenirs. Mais la carte standard de ces connexions, connue sous le nom de connectome, n'a pas encore expliqué comment le cerveau crée le sentiment du « soi » ou la sensation spécifique d'une odeur ou d'un goût. Une idée théorique appelée l'hypothèse du semblance propose une pièce manquante : lorsque le cerveau apprend à lier deux choses ensemble, les minuscules extrémités réceptrices des neurones impliqués pourraient physiquement se toucher ou se lier d'une manière qui permet de partager leurs signaux directement. Si cela est vrai, le cerveau pourrait générer le souvenir d'une chose simplement en activant la connexion vers une autre, créant ainsi une sensation à la première personne sans le stimulus original présent. Pour tester si un tel mécanisme pourrait exister chez une créature vivante, les chercheurs se sont tournés vers une créature dotée d'un système nerveux suffisamment simple pour être entièrement cartographié, mais suffisamment complexe pour apprendre et se souvenir.

Le sujet de cette investigation est le nématode C. elegans, un organisme minuscule possédant exactement 302 cellules nerveuses dans son corps adulte. Les scientifiques ont déjà reconstruit le diagramme complet du câblage du système nerveux de ce ver à l'aide de puissants microscopes électroniques, créant une carte tridimensionnelle de chaque connexion entre chaque neurone. Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur une partie spécifique du cerveau du ver appelée l'anneau nerveux, qui contient environ 180 de ces neurones. Ils s'intéressaient particulièrement à la manière dont le ver apprend à associer différents sens, comme lier l'odeur de la nourriture à son goût, ou la sensation de température à un lieu spécifique. La théorie qu'ils testaient suggérait que pour que ces associations se produisent, les cellules nerveuses percevant la nourriture, l'odeur et la température devraient toutes converger sur un seul neurone récepteur, et que les connexions entre elles devraient être chimiques plutôt qu'électriques. De plus, si la théorie se vérifie, les minuscules extrémités réceptrices de ces nerfs sensoriels devraient être étroitement regroupées en des points spécifiques sur ce neurone récepteur, presque en contact, pour permettre le partage direct des signaux.

Les chercheurs ont examiné trois cartes différentes et entièrement reconstruites de l'anneau nerveux du ver pour voir si les nerfs sensoriels de la nourriture, de l'odeur et de la température se rejoignaient réellement là où la théorie le prédisait. Ils ont découvert que les nerfs percevant la nourriture, les nerfs percevant les odeurs et les nerfs percevant la température dirigeaient la vaste majorité de leurs connexions vers un seul interneurone appelé AIY. Cette convergence était bien plus spécifique que ce que le hasard permettrait ; ces nerfs sensoriels ne dispersaient pas leurs connexions de manière aléatoire parmi les nombreux neurones disponibles, mais se concentraient intensément sur cette cible unique. De plus, les chercheurs ont vérifié le type de connexions que ces nerfs établissaient. Bien que le système nerveux du ver contienne un mélange de liens électriques et chimiques, les connexions de ces nerfs sensoriels sur le neurone AIY étaient presque entièrement chimiques. Cette distinction est cruciale car le mécanisme proposé pour la création de sensations internes repose sur la transmission chimique, laquelle permet les changements spécifiques et flexibles nécessaires à l'apprentissage, contrairement à la nature rigide et immédiate des connexions électriques.

La partie la plus subtile du test consistait à rechercher une proximité physique. Puisque les nerfs du ver ne possèdent pas les structures de ramification complexes que l'on trouve chez les animaux plus grands, les chercheurs ont cherché des endroits où les extrémités réceptrices de différents nerfs sensoriels atterrissaient sur le même point exact du neurone AIY. Ils ont découvert que les nerfs percevant la nourriture étaient effectivement regroupés en quelques localisations spécifiques sur un côté du neurone AIY, paraissant beaucoup plus proches les uns des autres que ne le prédirait le hasard. Ce regroupement n'a pas été observé pour les nerfs percevant l'odeur ou la température, et aucun regroupement particulier n'a été constaté là où les nerfs de différents sens, comme la nourriture et l'odeur, se rencontraient. Ce motif suggère que le cerveau possède une structure stable et intégrée pour traiter la sensation de nourriture, ce qui est critique pour la survie, tandis que les liens entre différents sens, tels que la nourriture et l'odeur, peuvent être plus temporaires et flexibles, se formant uniquement lorsque l'animal apprend une nouvelle association et se dissolvant peut-être lorsqu'ils ne sont plus nécessaires.

L'étude a également révélé une élégante symétrie dans la disposition de ces nerfs. Les nerfs percevant la nourriture sur les côtés gauche et droit du corps du ver atterrissaient sur le neurone AIY selon un motif en miroir, les nerfs du côté gauche étant plus proches du corps cellulaire d'un côté et ceux du côté droit de l'autre. Ces deux côtés du neurone sont connectés à leurs extrémités lointaines par un pont direct, permettant aux signaux de passer entre eux. Cet arrangement, combiné à des boucles de rétroaction où le neurone AIY renvoie des signaux vers les nerfs sensoriels, suggère un circuit qui pourrait osciller ou alterner en rythme, aidant potentiellement le ver à naviguer dans son environnement en comparant les entrées des deux côtés. Cependant, les chercheurs ont pris soin de noter que, bien que ces caractéristiques structurelles correspondent aux prédictions de la théorie, elles ne constituent pas une preuve que le mécanisme fonctionne réellement. Les cartes montrent que les nerfs sont assez proches pour se toucher, mais elles ne peuvent pas démontrer qu'ils sont réellement liés ou qu'ils partagent des signaux de la manière décrite par la théorie.

En fin de compte, ce travail fournit une base structurelle solide pour une théorie sur la manière dont le cerveau crée des sensations internes, montrant que le système nerveux du ver est organisé de telle sorte qu'un tel mécanisme est possible. Les résultats confirment que les entrées sensorielles convergent vers une cible spécifique, qu'elles utilisent le type correct de transmission chimique et qu'elles se regroupent de manière à permettre une interaction directe. Pourtant, l'absence de regroupement similaire pour les associations apprises entre différents sens suggère que ces liens ne sont pas des éléments permanents dans le cerveau du ver, mais sont probablement dynamiques et changeants. Pour véritablement confirmer la théorie, les scientifiques devraient observer ces connexions chez des animaux vivants et apprenant, et prouver que la perturbation de cet arrangement spécifique empêche le ver de percevoir ou de se souvenir. Pour l'instant, la carte du cerveau du ver offre un aperçu fascinant de l'architecture physique qui pourrait sous-tendre les tout premiers pas de l'expérience consciente.