De nouveaux fossiles montrent à quoi ressemblaient les cerveaux ancestraux des arthropodes –

Les fossiles, appartenant à un arthropode connu sous le nom de Leanchoilia, confirment la présence – prédite par des études antérieures en génétique et en biologie du développement des embryons d’insectes et d’araignées – d’un domaine frontal extrême du cerveau qui n’est pas segmenté et est invisible chez les arthropodes adultes modernes. Bien qu’invisible, ce domaine frontal donne naissance à plusieurs centres neuronaux cruciaux dans le cerveau des arthropodes adultes, y compris des cellules souches qui finissent par fournir des centres impliqués dans la prise de décision et la mémoire. Ce domaine frontal a été supposé être distinct du cerveau antérieur, du mésencéphale et du cerveau postérieur observés chez les arthropodes vivants, et il a reçu le nom de prosocerebrum, avec “proso” signifiant “avant”.

Décrit dans un article publié aujourd’hui dans la revue Biologie actuelle, les fossiles fournissent la première preuve de l’existence de cette région cérébrale prosocérébrale discrète, qui a un héritage qui apparaît au cours du développement embryonnaire des arthropodes modernes, selon l’auteur principal de l’article Nicholas Strausfeld, professeur de neurosciences à l’Université d’Arizona. .

“Les fossiles extraordinaires que nous décrivons ne ressemblent à rien de ce qui a été vu auparavant”, a déclaré Strausfeld. “Deux systèmes nerveux, déjà uniques car conservés à l’identique, montrent qu’il y a un demi-milliard d’années, cette région cérébrale la plus antérieure était présente et structurellement distincte avant l’apparition évolutive des trois ganglions segmentaires qui désignent le cerveau antérieur, moyen et postérieur. “

Le terme ganglion fait référence à un système de réseaux formant un centre nerveux qui se produit dans chaque segment du système nerveux d’un arthropode. Chez les arthropodes vivants, les trois ganglions qui marquent le cerveau en trois parties se sont condensés pour former une masse solide, masquant leur origine évolutive en tant que structures segmentées.

Les fossiles de tissu cérébral sont extrêmement rares

Découverts dans des gisements de la formation Kaili – une formation géologique de la province du Guizhou au sud-ouest de la Chine – les restes fossilisés de Leanchoilia remontent à la période cambrienne, il y a environ 508 millions d’années. Les fossiles de Kaili se trouvent dans des roches sédimentaires à fortes concentrations de fer, dont la présence a probablement contribué à préserver les tissus mous, qui ont ensuite été remplacés par des dépôts de carbone.

“Les fossiles de Kaili nous ouvrent une fenêtre pour entrevoir l’évolution du plan corporel d’animaux qui vivaient il y a plus d’un demi-milliard d’années”, a déclaré le premier auteur de l’article, Tian Lan du Centre de recherche du Guizhou pour la paléobiologie à l’Université du Guizhou en Chine. “Pour la première fois, nous savons maintenant que les fossiles d’arthropodes de la formation Kaili ont le potentiel de préserver le tissu neural qui nous montre le cerveau primitif de l’arthropode à tige précoce existant à l’aube du monde animal.”

“Les systèmes nerveux, comme d’autres tissus mous, sont difficiles à fossiliser”, a ajouté le co-auteur Pedro Martinez de l’Universitat de Barcelona et de l’Institut Catalá de Barcelone, en Espagne. “Cela fait de l’étude de l’évolution précoce des systèmes neuronaux une tâche difficile.”

Les fossiles jettent également un nouvel éclairage sur l’origine évolutive de deux systèmes visuels distincts dans l’évolution des arthropodes : des paires d’yeux orientés vers l’avant ou des yeux tournés vers le côté, dont les descendants sont encore présents chez les espèces vivant aujourd’hui.

De nombreux arthropodes, y compris les insectes et les crustacés, ont une paire distincte d’yeux composés à facettes et une autre paire d’yeux moins évidents – avec une architecture plus primitive – connus sous le nom d’yeux nauplius, ou ocelles. Ceux-ci sont structurellement similaires aux yeux principaux des araignées et des scorpions. Ces yeux plus simples correspondent aux yeux avant du prosocerebrum dans Leanchoilia, conformément aux preuves obtenues par des études antérieures analysant les modèles d’expression génique au cours du développement embryonnaire d’arthropodes vivants.

Leanchoiliales yeux latéraux de , d’autre part, se rapportent au protocérébrum, qui est le ganglion segmentaire définissant le prosencéphale de l’arthropode, situé juste derrière le prosocerebrum. Chez les arthropodes vivants, le protocerebrum fournit les yeux composés des insectes et des crustacés, ou les yeux latéraux à lentille unique des arachnides, des mille-pattes et des mille-pattes. Les centres visuels desservant ces yeux appartiennent également à la région protocérébrale du cerveau.

Strausfeld a expliqué que chez les arthropodes vivants, le protocerebrum, ou prosencéphale, a incorporé – en quelque sorte, englouti – les anciens centres fournis par le prosocérébrum, de sorte qu’il n’est plus discernable en tant qu’entité anatomique distincte.

Les fossiles sont si bien conservés qu’ils démontrent qu’en plus des yeux antérieurs, le prosocerebrum a également donné naissance à des ganglions associés au labre, ou “lèvre supérieure”, des arthropodes modernes. Les fossiles confirment également une hypothèse antérieure suggérant que le labre doit avoir évolué à l’origine à partir des appendices de préhension de Radiodonta, un groupe d’arthropodes souches qui étaient des prédateurs supérieurs pendant la période cambrienne.

« Comparée à d’autres matériaux fossiles similaires appartenant à des lignées plus avancées, l’organisation de la Leanchoilia cerveau démontre que l’arrangement ganglionnaire du cerveau précoce a subi une condensation et une fusion de ses composants, ce qui explique pourquoi, dans les espèces vivantes, le prosocérébrum ne peut pas être distingué individuellement », a déclaré Strausfeld.

Implications pour l’évolution du cerveau chez les vertébrés

En plus de combler une lacune centenaire dans la compréhension de l’évolution du cerveau des arthropodes, les résultats ont des implications importantes pour l’évolution précoce du cerveau des vertébrés, a déclaré Strausfeld.

Bien que de simples animaux ressemblant à des poissons aient existé en même temps que ces arthropodes désormais fossilisés, il n’y a pas de fossiles convaincants de leur cerveau et, par conséquent, ni de preuves fossiles ni de preuves anatomiques d’un prosocerebrum chez les vertébrés. Pourtant, des études modernes montrent que les gènes définissant les cerveaux antérieur, moyen et postérieur de souris, par exemple, correspondent à des gènes définissant les trois divisions ganglionnaires du cerveau des arthropodes. Et chez les vertébrés, certains centres cruciaux impliqués dans la prise de décision, l’apprentissage et la mémoire ont des correspondances génétiques avec les centres supérieurs du cerveau des arthropodes, issus de l’ancien prosocerebrum des arthropodes.

Ainsi, il est plausible que même plus tôt que la période cambrienne, peut-être même avant l’évolution des plans corporels organisés par segment, l’ancêtre commun des vertébrés et des invertébrés possédait des circuits de base pour une cognition et une prise de décision simples. Et bien qu’un ancien cerveau de type prosocérébral ait pu être présent chez les tout premiers ancêtres des vertébrés, aucun fossile de ce type n’a même suggéré la preuve d’un domaine discret et non segmentaire.

“Néanmoins, on peut raisonnablement supposer que les vertébrés ont incrusté dans leur cerveau “moderne” des parties d’un cerveau ancien et non segmenté qui n’a jusqu’à présent été démontrable que chez un arthropode précoce, tel que Leanchoilia“, a déclaré Strausfeld.

Les co-auteurs supplémentaires de l’étude sont Yuanlong Zhao du Centre de recherche du Guizhou pour la paléobiologie à l’Université du Guizhou à Guiyang, en Chine ; Fangchen Zhao du State Key Laboratory de paléobiologie et de stratigraphie de l’Académie chinoise des sciences à Nanjing, Chine ; et You He de l’installation de rayonnement synchrotron de Shanghai.