10 Déc Sortir du laboratoire et aller dans la nature : aller au bout du monde pour mieux comprendre le cerveau

Les scientifiques de l’Institut Weizmann se sont rendus sur une île déserte au large des côtes de l’Afrique de l’Est afin d’enregistrer, pour la toute première fois, l’activité cérébrale de mammifères sauvages et d’étudier comment leur « boussole » neuronale les aide à s’orienter.

À environ 40 kilomètres à l’est de la côte tanzanienne, en Afrique de l’Est, se trouve l’île de Latham, un morceau de terre rocheux, totalement isolé et inhabité, d’une superficie équivalente à sept terrains de football. C’est sur ce bout de terre improbable que les chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont enregistré, pour la toute première fois, l’activité neuronale de mammifères à l’état sauvage. Dans leur étude, publiée dans Science, l’équipe a utilisé un minuscule appareil pour enregistrer, au niveau des neurones individuels, l’activité cérébrale de chauves-souris frugivores volant autour de l’île. Les scientifiques ont découvert que la « boussole » neuronale des chauves-souris est globale : elle fournit des informations directionnelles stables sur l’ensemble de l’île et ne dépend pas de la lune ou des étoiles. De nombreuses espèces partagent la capacité comportementale de s’orienter à l’aide d’une « boussole interne », et il est fort possible que les humains s’appuient sur le même mécanisme neuronal que celui qui a été étudié chez ces chauves-souris.

En 2018, le professeur Nachum Ulanovsky du Département des Sciences du Cerveau de l’Institut Weizmann s’est lancé dans une recherche mondiale pour trouver un environnement naturel qui lui permettrait d’étudier la navigation des mammifères dans la nature. « Je cherchais une zone suffisamment grande pour y relâcher des chauves-souris et observer leur mode de navigation, mais pas trop grande, sans grands arbres et isolée des autres terres, afin que nous puissions facilement recapturer les chauve-souris et récupérer les enregistrements de leur activité cérébrale », explique le prof. Ulanovsky. « On pourrait penser qu’il existe d’innombrables îles qui conviennent, mais même après une recherche systématique à l’échelle mondiale, nous n’avons pas réussi à trouver celle qui convenait. Nuit après nuit, j’ai déplacé le curseur sur Google Earth, à la recherche d’une île au milieu de l’océan. Une nuit, j’ai zoomé sur une région que j’avais déjà parcourue et j’ai soudainement découvert l’île Latham. »

Qu’est-ce qu’un neuroscientifique emporte sur une île déserte ? Le prof. Ulanovsky et son équipe ont apporté du matériel de camping, des équipements de communication par satellite et de nombreux appareils scientifiques, tous expédiés d’Israël vers la Tanzanie. Ils ont engagé des pêcheurs locaux pour leur fournir de la nourriture et les transporter vers et depuis l’île. « L’île est proche de l’équateur ; au cours de l’année, il y a deux saisons sèches avec un temps généralement agréable », explique-t-il. « Nous avons lancé notre expédition en février 2023, lorsque les conditions météorologiques devaient être favorables. Après avoir loué un bâtiment à l’institut vétérinaire central de Tanzanie, nous l’avons rénové et y avons installé un laboratoire. Nous avons sélectionné six chauves-souris frugivores locales de la même espèce que celles que nous avions précédemment étudiées en Israël et leur avons implanté de minuscules dispositifs qui enregistrent leur activité cérébrale et transmettent leur position à l’aide d’un GPS. Il s’agit du plus petit dispositif de ce type au monde, développé spécialement pour cette étude. Nous avons ensuite pris la mer pour nous rendre sur l’île. Malheureusement, le cyclone Freddy, le cyclone tropical le plus long jamais enregistré, faisait encore rage à environ 1 500 kilomètres au sud, générant des vents violents sur l’île et empêchant les chauves-souris de voler pendant la première semaine. Finalement, le temps s’est éclairci et nous avons pu commencer l’expérience. Lors de notre deuxième voyage, en 2024, le temps était beaucoup plus clément et nous n’avons rencontré aucune tempête. »

(l-r) Prof. Nachum Ulanovsky, Shaked Palgi, Dr. Saikat Ray, Dr. Liora Las and Dr. Avishag Tuval

L’expédition, dirigée par Shaked Palgi, le Dr Saikat Ray et le Dr Shir Maimon du laboratoire du Prof. Ulanovsky, a d’abord permis aux chauves-souris de s’acclimater à leur nouvel environnement dans une tente de vol. Ensuite, chaque chauve-souris a été relâchée pour voler seule pendant 30 à 50 minutes chaque nuit. Pendant que les chauves-souris volaient, les chercheurs ont enregistré l’activité de plus de 400 neurones situés profondément dans leur cerveau, dans des régions connues pour être impliquées dans la navigation. Ils ont découvert que chaque fois que les chauves-souris volaient en orientant leur tête dans une direction particulière, par exemple vers le nord, un groupe unique de neurones s’activait, créant ainsi une « boussole interne ». La navigation à l’aide de neurones directionnels avait déjà été observée en laboratoire, mais c’était la première fois que l’on constatait qu’elle se produisait également dans la nature. Lorsque les chercheurs ont analysé les enregistrements provenant de différentes parties de l’île, ils ont découvert que l’activité des cellules directionnelles était 1 cohérente et fiable sur l’ensemble de l’île, ce qui permettait aux chauves-souris de s’orienter sur une vaste zone géographique.

« L’une des grandes questions concernant la navigation chez les mammifères est de savoir si les cellules d’orientation de la tête fonctionnent comme une boussole locale ou globale », explique le Prof. Ulanovsky. « En d’autres termes, un groupe donné de cellules pointe-t-il toujours dans la même direction, par exemple vers le nord, ou la boussole entière se réoriente-t-elle en fonction de l’environnement local ? Nous avons découvert que la boussole est globale et uniforme : peu importe où se trouve la chauve-souris sur l’île et peu importe ce qu’elle voit, certaines cellules pointent toujours dans la même direction : le nord reste le nord et le sud reste le sud. Nous avons également constaté que lorsqu’une chauve-souris se déplaçait de la côte ouest de l’île vers la côte sud, le changement de direction du littoral ne perturbait pas la boussole. De plus, la boussole restait précise même lorsque les chauves-souris volaient à des vitesses et des altitudes différentes. »

La question suivante était de savoir sur quelles informations se basait la boussole des chauves-souris. Nous savons que de nombreux oiseaux migrateurs utilisent le champ magnétique terrestre, dont la direction est uniforme, tout comme une boussole artificielle. Cependant, cela ne semblait pas être le cas des chauves-souris. « Au cours de leurs premières nuits sur l’île, l’activité neuronale de la boussole n’était pas très stable », explique le Prof.  Ulanovsky. « Nous avons observé un processus d’apprentissage progressif jusqu’à ce que, dès la troisième nuit, l’orientation de la boussole des chauves-souris devienne très stable. Un tel apprentissage ne correspond pas à l’utilisation du champ magnétique, qui était présent dès la première nuit. »

Chauve-souris frugivore égyptienne en action. Photos : Yuval Barkai

Une autre façon de s’orienter dans l’espace consiste à se fier aux repères présents dans l’environnement, tels que les grands immeubles dans une grande ville. « Nos conclusions suggèrent que c’est la possibilité la plus probable, et cela correspond à la nécessité de se familiariser avec un nouvel environnement sur plusieurs jours », explique le Prof. Ulanovsky. « Chaque environnement naturel regorge de repères visibles, odorants ou audibles. La topographie de l’île Latham comprenait des falaises et de gros rochers qui pouvaient servir de repères de navigation. Chez les chauves-souris frugivores, la vue est le sens dominant et celui qui a la plus longue portée, nous supposons donc qu’elles s’appuient principalement sur la vision. Contrairement à la navigation basée sur les champs magnétiques, un système qui dépend de l’apprentissage des repères nécessite des calculs neuronaux complexes, en partie parce que seuls certains repères sont visibles depuis un point donné. C’est précisément pour cette raison que l’utilisation de ce système nécessite plusieurs jours d’apprentissage, ou plutôt plusieurs nuits. »

Les chauves-souris, comme les humains et d’autres animaux, pourraient-elles également lever les yeux vers le ciel et s’orienter à l’aide du Soleil, de la Lune et des étoiles ? Les corps célestes sont des repères instables : ils apparaissent, se déplacent puis disparaissent, ce qui complique leur utilisation à des fins d’orientation. Des études en laboratoire avaient précédemment montré que des objets mobiles ressemblant à des corps célestes pouvaient affecter l’activité des cellules de direction de la tête dans le cerveau des mammifères, mais lorsque les chercheurs ont enregistré l’activité de ces cellules chez des chauves-souris volant dans la nature avant et après le lever de la lune, ils n’ont détecté aucun changement. De même, la boussole interne des chauves-souris restait stable et précise, que la lune et les étoiles soient visibles ou cachées par les nuages.

« Nous avons découvert que la lune et les étoiles ne sont pas indispensables à la navigation des chauves-souris », explique le Prof. Ulanovsky. « Il est toutefois possible que leur boussole intègre les repères célestes aux repères terrestres. L’angle des corps célestes par rapport à un animal ne dépend pas de son emplacement exact, ces corps peuvent donc servir à calibrer la boussole. Par exemple, lors de leur première nuit dans un nouvel environnement comme l’île Latham, les chauves-souris pourraient comparer la position des repères terrestres avec celle des corps célestes fournissant une « vérité absolue », ce qui accélérerait considérablement l’apprentissage et stabiliserait la boussole. »

L’île de Latham, située à plus de 40 kilomètres au large des côtes tanzaniennes et mesurant environ 0,05 kilomètre carré

Les cellules d’orientation sont le mécanisme de navigation le plus élémentaire chez les mammifères. Elles apparaissent dès les premiers stades du développement cérébral après la naissance. Elles sont également conservées au cours de l’évolution et se retrouvent chez des espèces allant des mouches aux rongeurs en passant par les chauves-souris. « Jusqu’à récemment, une personne incapable de s’orienter n’aurait pas survécu », explique le Prof. Ulanovsky. « Même aujourd’hui, être capable de s’orienter peut sauver la vie. L’étude de la navigation chez les mammifères nous aide à émettre des hypothèses sur le fonctionnement des mécanismes de navigation dans le cerveau humain et sur la manière dont ils peuvent être perturbés, par exemple dans le cas de maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer. Bien que notre laboratoire à l’Institut Weizmann offre des conditions qui simulent les environnements naturels, notamment de grandes salles de vol et un tunnel pour chauves-souris de 200 mètres de long, même ces installations ne reproduisent pas toute la complexité de la nature. Jusqu’à récemment, il était impossible d’étudier l’activité cérébrale dans des conditions naturelles ; si nous pouvons enfin le faire aujourd’hui, c’est en partie grâce aux progrès technologiques et à la miniaturisation. »

« Bien sûr, mener des recherches dans la nature est complexe et imprévisible », ajoute le Prof. Ulanovsky. « Par exemple, nous avons dû demander à une société commerciale de satellites de déplacer légèrement son satellite afin que nous puissions capter le signal sur l’île. Malgré les difficultés, nos résultats montrent qu’il n’y a pas de substitut à la mise en pratique des connaissances acquises en laboratoire dans le monde réel. Nous espérons que notre étude encouragera d’autres groupes, dans le domaine des sciences du cerveau et au-delà, à sortir leurs recherches du laboratoire et à les mener dans la nature. »