Pour Nicholas Strausfeld, un cerveau minuscule est une chose magnifique. Au cours de ses 35 ans de carrière, le neurobiologiste de l’université d’Arizona à Tucson a sondé les minuscules structures cérébrales de cafards, de punaises d’eau, de vers de velours, de crevettes saumâtres et de dizaines d’autres invertébrés. À l’aide de microscopes, de pinces et d’appareils électroniques fabriqués à la main, lui et ses étudiants diplômés décortiquent – tout en douceur – le fonctionnement cellule par cellule de structures cérébrales de la taille de quelques grains de sel. De cette analyse fastidieuse, Strausfeld conclut que les insectes possèdent « les cerveaux les plus sophistiqués de cette planète ».
Strausfeld et ses étudiants ne sont pas seuls à se dévouer. Bruno van Swinderen, chercheur à l’Institut des neurosciences (NSI) de San Diego, trouve des indices de fonctions cognitives supérieures chez les insectes – des indices de ce qu’une revue scientifique a appelé « les racines lointaines de la conscience ».
« Beaucoup de gens se moqueraient de l’idée que les insectes aient un cerveau qui soit en quelque sorte comparable à celui des primates », ajoute Strausfeld. « Mais il faut penser aux principes qui sous-tendent la façon dont on construit un cerveau, et ces principes sont probablement universels. »
Les résultats sont controversés. « Les preuves que j’ai vues jusqu’à présent ne m’ont pas convaincu », déclare Gilles Laurent, neuroscientifique à Caltech. Mais certains chercheurs envisagent des possibilités qui choqueraient la plupart des observateurs profanes. « Nous n’avons littéralement aucune idée du niveau de complexité du cerveau auquel la conscience s’arrête », déclare Christof Koch, un autre neuroscientifique de Caltech. La plupart des gens disent : « Pour l’amour du ciel, un insecte n’est pas conscient ». Mais comment pouvons-nous le savoir ? Nous ne sommes plus sûrs. Je ne tue plus les insectes inutilement. »
Heinrich Reichert, de l’université de Bâle en Suisse, s’intéresse de plus en plus à « la parenté de tous les cerveaux ». Les propres études de Reichert sur l’origine du cerveau mènent à un ancêtre peu connu, une humble créature appelée Urbilateria, qui frétillait et nageait il y a près d’un milliard d’années. Grand-père de tous les animaux à symétrie bilatérale, Urbilateria est l’ancêtre des araignées, des escargots, des insectes, des amphibiens, des poissons, des vers, des oiseaux, des reptiles, des mammifères, des crabes, des palourdes – et oui, des humains.
Il y a, bien sûr, de bonnes raisons de considérer le cerveau des insectes comme primitif – du moins quantitativement. Les humains possèdent 100.000.000.000 de cellules cérébrales. Un cafard possède près de 1 000 000 de cellules cérébrales ; une mouche à fruits, seulement 250 000. Pourtant, les insectes font preuve d’une impressionnante gestion de l’information : Les neurones sont dix fois plus denses dans leur cerveau que chez les mammifères. Ils utilisent également chaque cellule du cerveau de manière plus souple que les mammifères. Plusieurs vrilles éloignées d’un seul neurone peuvent agir indépendamment les unes des autres, ce qui accroît la puissance de calcul sans augmenter le nombre de cellules. Ces circuits permettent à une abeille, qui compte à peine un million de neurones, de s’éloigner de sa ruche sur une distance de dix kilomètres, de trouver de la nourriture et de rentrer directement à la maison. Peu d’humains pourraient faire de même, même avec une carte et une boussole.
En surface, les cerveaux des insectes et des mammifères ne se ressemblent en rien. Ce n’est qu’en étudiant les connexions cellule par cellule que l’étonnante similitude apparaît. Un après-midi, Christopher Theall, l’un des étudiants en doctorat de Strausfeld, me montre son propre dispositif expérimental permettant d’accéder à une partie du cerveau de la blatte appelée « corps champignon ». On pense que cette structure cérébrale en forme de champignon est analogue à l’hippocampe des mammifères, un composant cérébral impliqué dans la formation de souvenirs de lieux.
« Ce que nous essayons de faire », dit Theall, alors que nous entrons dans un laboratoire exigu, « c’est de mettre à l’échelle les techniques qui ont été utilisées sur les cerveaux des rats et des primates – de les mettre à l’échelle d’un cerveau qui a un millième de la taille. »
L’appareil expérimental de Theall repose sur une table qui flotte sur de l’air pressurisé absorbant les vibrations. Même un chariot qui cliquette dans le couloir à l’extérieur pourrait compromettre l’expérience. Comme Theall doit enregistrer des impulsions nerveuses d’un seul ^1/10.0000 de volt, la table est enfermée dans une cage qui bloque les interférences électromagnétiques des lumières de la pièce. Travaillant sous un microscope avec des pinces, des mains stables et une respiration retenue, Theall façonne un fil de cuivre qui n’a que deux fois le diamètre d’un globule rouge en électrodes qu’il insérera dans le cerveau de la blatte.
« Ils sont fragiles », dit-il. « Même une brise provenant de l’ouverture d’une porte peut ruiner quelques heures de travail. »
Après 20 heures de préparation, Theall est prêt à faire l’expérience. En tournant un bouton tout en regardant dans le microscope, il enfonce l’électrode dans le cerveau du cafard jusqu’à ce qu’elle repose dans l’un des corps des champignons. Pendant l’expérience, Theall va entraîner ce cafard à gagner une récompense : Si l’insecte pointe son antenne vers certains points de repère, il recevra des bouffées d’odeur de beurre de cacahuète. Theall veut écouter les neurones pour déterminer comment ils contribuent à l’apprentissage de l’emplacement de ces repères.
La dernière étape de l’expérience – la dissection du corps du champignon – permet à Theall de voir les deux ou trois cellules qu’il a surveillées. Comme ces cellules ont absorbé le cuivre libéré par l’électrode, il peut les distinguer des 200 000 autres cellules cérébrales du corps du champignon. Theall trace ensuite la structure de chaque cellule à l’aide d’un stylo, de papier et d’une boîte à lumière. C’est comme dessiner un chêne noueux jusqu’à la dernière brindille, et la reconstruction d’une seule cellule peut prendre deux jours. Theall, un étudiant typique du laboratoire de Strausfeld, réalisera des centaines d’expériences de ce type avant la fin de son doctorat.
Theall et Strausfeld ne savent jamais laquelle des dizaines de milliers de cellules ils vont toucher lorsqu’ils puisent dans le corps champignon d’un cafard. Cependant, en répétant l’expérience à plusieurs reprises, ils parviennent à dresser un tableau des types de cellules existants, de la façon dont ces cellules fonctionnent lors des tâches de mémorisation des lieux et des types de connexions qu’elles forment avec d’autres cellules. Cellule par cellule, ils espèrent reconstituer les circuits de la structure.
Lors d’une discussion dans son bureau, Strausfeld esquisse un corps de champignon, soulignant plusieurs parallèles avec l’hippocampe, le centre cérébral consacré à la mémoire et à la localisation chez les mammifères. La base est constituée de milliers de fibres nerveuses parallèles qui s’entrecroisent comme le grain d’une pièce de bois. Plus haut, à partir de la base, les fibres envoient des connexions en boucles qui ressemblent à des poignées de bidon sur une autoroute ; c’est cette forme qui a valu à cette partie du cerveau le nom de « corps en forme de champignon ». Les connexions rejoignent les fibres plus haut, près du sommet. Strausfeld soupçonne que ces voies en boucle rassemblent des éléments d’information connexes, comme les vues et les odeurs de divers points de repère qu’un cafard rencontre, l’un après l’autre, lorsqu’il se rend à son domicile et en revient.
« La géométrie de la structure, dit-il, rappelle si étrangement l’hippocampe. » Strausfeld et d’autres chercheurs cherchent des indices pour savoir si ces similitudes résultent d’une parenté profonde et ancienne ou simplement de solutions analogues qui ont évolué indépendamment pour aider à la survie.
Dans son laboratoire souterrain de l’Institut des neurosciences, van Swinderen observe une mouche suspendue dans ce qui équivaut à un théâtre IMAX miniature. L’installation est conçue pour surveiller la concentration de l’attention dans le cerveau de la mouche. Un écran LED entoure la mouche et affiche une séquence d’objets clignotants devant ses yeux, deux objets à la fois. En ce moment, il s’agit d’un X et d’un carré. Le X clignote 12 fois par seconde et le carré 15 fois par seconde.
Van Swinderen a inséré une électrode dans le cerveau de la mouche pour surveiller son activité neuronale. Les ondes cérébrales déchiquetées percolant à travers l’électrode défilent sur un écran d’ordinateur. Dans ce fouillis de pics déchiquetés se cachent deux minuscules signaux : une onde qui monte et descend 12 fois par seconde et une autre qui monte et descend 15 fois par seconde. Ces deux ondes émanent de milliers de cellules cérébrales qui réagissent aux deux objets scintillants. Plus le nombre de cellules réagissant à l’unisson à un objet donné est important, plus l’onde correspondante est élevée. En notant quelle onde est la plus élevée, van Swinderen peut dire quelle cible la mouche dirige plus d’attention.
Van Swinderen préfère l’appeler « saillance » plutôt qu' »attention », car il ne veut pas laisser entendre que les mouches sont conscientes. Mais quel que soit le nom de cette focalisation perceptive, la trouver chez une mouche a d’énormes implications pour comprendre les racines de la conscience chez les humains. Chaque seconde, nous sommes inondés d’informations sensorielles provenant de nos yeux, de nos oreilles, de notre nez et de chaque centimètre de notre peau. Le projecteur itinérant de l’attention – notre œil de l’esprit – détermine la minuscule fraction de cet afflux que nous admettons effectivement dans notre conscience et, juste possiblement, que nous classons comme mémoire.
Van Swinderen enregistre souvent les ondes cérébrales simultanément à partir de trois endroits dans une grande région du cerveau des insectes appelée le protocérébron médian. À première vue, les ondes mélangées provenant de ces zones peuvent sembler aussi variées que les sons de Mozart, des Sex Pistols et du chant guttural Tuvan. Mais tant que la mouche est alerte et attentive à quelque chose, il existe dans ce fouillis un chœur de neurones qui émet le même modèle d’ondes de concert dans les trois zones. Ce motif d’ondes représente la chose à laquelle la mouche prête attention, et lorsque son attention passe d’une chose à l’autre, le motif d’ondes change également. Van Swinderen peut détecter le refrain parce qu’il a soigneusement conçu son expérience avec son petit théâtre IMAX pour déterminer ce à quoi la mouche va s’intéresser. C’est une belle illustration de l’attention : chaque neurone chante la même chanson – la chanson du carré.
« L’attention, dit van Swinderen, est un phénomène du cerveau entier. Une chose n’est pas purement visuelle, ni purement olfactive. C’est un assemblage de différentes parties qui, pour nous, signifient une chose. Pourquoi le mécanisme de la mouche ne pourrait-il pas être dirigé vers une succession de ses souvenirs ? » demande-t-il. « Pour moi, c’est à deux doigts de ce que pourrait être la conscience ». La différence entre les souvenirs d’une mouche et ceux d’un humain pourrait être une question de degré. L’homme peut stocker beaucoup plus de souvenirs et peut donc maintenir un récit personnel plus sophistiqué de son passé et de son présent. Mais M. van Swinderen estime que « le mécanisme pourrait être exactement le même chez la mouche et chez l’homme ». Bien qu’il n’y ait pas encore de preuves permettant de trancher dans un sens ou dans l’autre, le résultat pourrait être la conscience.
« Ce que la conscience requiert probablement, dit Koch de Caltech, c’est un système suffisamment compliqué avec une rétroaction massive. Les insectes ont cela. Si vous regardez les corps des champignons, ils sont massivement parallèles et ont une rétroaction. »
Les indices chimiques confirment qu’au moins certains processus cérébraux fondamentaux sont les mêmes chez les humains et les insectes. Van Swinderen et Rozi Andretic, neuroscientifique au NSI, ont découvert que les mouches mutantes produisant trop peu de dopamine, un neurotransmetteur, ont des réponses de saillance altérées. En nourrissant les mouches mutantes avec de la méthamphétamine – un produit chimique apparenté aux médicaments utilisés pour traiter les troubles de l’attention et de l’hyperactivité – on remédie au manque de dopamine et on normalise l’attention des mouches. Mais si l’on donne de la méthamphétamine à une mouche normale, elle ne peut pas être aussi attentive. « Des mécanismes similaires sont présents chez les vertébrés et les mouches », m’a dit Andretic. « Vous avez besoin de concentrations optimales de dopamine, et si vous en avez trop ou trop peu, votre attention sera altérée ». Chez les humains comme chez les mouches, les cellules libérant de la dopamine peuvent aider à coordonner des régions cérébrales distantes impliquées dans le phénomène de l’attention.
Lorsque l’on considère que les neurones eux-mêmes sont remarquablement similaires dans tout le règne animal, tout cela commence à avoir du sens. « Vous avez les mêmes blocs de construction de base pour les vertébrés et les invertébrés », dit Strausfeld, « et il y a certaines façons dont vous pouvez assembler ces blocs de construction . » Ainsi, lorsqu’il s’agissait de construire un centre cérébral comme l’hippocampe capable de reconnaître des lieux, il n’y avait peut-être qu’une seule façon de câbler ces neurones excentriques pour faire le travail – et l’évolution est arrivée à cette même solution plusieurs fois indépendamment, tout comme les instructions génétiques pour les ailes ont évolué plusieurs fois dans des lignées distinctes.
La possibilité la plus surprenante est que le cerveau pourrait avoir évolué une seule fois dans l’histoire de la vie. Des cousins éloignés – cafards et humains – pourraient avoir hérité du plan de base d’un ancêtre commun, Urbilateria, le dernier ancêtre commun de tous les animaux à symétrie bilatérale. Aucun fossile de cette créature n’a survécu, mais en estimant le temps qu’il a fallu aux séquences d’ADN pour diverger entre les mouches et les souris, les généticiens estiment qu’Urbilateria a vécu il y a 600 millions à 1 milliard d’années.
Par analogie avec les invertébrés marins actuels, certains scientifiques pensent qu’Urbilateria se terrait au fond de la mer en tant qu’adulte et nageait en tant que larve, avec des yeux simples comme ceux de nombreuses larves marines vivantes.
Les indices du plan cérébral d’Urbilateria proviennent de l’étude du développement embryonnaire des créatures vivantes actuelles. Dans les embryons de souris et de drosophiles, Detlev Arendt, biologiste évolutionniste au Laboratoire européen de biologie moléculaire de Heidelberg, en Allemagne, a constaté que les cellules impliquées dans la formation du cerveau et de la moelle épinière se divisent en trois colonnes de cellules. Au moins certains des gènes qui régissent la formation des colonnes sont les mêmes chez les mouches et les souris. « Ce modèle est si spécifique, dit Arendt, qu’il est clair que le dernier ancêtre commun devait avoir ces trois colonnes. »
Heinrich Reichert, de l’université de Bâle, a mis en évidence une autre similitude frappante. Au cours de la croissance embryonnaire, un gène similaire chez les mouches et les souris (et, par voie de conséquence, chez les humains) déclenche la division du cerveau en segments avant, médian et arrière. Les souris dépourvues de ce gène développent de graves anomalies cérébrales. Mais l’échange de la version de la mouche du gène avec ces souris mutantes corrige la plupart de ces anomalies. « Cela révèle, dit Reichert, une profonde parenté dans le cerveau des mouches, des poissons, des souris et des hommes, que l’on n’attendait certainement pas en regardant simplement l’anatomie superficielle »
Bien sûr, ces gènes agissent tôt, alors que l’embryon est primitif. Ainsi, Urbilateria aurait pu les posséder et pourtant n’avoir presque pas de cerveau. La réponse définitive viendra de l’identification et de la comparaison de dizaines d’autres gènes d’insectes et de mammifères. Ceux qui sont impliqués dans la formation de structures complexes jouant des rôles similaires, comme les corps des champignons et l’hippocampe, sont particulièrement intéressants.
« La question à un million de dollars, dit Strausfeld, serait de savoir si les gènes impliqués dans le développement de ces structures sont partagés entre la souris et la mouche. Ce serait, bien sûr, passionnant. »