Un nouveau modèle pour l’évolution du cerveau des abeilles mellifères

Des chercheurs ont proposé un nouveau modèle pour l’évolution des fonctions cérébrales supérieures et des comportements chez les insectes de l’ordre des hyménoptères. L’équipe a comparé les cellules Kenyon, un type de cellule neuronale, dans les corps de champignons (une partie du cerveau des insectes impliquée dans l’apprentissage, la mémoire et l’intégration sensorielle) de tenthrèdes « primitives » et d’abeilles mellifères sophistiquées.

Ils ont découvert que trois sous-types de cellules Kenyon divers et spécialisés dans le cerveau des abeilles mellifères semblent avoir évolué à partir d’un ancêtre unique et multifonctionnel du sous-type de cellules Kenyon. À l’avenir, cette recherche pourrait nous aider à mieux comprendre l’évolution de certaines de nos propres fonctions et comportements cérébraux supérieurs.

Êtes-vous « occupé comme une abeille », un « papillon social » ou une « mouche sur le mur ? » Il existe de nombreuses façons de comparer notre comportement à celui des insectes, et il s’avère qu’il peut y avoir plus que de simples idiomes amusants. L’étude des insectes pourrait nous aider à comprendre non seulement comment leur comportement a évolué, mais aussi le comportement d’animaux hautement évolués, y compris nous-mêmes.

Les cerveaux des mammifères sont gros et complexes, il est donc difficile d’identifier les comportements et les changements neuronaux et génétiques qui se sont co-développés au fil du temps. En comparaison, les cerveaux des insectes sont beaucoup plus petits et plus simples, ce qui en fait des modèles utiles pour l’étude.

« En 2017, nous avons signalé que la complexité des sous-types de cellules Kenyon (KC) dans les corps de champignons dans les cerveaux d’insectes augmente avec la diversification comportementale des hyménoptères (un ordre vaste et varié d’insectes) », a expliqué le professeur Takeo Kubo de la Graduate School of Science à l’Université de Tokyo et co-auteur de l’étude actuelle publiée dans Avancées scientifiques.

« En d’autres termes, plus un insecte a de sous-types KC, plus son cerveau et les comportements qu’il peut présenter sont complexes. Mais nous ne savions pas comment ces différents sous-types ont évolué. C’était le stimulus de cette nouvelle étude. »

L’équipe de l’Université de Tokyo et de l’Organisation nationale de recherche sur l’agriculture et l’alimentation (NARO) du Japon a choisi deux espèces d’hyménoptères comme représentants de différents comportements : la tenthrède solitaire du navet (qui a un seul sous-type KC) et l’abeille sophistiquée et sociale (qui a trois sous-types de KC).

Comme la tenthrède a un cerveau plus « primitif », on pense qu’elle contient certaines propriétés ancestrales du cerveau de l’abeille. Pour découvrir les voies évolutives potentielles entre eux, les chercheurs ont utilisé l’analyse du transcriptome pour identifier les profils d’expression génique (l’activité génétique) des différents sous-types de KC et spéculer sur leurs fonctions.

« J’ai été surpris que chacun des trois sous-types de KC chez l’abeille mellifère ait montré une similitude comparable avec le type unique de KC chez la tenthrède », a déclaré le professeur adjoint Hiroki Kohno, co-auteur de la Graduate School of Science. « Sur la base de notre analyse comparative initiale de plusieurs gènes, nous avions précédemment supposé que des sous-types KC supplémentaires avaient été ajoutés un par un. Cependant, ils semblent avoir été séparés d’un type ancestral multifonctionnel, par ségrégation fonctionnelle et spécialisation. »

Au fur et à mesure que le nombre de sous-types de KC augmentait, chaque sous-type héritait presque également de certaines propriétés distinctes d’un KC ancestral. Ceux-ci se sont ensuite modifiés de différentes manières, ce qui a entraîné la diversité de leurs fonctions actuelles.

Les chercheurs voulaient un exemple comportemental spécifique de la façon dont les fonctions ancestrales de KC sont présentes à la fois chez la tenthrède et l’abeille. Ainsi, ils ont entraîné des tenthrèdes à s’engager dans un test de comportement commun des abeilles, où elles apprennent à associer un stimulus olfactif à une récompense. Bien que difficile au début, l’équipe a finalement réussi à faire participer les tenthrèdes à la tâche de mémoire.

Les chercheurs ont ensuite manipulé un gène appelé CaMKII dans les larves de tenthrède, qui chez les abeilles mellifères est associé à la formation de la mémoire à long terme, une fonction KC. Lorsque les larves sont devenues adultes, leur mémoire à long terme a été altérée, ce qui indique que le gène joue un rôle similaire chez les tenthrèdes et les abeilles mellifères. Bien que CaMKII ait été exprimé (c’est-à-dire actif) dans l’ensemble du sous-type KC unique chez les tenthrèdes, chez les abeilles domestiques, il a été préférentiellement exprimé dans un seul sous-type KC. Cela suggère que le rôle de CaMKII dans la mémoire à long terme a été transmis au sous-type spécifique de KC chez l’abeille.

Malgré les différences de taille et de complexité des cerveaux des insectes et des mammifères, il existe des points communs en termes de fonction et d’architecture de base du système nerveux. C’est pourquoi le modèle proposé dans cette étude pour l’évolution et la diversification des sous-types de KC peut aider à mieux comprendre l’évolution de notre propre comportement. Ensuite, l’équipe s’intéresse à l’étude des types de KC acquis en parallèle avec des comportements sociaux, comme la « danse frétillante » de l’abeille.

« Nous aimerions clarifier si le modèle présenté ici est applicable à l’évolution d’autres comportements », a déclaré Takayoshi Kuwabara, doctorant et auteur principal de la Graduate School of Science. « Il existe de nombreux mystères sur la base neurale qui contrôle le comportement social, que ce soit chez les insectes, les animaux ou les humains. Son évolution reste encore largement inconnue. Je pense que cette étude est un travail de pionnier dans ce domaine. »