Des scientifiques identifient des circuits cérébraux liés au comportement des bancs de poissons

Un troupeau d’oies migratrices glisse dans le ciel d’été dans une formation en « V » caractéristique… un troupeau de bisons tonitruant gronde à travers les plaines comme un groupe redoutable… et un immense banc de sardines nage de manière fascinante à l’unisson.

Depuis des décennies, les écologistes et les spécialistes du comportement animal étudient ces types de comportements de groupe chez diverses espèces. Des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego étudient désormais leurs origines du point de vue du cerveau. Comment des groupes d’animaux développent-ils des mouvements coordonnés ? Comment autant de cerveaux individuels peuvent-ils partager des informations pour produire un comportement unique et cohérent ?

Publié dans la revue Biologie actuelleLes chercheurs postdoctoraux David Zada ​​et Lisanne Schulze du laboratoire du professeur adjoint Matthew Lovett-Barron à l’École des sciences biologiques ont étudié des bancs de minuscules poissons de verre transparents (Danionella cerebrum) pour aider à découvrir des réponses intrigantes à ces questions.

« Les comportements sociaux collectifs, comme les bancs de poissons et les groupes d’oiseaux, sont des manifestations remarquables de la complexité comportementale dans le monde naturel, mais on sait peu de choses sur la façon dont ces comportements émergent des interactions cérébrales de nombreux individus », a déclaré Lovett-Barron, professeur adjoint au département de neurobiologie. « Nous ne savons pas grand-chose sur la façon dont les processus neuronaux des animaux individuels produisent des comportements coopératifs. »

Parmi les nouvelles découvertes, les chercheurs ont découvert que les poissons de verre dépendent de leur sens de la vue pour nager en groupe. Alors que certaines espèces de poissons sont connues pour utiliser leur sens du courant d’eau pour nager ensemble, le poisson de verre utilise uniquement la vue, comme l’ont révélé les chercheurs à travers une série d’expériences.

En utilisant des outils d’apprentissage automatique pour suivre les mouvements des poissons à travers différents âges, ils ont également découvert que la capacité à suivre les mouvements de groupe coordonnés se développe à mesure que les individus mûrissent.

Tout comme les nouveau-nés développent des compétences sociales complexes au cours de leur croissance, les poissons de verre affinent leur capacité à se déplacer dans des groupes sociaux coordonnés au fur et à mesure qu’ils vieillissent. Les poissons élevés dans des environnements sociaux normaux ont évité les autres poissons à l’âge de deux semaines, puis ont acquis la capacité de se regrouper avec d’autres poissons après quatre semaines et ont finalement atteint un alignement social complet en bancs après six semaines.

Les poissons de verre étant très transparents, les chercheurs ont pu capturer des images de leur activité cérébrale à l’aide de microscopes optiques. Ils ont enregistré des milliers de neurones dans le cerveau des poissons de verre immergés dans un environnement de réalité virtuelle panoramique, où les poissons observaient des formes en mouvement qui imitaient l’expérience de la vie en banc.

Les chercheurs ont identifié des circuits actifs en enregistrant des images de GCaMP, une protéine fluorescente, dans les neurones. La GCaMP brille davantage en présence de calcium, qui pénètre dans les cellules lorsque les neurones sont actifs. Ces enregistrements d’activité ont montré que le cerveau des poissons de verre réagit à la vue de leurs partenaires sociaux et que la maturité est importante pour la vision sociale.

Alors que les poissons de verre de tous âges pouvaient percevoir les mouvements de leurs partenaires sociaux virtuels, seuls les poissons plus âgés pouvaient faire la distinction entre les mouvements de formes ressemblant à des poissons et ceux de formes autres que celles-ci. Les chercheurs pensent que le développement de cette capacité visuelle permet aux poissons de verre d’aligner leur corps avec leurs partenaires sociaux afin de nager correctement en banc.

Pour aller plus loin dans cette idée, les chercheurs ont étudié des poissons élevés en isolement. Ces poissons présentaient un comportement de groupe profondément altéré et un traitement visuel immature des stimuli sociaux, par rapport à leurs homologues élevés en groupe.

« Dans la nature, nous observons que de grands groupes d’animaux peuvent se déplacer comme une unité cohérente, et notre laboratoire s’efforce de comprendre comment le cerveau des individus est capable de prêter attention aux actions de leurs partenaires sociaux pour produire ce comportement à l’échelle du groupe », a déclaré Lovett-Barron. « Dans cette étude, nous avons constaté que ces capacités sociales émergent progressivement au cours du développement, à mesure que le système nerveux mûrit. »

Les poissons de verre, qui mesurent seulement 10 à 12 millimètres de long à l’âge adulte (environ la largeur d’un crayon), ne sont devenus que récemment un système modèle pour les études biologiques. Le poisson zèbre, qui lui est étroitement apparenté, est largement étudié, mais perd sa petite taille et sa transparence en vieillissant. Les poissons de verre, en revanche, restent petits et presque transparents toute leur vie, ce qui offre aux biologistes de nouvelles possibilités d’observer le cerveau en action.