Évolution des systèmes nerveux - Evolution of nervous systems
L' évolution des systèmes nerveux remonte au premier développement des systèmes nerveux chez les animaux (ou métazoaires). Les neurones se sont développés en tant que cellules de signalisation électrique spécialisées chez les animaux multicellulaires, adaptant le mécanisme des potentiels d'action présents chez les eucaryotes unicellulaires et coloniaux mobiles . De nombreux systèmes primitifs, comme ceux trouvés dans les protozoaires complexes , utilisent une signalisation non électrique pour la motilité et d'autres aspects nécessaires à la survie. Les données suggèrent que ces systèmes, qui utilisent un gradient chimique pour la messagerie, ont évolué pour devenir les cellules de signalisation électrique connues aujourd'hui.
Les réseaux nerveux simples observés chez des animaux comme les cnidaires (méduses) ont évolué en premier, se composaient de neurones polymodaux qui ont un double objectif dans les fonctions motrices et sensorielles. Les cnidaires peuvent être comparés aux cténophores (méduses en peigne), qui bien qu'étant toutes deux des méduses, ont des systèmes nerveux très différents. Contrairement aux cnidaires, les cténophores ont des neurones qui utilisent la signalisation électrochimique. C'était déroutant car le phylum Ctenophora était considéré comme plus ancien que celui des Porifera (éponges), qui n'ont aucun système nerveux.
Cela a conduit à l'émergence de deux théories qui décrivent comment le système nerveux primitif est né. Une théorie a déclaré que le système nerveux est apparu dans un ancêtre basal de tous ces phylums, mais a été perdu dans Porifera. L'autre théorie affirme que le système nerveux est apparu indépendamment deux fois (coévolution), un basal pour les cnidaires et un basal pour les cténophores.
Les animaux bilatéraux – les cordons nerveux ventraux chez les invertébrés et les cordons nerveux dorsaux soutenus par une notocorde chez les cordés – ont évolué avec un système nerveux central qui se trouvait autour d'une région centrale, un processus connu sous le nom de céphalisation .
Précurseurs neuronaux
Les potentiels d'action , nécessaires à l'activité neuronale, ont évolué chez les eucaryotes unicellulaires. Ceux-ci utilisent des potentiels d'action du calcium plutôt que du sodium, mais le mécanisme a probablement été adapté à la signalisation électrique neuronale chez les animaux multicellulaires . Chez certains eucaryotes coloniaux, comme Obelia , les signaux électriques se propagent non seulement à travers les réseaux neuronaux, mais aussi à travers les cellules épithéliales du système digestif partagé de la colonie. Plusieurs embranchements non métazoaires, y compris les choanoflagellés , les filastérées et les mésomycétozoaires , se sont avérés avoir des homologues de protéines synaptiques, notamment les SNARE sécrétoires, Shank et Homer. Chez les choanoflagellés et les mésomycétozoaires, ces protéines sont régulées à la hausse pendant les phases coloniales, suggérant l'importance de ces protéines proto-synaptiques pour la communication de cellule à cellule. L'histoire des idées sur la façon dont les neurones et les premiers systèmes nerveux ont émergé dans l'évolution a été discutée dans un livre de 2015 de Michel Antcil.
Éponges
Les éponges n'ont pas de cellules reliées entre elles par des jonctions synaptiques , c'est-à-dire pas de neurones, et donc pas de système nerveux. Cependant, ils ont des homologues de nombreux gènes qui jouent un rôle clé dans la fonction synaptique. Des études récentes ont montré que les cellules spongieuses expriment un groupe de protéines qui se regroupent pour former une structure ressemblant à une densité postsynaptique (la partie recevant le signal d'une synapse). Cependant, la fonction de cette structure n'est actuellement pas claire. Bien que les cellules spongieuses ne présentent pas de transmission synaptique, elles communiquent entre elles via des ondes calciques et d'autres impulsions, qui interviennent dans certaines actions simples telles que la contraction du corps entier. D'autres moyens par lesquels les cellules éponges communiquent avec les cellules voisines sont le transport vésiculaire à travers des régions très denses des membranes cellulaires. Ces vésicules transportent des ions et d'autres molécules de signalisation, mais ne contiennent aucune véritable fonction synaptique.
Filets nerveux
Les méduses , les gelées en peigne et les animaux apparentés ont des réseaux nerveux diffus plutôt qu'un système nerveux central. Chez la plupart des méduses, le filet nerveux est réparti plus ou moins uniformément sur tout le corps ; dans les gelées en peigne, il est concentré près de la bouche. Les réseaux nerveux se composent de neurones sensoriels qui captent des signaux chimiques, tactiles et visuels, de neurones moteurs qui peuvent activer les contractions de la paroi corporelle et de neurones intermédiaires qui détectent les modèles d'activité dans les neurones sensoriels et envoient des signaux à des groupes de neurones moteurs comme un résultat. Dans certains cas, des groupes de neurones intermédiaires sont regroupés en ganglions discrets .
Le développement du système nerveux chez les radiata est relativement peu structuré. Contrairement aux bilatériens , les radiata n'ont que deux couches cellulaires primordiales, l' endoderme et l' ectoderme . Les neurones sont générés à partir d'un ensemble spécial de cellules précurseurs ectodermiques, qui servent également de précurseurs pour tous les autres types de cellules ectodermiques.
Cordons nerveux
La grande majorité des animaux existants sont des bilatériens , c'est-à-dire des animaux dont les côtés gauche et droit sont des images miroir approximatives l'un de l'autre. On pense que toutes les bilatéries descendent d'un ancêtre vermiforme qui est apparu à l' époque édiacarienne , il y a 550 à 600 millions d'années. La forme fondamentale du corps bilatérien est un tube avec une cavité intestinale creuse allant de la bouche à l'anus, et un cordon nerveux avec un ganglion particulièrement grand à l'avant, appelé « cerveau ».
Même les mammifères , y compris les humains, présentent le plan corporel bilatérien segmenté au niveau du système nerveux. La moelle épinière contient une série de ganglions segmentaires , chacun donnant naissance à des nerfs moteurs et sensoriels qui innervent une partie de la surface du corps et de la musculature sous-jacente. Sur les membres, la disposition du schéma d'innervation est complexe, mais sur le tronc, elle donne naissance à une série de bandes étroites. Les trois segments supérieurs appartiennent au cerveau, donnant naissance au cerveau antérieur, au mésencéphale et au cerveau postérieur.
Les bilatériens peuvent être divisés, sur la base d'événements qui surviennent très tôt dans le développement embryonnaire, en deux groupes ( superphyla ) appelés protostomes et deutérostomes . Les deutérostomes comprennent les vertébrés ainsi que les échinodermes et les hémichordés (principalement les vers glands). Les protostomes, le groupe le plus diversifié, comprennent les arthropodes , les mollusques et de nombreux types de vers. Il existe une différence fondamentale entre les deux groupes dans le placement du système nerveux dans le corps : les protostomes possèdent un cordon nerveux sur la face ventrale (généralement en bas) du corps, tandis que chez les deutérostomes, le cordon nerveux se trouve sur la partie dorsale (généralement en haut). ) côté. En fait, de nombreux aspects du corps sont inversés entre les deux groupes, y compris les modèles d'expression de plusieurs gènes qui montrent des gradients dorso-ventral. Certains anatomistes considèrent désormais que les corps des protostomes et des deutérostomes sont « renversés » l'un par rapport à l'autre, hypothèse qui a d'abord été proposée par Geoffroy Saint-Hilaire pour les insectes par rapport aux vertébrés. Ainsi, les insectes, par exemple, ont des cordons nerveux qui longent la ligne médiane ventrale du corps, tandis que tous les vertébrés ont des moelles épinières qui longent la ligne médiane dorsale. Mais les données moléculaires récentes de différents protostomes et deutérostomes rejettent ce scénario.
Annélide
Les vers de terre ont des cordes nerveuses doubles qui s'étendent le long du corps et se confondent au niveau de la queue et de la bouche. Ces cordons nerveux sont reliés par des nerfs transversaux comme les barreaux d'une échelle. Ces nerfs transversaux aident à coordonner les deux côtés de l'animal. Deux ganglions à la tête fonctionnent comme un simple cerveau. Les photorécepteurs sur les ocelles de l'animal fournissent des informations sensorielles sur la lumière et l'obscurité.
Nématode
Le système nerveux d'un très petit ver, le ver rond Caenorhabditis elegans , a été cartographié jusqu'au niveau synaptique. Chaque neurone et sa lignée cellulaire ont été enregistrés et la plupart, sinon la totalité, des connexions neuronales sont connues. Chez cette espèce, le système nerveux est sexuellement dimorphe ; les systèmes nerveux des deux sexes, les mâles et les hermaphrodites , ont des nombres différents de neurones et de groupes de neurones qui remplissent des fonctions spécifiques au sexe. Chez C. elegans , les mâles ont exactement 383 neurones, tandis que les hermaphrodites ont exactement 302 neurones.
Arthropodes
Les arthropodes , comme les insectes et les crustacés , ont un système nerveux constitué d'une série de ganglions , reliés par un cordon nerveux ventral composé de deux connecteurs parallèles s'étendant le long du ventre . En règle générale, chaque segment du corps a un ganglion de chaque côté, bien que certains ganglions soient fusionnés pour former le cerveau et d'autres gros ganglions. Le segment de la tête contient le cerveau, également connu sous le nom de ganglion supra - œsophagien . Dans le système nerveux des insectes , le cerveau est anatomiquement divisé en protocérébron , deutocerebrum et tritocerebrum . Immédiatement derrière le cerveau se trouve le ganglion sous-œsophagien , composé de trois paires de ganglions fusionnés. Il contrôle les pièces buccales , les glandes salivaires et certains muscles . De nombreux arthropodes ont des organes sensoriels bien développés , notamment des yeux composés pour la vision et des antennes pour l' olfaction et la sensation de phéromone . Les informations sensorielles de ces organes sont traitées par le cerveau.
Chez les insectes, de nombreux neurones ont des corps cellulaires qui sont positionnés à la périphérie du cerveau et sont électriquement passifs – les corps cellulaires ne servent qu'à fournir un soutien métabolique et ne participent pas à la signalisation. Une fibre protoplasmique part du corps cellulaire et se ramifie abondamment, certaines parties transmettant des signaux et d'autres recevant des signaux. Ainsi, la plupart des parties du cerveau des insectes ont des corps cellulaires passifs disposés autour de la périphérie, tandis que le traitement du signal neuronal a lieu dans un enchevêtrement de fibres protoplasmiques appelées neuropiles , à l'intérieur.
Évolution du système nerveux central
Évolution du cerveau humain
Il y a eu une augmentation progressive du volume cérébral au fur et à mesure que les ancêtres des humains modernes progressaient le long de la chronologie de l'évolution humaine (voir Homininae ), à partir d'environ 600 cm 3 chez Homo habilis jusqu'à 1736 cm 3 chez Homo neanderthalensis . Ainsi, en général, il existe une corrélation entre le volume cérébral et l'intelligence. Cependant, les Homo sapiens modernes ont un volume cérébral plus petit ( taille du cerveau 1250 cm 3 ) que les Néandertaliens ; les femmes ont un volume de cerveau légèrement plus petit que les hommes et les Flores hominidés ( Homo floresiensis ), surnommés « hobbits », avait une capacité crânienne d'environ 380 cm 3 , environ un tiers de l' Homo erectus moyenne et considéré comme petit pour un chimpanzé . Il est proposé qu'ils aient évolué à partir de H. erectus en tant que cas de nanisme insulaire. Malgré leur cerveau trois fois plus petit, il existe des preuves que H. floresiensis utilisait le feu et fabriquait des outils en pierre aussi sophistiqués que ceux de son ancêtre proposé, H. erectus . Iain Davidson résume les contraintes évolutives opposées sur la taille du cerveau humain comme "Aussi grand que vous en avez besoin et aussi petit que possible". Le cerveau humain a évolué autour des besoins métaboliques, environnementaux et sociaux auxquels l'espèce a fait face tout au long de son existence. Au fur et à mesure que les espèces d'hominidés évoluaient avec l'augmentation de la taille du cerveau et de la puissance de traitement, le besoin métabolique global augmentait. Par rapport aux chimpanzés, les humains consomment plus de calories provenant des animaux que des plantes. Bien que cela ne soit pas certain, des études ont montré que ce changement de régime est dû au besoin accru d'acides gras plus facilement trouvés dans les produits d'origine animale. Ces acides gras sont essentiels au maintien et au développement du cerveau. D'autres facteurs à considérer sont le besoin d'interaction sociale et la façon dont les hominidés ont interagi avec leur environnement au fil du temps.
L'évolution du cerveau peut être étudiée à l'aide d' endocasts , une branche de la neurologie et de la paléontologie appelée paléoneurologie .