Le poisson-archer : des réflexes de gardien incroyables avec 6 neurones !

Le poisson archer spécialiste du tir de précision ...

Dans ces news de Science Pennisi, E. (2008) parle d'une recherche à propos de l'incroyable précision du Poisson archer (Toxotes jaculatrix) pour capturer les proies (insectes) qu'il détache d'une brindille pour les faire tomber dans l'eau.

Le poisson archer projette de l'eau pour détacher ses proies et les faire chuter dans l'eau. Source ScienceNow.

Le Science Podcast, du 4 janvier 2007 en parle aussi ( pour ne pas écouter idiot sur votre iPod?)

On sait depuis longtemps que ce poisson projette de l'eau sur des insectes (jusqu'à 2 mètres, ont mesuré les mêmes chercheurs cf ScienceNOW, 7 Septembre 2004) pour les faire chuter dans l'eau, et la précision de ce tir complexe n'est pas loin de celle de l'ex championne Suisse junior de tir à l'arc Tamara Strasser de Jussy Genève, je pense !

A faire baver les meilleurs gardiens de Foot ...

Ensuite, il se précipite et les attrape. S'il ne va pas assez vite, d'autres poissons pourraient lui chiper cette proie . et c'est de cette phase comparable à celle du gardien de foot proposent-ils que parle cet article-ci.

Video : une Video QuickTime le montre en pleine action et combien il faut agir vite pour devancer la concurrence!

Ce que la recherche de Schuster and Schlegel de l'uni d'Erlangen- Nurnberg ont montré est que ce poisson est extrêmement rapide et précis à se tourner précipiter vers une proie qui tombe de manière difficile à prédire. (Schlegel, Thomas. Schuster, S., 2007). (intranet.pdf)

Toxotes réagit parfois en moins de 40ms à l'apparition d'un insecte tombant dans l'eau ... De quoi faire rêver bien des gardiens de Foot !

Figure 2 img le poisson archer doit se tourner très vite vers la proie délogée pour devancer les concurrents.

Apparemment, bien que leur cerveau soit bien minuscule a côté de celui des humains, ils réussissent mieux que nos as du ballon rond pour cet Euro 2008 que certains attendent avec impatience....

Figure 3 img Les poissons décident en très peu de temps (B) et avec précision (C).
Source science légende complète ici

Ils ont projeté des insectes depuis une plate-forme qui les cachait à la vue des poissons avec des jets d'air.

Ils ont mesuré le temps pour que Toxotes se tourne et se dirige jusqu'à la proie.

Une vitesse et une précision à faire rêver !

Même pour des insectes qu'ils n'ont pas délogés eux-mêmes, ou projetés depuis des plate-formes hors de leur champ visuel, le poisson se tournait et s'élançait a la vitesse de l'éclair.
Même avec plusieurs plate-formes d'où ils ne pouvaient prévoir l'arrivée d'un insecte, cf Figure 3 : (A) les poissons arrivent au but avec une redoutable précision, et parfois en 40 milliseconde.

Quand il y avait deux proies, il en choisissait une - la plus proche en général- et l'attrapait avec autant de célérité que s'il n'y en avait eu qu'une.

En projetant 2 insectes à fois (D) pour tenter de les faire hésiter - une tactique qui marche bien avec certains prédateurs - les résultats sont encore excellents cf. Figure 3 (E et F))

Leur étude soutient qu'un réseau de 6 neurones -bien connu pour permettre d'échapper à un prédateur (Mauthner's cell-associated C-start escape circuitry) - s'activait ici dans un autre rôle.

On sait que dans la rétine un traitement de l'image extrait déjà les directions et mouvements, etc. Mais ils ont montré que depuis les yeux l'information (vitesse, angle, hauteur) est intégrée à la position du poisson et son orientation relative à la trajectoire de la proie dans le cerveau postérieur (hindbrain) puis arrive aux neurones moteurs.

Tout ça avec 6 neurones seulement !

Cela montre que des comportements complexes peuvent être produits avec des circuits de neurones très simples, déclare Russell Poldrack de l'University of California, Los Angeles dans cette news.

Notez qu'ils se sont abstenu de faire un commentaire sur les gardiens de but au football qui n'ont qu'un ballon à poursuivre.

Liens

• News à la revue Science ScienceNow
  
• Pennisi, Elizabeth (2008). On-the-Fly Thinking ScienceNOW Daily News 3 January 2008
  
• Watch an archerfish shoot down its prey (Video courtesy of Thomas Schlegel and Stefan Schuster, University of Erlangen-Nürnberg) http://sciencenow.sciencemag.org/feature/data/archerfish.mov
  
• Thomas Schlegel and Stefan Schuster. (2007). Small Circuits for Large Tasks: High-Speed Decision-Making in Archerfish Science 4 January 2008: Vol. 319. no. 5859, pp. 104 - 106, DOI: 10.1126/science.1149265 (intranet.pdf)
  
• Science Podcast , 4 janvier 2007

la recherche sur les phéromones à l'UniGE

Ce qu'on sait des phéromones chez l'homme ?

Il se trouve qu'un biologiste de notre UniGe , le professeur Ivan Rodriguez (I. R.) a apporté une contribution décisive à la compréhension de cette question. Le 3 décembre, il nous a accordé une interview pour les Bio-reviews. C'était l'occasion de faire un peu le point sur ce sujet, et de voir comment les recherches actuelles mêlent biologie in vitro, in vivo et in silico (BIST) et comment se sont construites les réponses qu'on peut donner actuellement.

Au départ, il s'intéresse à la neurobiologie et choisit de l'aborder d'un point de vue génétique en utilisant un système neuronal relativement simple et isolé, potentiellement plus facile à analyser, afin de comprendre des mécanismes qui pourraient être plus généraux. De plus les phéromones ont un côté fascinant : qui n'a pas eu un jour l'impression qu'une rencontre s'était faite ou manquée à cause de ces mystérieuses molécules...

Qu'est-ce qu'une phéromone ?

Pour lui c'est "Substance chimique que libère un organisme pour influencer le comportement ou la physiologie d'un autre individu de la même espèce."

Une définition stricte repose sur 5 critères ( Schaal et al. 2003)

1. simplicité chimique,
2. induction d'une réponse comportementale invariante ,
3. sélectivité exclusive du stimulus,
4. spécificité pour l'espèce, et
5. absence d'apprentissage.

Ces substances organisent une large gamme de comportements chez les mammifères (notamment la reproduction, la dominance sociale, l'agression et l'attachement parental) (Shepherd, 2006)

L'odorat en général

Pour un bon review de l'odorat en général voir Bac-to-Basics de La Recherche (intranet: 1, 2, 3) ou plus pointu : (Shepherd, 2006 Smell images and the flavour system in the human brain | intranet.pdf) | très accessible : Comment fonctionne l'odorat et le goût @ Hopital Genève.

Anatomie de l'olfaction. Source :Comment fonctionnent l'odorat et le goût ?Hôpital de Genève

Phéromones chez les mammifères La plupart des biologistes pensaient alors que l'activité des phéromones était forcément liée à l'organe voméronasal (VNO) qui est anatomiquement distinct de la muqueuse olfactive (OE) principale.

Source  Kambere and Lane BMC Neuroscience 2007 8(Suppl 3):S2   doi:10.1186/1471-2202-8-S3-S2

Les effets des phéromones identifiés chez la souris sont nombreux : nous avions récemment vu les effets d'un seul gène bloquant les récepteurs phéromonaux sur le comportement sexuel de la souris (Cf Bio-Review lien ici) Dans la revue Campus de l'UniGe Anton Vos avait fait un article au titre provocant "Il est vraiment Phéromonal" qui est intéressant pour stimuler l'intérêt des élèves.

Des phéromones chez l'homme ?

Certains font l'amalgame entre? toutes sortes d'interactions médiées par des substances volatiles et constatées éthologiquement; Il distingue les phéromones stricto sensu, les molécules immunitaires MHC qui peuvent favoriser ou défavoriser les choix de partenaires, et les odorants pour lesquels on a pu acquérir une préférence par association avec des stimuli positifs comme le sexe par exemple. Nous ne traiterons ces effets-là que sommairement et à la fin cet article.

Les phéromones sont principalement perçues par l'organe voméronasal (VNO) chez les mammifères. Pendant longtemps, on a cru que l'activité des phéromones était forcément liée à cet organe, structure qui est anatomiquement distincte de la muqueuse olfactive (OE) principale. L'absence de VNO identifiable anatomiquement chez l'humain adulte, (il existe pourtant clairement chez l'embryon nous dit I. R.) faisait ainsi douter à beaucoup de la réalité d'un mécanisme phéromonal chez l'humain. On sait aujourd'hui que ceci est inexact, l'OE permettant la perception de certaines phéromones, et un effet de nature phéromonale ayant été mis en évidence dans notre espèce.

Jusqu'à 1997, les mécanismes d'action des phéromones à un niveau moléculaire étaient entièrement inconnus chez les mammifères. I. Rodriguez commence ses recherches sur la question au moment où les premiers récepteurs aux phéromones, les récepteurs de type V1R, viennent d'être identifiés chez le rat.

Il choisi d'abord (alors à l'institut Rockfeller aux USA avec P. Mombaerts) de visualiser les circuits utilisés pour la détection des phéromones. A cette fin, il génère des souris Knock-In (similaires aux souris Knock-Out (Cf Bio-Review sur les souri Knock-out ici), ), dans lesquelles un gène codant pour un marqueur fluorescent, intégré génétiquement, est coexprimé avec un gène spécifique de récepteur à phéromone. Cette approche permet de visualiser une population neuronale définie, ainsi que les projections axonales de ces neurones. Ceci a permis de commencer à comprendre comment l'information générée par la perception d'une phéromone est traitée par le cerveau.

V1r L'expression de différents récepteurs Phéromonaux dans le nez de la souris. gene expression within sensory neurons of the mouse VNO. (source Nature Neuroscience) Cf plus précisément (Rodriguez, I. & al. 2002)

Cela lui a permis a permis de comprendre dans quelles populations de cellules ces récepteurs étaient actifs. On a pu ainsi commencer à mettre en évidence les sous-populations de cellules impliquées dans l'activité phéromonale liées à ces récepteurs type VR (majoritairement exprimés dans le VNO) et la manière dont l'information est transmise au cerveau. Comme pour l'odorat en général, ce circuit est particulièrement direct puisque les neurones qui détectent les molécules odorantes projettent directement (sans synapse) à travers le crâne jusqu'au bulbe olfactif.

Comparaison des circuits principaux impliqués dans l'olfaction et les phéromones chez l'homme (b) et la souris (a) Source : Shepherd, G.(2006) (Nature)

Depuis le bulbe olfactif, et pour les informations de nature phéromonale, des neurones secondaire relaient l'information et projettent directement vers l'amygdale*, une structure directement impliquée dans le contrôle des émotions (Cf Bio-Review sur le Thalamus ici). Cette liaison directe ne passe pas par le cortex, n'y est donc pas traitée de manière consciente, mais induit ou participe à des réponses innées, par exemples émotionnelles. Les neurones olfactifs sont directemetn reliés au bulbe olfactif et une seule synapse les relie au Thalamus et à l'amygdale. Source : UQAM - PSY4050 Psychologie de la perception - Jacques Lajoie

On pense par ailleurs que l'amygdale contrôle l'aspect corporel des émotions, et cette liaison directe a fait écrire beaucoup sur les effets émotionnels supposés ou fantasmés des phéromones.

A l'époque (env 1999) I. Rodriguez exploite les techniques de wet-lab pour tenter d'identifier de nouveaux récepteurs à phéromones chez d'autres espèces (lapin, chien, rat etc). Il s'agissait alors de cloner en identifiant par homologie (par hybridation) dans des librairies d'ADN génomique, les fragments qui ressemblent le plus aux quelques gènes VR connus. A cette époque on travaille avec des fragments d'ADN maintenus et multipliés dans des colonies soigneusement identifiées de phages ou de bactéries. C'est un travail long et fastidieux.

I.R. identifie de nouveaux gènes VR et en particulier le premier gène de la famille V1R chez l'homme (et plus tard tous les autres membres de cette famille). (I. Rodriguez, P. Mombaerts, 2002) Novel human vomeronasal receptor-like genes reveal species-specific families. Le gène V1R dans mapviewer pour le situer dans son contexte ici.

Des années plus tard, il montrera que la délétion génétique d'une partie des gènes V1R provoque deux altérations spécifiques chez les souris: chez les femelles un manque de soin aux petits et chez les mâles un manque d'activité sexuelle envers les femelles.

Des années pour trouver un récepteur phéromonal puis la bioinformatique permet d'en trouver 110 en une semaine !

I. Rodriguez parle ensuite de révolution génomique 1999- 2002 qui a complètement changé les perspectives et les stratégies de recherche : D'un seul coup, il est possible d'accéder aux génomes de nombreuses espèce en un seul clic. En analysant ces banques de données grâce à des programmes de recherche d'homologie comme BLAST par exemple, il identifie en moins d'une semaine 110 nouveaux gènes chez la souris. Une incroyable jubilation !

Nous pouvons suivre un peu la démarche avec nos élèves et effectuer un BLAST a partir du gène humain VN1R5 (ici + choisir VN1R5_Human et cliquer BLAST) on trouve un gène chez le gorille qui est quasi-identique et de très nombreux gènes similaires chez la souris, le rat, et d'autres !

Ces techniques bioinformatiques ne s'opposent pas mais s'intègrent à l'activité d'un biologiste actuel : Il nous explique qu'afin de vérifier les informations obtenues in silico, on retourne au wet-lab avec ces nouvelles séquences identifiées par bioinformatique, puis on produit (ou on commande) les primers correspondants, on amplifie de l'ADN génomique par PCR (qui permet de "pêcher" la séquence recherchée), et on clone l'amplicon qui est ensuite séquencé; il est donc aujourd'hui possible d'effectuer en 3 jours ce qui demandait des mois il y a 10 ans.

Il parle des progrès extrêmement rapides des techniques de séquençage permettant aujourd'hui de séquencer très rapidement et pour un prix abordable des fragments très longs; le jour où le séquençage d'un génome entier sera une option expérimentale pour n'importe quel laboratoire est proche.

La possibilité de chercher rapidement et simplement dans les bases de données génomiques la présence de gènes similaires (orthologues -différentes espèces- ou paralogues -même espèce-) chez de nombreuses espèces a permis des comparaisons inter - espèces et des perspectives évolutives.

I. R. remarque que la séquence des récepteurs à phéromones est très variable entre espèces mais aussi à l'intérieur de la même espèce, et que cette diversité est favorisée par la sélection. Il propose que la variation des récepteurs V1R pourrait mener à une séparation chimique, et donc de représenter un outil de spéciation sympatrique. Les répertoires de ces gènes récepteurs sont très étendu chez les rongeurs comme la souris ou 150 gènes de type V1R ont étés identifiés (la majorité par IR), ou chez l'ornithorynque, alors que le répertoire du chien chez qui on en attendait un nombre de gènes important est beaucoup plus réduit. Dans le génome de notre espèce, il existe 4 ou 5 membres de cette famille. I.R. a d'ailleurs montré qu'un de ces récepteurs est exprimé dans l'épithélium olfactif. Comment savoir si ces récepteurs sont fonctionnels? Une simple analyse bioinformatique, examinant les séquences des gènes V1R humains et d'autres mammifères permet d'observer que certaines parties importantes des séquences sont toujours conservées: par exemple celles correspondant aux acides aminés créant des ponts disulfures dont la mutation produirait de grands changements dans la conformation de la protéine. La conservation de ces résidus indique une pression sélective sur ces acides aminés, pression négative qui reflète naturellement une fonction de ces protéines.

L'énorme taille du répertoire V1R chez la souris est difficilement explicable, sachant que seules 7 ou 8 phéromones ont été identifiées chez cette espèce à ce jour. Ceci - probablement - indique notre connaissance très partielle des molécules de nature phéromonale chez la souris, ou alternativement une fonction des récepteurs V1R qui n'est pas limitée à celle de récepteurs à phéromones. Le VNO semble permettre des apprentissages, en particulier des associations entre stimuli phéromonaux et odeurs qui sont en parallèle perçues par le MAO.

Chez la souris par exemple, le 2-Heptanone représente une phéromone. Celle-ci est perçue par le VNO mais a également une odeur très forte, et est donc en parallèle perçue par le système olfactif principal. IR, en collaboration avec un groupe Lausannois, a d'ailleurs identifié le récepteur V1R qui reconnaît cette phéromone; il s'agit aujourd'hui du seul couple phéromone-récepteur connu chez les mammifères. Un problème majeur de l'identification des ligands pour les récepteurs V1R est due à la difficulté de les exprimer in vitro; il faut donc les exprimer in vivo, en générant, pour chaque récepteur, des souris transgéniques.

La structure du 2-heptanone. Cliquer pour la voir en 3-d

I.R. mentionne que le role joué par le système VNO et le système olfactif majeur (MAO) est différent d'une espèce à l'autre et dépend des phases du développement Ainsi la suppression du VNO chez un individu nouveau-né a des effets totalement différents de sa suppression chez l'adulte. Pour lui le VNO est probablement un organe d 'apprentissage, et une fois les associations établies entre par exemple la 2-heptanone et des réponses comportementales, l'absence de récepteurs VNO n'a plus tellement d'effet.

Dans ces Bio-review, nous avions récemment vu les effets de l'absence d'un seul gène - un canal ionique (TRPC2) qui est commun à tous les récepteurs phéromonaux - sur l'orientation du comportement sexuel de la souris (Cf Bio-Review lien ici) Pour I. R. cela correspond à une sorte d'excision génétique complète du VNO. On a vu que cela supprime toute discrimination des genres lors de l'activité sexuelle, les mâles montant les mâles comme les femelles (il a été récemment montré que les femelles montent les femelles également).

On interprète cela comme l'inactivation par le VNO d'un circuit d'inhibition du comportement mâle chez les souris mutantes : les phéromones semblent donc pouvoir aussi inhiber et non seulement activer des comportements. Un bon review récent (en anglais) est ici Brennan, P. A., & Zufall, F. Pheromonal communication in vertebrates (2006)

Ne confondons pas phéromones, MHC et conditionnement olfactif.

Pour I. R. on a bien identifié quelques effets impliquant des phéromones chez l'homme, notamment la synchronisation des cycles menstruels féminins médiée par la sueur axillaire (des extraits inodores pris sous les aisselles d'autres femmes) (McClintock, 1971) (intranet)

Mais il se méfie passablement d'autres effets comme ceux présentés dans Le Parfum de Süsskind : il y a bien sûr des effets d'odeurs sur la physiologie humaine, mais ceux-ci sont généralement acquis. Par exemple, notre hypothalamus réagit à des dérivés stéroides produits notamment par la peau et les hommes / femmes y réagissent différemment. Mais cela ne prouve pas du tout que ce soit inné. Nous pourrions bien avoir acquis ces réactions : il donne un exemple visuel : les hommes ont des réactions à la lingerie féminine, qui sont mesurables au niveau cérébral et différentes chez les hommes et les femmes; ces réactions sont naturellement acquises et pas innées !

Il nuance donc le lien avec les phéromones d'un certain nombre de travaux, par exemple sur les préférences des femmes en fonction de leur cycle (intranet.pdf)

Dans le style, j'ai vu des références même à d'autres substances comme l'ocytocine qui induirait plus de confiance : (Hopkins, 2005 | intranet) ou la transpiration mâle qui relaxerait les femmes (Pilcher 2003 : Male sweat relaxes women |intranet). Ces expériences sont sans doute sérieuses, mais il ne faudrait peut-être pas les associer aux phéromones !

L'odorat détecterait la diversité génétique ?

Ensuite il faut pour lui également distinguer d'autres effets comportementaux induits par les MHC (Major Histocompatiblity Complex : CMH en français et HLA si on parle de l'humain seulement), dont les effets sont similaires : Les mammifères en général préfèrent -notamment comme partenaire sexuel - des individus qui ont un MHC assez différent, mais une trop grande différence induit au contraire une répulsion. Chez l'humain on observe aussi cette prédilection.

Ainsi de la préférence des femmes pour l'odeur de T-shirt portés par des hommes génétiquement plus proches de leur père a été beaucoup discutée (Jacob, McClintock, et al. 2002) (Jacob, McClintock, et al. 2002) (Nature news : intranet.pdf). (entrefilet dans La Recherche). Et une autre NatureNews sur le degré de différence génétique ( intranet.pdf)

je me permets de vous proposer quelques liens sur ce sujet : un article (Milinski,M. &al. 2001) qui avait fait pas mal de bruit aussi est celui sur l'influence du MHC sur les préférences de parfum (cf la news de John Whitfield (2001) (intranet.pdf)

I. Rodriguez met toutefois en garde : une corrélation n'est pas une causalité): Il n'est pas convaincu que ce soient vraiment les MHC qui sont détectés :

• a) il faudrait qu'ils soient clivés -tout petits pour devenir volatiles - afin que nous puissions les détecter dans la muqueuse nasale.
• b) Les molécules détectées pourrait être les peptides associés à ces MHC - qui sont des présentateurs moléculaires - et non les MHC eux-mêmes : là aussi ils seraient clivés en tout petits fragments (Boehm & Zufall 2006)
• c) Il mentionne une autre hypothèse : le MHC - qui est évidemment au centre du système immunitaire - pourrait sélectionner un assortiment différent sur la peau selon les individus de levures et de bactéries qui elles produiraient des molécules volatiles spécifiques à chaque souche.
• d) Une autre hypothèse serait que ces MHC fontionneraient comme des récepteurs: puisque ils sont capables de fixer des peptides, ils pourraient détecter une similitude entre les MHC de l'émetteur et du receveur. La taille des peptides présentés avec les MHC reste cependant peu compatible avec la volatilité nécessaire. Il est intéressant de noter qu'il existe des MHC particuliers qui sont exprimés par les neurones sensoriels du VNO.
• e) Une dernière hypothèse se base sur le fait que les gènes des MHC sont physiquement très proches sur les chromosomes de certains récepteurs à odorants : ils sont donc liés génétiquement, et donc associés. Lorsqu'un individu a un MHC particulier, il possède donc également un jeu de récepteurs à odorants particuliers.

Ses recherches actuelles ?

Actuellement, I.R. essaie de comprendre comment, au niveau moléculaire, les divers systèmes de perception des phéromones sont mis en place. Il vient d'ailleurs de publier la première étude existante concernant la régulation des gènes V1R:

"The largest mammalian gene family codes for odorant receptors and is exclusively devoted to the perception of the outside world. Its expression is very peculiar, since olfactory sensory neurons are only allowed to express a single of its numerous members, from a single parental allele. How this is achieved is unknown, but recent work points to multiple regulatory mechanisms, possibly shared by pheromone receptor genes, acting at (a) a general level, via the expression of the chemoreceptor itself and (b) a more restricted level, defined by activator elements." (Rodriguez, Ivan 2007)

Il vient également de publier une review (Rodriguez, I. 2007) sur les mécanismes de régulation de l'expression des très nombreux gènes du système olfactif en général.

L'approche moléculaire de ce système est très récente, et de nombreuses questions majeures sont encore aujourd'hui sans réponses; il y a donc encore de belles découvertes à faire pour nos élèves dans ce domaine fascinant

Liens

• Boehm, T. & Zufall, F.(2005). MHC peptides and the sensory evaluation of genotype Trends Neurosci. doi:10.1016/j.tins.2005.11.006 (2005).
• Brennan, P. A., & Zufall, F. (2006). Pheromonal communication in vertebrates. Nature, 444(7117), 308-315.
• Boschat, C., Pelofi, C., Randin, O., Roppolo, D., Luscher, C., Broillet, MC., and Rodriguez, I. (2002) Pheromone detection by a V1r vomeronasal receptor. Nature Neurosci., 5, 1261.
• Campbell,Neil A. Reece Jane, (2004). Biologie, 2ème ed. de Boeck
• Jacob, S., McClintock, M.K., Zelano, B., & Ober, C. (2002) Paternally inherited HLA alleles are associated with women's choice of male odor. Nature Genetics, DOI: 10.1038/ng830 (2002). | Article | PubMed | (nature news : intranet.pdf)
• Hopkin Michael Trust in a bottle Nasal spray makes people more likely to place faith in another person. Published online: 1 June 2005; | doi:10.1038/news050531-4 |Intranet
• McClintock, M.K. (1971) Menstrual synchrony and suppression. Nature 229, 244-245. (intranet.pdf)
• Milinski,M. & Wedekind, C.(2001) Evidence for MHC-correlated perfume preferences in humans. Behavioural Ecology 12,140 - 1492001.
• Pilcher, Helen (2007) Powerful urine is mind-altering Alpha-male pheromones cause females to make brain cells. Nature News Published online: 1 July 2007; | doi:10.1038/news070625-14.
• Benoist Schaal, & al. Chemical and behavioural characterization of the rabbit mammary pheromone, Nature 424, 68-72 (2003); doi:10.1038/nature01739
• Shepherd, Gordon M.(2006) Behaviour: Smells, brains and hormones Nature 439, 149-151 (12 January 2006) | doi:10.1038/439149a (intranet.pdf)
• Shepherd, Gordon M.(2006) Smell images and the flavour system in the human brain Nature 444, 316-321 (16 November 2006) | doi:10.1038/nature05405; intranet
• Pilcher, Helen, R.(2003) Male sweat relaxes women , Nature news, 28 May 2003; | doi:10.1038/news030527-2 |intranet
• Rodriguez, I., Mombaerts, P. (2002)Novel human vomeronasal receptor-like genes reveal species-specific families. Current Biology, Volume 12, Issue 12, Pages R409-R411
• Rodriguez, I., Punta, KD., Rothman, A., Ishii, T., and Mombaerts, P. (2002) Multiple new and isolated families within the mouse superfamily of V1r vomeronasal receptors. Nature Neurosci, 5, 134.
• Rodriguez, Ivan (2007) Odorant and pheromone receptor gene regulation in vertebrates Curr Opin Genet Dev. 2007 Oct;17(5):465-70. Epub 2007 Aug 20.
• John Whitfield (2001)The sweet smell of the immune system, Nature news 7 March 2001 | Nature | doi:10.1038/news010308-10 | intranet.pdf
• Ober et al .(2002), Paternally inherited HLA alleles are associated with women's choice of male odor nature news 21 January 2002 | Nature | doi:10.1038/news020114-13 | intranet.pdf
• Vos, Anton, Il est vraiment Phéromonal , Campus, 61, 02/03 université de Genève.

Liens Sur les activités de I. Rodriguez

• Le labo de Ivan Rodriguez
• La liste des publications de I. Rodriguez

* Ne pas confondre avec les amygdales, au fond de la gorge, des structures immunes secondaires qui n'ont rien à voir avec le cerveau.
L'amygdale (qui est reliée à l'hippocampe et à l'hypothalamus) et qui fait aussi partie du système limbique est une structure bilatérale, comme le VNO ou l'hippocampe, et l'usage est généralement de faire référence à ces 3 structures au singulier.
Le nom amygdala n'est pas pluriel mais il arrive effectivement que l'on utilise le terme "amygdalae" (ici pluriel), souvent pour décrire les divers noyaux constituant l'amygdale.

L'enzyme contre la GdB et l'évolution des levures !

A tous les biologistes intéressés à recevoir des bio-reviews
L'alcool ... hips ?
Avec les fêtes plusieurs d'entre nous auront testé les effets de l'alcool sur notre cerveau. Et ceux qui n'ont pas su "consommer avec modération " auront exploré les effets de la GdB
Une news @ Nature (Gramser, Siëlle (2005). Alcohol and science: The party gene) éclaire un peu la question de l'origine de ces boissons.

N.B Prolune a fait un article très complet "In vino veritas" avec une perspective historique, les effets physiologiques et les mécanismes.


Le rôle central des levures
On sait bien que l'alcool est produit par des levures (Saccharomyces cerevisiae : uniprot taxonomy) sur des sucres dans des fruits, notamment le raisin, à l'aide d'enzymes Alcool DesHydrogénases (ADH)
On sait aussi que cette levure est à la fois capable de produire de l'ethanol à l'aide d'une enzyme ADH1 (sur le chromosome XV @ mapviewer), et qu'elle peut aussi la dégrader avec ADH2 (sur le chromosome XIII @ mapviewer), pour l'exploiter comme source d'énergie.
On sait aussi qu'elle supporte des doses d'alcool bien supérieures aux autres organismes.
Il n'était pas très clair quel pourrait être l'intérêt de transformer des sucres en alcool puis de les reconvertir pour les faire entrer dans ses voies biochimiques classique et en faire de l'ATP.

L'arbre généalogique des ADH reconstitué chez les levures
Dans une recherche récente commenté dans une news de nature (Michael Hopkin (2007) Grape genome unpicked) une équipe menée par Benner, S. (2005) a troouvé les séquences de ces ADH chez 12 espèces de levures puis les a alignées et a pu reconstituer une séquence originelle probable d'où toutes les ADH seraient issues et un arbre évolutif : un cladogramme comme celui-ci.

Source Thomson et al. Nature Genetics.

La levure en compétition
La séquence originelle probable AdhA est très proche de l'ADH1 actuelle et les données leur ont permis de déduire que la duplication de l'ADH s'est produite il y a environ 80-60 mio d'années.
Cela élimine les hypothèses - chères à Bacchus et bien des vignerons - selon lesquelles l'homme aurait sélectionné les levures dans son travail. Benner observe que cela coincide avec le développement des plantes à fleurs (et donc à fruits ... ) et pense que dans ce monde soudain très riche en sucres cela aurait donné à ces levures un avantage sélectif sur lees frugivores et les autres candidats à la dégradation des fruits (bactéries etc) en éliminant des concurrents. Même s'il n'est pas efficace de convertir les sucres en alcool puis de les reconvertir pour les exploiter, cela vaut la peine si on élimine la concurrence !

Mais l'évolution ne s'arrête pas là !
Il note aussi que c'est vers cette époque que les drosophiles sont apparues et qu'elles sont actuellement munies d'une autre ADH qui les rend capables de supporter et d'exploiter l'alcool. Luciano Matzkina étudié les espèces différentes de Drosophila et trouvé qu'elles ont des variantes différentes d' ADH qui leur permettent de se nourrir des jus de fruits avec 4% d'alcool (comparable à la bière) et pas mal de levures.
On aurait ainsi une compétition protectionniste entre les différents décomposeurs et frugivores !

Drosophila melanogaster (Source Wikipédia)
Les enzymes proches de l'ADH sont fréquentes dans le vivant et ont des rôles assez divers. Selon Ary Hoffmann (2005) elles peuvent évoluer assez vite : il a observé en Australie qu'une variante (AdhS, plus résistante au chaud) s'est répandue sur 400km en 20 ans.
Et ADH chez l'humain ?
L'enzyme ADH que nous avons est encore un peu différente et est probablement présente depuis longtemps pour d'autres fonctions, encore peu claires selon Gramser, peut être pour dégrader le formaldéhyde (toxique). Sa mise a profit pour une des boissons les plus contrastées de notre temps (citons ses riches liens culturels profonds mais aussi la mortalité et les effets sur la santé qu'elle cause) est donc secondaire.
Cette enzyme a en tous cas permis d'écrire -ou de compléter temporairement- quelques pages de l'histoire évolutive de la levure, de la mouche à vinaigre et de l'humain.


Compléments
On dispose du génome de la levure Saccharomyces cerevisiae complète @ mapviewer : 16 chromosomes , 12 Mbases

Les 16 chromosomes de la levure @ mapviewer :



On dispose depuis peu du génome du raisin Vitis vinifera ils ont séquencé un Pinot Noir. Un commentaire dans nature news (Michael Hopkin 2007) : Grape genome unpicked nous apprend qu'il a environ 30'000 gènes -plus que nous - et on y a trouvé un très grand nombre (70-80 ) de gènes pour des terpènes dont on sait le rôle pour composer les arômes subtils.

Source nature news (Getty)

Liens :

• Benner, et al. 2005 Resurrecting ancestral alcohol dehydrogenases from yeast |Nature genetics Volume 37 number6 june 2005 | intranet.pdf
  
• French-Italian Public Consortium for Grapevine Genome Characterization. Nature advance online publication, doi:10.1038/nature06148 (2007).
  
• Gramser, Siëlle (2005). Alcohol and science: The party gene p1068 doi:10.1038/4381068a | Intranet.pdf Thomson, J. M. et al. Resurrecting ancestral alcohol dehydrogenases from yeast Nature Genet.37,630-635 (2005).
  
• Michael Hopkin (2007) Grape genome unpicked 26 August 2007 | Nature | doi:10.1038/news070820-13
  
• Umina, P. A., Weeks, A. R., Kearney, M. R., McKechnie, S. W. & Hoffmann, A. A.(2005) Science308,691-693 (2005).
• Prolune : "In vino veritas"

Ressources BIST :

• Génome complet Saccharomyces cerevisiae @ mapviewer
  
• Saccharomyces cerevisiae : UniProt Taxonomy
  
• ADH1 (sur le chromosome XV @ mapviewer),
  
• ADH2 (sur le chromosome XIII @ mapviewer)
  

Le QI ... inné ou acquis ? les 2 !

Encore un intéressant exemple qui met en évidence combien chercher à trouver si une capacité cognitive est innée ou acquise n'est pas une manière efficace d'aborder le problème ! C'est plutôt comment l'un interagit avec l'autre qui est intéressant a explorer et finalement bien plus utile.

Coluche dans un de ses sketches :

"L'intelligence, c'est la chose la mieux répartie chez l'homme, parce que quoi qu'il en soit pourvu, il a toujours l'impression d'en avoir assez vu que c'est avec ça qu'il juge..."

On répète souvent qu'il citait Descartes, en fait je crois qu'il faisait allusion à

"Le bon sens est la chose du monde la mieux partagée (...] La puissance de bien juger, et distinguer le vrai d'avec le faux, qui est proprement ce qu'on nomme le bon sens, ou la raison, est naturellement égale en tous les hommes. "

René Descartes Discours de la méthode

On sait bien que le QI n'est pas une mesure indiscutable de l'intelligence, mais certains tests (Wechsler notamment) produisent des valeurs répétitibles et comparables avec certaines précautions. Aussi on l'utilise encore passablement. Il est un raisonnablement bon prédicteur de réussite scolaire. Sa valeur augmente régulièrement - depuis qu'on le mesure - d'environ 3 point par décennie. Son héritabilité est abondamment discutée (p.ex. ici). Le débat sur la porté et la pertinence de ce chiffre n'est pas clos et probablement pas intéressant.

Reste que la plupart des gens souhaiteraient que leurs enfant ait un QI plutôt élevé !

Nous parlons ici du QI et non de l'intelligence !
Utilisons donc ce chiffre avec prudence. Et aidons les élèves à travailler avec des concepts qui ne sont pas noir ou blanc, juste ou faux. Le QI n'est pas faux, ni vrai: il n'est pas une bonne mesure de l'intelligence (qu'on aurait de la peine à définir de manière définitive), ni de toutes les intelligences. Il est cependant utilisable avec précautions.

L'allaitement au lait maternel est favorable au QI, mais surtout si on a le bon gène...
Un exemple récent illustre bien combien le débat inné acquis est mal posé : une recherche par Caspi, A. et al.(2007) publiée dans PNAS révèle que précisément que c'est dans l'interaction entre certains gènes et certaines méthodes d'allaitement que se joue l'effet favorable sur la valeur de QI
Matt Kaplan nous en parle dans une news de nature The gene that turns breast-milk into brain food (intranet).
Getty
L'allaitement au sein est considéré comme favorable pour de nombreuses raisons. On avait observé que les enfants nourris au sein ont en général un QI plus élevé

Scores de QI moyen selon le mode d'allaitement et les allèles du gène PADS2 (C, ou G) En bleu foncé allaitement au sein.

Dans cette étude statistique sur des population en Nouvelle-Zélande (n=1'037) et en Grande-Bretagne (n=2,232) Caspi et al. ont trouvé que les gains sont respectivement de 5.6 et 6.3 points de QI mesurés à 5, 7 ou 9 ans.

On soupçonne depuis un temps fortement les acides gras poly-insaturés qu'on trouve dans le lait humain mais pas celui de la vache. L'acide docosahexaenoique (DHA; 22:6n-3) et arachidonique (AA or ARA; 20:4n-6)) On sait que des quantités substantielles de DHA et de AA s'accumulent dans le cerveau humain durant les premiers mois de la vie et que le enfants nourris au sein ont des concentrations de DHA et d' AA que les enfants nourris au lait pour biberon habituel (sauf en cas d'apport de ces acides gras)

Variantes de ce gène vs. QI ?
Ils ont alors cherché quelle variante du gène FADS2 les enfants avaient : un frottis buccal a permis d'identifier les allèles dont chaque enfant était porteur. (En fait ils ont cherché les SNP qui révèlent la variante présente.)
C et G
Ensuite ils ont cherché s'il y avait un lien entre les variantes de ce gène et le QI mesuré :
Ils ont trouvé que selon la variante qu'avaient les enfants d'un SNP au nom charmant de rs174575 leur QI était statistiquement différent.
En moyenne les porteurs de l'allèle C avaient 7 (NZ) et 6.3 (GB) points de QI de plus quand ils sont nourris au sein alors que les homozygotes GG qui étaient dans la moyenne quel que soit le mode d'alimentation.

Que sont ces variantes C et G ?
Les SNP (Single Nucléotide Polymorphism) sont des différences identifiées du génome dont on connaît la position et qui sont faciles à tester (je présume par PCR) elles sont répertoriées dans des bases comme dbSNP et nous pouvons y accéder facilement.

Notons bien que les SNP sont des sortes de marqueurs : c'est un peu comme regarder l'ADN par plein de petits trous de serrures : dans cet article Caspi et al. n'a pas travaillé sur la séquences réelles des variantes de ce gène : on distingue simplement ceux qui ont à cette position particulière (le SNP) un C ou un G
On imagine évidemment que probablement de nombreuses autres bases sont aussi différentes avant et ou après ce SNP. Mais la variante de ce SNP indique d'un changement dans l'ADN là ou très près de cette position.

Pour explorer un peu plus ou faire explorer :

• 
  
• le gène est accessible ici chez SwissProt : on voit que c'est une enzyme impliquée dans la désaturation des acides gras.
  
• Sa position sur le chromosome 13 est visible ici dans mapviewer
  
• On trouve la liste dessnp pour ce gène FADS2
  
• L'article de Caspi mentionne le nom du snp
  
• On voit le snp concerné dans la base dbSNP refSNP ID: rs174575ce snp est défini par un C ou un G en position 736 (ici)
  

Ainsi ce n'est dans ce cas ni la génétique ( la variante C ou G du gène FADS2 que possède un nourrisson), ni l'environnement (la méthode d'allaitement) qui compte... c'est l'interaction entre l'un et l'autre : "genes may work via the environment to shape the IQ" (Caspi, 2007)

Pourquoi l'allèle moins performant existe-il encore ?
Peut-être que l'allèle G protégerait les enfants dans des circonstances où ils ne reçoivent pas assez de lait maternel. Dit une psychologue du développement, Linda Gottfredson, à l'University of Delaware à Newark.
"It is almost as though the G allele evolved as a protective genotype for children who might not get enough breast-milk,".
Personnellement je ne trouve pas cet argument très convaincant, et vous ?
Ainsi le débat sur l'inné et l'acquis s'avère encore une fois mal posé : comment l'environnement et les gènes influencent-ils telle ou telle caractéristique est plutôt la question !
Merci de me signaler toute erreur ou omission, j'écris avec probablement pas mal de fièvre !
Sources

• Caspi, A. et al.(2007) Moderation of breastfeeding effects on the IQ by genetic variation in fatty acid metabolism. Proc. Natl Acad. Sci. USA doi: 10.1073_pnas.0704292104 (2007). (intranet)
  


• Matt Kaplan, 2007 The gene that turns breast-milk into brain food Nature new 5 November 2007 | Nature | doi:10.1038/news.2007.217 intranet
  


• L'abstract de l'article PNAS de Caspi Children's intellectual development is influenced by both genetic inheritance and environmental experiences. Breastfeeding is one of the earliest such postnatal experiences. Breastfed children attain higher IQ scores than children not fed breast milk, presumably because of the fatty acids uniquely available in breast milk. Here we show that the association between breastfeeding and IQ is moderated by a genetic variant in FADS2, a gene involved in the genetic control of fatty acid pathways. We confirmed this gene-environment interaction in two birth cohorts, and we ruled out alternative explanations of the finding involving gene- exposure correlation, intrauterine growth, social class, and maternal cognitive ability, as well as maternal genotype effects on breastfeeding and breast milk. The finding shows that environmental exposures can be used to uncover novel candidate genes in complex phenotypes. It also shows that genes may work via the environment to shape the IQ, helping to close the nature versus nurture debate.
  

....démarche scientifique ?

A un moment où on parle beaucoup de la démarche scientifique, il est peut-être utile d'explorer un peu :

Au fond qu'est-ce que la démarche scientifique ?

Je vais tenter - dans le cadre de ces Bio-Review - de me distancer d'un débat pourtant crucial, pour une forme de review ici aussi : rassembler quelques réflexions issues des recherches sur cette question et qui pourront nourrir le débat.

Qu'est-ce que la science ?

En ce qui concerne la biologie voici une définition:

Avant tout, les biosciences sont des sciences expérimentales et se définissent par les caractéristiques suivantes :
1. Les connaissances sont fondées sur l'observation ou l'expérimentation.
2. C'est un ensemble de méthodes et de disciplines groupées autour des processus vivants et des interrelations entre les organismes vivants.
3. Elles existent dans un environnement d'hypothèses courantes plutôt que de certitudes.
4. Elles incluent des disciplines en changement rapide.
5. Ce sont des disciplines essentiellement pratiques et expérimentales .

(Sears & Wood, 2005, p.3 Traduction personnelle)

Pour un tableau très complet de ce que sont les compétences d'un biologiste (ici) (Hounsell, D., & al. 2002)

Avec cette définition la science est une manière de produire des connaissances où tout ce qu'on sait est basé sur des données expérimentales, et le savoir est hypothèses courantes.

Une science des conclusions

On sait bien que dans l'école il est très difficile de dépasser l'enseignement des conclusions :

A) "le SIDA est apparu en Afrique."

est bien plus facile que :

B) "Selon des études récentes il est très probable que le SIDA soit apparu en Afrique. Sur la base notamment de l'examen des échantillons de sang conservés datant de différente époques et les différentes souches pour leurs mutations, on peut extrapoler une origine vers 1930 (Cf Fig 25.17 du Campbell 2002) . D'autre part la présence d'un virus similaire chez le chimpanzé suggère une transmission à l'homme lors d'un contact sanguin ( chasse, par exemple) '' etc...

• Les élèves préfèrent A),
• Les parents ne vous enquiquineront pas avec A),
• on risque moins la controverse et les théories diverses sur l'origine du SIDA (fuite d'un labo, vaccin polio raté, expérience bio-militaire, etc).
• On risque moins de ne pas finir le programme avec A),
• On n'aura pas a justifier le choix A) devant qui que ce soit.

Le risque qu'on enseigne une conclusion plutôt qu'une démarche scientifique vers des connaissances "fondées sur l'observation ou l'expérimentation", et qui "existent dans un environnement d'hypothèses courantes plutôt que de certitudes".

Démarche scientifique : pourquoi ?

Pourtant l'acquisition de cette démarche est clairement un objectif pour la matu:

"Au terme de sa formation gymnasiale, l'élève a acquis la capacité de mettre en pratique une démarche scientifique, de la justifier et de la communiquer. " (Plan d'études du collège de Genève, 2005)

Une méthode scientifique générale ?

Cela pourrait donner à penser qu'il y a une méthode unique. Ceux qui ont étudié cela pensent plutôt que la recherche est ancrée dans une discipline :

"Ce serait une erreur de croire qu'il existe une méthode scientifique générale, universelle, qui pourrait s'appliquer à tous les exemples de recherches. Et pourtant, cette idée est largement répandue, aussi bien dans le grand public que chez les enseignants." (de Vecchi 2006, p. 46)

Démarche scientifique = OHERIC ?

On a souvent décrit la démarche scientifique par l'acronyme OHERIC, composé par André Giordan de l'UniGe à partir des initiales de chaque étape (observation, hypothèse, expérience, résultats, interprétation, conclusion). Il a montré que ce modèle ne correspond pas à la réalité de la démarche d'un chercheur en sciences. " OHERIC ne répond plus ; ... ce schéma prétendument dérivé de C. Bernard s'est vite avéré n'être qu'un schéma reconstruit, [...] et sans grande valeur formative, puisqu'il ne correspond ni à des procédures que peuvent suivre les élèves, ni au fonctionnement réel de l'activité scientifique. » (Astolfi, J. -P. in Vialle, B. 1999).

Cela a été longtemps le modèle dominant en France ( et l'est peut-être encore ici ou là : exemple )

Le principal reproche fait à ce modèle est de donner l'impression que l'investigation scientifique suit un schéma linéaire rigoureux comme un formel militaire.

Une démarche complexe guidée par des questions

La démarche scientifique est probablement beaucoup plus faite de va-et-vient entre hypothèses et expérimentation, dans un mouvement qu'on doit guider pour qu'il progresse vers une connaissance. Voir par exemple ici (F. Pellaud 2001) de l'équipe de Giordan.

Pour (Sandoval, 2003) par exemple elle est un processus itératif de questionnement, d'acquisition de données, d'interprétation et de conclusions. Susciter des questions et accompagner l'expérimentation pour leur trouver des réponses est ici central.

Si encourager les apprenants à une démarche scientifique c'est leur apprendre à étayer et développer activement leurs propres idées, cela entre en tension avec le souci de leur faire apprendre des savoirs clairement établis "scientifiquement prouvés" (Sandoval & Daniszewski, 2004).

Comme on l'a vu plus haut... il est bien difficile d'intégrer ces approches, et chacun tente de le faire à sa façon. Les occasions sont rares de mutualiser les réussites, et il n'est guère dans les habitudes des enseignants -partout- de partager leurs bonnes idées !
Modestie, crainte de se mettre en avant ?

Qu'est-ce que l'expérimentation ?

De Vecchi (2006) - d'ailleurs un ouvrage intéressant et facile à lire, truffé d'exemples et de conseils pratiques - insiste sur l'importance d'aider à construire à travers l'expérimentation une compréhension du phénomène étudié.

Pour lui l'important n'est pas seulement de manipuler comme un simple exécutant au cerveau plutôt passif, mais de partir de situations qui ont du sens pour l'élève, de chercher à développer dans ces expériences l'invention d'un modèle, d'un principe général et ré-applicable.

Il faut les faire manipluer ?

Il faudrait donc baser la compréhension des élèves sur les données, mais tout faire pour ne pas rester dans la simple manipulation, aller vers une vraie compréhension. Mais alors c'est quoi comprendre, vraiment ?

Je propose comme définition de comprendre en biologie : "Il peut prédire ce que fait le système, la cellule, le ribosome, etc dans une situation non encore étudiée." Il y a alors de degrés de compréhension différents.

L'ExAO comme moyen de dépasser la manipulation pour aller vers la compréhension plus élevée ?

L'Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO) a été beaucoup encouragée.

"On va gagner du temps! On va développer des habiletés de niveau supérieur, déléguant aux machines les aspects inintéressants, répétitifs, etc.

La mise en pratique a donné des résultats mitigés. La thèse de Brigitte Vialle a montré qu'on risque des problèmes causés par l'éloignement aux phénomènes biologiques. Dans certains cas, ils peuvent avoir l'impression de se retrouver servants d'un système technique qui décide à chaque moment de ce qui est possible voire de ce qui est souhaité." (Baron, G.-L., &al. 2004)

Ainsi l'ExAO n'est en soi ni une bonne ni une mauvaise démarche : c'est comment on la met en oeuvre qui détermine si elle est efficace ou non.

Après l'expérience : écrire pour comprendre ?

Une des pistes explorées est de mettre l'accent sur le prolongement des expériences dans des productions des élèves ( les rapports de labo sont un bon exemple) En France, dans les lycées on pratique les Travaux Personnels Encadrés (TPE) au lycée ou encore l'opération La Main à la Pâte à l'école primaire.

La réflexion sur la démarche scientifique : dans d'autres pays aussi !

Un très fort mouvement soutenu officiellement en France, intitulé "Main à la pâte" (site lamap.fr) initié par le physicien Georges Charpak (Historique ) favorise à l'école primaire une démarche de découverte, basée une réflexion sérieuse à propos de la nature expérimentale de la science.

Aux USA les directives officielle mettent en avant l'Inquiry : qui développe une vision de la science comme une démarche d'investigation, de nature cyclique ( Définition (An) ici très formelle et exemples d'usage aux USA) Discussion sur la base d'un exemple dans la revue Science.

Une démarche citoyenne?

Au-delà du contexte scientifique, c'est développer une certaine vision du citoyen que de défendre une approche où les idées sont acceptées parce qu'elles sont en accord avec les faits, les données et pour leur capacité à résister à la critique plutôt que parce qu'elles sont issues d'une personne d'autorité.

Enseigner la démarche expérimentale développe un certain état d'esprit, favorise la socialisation, la construction d'une pensée critique et permet d'apprendre à remplacer une argumentation s'appuyant sur la force, par les arguments de la logique et du raisonnement. (de Vecchi 2006, p. 260)

L'importance de la démarche scientifique est mise en avant... mais les moyens de l'enseigner ou de la développer font encore débat, on le voit.

Il y a cependant dans les publications des pistes qui sont déjà bien debroussaillées et de quoi gagner du temps en s'inspirant de ces ouvrages et des réussites et des analyses des uns et des autres ici ou ailleurs ...

Sources :

• Conférence des Directeurs du DIP Genève, & Collectif d'enseignants. (2005). Plan d'études Collège de Genève.
• Baron, G.-L., & Bruillard, E. (2004). Quelques réflexions autour des phénomènes de scolarisation des technologies. In L. Pochon & A. Marechal (Eds.), Entre technique et pédagogie. La création de contenus multimédias pour l'enseignement et la formation. (pp. 154-162).
• Catel, L. (2001). Écrire pour apprendre? Ecrire pour comprendre? Etat de la question. Aster(33), 17-47.
• De Vecchi, G. (2006). Enseigner l'expérimental en classe : pour une véritable éducation scientifique Paris: Hachette éducation.
• Faure-Vialle, B. (2001). L'Expérimentation Assistée par Ordinateur dans l'enseignement des sciences de la vie au lycée. Aide et obstacle à la rénovation de l'approche expérimentale. Doctorat, Université de la Réunion, La réunion.
• Giordan, A. (1998). Une didactique pour les sciences expérimentales. Paris: Belin.
• Hounsell, D., & McCune, V. (2002). Teaching-Learning Environments in Undergraduate Biology: Initial Perspectives and Findings Edinburgh: Economic & Social Research Council, Department of Higher and Community Education.
• Pellaud, Francine LDES, (2001) Enseigner les sciences... oui, mais comment et pourquoi? Université de Genèv Université d'été organisée par l'OCCE, juillet 2001
• Sandoval, W. A. (2003, June 2004 ). The inquiry paradox: why doing science doesn't necessarily change ideas about science. Paper presented at the Sixth Intl. Computer-Based Learning in Science Conference 2003 Nicosia, Cyprus.
• Sandoval, W. A., & Daniszewski, K. (2004). Mapping Trade-Offs in Teachers' Integration of Technology-Supported Inquiry in high School Science Classes. Journal of Science Education and Technology, 13(2).
• Sears, H., & Wood, E. (2005). Linking Teaching and Research in the Biosciences. Bioscience Education e-journal (BEE-j), 5. Vialle, B. (1999). Utilisation de l'ordinateur dans l'enseignement d'une science expérimentale: la biologie au lycée. EPI Enseignement Public et Informatique(93), 199.

Pourquoi les toiles X sont attirantes ?

Vous avez sans doute observé ces araignées un peu artistes qui garnissent leurs toiles de jolis dessins en zig-zag.

A droite : Argiope avec la croix de soie.

Dans une News de Science 19 Novembre Untangling an Artistic Spider Web, Matt Kaplan, parle de ces toiles décorées que tissent les Argiopes. Des travaux récents suggèrent que ces toiles ornées attirent plus les insectes, mais aussi les prédateurs !

Et chez nous ?
On peut observer d'autres espèce de ces araignées chez nous : en voici une observée à Veyrier (2004)

Elles sont courantes à travers l'Europe :
Position taxonomique des Argiope dans Fauna europea.Accès à la carte : cliquer "display on map"

Le rôle de ces décorations remarquables stimule l'imagination depuis longtemps et on a pensé qu'elles attiraient les proies ou feraient fuir les prédateurs, qu'elles seraient une sorte de signal pour que les oiseaux évitent ces toiles, mais on manquait de données sérieuses pour confirmer ou infirmer ces hypothèses.
Des biologists de Taiwan, Ren-Chung Cheng et I-Min Tso de l'université Tunghai à Taichung, ont installé des caméras devant de nombreuses toiles et ont enregistré plus plus de 700 heures de vidéo sur 2 mois. L'espèce observée Argiope aemula, est connue en anglais comme l'araignée de la croix de St. André (St Andrew's cross spider) parce qu'elle décore ses toiles d'un "X" blanc. Ils ont filmé 56 toiles avec décorations et 59 sans.

Ces chercheurs rapportent dans le numéro de nov-déc de Behavioral Ecology que les toiles décorées ont intercepté 60% d'insectes de plus que les non décorées.

Mais ces motifs accroissent aussi les risques de prédation. Sur 18 attaques de guêpes enregistrées, les 273 s'attaquaient à des araignées dans des toiles décorées.

Il y a en effet des guêpes prédatrices d'araignées. Assez courantes chez nous aussi.

Une guêpe prédatrice d'araignée (Ammophile ) de chez nous (Observée en 2003 en valais)

Position taxonomique des Ammophila dans Fauna europea.

les toiles X attirent les insectes ?
Ces résultats suggèrent que ces décorations attirent l'attention des proies et celle des prédateurs. cet équilibre expliquerait pour quoi seulement certaines Argiope aemula décorent leurs toiles. On observe ce genre de compromis chez d'autres espèces : il cite des grenouilles qui chantent de concert pour attirer les partenaires, mais attirent aussi les serpents. Mais c'est la première fois que cet effet est observé pour une structure construite par un animal.
Quand à la raison de cette forme particulière, cela reste un mystère pour En-Cheng Yang, il dit qu'on a bien observé que de nombreux insectes (comme les abeilles) ont une préférence innée pour des objets symétriques Il es très probable que cette croix de St André constitue un stimulus très fort pour les insectes (prédateurs ou proies) , mais il dit qu'il faudra des études neuroethologiques pour élucider ce mystère.

D'autres formes ?

D'autres (Daiqin Li, 2005) avaient déjà observé que les araignées qui pratiquaient ces décorations de toiles croissaient plus vite même si elles se font plus souvent attraper, comme sur cette image, où une araignée sauteuse Portia labiata mange une juvenile d'Argiope versicolor dans une toile très joliment décorée.

Sources

• Kaplan, Matt (2007) Untangling an Artistic Spider Web, ScienceNOW Daily News 19 November 2007
  
• Daiqin Li (2005) Spiders that decorate their webs at higher frequency intercept more prey and grow faster, Proc Biol Sci. 2005 September 7; 272(1574): 1753-1757. doi: 10.1098/rspb.2005.3160.
  
• Ren-Chung Chenga and I-Min Tso, (2007) Signaling by decorating webs: luring prey or deterring predators? Behavioral Ecology 2007 18(6):1085-1091; doi:10.1093/beheco/arm081

Compléments

• Auteur inconnu, (2007)Décorations à double détente, La Recherche, 415, I/08 intranet
  

Le Thalamus sous-estimé !

Le Thalamus : un simple centre de relais ?

Le Thalamus est décrit par nos anciens manuels comme une sorte de simple relais entre les organes sens et le cortex où se passerait tout ce qui est important. Meme dans le glossaire du récent (Campbell, 2004 p. G38) on parle de "Principal centre de relais pour les informations sensitives arrivant au cerveau et pour les informations motrices partant du cerveau. "

Depuis quelques années son rôle apparaît comme beaucoup plus fondamental. On le voit de plus en plus comme un centre de décision rapides et plus comme un simple interface.



Fig 1 : Localisation du thalamus (au centre en bleu) (Source Psychology:An Introduction Eleventh Edition by Charles G. Morris,Albert A. Maisto)
Situé au centre de l'encéphale, il est constitué de plusieurs noyaux groupés par leur fonction.(image ici ) Il fait partie du système limbique. (Bien que cette expression soit contestée, elle reste utilisée faut de mieux (cf illustration dans le Purves 2001))

On se souvient (Bio-review 22aout) que le thalamus avait déjà été présenté (Shadlen 2007) comme un centre toujours actif qui veille et réveille le reste. Mais le Thalamus est sans doute bien plus que cela !



Le thalamus : un centre décisionnel ! Exemple pour la vision

Il y a pas mal d'années John LeDoux (1996) a mis en évidence le rôle du Thalamus dans le traitement des informations : les influx visuels (et auditifs, etc.) passent par le thalamus (ça tous les bouquins le montrent depuis longtemps : et il y est question de simple connection et de superposition des champs visuels binoculaires) , mais il a montré que ces influx y sont analysées une première fois.

On mentionne là souvent une part du thalamus : le corps genouillé latéral est un de ces noyaux impliqué dans la vision.



Fig 2 : Les corps genouillés latéraux font partie du thalamus (source :Thebrain- McGill.ca)

LeDoux a mis en évidence 2 circuits : un circuit rapide analyse l'image et détecte notamment les situations d'urgence et active les réactions émotionnelles (par l'amygdale) avant même que les influx soient parvenus au cerveau.

En parallèle, les influx continuent leur chemin vers le cortex qui analyse beaucoup plus finement et vient nuancer la perception, modifier les émotions via l'amygdale qui contrôle les signes de l'émotion (accélération du pouls, tension artérielle, adrénaline, transpiration etc) .

L'illustration de son site (ledouxlab) montre bien ces 2 circuits : circuit rapide en rose et plus élaboré en bleu puis vert.



Fig 3 : Circuit rapide et circuit complexe (LeDoux, 1994)

Dans son exemple classique, lorsqu'on voit une forme allongée sur le sol, le thalamus interprète comme un serpent et active les réactions corporelles qu sont pour lui l'émotion. Le cortex peu ensuite analyser plus finement et réaliser que ce n'était qu'un tuyau d'arrosage ou une racine et limiter ou moduler l'action de l'amygdale. Ce circuit est illustré fort bien illustré dans une belle illustration intranet (S&V)



Fig 4 : Schéma des 2 circuits de la peur dans l'excellent site lecerveau.mcgill.ca : ce site permet d'aborder les concepts à un niveau simple ou complexe.

La vision dans le thalamus est assez sommaire : elle analyse - très vite - une image dans ses formes générales floues (les basses résolutions ou basses fréquences diront les spécialistes du traitement du signal). Cette image peu détaillée détermine cependant de nombreux comportements.

La peur en ligne directe ?

L'équipe du Pr. Vuilleumier (dans le Pôle de recherche en émotions basé à l'UniGe) a été mentionnée il y a quelques temps dans le journal Campus (la peur en ligne directe article.pdf) pour ses recherches sur ce cheminement :

«Ces données indiquent que le cerveau est doté d'un système visuel parallèle au système classique et capable de le court-circuiter, poursuit Patrik Vuilleumier. Toutefois, si cette hypothèse est vraie, le système alternatif doit utiliser des images de basse résolution, ne comportant qu'un minimum de détails, ce qui permet leur transmission plus rapide.» Ils ont alors séparé une image en 2 composantes : l'une avec seulement les contours, nets, et l'autre plus floue (avec les basses fréquences spatiales merci Fourier) Les images floues véhiculaient la peur bien plus que celles qui sont nettes. ( L'article de Campus va bien sûr plus loin et discute notamment de l'interaction avec l'aire de reconnaissance des visages . Il vaut la lecture... tout en étant très accessible : excellent pour susciter des questions en classe...)
image intranet

Fig 5 : la séparation d'une image en 2 composantes : l'une avec seulement les contours, nets, et l'autre plus floue (avec les basses fréquences spatiale) permet d'analyser laquelle cause la peur.

Visages ambigus

Jouant sur cette dissociation entre les composantes de l'image interprétées par le thalamus et le cortex (Schyns, P. et al. 1999)) dans un article intitulé de manière ironique Dr. Angry and Mr. Smile. ont fait une analyse très fine de la manière dont ces image produisaient des effets chez les gens : ils ont produit des images hybrides : un visage de femme exprimant la colère en basses fréquences (flou) et un visage calme en haute fréquences bien nettes, et l'inverse pour un homme. Vues de loin l'image du haut est plus effrayante et de près c'est l'inverse. essayez de vous éloigner 'dun mètre ou deux de votre écran...




Fig 6 : Deux visages hybrides(Schyns, P. et al. 1999) de près on voit l'image en hautes fréquences et on trouve l'homme de gauche plus en colère de loin on voit les basses fréquences et c'est la femme  droite qui parait plus en colère.

Le sourire énigmatique de la joconde : l'ambiguité serait-elle due au thalamus ?

Un article récent de science et Vie (I. L. (2007)Pourquoi dit-on que la Joconde a un sourire énigmatique?, Science et Vie, Février 2007) rapporte un article de Science (Livingstone, M. S. (2000)) qui discute de ce fameux sourire : ici aussi en séparant l'image en hautes fréquences (précis) et basses fréquences (flou) on a des expressions sensiblement différentes. Dans cet article, elle lie la perception des hautes et basse fréquences à la vision périphérique ou centrale. Je me demande si on ne pourrait pas aussi interpréter ces différences à la lumière de la fonction du thalamus... image intranet

Ainsi le Thalamus visuel est déjà bien plus riche qu'un simple connecteur !


Le thalamus fait tourner les têtes ?

Or il semble participer à de nombreuses autres fonctions : le pulvinar (en latin ce terme signifie l'oreiller) se trouve dans la partie postérieure du thalamus et semble impliqué dans l'intégration générale des informations sensorielles.

Il semble notamment qu'il est très impliqué dans le choix de ce qu'on regarde."Les auteurs concluent que ces neurones participent dans l'attention sélective Cette conclusion provient surtout des trois observations suivantes: (i) ces mêmes neurones déchargent lorsqu'un objet apparaît dans leur champs récepteur, ils sont donc capables de signaler un changement; (ii) leurs réponses changent si ce stimulus est une cible pour un comportement actif; (iii) ces neurones déchargent juste après la réalisation d'une saccade, même dans l'obscurité complète, ce qui serait utile pour un mécanisme attentionnel qui signalerait qu'une recherche attentionnelle ou un déplacement vient d'être accompli. Ces trois observations peuvent donc suggérer que: (i) une cible vient d'être détectée, (ii) elle a été sélectionnée pour un traitement approfondi, (iii) une saccade a été réalisée afin de l'examiner." (source : Michael G.A. 2005)

Ainsi si les jolies femmes font tourner la tête aux hommes et les beaux mecs aux femmes, c'est la faute (en partie) au Pulvinar dans le thalamus..

Le thalamus au centre de la régulation le sommeil / éveil

On se souvient news@Nature (Hopkin, 2007), (Bio-review 22aout) que stimuler le thalamus a pu rendre une personne dans un état de conscience minimale plus réactive et dans un article paru dans le même numéro, Shadlen (2007) y défendait l'idée que le thalamus serait un peu le centre qui reste toujours fonctionnel et réveille le reste : notamment le cortex.



Figure 7 : Une activation du Thalamus endort un chat éveillé. (source : Purves 2001) (B) Electrical stimulation of the thalamus causes an awake cat to fall asleep. Graphs show EEG recordings before and during stimulation.

Selon (Purves 2001) le sommeil / éveil résulte d'une interaction entre le thalamus et le cortex, eux mêmes influencés par des structures plus profondes. "In brief, the control of sleep and wakefulness depends on brainstem and hypothalamic modulation of the thalamus and cortex. It is this thalamocortical loop that generates the EEG signature of mental function along the continuum of deep sleep to high alert." image

On voit bien que ce sacré thalamus est bien plus qu'une prise !

Pour aller plus loin ...

• Qu'en est-il pour l'audition et les autre sens : comme la vision est-ce que le Thalamus surveille et alerte en cas d'urgence ?
• Ce thalamus toujours actif pourrait-il expliquer pourquoi les mamans (et certains papas ne soyons pas sexistes) n'entendent pas le bruit des camions sur la route mais se réveillent au moindre toussottement de leur enfant ?
• Serait-ce la cause de cette faculté à ignorer les bruits habituels d'un maison connue, alors que ces mêmes bruits réveillent les invités ?

... Merci de me signaler toute erreur / complément / mise ne perspective en commentant dans ce blog

Des ouvrage de référence gratuitement accessibles ?

• Le NIH offre avec Bookshelf gratuitement l'accès a divers ouvrages dont
  Neurosciences (Purves et al. 2001)
• Morris,Charles G., Maisto, Albert A. Psychology:An Introduction Eleventh online companion Edition Prentice Hall

Sources :

• Bloom, F. E., & Lazerson, A. (1985). Brain, mind, and behavior: WH Freeman.
• Hopkin, Michael (2007) Implant boosts activity in injured brain , Deep-brain stimulation offers hope for minimally conscious patients. News@Nature1 August 2007; | doi:10.1038/448522a | intranet
• Khamsi, Roxanne (2005) Knowing where to look is key to recognizing others' emotions, Nature news 5 January 2005 | doi:10.1038/news050103-4
• LeDoux, J. (1996). The emotional brain: the mysterious underpinnings of emotional life: Simon & Schuster.
• I. L. (2007)Pourquoi dit-on que la Joconde a un sourire énigmatique, Science et Vie, Février 2007 Intranet.jpg
• LeDoux lab :http://www.cns.nyu.edu/home/ledoux/
• Livingstone, M. S. (2000). Is It Warm? Is It Real? Or Just Low Spatial Frequency? Science, 290(5495), 1299b-.
• Morris,Charles G., Maisto, Albert A. Psychology:An Introduction Eleventh online companion Edition Prentice Hall
• Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick, David; Katz, Lawrence C.; LaMantia, Anthony-Samuel; McNamara, James O.; Williams, S. Mark.(2001) Neurosciences Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.
• Shadlen, M. N., & Kiani, R. (2007). Neurology: An awakening. Nature, 448(7153), 539-540. | intranet


• Schyns, P. G., & Oliva, A. (1999). Dr. Angry and Mr. Smile: When categorization flexibly modifies the perception of faces in rapid visual presentations. Cognition, 69(3), 243-265. article.pdf

Compléments :

• Philippon, (2008), L'impulsivité sous-contrôle, La Recherche janvier 2008 intranet.jpg