Reconstitution du crâne de Sibyrhynchus denisoni par holotomographie X à constraste de phase. Le cerveau, bien petit, apparaît nettement, en rouge. © PNAS/Philippe Janvier (CNRS, Muséum National d'Histoire Naturelle)

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Un cerveau de poisson vieux de 300 millions d'années !

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Dans les restes fossiles d'animaux, les tissus mous sont extrêmement rares. Ceux provenant du cerveau le sont davantage encore. Quant à en trouver dans des fossiles vieux de plusieurs centaines de millions d'années, l'espoir semblait vain. Et pourtant...

Tout a commencé avec la redécouverte de quatre crânes fossiles de poissons vieux de trois cents millions d'années, remarquablement conservés, provenant du Kansas et faisant partie des collections du Muséum national d'histoire naturelle de Paris (MNHN). Ces restes appartiennent à une espèce depuis longtemps disparue, Sibyrhynchus denisoni, un poisson d'une trentaine de centimètres, du groupe des inioptérygiens, cousins des actuelles chimères et proches des requins et des raies. Comme eux, les inioptérygiens sont des élasmobranches, des poissons caractérisés par l'absence de tissus durs, ce qui, justement, rend leurs fossiles fragiles.

Le fossile découvert au Kansas. La tomographie en permet une analyse non destructive. (Cliquer sur l'image pour l'agrandir.) © PNAS

Alain Pradel, du MNHN, et ses collaborateurs ont décidé d'étudier ces crânes au moyen de la microtomographie à rayons X, semblable celle des scanners médicaux CT (pour Computerized Tomography) et capable de reconstituer une image en trois dimensions à partir d'une série de mesures. Dans l'un des crânes, les chercheurs ont repéré une structure d'une nature particulière, plus dense que celle de la boîte crânienne fossilisée, constituée de calcite cristalline.

Ce crâne a alors pris la route de Grenoble pour rejoindre l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Cet accélérateur de particules est utilisé comme synchrotron et mis à la disposition de la communauté scientifique internationale pour de multiples analyses. Un synchrotron, en effet, produit un rayonnement X très fin et extrêmement puissant, qui peut être utilisé pour sonder la matière grâce à différentes méthodes.

Le synchrotron de l'ESRF, près de Grenoble, une sorte de microscope géant... (Cliquer sur l'image pour l'agrandir.) © ESRF

Les chercheurs ont utilisé l'holotomographie. Ce procédé récent utilise également les rayons X mais fait appel au contraste de phase (une technique également connue en microscopie optique) qui met en évidence des formes autrement indiscernables. La curieuse structure interne s'est ainsi montrée plus nettement. Sa forme et sa position correspondaient assez exactement à celles du cerveau de cet animal.

Une très belle étude qui en laisse espérer d'autres

Les scientifiques ont alors pu explorer ce système nerveux avec une précision inespérée et viennent de décrire leurs résultats dans la revue des Pnas. Trois cents millions d'années plus tard, les images montrent clairement le cervelet, la moelle épinière, les lobes optiques et même plusieurs nerfs, dont le nerf optique. La partie antérieure du cerveau (appelée télencéphale) reste en revanche invisible. Les chercheurs en concluent que cette partie était peut-être très petite chez l'animal vivant, comme d'ailleurs chez les chimères actuelles.

Un inioptérygien, cousin des actuelles chimères. © PNAS

Les lobes optiques sont de bonne taille, d'une dimension qui cadre bien avec celle des yeux. En revanche, l'oreille interne semble très petite, comme l'avaient d'ailleurs montré de précédentes observations. Il semble bien que ce poisson ne disposait que de canaux semi-circulaires regroupés en un seul plan, horizontal en l'occurrence. Cette disposition ne lui permettait sans doute que de percevoir les mouvements de l'eau latéraux, et non verticaux, ce qui suggère que Sibyrhynchus denisoni devait vivre sur le fond plutôt qu'en pleine eau.

Enfin, cette analyse révèle un cerveau de petite taille, 7 millimètres de long pour 1,5 de large, une dimension bien modeste en comparaison du crâne qui l'abrite. L'équipe pense que cette faible taille ne provient pas d'une rétraction due à la fossilisation car les attaches des nerfs semblent à leurs places.


Striptease du crâne de Sibyrhynchus denisoni. En vert, la boîte crânienne, en rouge le cerveau, en jaune, le cervelet. © Alain Pradel

Quant à la raison pour laquelle ce spécimen s'est aussi bien conservé, les chercheurs avancent une explication. Les analyses chimiques ont montré que la surface du cerveau est recouverte de phosphate de calcium. Cette couche aurait pu être déposée par un film bactérien ou par un processus chimique et aurait ainsi fossilisé le cerveau.

Cette étude remarquable représente aussi un espoir pour la paléontologie. Elle démontre que les nouvelles techniques d'analyse peuvent nous faire plonger plus loin dans l'histoire des vertébrés très anciens. D'autres fossiles bien conservés recèlent peut-être bien des secrets qui n'attendent qu'une tomographie bien réalisée pour se dévoiler...