C’est en passant au scanner un fossile de poisson découvert il y a un siècle que des chercheurs ont identifié le plus vieux cerveau fossilisé de vertébré.
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Il n'est pas forcément nécessaire d'aller sur le terrain pour faire de nouvelles découvertes en paléontologie. Arpenter les vieilles collections et ré-analyser des fossiles déjà bien connus peut également s'avérer judicieux.
Extrait il y a 100 ans d'une mine de charbon en Angleterre, ce fossile de poisson âgé de plus de 319 millions d'années a en effet révélé de nouvelles surprises. C'est en passant son crânecrâne au scanner que des chercheurs ont identifié par hasard ce qui semble bien être un cerveau fossilisé.
Un moulage minéral riche en détails
Bien qu'il s'agisse à l'origine de tissus mous, généralement difficiles à fossiliser, ce cerveaucerveau apparait entier et en excellent état. Le réseau de nerfsnerfs dans le crâne a également été préservé, ce qui a permis l'étude de l'anatomieanatomie neurale et des premiers stades d'évolution des poissons à nageoires rayonnées (actinoptérygiens) que l'on retrouve toujours actuellement dans nos océans. Le poisson en question, de l'espèceespèce Coccocephalus wildi, qui vivait dans les océans de la fin du CarbonifèreCarbonifère, fait en effet partie de ce grand groupe de vertébrés.
Un poisson fossilisé vieux de 319 millions d'années éclaire l'évolution du cerveau des animaux vertébrés. © Sense of Mind
Bien entendu, le cerveau n'est plus présent sous sa forme originale. Les tissus mous ont été dégradés lentement dans des conditions peu oxygénées, à la suite d'un enfouissement rapide, puis graduellement remplacés par des minérauxminéraux (vraisemblablement de la pyritepyrite). La forme de l'organe a donc été préservée, produisant un moulage relativement détaillé de l'intérieur de la boîte crânienneboîte crânienne du poisson. Le scan du crâne a ainsi permis de reproduire numériquement et avec précision le cerveau en 3D, sans détruire le précieux fossile. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.
Le plus vieux cerveau fossile d’un vertébré
À ce jour, il s'agit donc du plus vieux cerveau fossilisé ayant appartenu à un animal vertébrévertébré. D’autres traces de cerveaux plus anciennes ont été découvertes, mais il s'agit d'invertébrésinvertébrés. L'étude de sa structure a permis de montrer que l'évolution du cerveau des vertébrés serait plus compliquée qu'on ne le pensait. Cette découverte montre l'importance de préserver les spécimens fossilisés et de les ré-étudier régulièrement grâce aux nouvelles technologies qui se développent au fur et à mesure.
Un cerveau de poisson vieux de 300 millions d'années !
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...
Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet, publié le 5 mars 2009
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 naturelleMuséum 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 chimèreschimères et proches des requins et des raies. Comme eux, les inioptérygiens sont des élasmobranchesélasmobranches, 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. © PNAS
Alain Pradel, du MNHN, et ses collaborateurs ont décidé d'étudier ces crânes au moyen de la microtomographie à rayons Xrayons 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 calcitecalcite cristalline.
Ce crâne a alors pris la route de Grenoble pour rejoindre l'ESRF (European Synchrotron Radiation FacilityEuropean 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 matièrematière grâce à différentes méthodes.
Le synchrotron de l'ESRF, près de Grenoble, une sorte de microscope géant… © ESRF
Les chercheurs ont utilisé l'holotomographie. Ce procédé récent utilise également les rayons X mais fait appel au contrastecontraste 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 cerveletcervelet, la moelle épinièremoelle 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 yeuxyeux. En revanche, l'oreille interneoreille 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 mouvementsmouvements 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 fossilisationfossilisation car les attaches des nerfs semblent à leurs places.
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 phosphatephosphate de calciumcalcium. 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 tomographietomographie bien réalisée pour se dévoiler...
