Les animaux amphibies, comme les salamandres et certains poissons, possèdent une capacité d'adaptation exceptionnelle : ils peuvent se déplacer aussi bien sur la terre que sur l'eau, en changeant en temps réel la coordination de leur corps. Cependant, les mécanismes essentiels qui sous-tendent la façon dont les animaux amphibies adaptent constamment leurs mouvements à l’environnement sont encore peu compris.
Une équipe de chercheurs de l'Université Tohoku (au Japon), de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), de l'Université d'Ottawa et de l'Université d'Hokkaido (au Japon), avec le soutien du Human Frontier Science Program, ont décodé pour la première fois les mécanismes permettant aux mille-pattes de passer d’une locomotion terrestre à un déplacement aquatique.
Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs, dont fait partie Emily M. Standen, professeure agrégée au département de biologie de l'Université d'Ottawa, s’est concentrée sur une espèce de mille-pattes appelée Scolopendra subspinipes mutilans, qui évolue aussi bien sur terre que dans l’eau. L’équipe dirigée par le professeur Akio Ishiguro à l'Université de Tohoku est parvenue à décrire mathématiquement les mécanismes de transition entre la marche terrestre et la mobilité aquatique, puis ont pu reproduire parfaitement ces comportements à travers des simulations.
Plus particulièrement, Professeure Standen a collaboré avec les équipes d'Hokkaido et de Tohoku pour analyser des données en direct sur le mille-pattes et discuter des systèmes de contrôle qui pourraient donner ce résultat. Cette contribution a permis d'orienter le modèle mathématique développé par les équipes de Tohoku et de l'EPFL.
La transition entre différents modes de locomotion
La structure corporelle homogène et segmentée du mille-pattes facilite la visualisation des changements de comportement lors de son passage entre les milieux terrestres et aquatiques, ce qui en fait un excellent modèle animal.
Le Scolopendra subspinipes mutilans se déplace sur terre en coordonnant ses nombreuses pattes, mais lorsqu'il est mis à l'eau, il plie ses pattes et nage en ondulant le tronc de son corps comme une anguille.
Les scientifiques ont observé la transition entre la marche et la nage chez des animaux intacts, et chez des animaux ayant subi une section des nerfs. Ils ont émis l'hypothèse selon laquelle les transitions entre les différents modes de locomotion dépendent d’une multitude de signaux, impliquant les interactions entre le système nerveux central, le système nerveux périphérique, le corps et l'environnement.
Ils ont émis l'hypothèse que les commandes de marche ou de nage générées dans le cerveau sont transmises de segments à segments de la tête à la queue via des réseaux neuronaux distribués le long du corps et appartenant au système nerveux central; ces commandes peuvent recevoir un contre-ordre de la part du système nerveux périphérique par des signaux sensoriels ressentis par les pattes lorsqu'elles touchent le sol, faisant par exemple passer un segment de la nage à la marche. C’est ce mécanisme à signaux multiples que les chercheurs ont décrit mathématiquement afin de reproduire le comportement des mille-pattes dans différentes situations, via des simulations informatiques.
« Ce qu’il faut retenir, c’est que la marche des mille-pattes peut être entièrement contrôlée par la rétroaction sensorielle locale des jambes, en l'absence du cerveau, alors que la nage exige des signaux du haut vers le bas du cerveau pour se produire, » explique Emily M. Standen. « Cela suggère deux rôles nettement différents de la rétroaction sensorielle pour la natation par rapport à la marche. Cela ajoute de l'information sur la façon dont les systèmes nerveux des animaux peuvent intégrer et utiliser la rétroaction sensorielle pour afficher la locomotion fonctionnelle. »
Les chercheurs espèrent que cette découverte permettra de mieux comprendre le mécanisme essentiel qui sous-tend la locomotion adaptative et polyvalente des animaux. Il aidera également à mettre au point des robots capables de se déplacer dans divers environnements en modifiant avec souplesse les schémas de coordination corporelle.
La recherche Decoding the essential interplay between central and peripheral control in adaptive locomotion of amphibious centipedes a été publiée le 2 décembre 2019 dans Scientific Reports.
VIDEO : Naviguer sur terre et dans l'eau : Comment les mille-pattes marchent et nagent (vidéo disponible en anglais seulement)
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