Seeing without Eyes
L’essai suivant est reproduit avec l’autorisation de The Conversation, une publication en ligne couvrant les dernières recherches.
Nous, les humains, sommes des créatures visuelles peu communes. Et ceux d’entre nous qui sont dotés d’une vue normale ont l’habitude de penser que nos yeux sont vitaux pour notre expérience du monde.
La vision est une forme avancée de photoréception – c’est-à-dire de détection de la lumière. Mais nous expérimentons également d’autres formes plus rudimentaires de photoréception dans notre vie quotidienne. Nous connaissons tous, par exemple, le plaisir de percevoir la chaleur du soleil sur notre peau, en utilisant dans ce cas la chaleur comme substitut de la lumière. Aucun œil ni même de cellules photoréceptrices spéciales ne sont nécessaires.
Mais les scientifiques ont découvert au cours des dernières décennies que de nombreux animaux – y compris les êtres humains – possèdent des molécules spécialisées dans la détection de la lumière dans des endroits inattendus, en dehors des yeux. Ces « photorécepteurs extraoculaires » se trouvent généralement dans le système nerveux central ou dans la peau, mais aussi fréquemment dans des organes internes. Que font les molécules sensibles à la lumière dans des endroits situés au-delà des yeux ?
La vision dépend de la détection de la lumière
Toutes les cellules visuelles identifiées chez les animaux détectent la lumière à l’aide d’une seule famille de protéines, appelées les opsines. Ces protéines saisissent une molécule sensible à la lumière – dérivée de la vitamine A – qui change de structure lorsqu’elle est exposée à la lumière. L’opsine modifie à son tour sa propre forme et active des voies de signalisation dans les cellules photoréceptrices qui finissent par envoyer un message au cerveau indiquant que la lumière a été détectée.
La majeure partie de notre vision consciente provient des photorécepteurs de la rétine, la couche sensible à la lumière située à l’arrière de notre globe oculaire. Chez les animaux dotés d’une colonne vertébrale (les vertébrés), les cellules qui détectent la lumière pour la vision ont vaguement la forme de bâtonnets ou de cônes, ce qui leur donne leurs noms familiers.
Nous savons depuis un certain temps que d’autres vertébrés possèdent des photorécepteurs supplémentaires dans leur cerveau. Mais les scientifiques ont longtemps pensé que les bâtonnets et les cônes étaient à peu près toute l’histoire de la vision des mammifères. Ainsi, la découverte au début des années 2000 par le groupe de David Berson à l’Université Brown d’autres cellules dans une rétine de souris qui répondent à la lumière a été un choc.
Encore plus étrange ont été les découvertes associées dans de nombreux laboratoires démontrant que ces cellules contenaient une nouvelle classe de protéines opsines appelées les mélanopsines, jamais vues auparavant chez les vertébrés (mais similaires à celles de nombreux invertébrés). Elles ne semblent pas être impliquées dans la vision consciente.
On peut difficilement les qualifier d’extraoculaires puisqu’elles sont juste là, dans l’œil. Au lieu de cela, on les qualifie souvent de photorécepteurs « non visuels ». C’est le terme que les chercheurs utilisent pour tous les photorécepteurs animaux qui ne sont pas associés à des voies d’imagerie dans les systèmes nerveux.
Donc, nous savons maintenant qu’il existe des photorécepteurs non visuels dans les yeux eux-mêmes chez de nombreux animaux – peut-être la plupart. Où d’autre pouvons-nous en trouver dans tout l’organisme ?
La chasse aux photorécepteurs non visuels
En général, l’identification d’un photorécepteur extraoculaire potentiel implique la recherche des protéines capables de détecter la lumière, les opsines. L’avènement de technologies de génétique moléculaire peu coûteuses et efficaces a fait de la recherche des opsines une industrie artisanale dans les laboratoires du monde entier.
Les cellules qui contiennent des opsines sont probablement des photorécepteurs actifs, mais les chercheurs utilisent des tests physiologiques ou comportementaux pour le confirmer. Par exemple, ils peuvent rechercher des changements électriques ou chercher un changement dans l’activité d’un animal lorsqu’ils exposent la cellule à la lumière.
Les photorécepteurs que les scientifiques ont trouvés au-delà des yeux sont le plus souvent situés dans le système nerveux central. Presque tous les animaux en possèdent plusieurs types dans le cerveau et souvent aussi dans les nerfs.
La peau est l’endroit où l’on voit la plupart des autres récepteurs de lumière, notamment dans les cellules actives changeant de couleur ou les organes de la peau appelés chromatophores. Ce sont les taches noires, brunes ou de couleurs vives arborées par de nombreux poissons, crabes ou grenouilles. Ils atteignent leur plus haut niveau de développement chez les céphalopodes : poulpe, calmar et seiche. Les animaux contrôlent activement leur couleur ou leur motif pour plusieurs raisons, le plus souvent à des fins de camouflage (pour correspondre à la couleur et au motif du fond) ou pour produire des signaux brillants et proéminents pour agresser ou attirer un partenaire.
Surprenant, il existe une deuxième classe de molécules sensibles à la lumière en plus des opsines, jamais utilisées pour la vision (pour autant que l’on sache). Elles apparaissent dans certaines structures nerveuses, comme le cerveau ou les antennes de certains insectes et même dans les rétines des oiseaux. Ce sont les cryptochromes, bien nommés car leurs fonctions et leurs modes d’action sont encore mal connus. Les cryptochromes ont été découverts à l’origine chez les plantes, où ils contrôlent la croissance et les changements annuels de la reproduction.
Pourquoi détecter la lumière en dehors des yeux ?
Maintenant que nous savons que ces photorécepteurs peuvent être trouvés dans tout le corps des animaux, que diable font-ils réellement ? De toute évidence, leur fonction dépend en partie de leur emplacement.
Généralement, ils régulent un comportement médié par la lumière qui existe sous le niveau de conscience et qui ne nécessite pas d’avoir une connaissance extrêmement précise de l’emplacement d’une source lumineuse dans l’espace ou le temps. Les fonctions typiques comprennent la synchronisation des cycles quotidiens de vigilance, de sommeil et d’éveil, de l’humeur, de la température corporelle et de nombreux autres cycles internes qui sont synchronisés avec les changements de jour et de nuit.
Les horloges biologiques qui maintiennent des cycles physiologiques réguliers – et provoquent les désagréments du décalage horaire – sont presque toujours contrôlées par ces photorécepteurs. Ces détecteurs sont également importants pour l’ouverture et la fermeture de la pupille de l’œil afin d’aider à s’adapter aux différents niveaux de lumière. Les photorécepteurs de la peau, comme ceux des poissons ou des pieuvres, contrôlent souvent les variations de couleurs et de motifs.
Chez certains animaux, ils ont une tâche tout à fait différente, et plutôt étonnante : assurer la magnétoréception, c’est-à-dire la capacité de détecter le champ magnétique terrestre. Cette capacité repose sur les cryptochromes, qui sous-tendent apparemment des mécanismes d’orientation magnétique chez des animaux aussi différents que les oiseaux et les cafards.
Les humains ont aussi des capacités photoréceptrices non visuelles
Avec la découverte de cellules rétiniennes sensibles à la lumière en plus des bâtonnets et des cônes dans les rétines des mammifères, il est devenu évident que les humains doivent eux aussi utiliser des voies non visuelles pour le contrôle du comportement et des fonctions.
La taille de la pupille varie en fonction des changements de lumière, même chez les humains fonctionnellement aveugles. Une étude conjointe américano-britannique, publiée en 2007, a révélé que des patients ayant perdu tous les bâtonnets et cônes en raison de troubles génétiques peuvent encore avoir des rythmes quotidiens et des pupilles sensibles à la lumière. Un patient pouvait même signaler la sensation de « luminosité » lorsqu’on lui montrait une lumière bleue, ce qui devrait stimuler les photorécepteurs rétiniens non bâtonnets et non cônes.
Des recherches récentes menées sur des rongeurs à l’université Johns Hopkins par le groupe de Samer Hattar suggèrent que les voies non visuelles peuvent réguler l’humeur, la capacité d’apprentissage et même la sensibilité de la vision consciente.
Enfin, une découverte récente inattendue dans le cadre d’une recherche dirigée par Solomon Snyder et Dan Berkowitz, également à l’université Johns Hopkins, a révélé que les vaisseaux sanguins des souris contiennent de la mélanopsine, l’opsine utilisée dans la photoréception non visuelle de la rétine. Ils ont découvert que cette protéine sensible à la lumière peut réguler la contraction et la relaxation des vaisseaux sanguins. Comme les humains sont susceptibles d’avoir le même système, cela pourrait expliquer en partie l’augmentation des crises cardiaques le matin, qui sont peut-être associées aux changements de pression artérielle survenant à ce moment-là.
Nous savons que la détection non visuelle de la lumière est omniprésente et significative dans la vie des animaux. Les recherches futures continueront à démêler ses effets sur la santé et le bien-être des humains.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l’article original.