Un poisson vieux de 319 millions d’années préserve le premier cerveau fossilisé d’un animal à colonne vertébrale

Le cerveau et ses nerfs crâniens mesurent environ un pouce de long et appartiennent à un poisson éteint de la taille d’un crapet arlequin. La découverte ouvre une fenêtre sur l’anatomie neurale et l’évolution précoce du principal groupe de poissons vivant aujourd’hui, les poissons à nageoires rayonnées, selon les auteurs d’une étude dirigée par l’Université du Michigan dont la publication est prévue le 1er février dans Nature.

La découverte fortuite donne également un aperçu de la préservation des parties molles dans les fossiles d’animaux à colonne vertébrale. La plupart des fossiles d’animaux dans les collections des musées ont été formés à partir de parties dures du corps telles que des os, des dents et des coquillages.

Le cerveau scanné par tomodensitométrie analysé pour la nouvelle étude appartient à Coccocephalus wildi, un premier poisson à nageoires rayonnées qui nageait dans un estuaire et se nourrissait probablement de petits crustacés, d’insectes aquatiques et de céphalopodes, un groupe qui comprend aujourd’hui des calmars, des poulpes et des seiches. Les poissons à nageoires rayonnées ont des épines dorsales et des nageoires soutenues par des tiges osseuses appelées raies.

Lorsque le poisson est mort, les tissus mous de son cerveau et de ses nerfs crâniens ont été remplacés au cours du processus de fossilisation par un minéral dense qui a conservé, dans les moindres détails, leur structure tridimensionnelle.

“Une conclusion importante est que ces types de parties molles peuvent être préservées, et elles peuvent être conservées dans des fossiles que nous avons depuis longtemps – c’est un fossile connu depuis plus de 100 ans”, a déclaré le paléontologue de l’UM Matt Friedman, auteur principal de la nouvelle étude et directeur du Musée de paléontologie.

L’auteur principal est Rodrigo Figueroa, doctorant à l’UM, qui a effectué le travail dans le cadre de sa thèse, sous la direction de Friedman, au Département des sciences de la Terre et de l’environnement.

“Non seulement ce petit fossile superficiellement peu impressionnant nous montre le plus ancien exemple de cerveau de vertébré fossilisé, mais il montre également qu’une grande partie de ce que nous pensions de l’évolution du cerveau à partir des seules espèces vivantes devra être retravaillée”, a déclaré Figueroa.

“Avec la disponibilité généralisée des techniques d’imagerie modernes, je ne serais pas surpris si nous constatons que les cerveaux fossiles et d’autres parties molles sont beaucoup plus courants que nous ne le pensions auparavant. À partir de maintenant, notre groupe de recherche et d’autres examineront les têtes de poissons fossiles avec une perspective nouvelle et différente.”

Le fossile de crâne d’Angleterre est le seul spécimen connu de son espèce, de sorte que seules des techniques non destructives pourraient être utilisées au cours de l’étude dirigée par UM.

Le travail sur Coccocephalus fait partie d’un effort plus large de Friedman, Figueroa et de leurs collègues qui utilise la tomodensitométrie (CT) pour regarder à l’intérieur des crânes des premiers poissons à nageoires rayonnées. L’objectif de l’étude plus large est d’obtenir des détails anatomiques internes qui donnent un aperçu des relations évolutives.

Dans le cas de C. wildi, Friedman ne cherchait pas un cerveau lorsqu’il a allumé son scanner micro-CT et a examiné le fossile du crâne.

“Je l’ai scanné, puis j’ai chargé les données dans le logiciel que nous utilisons pour visualiser ces scans et j’ai remarqué qu’il y avait un objet inhabituel et distinct à l’intérieur du crâne”, a-t-il déclaré.

La tache non identifiée était plus brillante sur l’image CT – et donc probablement plus dense – que les os du crâne ou la roche environnante.

“Il est courant de voir des croissances minérales amorphes dans les fossiles, mais cet objet avait une structure clairement définie”, a déclaré Friedman.

L’objet mystérieux présentait plusieurs caractéristiques trouvées dans le cerveau des vertébrés : il était à symétrie bilatérale, il contenait des espaces creux semblables en apparence aux ventricules, et il avait de multiples filaments s’étendant vers des ouvertures dans le casse-tête, semblables en apparence aux nerfs crâniens, qui voyagent à travers de tels canaux. dans les espèces vivantes.

“Il avait toutes ces caractéristiques, et je me suis dit:” Est-ce vraiment un cerveau que je regarde? “”, A déclaré Friedman. “J’ai donc zoomé sur cette région du crâne pour faire un deuxième scan à plus haute résolution, et il était très clair que c’était exactement ce qu’il devait être. Et c’est seulement parce que c’était un exemple si clair que nous avons décidé de continuer.”

Bien que du tissu cérébral préservé ait rarement été trouvé dans les fossiles de vertébrés, les scientifiques ont eu plus de succès avec les invertébrés. Par exemple, le cerveau intact d’un crabe en fer à cheval vieux de 310 millions d’années a été signalé en 2021, et des analyses d’insectes enveloppés d’ambre ont révélé des cerveaux et d’autres organes. Il existe même des preuves de cerveaux et d’autres parties du système nerveux enregistrés dans des spécimens aplatis de plus de 500 millions d’années.

Le cerveau préservé d’un parent de requin vieux de 300 millions d’années a été signalé en 2009. Mais les requins, les raies et les raies sont des poissons cartilagineux, qui abritent aujourd’hui relativement peu d’espèces par rapport à la lignée de poissons à nageoires rayonnées contenant Coccocephalus. Les premiers poissons à nageoires rayonnées comme Coccocephalus peuvent informer les scientifiques des phases évolutives initiales du groupe de poissons le plus diversifié d’aujourd’hui, qui comprend tout, de la truite au thon, des hippocampes au flet.

Il existe environ 30 000 espèces de poissons à nageoires rayonnées, et elles représentent environ la moitié de toutes les espèces animales à épine dorsale. L’autre moitié est divisée entre les vertébrés terrestres – oiseaux, mammifères, reptiles et amphibiens – et des groupes de poissons moins diversifiés comme les poissons sans mâchoires et les poissons cartilagineux.

Le fossile du crâne de Coccocephalus est prêté à Friedman par le musée de Manchester en Angleterre. Il a été récupéré sur le toit de la mine de charbon Mountain Fourfoot dans le Lancashire et a été décrit scientifiquement pour la première fois en 1925. Le fossile a été trouvé dans une couche de stéatite adjacente à un filon de charbon dans la mine.

Bien que seul son crâne ait été récupéré, les scientifiques pensent que C. wildi aurait mesuré de 6 à 8 pouces de long. À en juger par sa forme de mâchoire et ses dents, il s’agissait probablement d’un carnivore, selon Figueroa.

Lorsque le poisson est mort, les scientifiques soupçonnent qu’il a été rapidement enterré dans des sédiments contenant peu d’oxygène. De tels environnements peuvent ralentir la décomposition des parties molles du corps.

De plus, un micro-environnement chimique à l’intérieur de la boîte crânienne du crâne peut avoir aidé à préserver les tissus cérébraux délicats et à les remplacer par un minéral dense, peut-être de la pyrite, a déclaré Figueroa.

Les preuves à l’appui de cette idée proviennent des nerfs crâniens, qui envoient des signaux électriques entre le cerveau et les organes sensoriels. Dans le fossile de Coccocephalus, les nerfs crâniens sont intacts à l’intérieur du casse-tête mais disparaissent à la sortie du crâne.

“Il semble y avoir, à l’intérieur de ce vide étroitement enfermé dans le crâne, un petit micro-environnement propice au remplacement de ces parties molles par une sorte de phase minérale, capturant la forme des tissus qui, autrement, se décomposeraient simplement”, dit Friedman.

Une analyse détaillée du fossile, ainsi que des comparaisons avec les cerveaux de spécimens de poissons modernes de la collection du musée de zoologie de l’UM, ont révélé que le cerveau de Coccocephalus a un corps central de la taille d’un raisin avec trois régions principales qui correspondent à peu près au cerveau antérieur, mésencéphale et le cerveau postérieur chez les poissons vivants.

Les nerfs crâniens font saillie des deux côtés du corps central. Considérés comme une seule unité, le corps central et les nerfs crâniens ressemblent à un minuscule crustacé, comme un homard ou un crabe, avec des bras, des pattes et des pinces saillants.

Notamment, la structure cérébrale de Coccocephalus indique un schéma d’évolution du cerveau de poisson plus compliqué que ce qui est suggéré par les espèces vivantes seules, selon les auteurs.

“Ces caractéristiques donnent au fossile une valeur réelle dans la compréhension des modèles d’évolution du cerveau, plutôt que d’être simplement une curiosité de préservation inattendue”, a déclaré Figueroa.

Par exemple, tous les poissons vivants à nageoires rayonnées ont un cerveau éversé, ce qui signifie que le cerveau des poissons embryonnaires se développe en repliant les tissus de l’intérieur de l’embryon vers l’extérieur, comme une chaussette retournée.

Tous les autres vertébrés ont un cerveau évaginé, ce qui signifie que le tissu neural du cerveau en développement se replie vers l’intérieur.

“Contrairement à tous les poissons vivants à nageoires rayonnées, le cerveau de Coccocephalus se replie vers l’intérieur”, a déclaré Friedman. “Donc, ce fossile capture un moment avant que cette caractéristique caractéristique des cerveaux de poissons à nageoires rayonnées n’évolue. Cela nous donne certaines contraintes sur le moment où ce trait a évolué – quelque chose que nous n’avions pas bien maîtrisé avant les nouvelles données sur Coccocephalus .”

Des comparaisons avec des poissons vivants ont montré que le cerveau de Coccocephalus ressemble le plus au cerveau des esturgeons et des polyodons, qui sont souvent appelés poissons “primitifs” parce qu’ils ont divergé de tous les autres poissons vivants à nageoires rayonnées il y a plus de 300 millions d’années.

Friedman et Figueroa continuent de scanner les crânes de fossiles de poissons à nageoires rayonnées, y compris plusieurs spécimens que Figueroa a apportés à Ann Arbor en prêt d’institutions de son pays d’origine, le Brésil. Figueroa a déclaré que sa thèse de doctorat avait été retardée par la pandémie de COVID-19, mais devrait être achevée à l’été 2024.

L’étude Nature comprend des données produites dans l’installation de tomodensitométrie de l’UM dans les sciences de la Terre et de l’environnement, qui est soutenue par le Département des sciences de la Terre et de l’environnement et le Collège de la littérature, des sciences et des arts.

Les autres auteurs de l’article sont Sam Giles du Natural History Museum de Londres et de l’Université de Birmingham ; Danielle Goodvin et Matthew Kolmann du Musée de paléontologie de l’UM ; et Michael Coates et Abigail Caron de l’Université de Chicago.

Friedman et Figueroa ont déclaré que la découverte met en évidence l’importance de la préservation des spécimens dans les musées de paléontologie et de zoologie.

“Ici, nous avons trouvé une conservation remarquable dans un fossile examiné plusieurs fois auparavant par plusieurs personnes au cours du siècle dernier”, a déclaré Friedman. “Mais parce que nous avons ces nouveaux outils pour regarder à l’intérieur des fossiles, cela nous révèle une autre couche d’informations.

“C’est pourquoi il est si important de conserver les spécimens physiques. Car qui sait, dans 100 ans, ce que les gens pourraient faire avec les fossiles de nos collections aujourd’hui.”