Il y avait peu de chance de rater l'éléphant dans la pièce. Environ une douzaine d’années après la mort de Simba au zoo de Cleveland Metroparks, une dalle d’un demi-pouce de son cerveau jaunâtre, ridé, de la taille d’un ballon de basket-ball était exposée devant John Allman, neuroscientifique à la California Institute of Technology de Pasadena.
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Conservé dans du formaldéhyde, il ressemblait à une demi-crêpe gelée sur un lit de neige carbonique embué. Allman l'a soigneusement découpé en utilisant l'équivalent en laboratoire d'un coupe-viande. Prenant plus d'une heure, il découpa 136 sections minces comme du papier.
Allman était à la recherche d'un type particulier de cellule cérébrale qu'il soupçonne être la clé de la manière dont l'éléphant d'Afrique - en tant qu'être humain - parvient à rester attentif aux nuances toujours changeantes de l'interaction sociale. Ces cellules cérébrales en forme de fuseau, appelées neurones von Economo - du nom de l'homme qui les a décrites pour la première fois - ne se trouvent que chez l'homme, les grands singes et une poignée d'autres créatures particulièrement grégaires. Allman, 66 ans, compare le cerveau des humains et des autres animaux pour mieux comprendre l'évolution du comportement humain.
"Les neurosciences semblent vraiment réticentes à aborder la question de savoir en quoi notre cerveau est ce qui fait de nous des êtres humains, et c'est exactement ce que John fait", déclare Todd Preuss, neuroanatomiste et anthropologue au Yerkes National Primate Research Center d'Atlanta. "Nous savons très peu de choses sur la façon dont notre cerveau se distingue de celui des autres animaux, si ce n'est que notre cerveau est plus gros."
Les neurones de von Economo sont la découverte la plus frappante des dernières années dans la recherche comparative sur le cerveau, dans laquelle les scientifiques démêlent de fines différences entre les espèces. Le neuroanatomiste Patrick Hof et ses collègues de la Mount Sinai School of Medicine de Manhattan sont tombés pour la première fois sur les neurones contenus dans des échantillons de cerveau humain en 1995, dans une région située à l'avant du cerveau appelée cortex cingulaire antérieur. La plupart des neurones ont un corps en forme de cône ou d'étoile avec plusieurs projections ramifiées, appelées dendrites, qui reçoivent les signaux des cellules voisines. Mais les neurones de von Economo sont minces et allongés, avec une seule dendrite à chaque extrémité. Elles sont quatre fois plus grandes que la plupart des autres cellules du cerveau et, même chez les espèces qui en ont, elles sont rares.
Il s'est avéré que l'équipe de Manhattan avait redécouvert un type de cellule obscure identifié pour la première fois en 1881. Hof a nommé ces cellules en hommage à un anatomiste basé à Vienne, Constantin von Economo, qui a décrit avec précision les neurones dans le cerveau humain en 1926; par la suite, les cellules glissèrent dans l'obscurité. Hof a commencé à examiner le cerveau de primates décédés, y compris des singes macaques et des grands singes - chimpanzés, bonobos, gorilles et orangs-outans - offerts par des zoos et des sanctuaires. Il a contacté Allman, qui possédait une collection de cerveaux de primates, et lui a demandé de collaborer. En 1999, les scientifiques ont signalé que toutes les espèces de grands singes avaient des cellules de von Economo, mais pas les primates de moindre taille, tels que les macaques, les lémuriens et les tarsiers. Cela signifiait que les neurones avaient évolué dans un ancêtre commun à tous les grands singes il y a environ 13 millions d'années, après avoir divergé par rapport aux autres primates, mais bien avant que les lignages humain et chimpanzé ne divergent il y a environ six millions d'années.
Bien que Allman soit reconnu comme neuroanatomiste, il n’est pas surprenant de le voir approfondir des questions plus vastes sur ce que signifie être humain. Son doctorat de l'Université de Chicago était en anthropologie et il a longtemps été fasciné par l'évolution du cerveau des primates. Il a mené des études historiques avec son collègue Jon Kaas, en identifiant les parties du cerveau du hibou qui analysent les informations visuelles et rendent la vision possible. En 1974, Allman a déménagé à Caltech, où il a étudié la vision pendant 25 ans. Mais il a également eu envie de découvrir comment le fonctionnement de base du cerveau humain façonne le comportement social. Les neurones de von Economo ont immédiatement suscité son intérêt.
Allman, qui est divorcé, vit dans une maison de briques vieille de 150 ans à Saint-Marin qu'il partage avec deux chiens de berger australiens, Luna et Lunita. Des photographies aux tons sépia de sa grand-mère suffragiste sont accrochées au mur du salon. Comme le dit si bien Allman, il se rend rarement au laboratoire avant 13 heures, quitte le soir pour continuer à travailler à la maison et reste généralement jusqu'à 2 heures du matin. Son bureau de Caltech est faiblement éclairé par une seule fenêtre et un petit Lampe de bureau; cela ressemble à une grotte envahie de livres et de papiers. Au bout du couloir, des lames de verre de tissu cérébral de gorille, de bonobo et d'éléphant, teintées de bleu et de brun, sèchent sur des tables et des comptoirs.
D'après les travaux de von Economo, Allman a appris que les cellules inhabituelles semblaient résider uniquement dans le cortex cingulaire antérieur (ACC) et dans une autre niche du cerveau humain, l'insula frontale (FI). Des études de balayage cérébral ont montré que les CAC et les FI sont particulièrement actifs lorsque des personnes éprouvent des émotions. Les deux domaines semblent également importants pour "l'auto-surveillance", tels que l'observation de sensations corporelles de douleur et de faim ou la reconnaissance du fait que l'on s'est trompé. Le CAC semble largement impliqué dans presque tous les efforts mentaux ou physiques.
En revanche, l'insula frontale peut jouer un rôle plus spécifique dans la génération d'émotions sociales telles que l'empathie, la confiance, la culpabilité, la gêne, l'amour, voire le sens de l'humour. Selon des expériences qui mesurent le fonctionnement de différentes régions du cerveau, cette zone devient active lorsqu'une mère entend un bébé qui pleure, par exemple, ou lorsque quelqu'un examine un visage pour déterminer les intentions de l'autre personne. Selon Allman, le cerveau surveille les réactions intestinales ou les interactions au sein d’un réseau social et réagit à leurs "sentiments instinctifs". C'est le lien entre l'auto-surveillance et la prise de conscience des autres qui nous permet de comprendre les sentiments des autres. "La proposition de base que j'avance, " dit-il, "est la notion selon laquelle la conscience de soi et la conscience sociale font partie du même fonctionnement, et les cellules de von Economo en font partie."
Allman pense que les neurones accélèrent la communication de l'ACC et de la FI vers le reste du cerveau. Les cellules sont exceptionnellement grandes et, dans le système nerveux, la taille est souvent corrélée à la vitesse. "Ce sont de gros neurones qui, je pense, lisent très rapidement quelque chose et transmettent ensuite cette information ailleurs rapidement", dit-il. Il suppose que, à mesure que nos ancêtres primates développaient des cerveaux de plus en plus gros, ils avaient besoin de connexions haut débit pour envoyer des messages sur de plus grandes distances. "La taille importante du cerveau entraîne nécessairement un ralentissement de la communication dans le cerveau", ajoute-t-il. "Ainsi, une solution consiste à disposer de quelques populations spécialisées de cellules assez rapides."
Etant donné que les neurones vivent dans les points chauds du cerveau, Allman part du principe que le système cellulaire von Economo permet une lecture rapide et intuitive de situations instables et chargées d'émotion. Les neurones "permettraient de s’adapter rapidement à des contextes sociaux changeants", spécule-t-il. Dans le passé, ce câblage neuronal aurait pu conférer un avantage de survie à nos ancêtres en leur permettant de formuler des jugements précis en une fraction de seconde, en particulier sur lesquels ils pourraient faire confiance ou non.
Allman, Hof et leurs collègues ont recherché des neurones von Economo dans plus de 100 espèces animales, des paresseux aux ornithorynques. Seuls quelques-uns d’entre eux, à part les primates et les éléphants, possèdent des cellules: baleines à bosse, cachalots, rorquals communs, orques et dauphins à gros nez. Les cellules ont vraisemblablement évolué chez des espèces aujourd'hui disparues qui ont donné naissance à ces mammifères marins il y a quelque 35 millions d'années.
Alors que je le regardais sectionner le cerveau d'éléphant à Caltech, Allman, avec ses collègues Atiya Hakeem et Virginie Goubert, atteignit enfin la FI de l'hémisphère gauche de Simba. Trois jours plus tard, l'examen au microscope des tranches de cerveau révéla qu'elle était parsemée de cellules distinctives en forme de fuseau. Cela a confirmé leur observation précédente de neurones similaires dans l'hémisphère droit de l'hémisphère droit de Simba. Les cellules d'éléphants sont plus grosses que celles des humains et des primates, de la taille des neurones de baleine, mais leur taille et leur forme sont indéniablement des neurones de von Economo.
En comptant les cellules de von Economo sur 16 diapositives - une corvée vitale - Hakeem et Allman estiment qu’il y en aurait environ 10 000 dans le flanc de la taille d'un timbre-poste, du côté droit du cerveau de l'éléphant, soit environ 0, 8% du total. Les 1, 3 million de neurones de FI. Les neurones Von Economo sont plus nombreux dans la FI humaine, avec une moyenne d'environ 193 000 cellules et représentant environ 1, 25% de tous les neurones de cette région. En chiffres absolus, le cerveau humain contient environ un demi-million de neurones de von Economo, bien plus que le cerveau d'éléphants, de baleines ou de grands singes. Allman et ses collègues n'en ont trouvé aucun dans le plus proche parent de l'éléphant: le fourmilier, le tatou et le rock hyrax. L'absence de cellules chez ces espèces confirme la théorie d'Allman selon laquelle les neurones sont une caractéristique des gros cerveaux.
Allman suppose que de telles cellules se développent facilement à partir d'un petit ensemble de neurones du cortex insulaire que l'on trouve chez tous les mammifères et qui régulent l'appétit. Il pense que, si les cellules de von Economo ont probablement évolué pour accélérer l'information autour d'un gros cerveau, elles ont été cooptées par les exigences des interactions sociales. S'il a raison, intelligent, les animaux sociaux tels que les baleines et les éléphants pourraient avoir le même câblage spécialisé pour l'empathie et l'intelligence sociale que les êtres humains.
Les baleines et les éléphants, comme les hommes et les grands singes, ont un gros cerveau et un stade juvénile prolongé au cours duquel ils apprennent de leurs aînés. Ils se reconnaissent et développent des relations de coopération tout au long de la vie. Les épaulards chassent en groupes et protègent les compagnons de gousses blessés. La société des éléphants est ancrée dans des matriarches qui guident leurs troupeaux vers des points d’eau qu’ils connaissent lors de visites précédentes. (Et il se peut que la croyance que les éléphants n'oublient jamais: en 2005, quand Allman, Hof et Hakeem ont créé la première image haute résolution d'un cerveau d'éléphant, ils ont découvert un énorme hippocampe, la région du cerveau où sont formés.) Les bêtes sensibles s’identifient par leurs grondements et leurs appels à la trompette, s’aident les unes les autres et semblent pleurer leurs morts.
Allman aime montrer un extrait d'un documentaire sur un groupe d'éléphants d'Afrique qui a adopté un veau orphelin. Lorsque le bébé éléphant tombe dans un point d'eau, la matriarche entre rapidement, suivie des autres. Ensemble, elle et une deuxième femme utilisent leurs défenses, leur tronc et leurs jambes pour libérer le veau de la boue. Un autre animal patte sur la rive escarpée avec son pied, construisant une rampe que le jeune utilise pour monter en sécurité. "C'est vraiment remarquable", explique Allman à propos de la rapidité avec laquelle les éléphants ont pris la mesure de la crise et ont travaillé ensemble pour sauver le bébé. "C'est un type de fonctionnement très élevé que très peu d'animaux sont capables de faire. Et, " ajoute-t-il avec un petit rire, "les humains ne peuvent le faire que les bons jours." Le sauvetage, dit-il, "capture l'essence d'un comportement social vraiment complexe et coordonné".
L'idée de la centralité des neurones dans l'intelligence sociale gagne du terrain. Le primatologue des Yerkes, Frans de Waal, explique que la recherche "extrêmement excitante" d'Allman se confond avec certaines de ses propres enquêtes sur l'intelligence des pachydermes. Il y a deux ans, de Waal et deux collaborateurs ont annoncé qu'un éléphant du zoo du Bronx, Happy, pouvait se reconnaître dans un miroir. Certains scientifiques partent du principe que la capacité de reconnaître sa propre réflexion indique une capacité de conscience de soi et même d'empathie, compétences utiles dans une espèce hautement sociale. De Waal souligne que seuls les animaux possédant des neurones de von Economo peuvent le faire.
Pourtant, de Waal met également en garde que "jusqu'à ce que quelqu'un établisse la fonction exacte de ces cellules, cela reste une histoire, fondamentalement."
Les réflexions d'Allman sur les cellules de von Economo continuent d'évoluer. À mesure que de nouvelles données arrivent, il rejette les concepts initiaux et en intègre d'autres. À la différence du scientifique prudent stéréotypé, il n'hésite pas à formuler des hypothèses audacieuses fondées sur quelques observations. La théorie selon laquelle les neurones de von Economo sont à la base de la cognition sociale est audacieuse. Et il est tentant de saisir les cellules comme une simple explication de la base de la nature sociale complexe de notre espèce. Mais Allman sait que c'est exagéré.
Sa théorie a ses sceptiques. L’anthropologue Terrence Deacon, de l’Université de Californie à Berkeley, s’interroge sur le fait que les neurones sont vraiment un type différent de cellules cérébrales ou qu’ils sont simplement une variante des grands cerveaux. Il dit que les différences dans nos cerveaux qui font de nous des humains sont plus susceptibles de provenir de changements à grande échelle que de changements subtils dans la forme des neurones. "Je ne pense pas que ce soit une très grande partie de l'histoire", dit-il de l'idée d'Allman. Cependant, ajoute-t-il, lorsqu'il s'agit de comprendre le cerveau humain, "tant que nous reconnaissons que nous avons si peu de choses à faire, dans ce cas, toutes les hypothèses doivent être vérifiées".
Point pris. Mais il est difficile de ne pas se laisser séduire par la théorie d'Allman lorsque certaines des preuves les plus convaincantes ne proviennent pas du laboratoire de pathologie animale, mais de la clinique médicale.
William Seeley, neurologue à l'Université de Californie à San Francisco, étudie une maladie neurodégénérative mal comprise, appelée démence frontotemporale. Les patients subissent une dégradation de leur personnalité, perdent des grâces sociales et de l'empathie, devenant insensibles, erratiques et irresponsables. Les mariages et les carrières implosent. De nombreux patients semblent manquer de conscience physique: lorsqu'ils sont diagnostiqués avec d'autres maladies, ils nient avoir des problèmes. Des études d'imagerie cérébrale chez des patients atteints de démence ont révélé des dommages aux zones frontales du cerveau.
En 2004, Seeley a entendu la conférence Allman sur les neurones de von Economo. Lorsque Allman a parcouru ses diapositives PowerPoint, Seeley a constaté que les cellules étaient regroupées dans les mêmes régions cérébrales que celles ciblées par la démence, l’ACC et la FI. "C'était un peu comme Eureka", se souvient Seeley. Il pensait que les cellules pourraient aider les chercheurs à comprendre pourquoi ces zones sont vulnérables à la destruction. "Aussi, j'ai pensé que c'était une manière intéressante d'apprendre quelque chose sur la nature humaine. Peut-être que les déficits que développent les patients pourraient être dus à des choses uniquement humaines. Il y a donc eu une vague d'idées."
Ensuite, autour d'un café, Seeley et Allman ont convenu de s'associer pour déterminer si les neurones de von Economo étaient endommagés chez des personnes atteintes de démence fronto-temporale. En analysant les cerveaux de patients décédés, les scientifiques ont découvert qu'en réalité, environ 70% des neurones de von Economo dans l'ACC avaient été détruits, alors que les cellules cérébrales voisines étaient en grande partie indemnes. "Il est très clair que la cible initiale de la maladie est constituée de ces cellules, et lorsque vous les détruisez, vous obtenez une défaillance complète du fonctionnement social", a déclaré Allman. "C'est un résultat vraiment étonnant qui parle de la fonction des cellules aussi clairement que possible."
Ce système neuronal inhabituel semble sous-tendre beaucoup de ce qui nous rend humains. Mais le fait que les éléphants et les baleines partagent apparemment le même matériel neuronal ouvre l’esprit à une inclinaison de perspective: notre cerveau pourrait être plus semblable à celui d’autres animaux intelligents et sociaux que nous le pensions.
Ingfei Chen vit à Santa Cruz en Californie.
Le photographe Aaron Huey vit à Seattle.
Fondée en 1881 et décrite en 1926 par Constantin von Economo, la grande cellule cérébrale en forme de fuseau (à droite) a moins de branches qu'un neurone typique (à gauche). (KK Watson, TK Jones et JM Allman / avec la permission d'Elsevier (2)) 
John Allman (avec son collègue Atiya Hakeem de Caltech examinant des spécimens de cerveau d'éléphant) est à la recherche d'une des clés biologiques du comportement humain. (Aaron Huey) 
On sait maintenant que les neurones de Constantin von Economo se produisent dans des parties du cerveau humain qui traitent les sensations et les émotions sociales. (Illustration de Guilbert Gates) 
Constantin von Economo a décrit avec précision les neurones dans le cerveau humain en 1926. (Oxford University Press) 
L’étude d’autres espèces permet de mieux comprendre «en quoi notre cerveau nous rend humains», déclare Todd Preuss. (Jack Kearse / Université Emory) 
Intelligents, sociaux et oui, dotés d'une excellente mémoire, les éléphants (Simba au zoo de Cleveland Metroparks, où elle est décédée en 1995) font partie des rares animaux à neurones de von Economo. (Cleveland Metroparks Zoo) 
John Allman étudie des parties du cerveau de Simba. (Aaron Huey) 
Patrick Hof étudie où et quand les neurones de von Economo ont évolué dans l'arbre généalogique des primates. (Michael Balter) 
John Allman utilise un trancheur de cerveau. (Ingfei Chen) 
John Allman sculpte des sections très minces d'un cerveau préservé à étudier. (Ingfei Chen) 
Des échantillons de tranches de cerveau dans le laboratoire de John Allman. (Aaron Huey) 
Les gorilles de montagne font partie des animaux connus pour vivre en groupes complexes. (iStockphoto) 
Les baleines à bosse sont une autre espèce connue pour vivre dans des groupes complexes. (Blaine Harrington III / Corbis) 
Les éléphants d'Afrique sont également connus pour vivre dans des groupes complexes. Pourquoi sont-ils si doués pour socialiser? Une des raisons, selon Allman, réside dans les neurones spécialisés von Economo qui accélèrent les impulsions dans des cerveaux exceptionnellement gros parmi les centres impliqués dans la communication et la coopération. (iStockphoto)
