Il est depuis longtemps largement admis dans la communauté scientifique que pour parvenir à un « apprentissage associatif », c'est-à-dire comprendre qu'il existe un lien entre deux événements, comme un lien entre un stimulus et une réponse, il faut au moins une certaine forme d'architecture neuronale, ou cerveau. Cependant, une nouvelle étude montre que de minuscules organismes unicellulaires vivant au fond des étangs peuvent également accomplir de telles tâches d'apprentissage sans aucun système nerveux, ce qui pourrait bouleverser la compréhension traditionnelle des mécanismes d'apprentissage.

L'étude, qui n'a pas encore été évaluée par des pairs et a été publiée sur la plateforme de prépublication BioRxiv, montre que même les organismes unicellulaires sans cerveau ni système nerveux peuvent présenter des comportements d'apprentissage. Samuel Gershman, neuroscientifique cognitif à l'Université Harvard et l'un des co-auteurs de l'article, a déclaré dans un courrier électronique adressé à Refractor : "Ce résultat m'a surpris car il n'y avait aucune preuve d'apprentissage associatif dans cet organisme auparavant, et les preuves pertinentes dans d'autres organismes unicellulaires sont également controversées. Nous ne savions pas si l'expérience fonctionnerait."

Le sujet de l’étude était un protiste appelé ver trompette bleue (Stentor coeruleus), un cilié en forme de trompette d’environ 1 mm de long qui est à peine visible à l’œil nu. Une extrémité a une structure appelée « holdfast », qui est utilisée pour se fixer au fond de la piscine ou à d'autres surfaces, et l'autre extrémité est recouverte de cils pour l'alimentation du filtre. Lorsqu'il détecte une perturbation dans son environnement, comme l'approche d'un prédateur, il rétrécit rapidement son corps élancé pour lui donner une forme presque sphérique en guise de réponse défensive.

Pour étudier le processus d'apprentissage de cet organisme unicellulaire, l'équipe de Gershman a d'abord collecté des dizaines de cellules de ver trompette bleue dans l'environnement, les a placées dans une boîte de Pétri et les a laissées reposer pendant plusieurs heures pour permettre aux cellules de s'attacher de manière stable. Les chercheurs ont ensuite utilisé un dispositif spécial pour appliquer une stimulation douce et contrôlée avec précision au fond de la boîte de culture contenant les cellules. Initialement, la plupart des punaises bleues se contractent lorsqu'elles sentent un tapotement, mais à mesure que les tapotements se poursuivent, le nombre de cellules répondantes diminue progressivement, indiquant qu'elles se sont « habituées » à ce stimulus répété et ne le voient plus comme une menace.

Ensuite, l’équipe a introduit ce qu’on appelle un « protocole d’appariement ». Au cours de cette phase, les cellules reçoivent un faible choc (ne provoquant généralement qu’une légère contraction), suivi une seconde plus tard d’un choc plus fort. Cette combinaison « stimulus faible + stimulus fort » a été répétée toutes les 45 secondes, ce qui correspond au temps approximatif qu'il faut à la punaise de la trompette bleue pour se ré-étirer après s'être contractée. Après les 10 premières séries d’essais d’appariement, les cellules ont immédiatement répondu aux faibles chocs avec une contraction notable, mais cette réponse s’est progressivement affaiblie à mesure que les essais étaient répétés. Gershman souligne que ce processus consistant à établir une association entre un stimulus faible et un stimulus fort ultérieur et à ajuster l'intensité de la réponse montre que "des cellules individuelles peuvent également mettre en œuvre des algorithmes d'apprentissage assez complexes".

Les chercheurs pensent que cette découverte pourrait changer la compréhension humaine de l’origine de « l’apprentissage » dans l’histoire de l’évolution. Gershman a déclaré dans une interview que ce qui est considéré comme des formes avancées d'apprentissage a probablement des origines évolutives beaucoup plus anciennes que les systèmes nerveux complexes. Il a demandé : « L'apprentissage associatif est-il apparu pour la première fois dans des organismes multicellulaires dotés d'un cerveau ? Peut-être pas.

Gershman a en outre noté qu'il existe « de nombreuses similitudes » entre les cellules du ver trompette bleue et les neurones du cerveau humain, ce qui suggère que notre cerveau pourrait encore utiliser des mécanismes d'apprentissage qui ont d'abord évolué dans les organismes unicellulaires. En d’autres termes, les capacités cognitives et d’apprentissage complexes des êtres humains peuvent avoir hérité dans une certaine mesure de « l’algorithme original » de leurs ancêtres unicellulaires. Actuellement, cette recherche a été publiée sous forme de prépublication sur BioRxiv. Après un examen par les pairs à l'avenir, il devrait continuer à fermenter dans des débats universitaires et publics plus larges.