Pour la Science 468 – Octobre 2016   

... pour mieux l'explorer

Karl DEISSEROTH

Comment les neurobiologistes observent le million de milliards de connexions du cerveau, même les plus profondément enfouies.

Notre système nerveux est un ensemble de fils interconnectés, les axones, transportant des impulsions électriques d'un neurone à l'autre. Les plus longs s'entrelacent avec des fibres courtes pour former le réseau transmettant les signaux et traitant l'information.

Les techniques classiques ne permettent pas d'observer à la fois un axone sans l'isoler de son contexte.

Une nouvelle technologie permet maintenant de voir l'intérieur du cerveau entier pour déterminer les trajectoires et les propriétés moléculaires de chaque fibre. Cette méthode s'appuie sur la chimie des hydrogels, des polymères formant un réseau tridimensionnel de compartiments connectés capable de retenir l'eau sans se dissoudre. Il faut imprégner d'un gel transparent le cerveau d'un humain, post mortem, celui-ci se lie aux molécules porteuses d'information, principalement l'ADN et l'ARN, et les protège. Ensuite il faut éliminer les tissus inutiles, comme les lipides, puis introduire indicateurs fluorescents et autres marqueurs dans l’ensemble de la structure, ainsi, éclairée, il est possible d'observer diverses fibres et molécules partout dans le cerveau.

Cette technique permet aux scientifiques de relier la forme physique de voies neuronales impliquées dans l'action et la cognition à leur fonction comportementale, qu'il s'agisse d'un mouvement ou d'une mémorisation. Ainsi sera-t-il possible de mieux connaître les processus impliqués dans la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaques, l'autisme, la toxicomanie et les troubles anxieux.

L'utilisation d'hydrogel est aussi appliquée à d'autres organes, pour le diagnostic du cancer par exemple.

L'évolution n'a pas (encore) su rendre un cerveau transparent chez les grands animaux, l'invisibilité est pourtant une qualité utile à certaines espèces de crevettes et de poissons. Chez ceux-ci le système nerveux central reste opaque. Rien ne laisse la lumière se propager sans encombre à travers un cerveau vivant.

Karl DEISSEROTH et son équipe développèrent entre 2005 et 2009 une technique visant à allumer et éteindre différents composants spécifiques des circuit du cerveau en associant lasers, fibres optiques et gènes de protéines photo activables, des opsines microbiennes, issues d'algues et de bactéries. Cette technique appelé optogénétique contrôle l'activité dans des neurones spécifiques au sein de cerveaux vivants entiers alors que les animaux agissent et se livrent à des comportements complexes. Elle ne permet pourtant pas, à elle seule, de fournir une image à haute résolution du câblage des cellules contrôlées par la lumière à travers l'ensemble du cerveau.

Les premières expériences joignant la neurobiologie et la chimie des hydrogels furent conduites par deux chercheuses en biologie, Viviana Gradinaru et Charu Ramakrishnan. Dès 2010 elles cherchèrent à rendre les neurones invulnérables aux dégâts occasionnés par les agents utilisés pour détruire la structure tissulaire fine et les membranes cellulaires. Un ingénieur chimiste, Kwanghun Chun, rejoignit le duo afin de surmonter les difficultés rencontrées. La conjugaison de leurs efforts, conjugués avec d'autres recherches permit la fabrication d'hydrogels tissulaires marquant un rapide progrès laissant entrevoir d'autres avancées en conjuguant optogénétique et hydrogel tissulaires afin d'étudier des tissus biologiques entiers et obtenir des données qui étaient inaccessibles jusqu'alors.

Comprendre un système complexe suppose l'échange d'informations entre les échelles locale et globale. En neuroscience il est désormais possible de recueillir des informations détaillées sur la structure de l'organe entier, les composants moléculaires et l'activité des cellule.

Pour la Science 468                    

Stephen Brusatte &

Zhe-Xi Luo

Hiver 1824, William Buckland est un naturaliste dont les cours sont réputés. Sa façon de faire circuler parties animales et fossiles, les commentant en grand habit professoral, est spectaculaire et captivante.

La rumeur veut qu'il est enfin prêt à présenter les gigantesques ossements qu'il examine depuis dix ans. Le public est étonné quand il affirme que ceux-ci appartiennent à un lézard géant, le Megalosaurus. C'est la première présentation d'un dinosaure.

Parallèlement il montra une paire de mâchoires, Georges Cuvier lui avait confirmé qu'elles venaient de mammifères, de marsupiaux précisa-t-il.

Ces mâchoires portaient des dents dotées de cuspides, d'élévations dans la couronne, signe qu'à l'époque des dinosaures les mammifères avaient déjà une histoire. Quelle était leur origine, quelle était leur place à côté des reptiles géants et comment avaient-ils pris le pouvoir sur Terre ?

Au XXème siècle les découvertes de dents de mammifères archaïques apportèrent un début de réponse à ces questions.

Une idée reçue voulaient que les protomammifères aient stagné pendant le Mésozoïque, vivant à l'ombre des dinosaures, au ras du sol à la recherches d'insectes... Démonstration a été faite qu'ils surent s'adapter, se multiplier et se diversifier.

Il existe trois ordres de mammifères : les monotrèmes pondeurs d’œufs, les marsupiaux dont l'embryon se développe dans une poche abdominale, et les placentaires chez qui il se développe à l'intérieur du ventre.

Leurs ancêtres sont issus des cynodontes, reptiles mammaliens du Pernien supérieur disparu quand une gigantesque éruption élimina presque toutes les formes de vie. L'extinction de certains amphibiens et de la majeure partie des reptiles permit l'émergence de la plupart des tortues, lézards, grenouilles, crocodiles et les mammaliaformes, c'est-à-dire tous les mammifères actuels. Trois grands types définissent nos aïeux : les kuehneotheriidés, les morganucodontidés et les haramiyidés. De la taille d'une souris ils présentaient certaines caractéristiques mammaliennes. Le progrès de scanners permet de visualiser avec précision l'anatomie interne des os fossilisés, cavités endocrânienne et passages de nerfs. Ces protomammifères avaient des encéphales plus grands que ceux de leurs ancêtres, elles étaient dotées d'aires auditives et de bulbes olfactifs impliquant que leurs propriétaires avaient une ouïe et un odorat plus fins. Ils comportaient aussi des aires cérébrales spécialisées augmentant les sensations tactiles de la peau et des poils ainsi qu'une solide ossature entourant l'oreille interne, l'isolant du vacarme considérable de la mastication. Justement, l'étude, menée par l'équipe de Pamela Gill, d'images à très haute résolution obtenues par tomographie à rayons X à partir d'un faisceau de synchrotron, révéla l'immense variété de leurs régimes alimentaires. Les morganucodontidés avaient des mâchoires pouvant écraser les gros insectes pourvus d'exosquelette, les kuehneotheriidés ne pouvaient pas croquer plus qu'un papillon ou un ver mou. Celles des haramiyidés pouvaient sectionner et écraser de petites plantes.

Une bonne coordination motrice et des sens aiguisés grâce à un plus gros encéphale, et un métbolisme plus intense, permirent aux mammaliaformes de s'épanouir dans le froid et l'obscurité et survivre à la fragmentation de la Pangée, entre le trias et le jurassique, il y a 200 M d'années, le supercontinent rassemblant alors la plupart des terres émergées. L'atmosphère a été massivement polluée par les gaz engendrés par les effusions de magma qui en même temps dévastaient les écosystèmes. 30 millions d'années plus tard la lignée des mammifères connut une diversification explosive.

Ces mammaliaformes disparus sont essentiels pour comprendre les origines des mammifères actuels. Les paléontologues s'interrogent sur la disparition de ces formes archaïques. Celles-ci donnèrent les thériens qui se diversifièrent à leur tour, créant les euthériens, groupe comprenant notamment les mammifères actuels : les placentaires et les metathériens, dont les marsupiaux.

Au début du Crétacé apparurent les angiospermes, les plantes à fleurs, donc à fruits, qui bouleversèrent la plupart des écosystèmes offrant aux mammifères de nouvelles sources de nourriture, les fruits, les fleurs et les insectes qui s'en nourrissent. Ceux disposant de molaires tribosphériques, adaptées à ces aliments, survécurent, les autres, tel Repenomamus disparurent.

Les thériens pourtant n'étaient pas seuls à proliférer, ils eurent des concurrents, dont les gondwanathériens.

Une nouvelle catastrophe biologique arriva, la chute d'un astéroïde géant provoquant incendies, raz-de-marée et tremblements de terre associés à des éruptions volcaniques qui dévastèrent la Terre entraînant changements climatiques et environnementaux insupportables pour la quasi-totalité des dinosaures. Après 150 millions d'années, la domination des dinosaures cessa, ils disparurent, à l'exception des oiseaux. De nombreux genres de mammifère connurent le même sort. Les survivants, dont l'ancêtre commun ''père'' des placentaires qui avait vécu à l'ombre des dinosaures, investirent les niches écologiques vacantes et se divisèrent en sous-groupes donnant de très nombreuses formes et tailles.

Il y a 63 millions d'années Torrejonia, animal de la taille d'un chiot s'accrochait aux branches. Ce protoprimate n'imaginait sûrement pas que quelques-uns de ses lointains descendants, penchés sur ses ossements, se reconnaîtraient en lui.

Pour la Science N°70

Les fraudes scientifiques

Olivier Klein & Vincent Yzerbyt

Le professeur Diederik Stapel se voit en septembre 2011 suspendre de ses fonctions pour fraude. ''Expert'' en psychologie sociale, à la façon dont nos jugements et comportements sont influencés quand nous nous comparons à autrui, il est l'auteur d'une centaine de publications dans les revues les plus prestigieuses. L'enquête mettra en lumière que 55 d'entre elles étaient truquées, l'auteur avait inventé des données ou modifié les résultats afin qu'ils correspondant à ses hypothèses.

Suite à ce scandale trois chercheurs en psychologie aux Pays-Bas, Wolfgang Stroebe, Russel Spears et Tom Postmes cherchent d'autres fraudes, et en trouvent. Entre 1974 et 2012 ils recensent 40 cas dans divers domaine. Le record de trucages revient à Yoshitaka Fujii qui falsifia 172 articles sur 212.

Les comportements frauduleux sont motivés par les ambitions personnelles et certains aspects du fonctionnement de la recherche.

Certains sujets attisent la curiosité des scientifiques, suscitant de fortes attentes dont les fraudeurs profitent. Stapel répondait aux attentes en rédigeant des articles adaptés aux théories du moment, de plus il produisait des résultats allant dans le sens des experts censés vérifier sa publication.

De plus ces articles jouent dans l'évaluation du chercheur mais aussi de son laboratoire, de son université, de son pays. Publier est capital pour être pris au sérieux dans un monde où la compétition fait rage.

Des articles de plus en plus nombreux sont donc retirés, 25 en 2000, 300 en 2009. Les revues rejettent pourtant 95% des propositions, sont choisis les articles correspondant aux critères de la revue. Les résultats surprenants, ou séduisants ; les données statistiquement significatives confortant l'hypothèse du chercheur sont susceptibles de passer la rampe. Ainsi est-il tentant d'annoncer un résultat fracassant ou de truquer ses données.

L'argent est une autre motivation, les résultats attirent les investissements, surtout dans les domaines intéressant l'industrie comme les sciences de la vie. Les financements dont peuvent bénéficier certaines universités peut les inciter à fermer les yeux sur les résultats annoncés.

Autre facilitation de la fraude, la confiance que les scientifiques accordent a priori. Nous avons tendance à interpréter la réalité dans le sens nous convenant ou en fonction de nos attentes comme à ne retenir d'une somme de résultats que ceux allant dans notre sens. Ainsi un chercheur allemand, Johannes Bohannon, publia qu'un régime riche en chocolat faisait perdre du poids, il bénéficia d'une importante couverture médiatique, dans son cas il s'agissait de démontrer les failles du systèmes de publication. Il est également plus facile d'approuver un résultat, que l'on soupçonne douteux, en sachant que d'autres en firent autant préalablement.

Le fraudeur commence petit, rencontrant le succès il persévère avec des mensonges de plus en plus importants.

Comment contrer les fraudes ? D'abord en permettant à ce que tous les coauteurs d'un articles disposent de l'intégralité des données, et que chacun soit responsable du résultat final. La communauté scientifique pourrait accéder aux documents à mesure de l'avancée du processus de recherche. Qu'un scientifique ait un doute et en consultant les étapes précédentes il pourrait juger de la validité, ou non, de son interrogation.

Aujourd'hui existe l'Open Science Framework, une plateforme où les chercheurs peuvent mettre en ligne les étapes de leur processus de recherche et proposer des réplications d'études antérieures. Le soutien aux ''lanceurs d'alertes'' est une autre solution, souvent une fraude est découverte par un collaborateur, tel un doctorant, qui n'osera pas la divulguer. La préservation de l'anonymat, et la transparence des procédures de dénonciation, est indispensable. Un site, Pubpeer, permet de commenter des articles publiés, éventuellement d'en souligner les erreurs trop manifestes pour avoir pu échapper à ses rédacteurs. Un biochimiste, Fazlul Sarkar, ainsi mis en cause, porta plainte pour diffamation pour connaître l'identité des accusateurs. Un comité d'expert reconnu finalement qu'il était coupable de fraude !

Attention doit être portée à la culture de la délation, une accusation peut être faite dans le but de salir une réputation.

Une réforme du système de recherche est-elle possible ? Empêcher la fraude, compte tenu de la nature humaine, est illusoire, la limiter serait un résultat positif. L'émulation et la confiance sont importantes pour avancer en science

Pour la Science N° 470

Vous regardez le ciel et contemplez, si vous avez de la chance, combien il fourmille d'étoiles et autres objets astronomiques plus ou moins lumineux, et vous demandez si l'Univers est homogène. La réponse est non, il existe des régions relativement denses et d'autres relativement dépeuplées en galaxies. Il existe même un ''supervide'' à 3 mds d'années-lumière de nous s'étendant sur 1,8 mds d'années-lumière. Les déserts cosmiques sont liés à d'importantes questions sur les débuts de l'Univers, son expansion et les théories de la gravitation.

L'endroit le plus vide de l'Univers

István Szapudi

La lumière la plus ancienne de l'Univers est visible sur un vieux poste de télévision réglé entre deux chaînes. Les points sur l'écran montrent que l'antenne est bombardée par des photos dont certains furent émis environs 380 000 ans après le Big Bang. Ils correspondant à une température moyenne de 2,7 kelvins et forment le fond diffus cosmologique. Cette température fluctue d'environs 10^-5 à 10^-4 kelvin autour de la valeur moyenne. C'est l'anisotropies du fond diffus. Certaines régions de la carte cosmique semblent plus froide, d'autres plus chaudes. L'étude de ces anisotropies permet de déterminer quelques caractéristiques de l'Univers primordial. En 2004 fut repéré par la sonde WMAP un ''point froid'' de l'univers.

Quelle est la nature et que cache donc cette anomalie ?

Certains y voient le hasard, probabilité faible mais non nulle, de l'ordre de 0,5 %, pas l'auteur qui y voit un mystère passionnant. Ses études à l'université d'Hawaï indiquent un lien entre un supervide et cette température ''trop'' basse. La lumière la traversant perdrait de l'énergie à cause d'un effet produit par l'expansion accélérée de l'Univers. Les germes des vides et des amas sont apparus très tôt quand des processus quantiques aléatoires ont produit une légère surdensité dans certaines parties de l'espace, et une sous-densité dans d'autres. Dans le vide une particule ralentit alors qu'une zone dense l'attire et l'accélère. Pour la lumière, qui est une constante, cela se traduit par une perte d'énergie sous la forme d'une variation de sa longueur d'onde.

Les travaux d'Edwin Hubble ont prouvés que l'Univers est en expansion, et celle-ci s’accélère, grâce, pense les cosmologistes à l'énergie sombre, un élément semblant contrer l'attraction gravitationnelle.

Cette expansion signifie que le vide que traverse notre photon s'accroît, comme le reste de l'Univers. Celui qu'il retrouve une fois le désert traversé est moins dense que celui qu'il a quitté. L'effet, appelé Sachs-Wolfe est connu mais est d'ordinaire infime. Sauf dans le cas de ce super vide, une preuve de plus de l'accélération de l'expansion.

Les recherches continuent et elles sont difficiles à mener. L'avenir pourrait confirmer le lien du supervide et du point froid, ou pas. Dans ce cas des théories alternatives à la relativité générale pourraient être sollicitées.

Dans tous les cas la découverte des supervides est cruciale. Les prochaines années pourraient, en nous en apprenant davantage sur eux, nous éclairer sur la nature de l'Univers

Les cahiers de Science & Vie – Novembre 2016

Marielle Mayo

Dans le jeu de la domination seigneuriale, les femmes de l'aristocratie se révélèrent souvent des partenaires avisées des hommes de leur famille avec lesquels elles partageaient les mêmes intérêts. Certaines exercèrent de larges pouvoirs presque à l'égal de l'homme. Toutefois leurs prérogatives restaient fragiles. À partir du IXe siècle reines et princesses jouissent d'une autorité nouvelle au sein du ''consortium conjugal''. Dépositaire des insignes du pouvoir et de la mémoire dynastiques, ces élites féminines jouent une partition qui ne se réduit pas toujours à la représentation. Plus tard ''écartées, officiellement, des décisions du mari à partir du XIIe siècle, elles exercent leur influence politique dans le secret des alcôves''. ''La femme est souvent entourée d'hommes au sein des conseils de régence. L'étendue de son pouvoir dépend de sa personnalité. Certaines, comme Blanche de Castille, ne se laissent pas marcher sur les pieds !'' comme Aliénor d'Aquitaine ou Anne de Bretagne son action est passée à la postérité.

Le rôle politique des femmes s'observe à tous les échelons de la noblesse, après l'effondrement de l'Empire carolingien une nouvelle aristocratie a pris possession des châteaux. L'homme apporte honneur et prestige, la femme, son argent et un réseau plus étendu. De ce fait elle est associée aux décisions.

Au début de l'époque féodale l'aptitude des femmes à gérer châteaux et fiefs est reconnue par les droits coutumiers. Même le pape Innocent III admet qu'elles peuvent exercer une juridiction si la coutume le permet.

La société attend d'elles des qualités ''féminines'' et notamment qu'elles fassent œuvre de paix. Ces dames de cœur se distinguent aussi comme protectrices des arts et de la culture. Mécénat et patronage concourent au rayonnement idéologique et à la construction de la légitimité de la lignée. Habiles gestionnaires elles restent exposées aux critiques et pressions masculines. Au bas Moyen Âge, elle seront majoritairement écartées du pouvoir.

Les métiers se féminisent

Julie Pilorget

Orfèvreresse, paintresses, chaudronnières, coutelières, barbières, transporteuses de mortier... Le Moyen Âge est plus ouvert au travail féminin qu'on aurait pu le penser. Cette diversité d'activités se retrouve surtout en ville, un gisement d'opportunités pour les plus dynamiques. Si certaines tirent leur épingle du jeu c'est qu'elles sont plus nombreuses que les hommes en ville, 100 femmes pour 75 hommes seulement ! Elles constituent une main-d’œuvre importante. Dans leur ''domaine de compétences'' d'abord, l'entretien de la maison, des enfants, du jardin, du petit bétail. La domesticité fut un grand vivier d'emploi pour les femmes de l'époque à mesure que de riches bourgeois s'établissaient dans de belles maisons. Autres domaines où les femmes trouvaient de nombreuses places, l'alimentation, le petit commerce et le textile.

Le travail est codifié,il est nécessaire d'appartenir à une confrérie mais de nombreux métiers accueillant des femmes les font parvenir aux plus hauts échelons de la hiérarchie corporative. Elles sont ''maîtresse'' et ont le droit de prendre des apprentis.

Plus étonnant, selon les préjugés masculins, on trouve des femmes dans des activités nécessitant force et endurance, tels la construction de remparts ou l'édification de bâtiments religieux. De nombreuses veuves sont acceptées dans les corporations lorsqu'elles reprennent l'atelier familial et les responsabilité en découlant à la mort de leur mari. Pour citer Didier Lett : ''On observe pour les corporations de la fin du Moyen Âge un phénomène général de fermeture. Il vaut pour les femmes mais pas seulement''. Ce qui est sûr c'est que les femmes tendent à disparaître des statuts et des registres après le XV^e siècle.

La liberté aux champs

Román Ikonicoff

La majorité des femmes du Moyen Âge était des paysannes menant une vie rude, modeste, et à l'abri des regards. Elles n'ont laissé ni chartes, ni chronique. Aucun troubadour n'a versifié sur leur beauté ou leur vertu. Certaines sources existent malgré tout, partiales et fragmentaires mais qui dessinent un motif général de la condition paysanne à cette époque. La femme des champs est moins contrainte par des codes que l'aristocrate ou la bourgeoise. Naissance, éducation, mariage, travail... elle aurait échappé, un peu, au déterminisme social lié à son sexe.

La naissance d'une fille n'est pas un drame, ''les enfants sont une force de travail quel que soit leur sexe, et les parents savent qu'ils s'occuperont d'eux dans leurs vieux jours, précise Jean Verdon, donc une fillette peut être utile. Du point de vue économique leur rôle dans la famille est proportionnellement plus important que celui des femmes de plus haute extraction. La question de l'amour se pose peut-être un peu plus chez les paysans pauvres que chez les riches – où l'on se marie pour des raisons politiques et économiques.''. Les femmes pauvres de la campagne se marient et règnent sur l'intérieur de la maison. L'amour existe, bien que pour les époux il soit moralement interdit de l'afficher en public. On tait l'amour mais il arrive qu'il soit présent dans le choix du mariage, au moins du côté de l’homme. Une vie qui diffère peu de celle des paysannes des siècles antérieurs ni de celles du XX^e siècle