Les pics qui se cognent la tête pourraient se donner une commotion cérébrale tous les jours : voici comment ils l’évitent

Les pics passent toute la journée à marteler leur tête sur des troncs d’arbres, à utiliser leur bec pour faire des trous et à creuser des insectes hors de ces trous pour un repas. Le tambourinage et le forage distinctifs des oiseaux avaient conduit les chercheurs à émettre l’hypothèse que l’os entre le bec et le casse-tête des pics devait absorber les chocs pour protéger leur cerveau des commotions cérébrales. Mais une nouvelle étude suggère que leur tête et leur bec agissent comme un marteau rigide pour une performance de picage optimale plutôt qu’un système d’absorption des chocs pour amortir le cerveau.

«Ce que cet oiseau doit faire pendant toute la journée, c’est creuser des trous dans le bois. Il est très important que cette entreprise soit très efficace », explique Sam Van Wassenbergh, biomécanicien évolutionnaire à l’Université d’Anvers en Belgique, qui a dirigé la nouvelle étude. Si le pic absorbe une partie de l’énergie qu’il dirige vers l’arbre, alors moins d’énergie est transmise au tronc de l’arbre et il doit picorer encore plus fort pour faire des trous. “Donc, plus vous y réfléchissez, moins il était logique qu’il y ait une absorption des chocs en cours”, déclare Van Wassenbergh. “Mais il fallait le tester.”

Pour étudier cette question, des chercheurs européens et canadiens ont utilisé une vidéo à haute vitesse de trois espèces de pics en action. Ils ont suivi le mouvement de différentes parties de la tête des pics pendant que les oiseaux martelaient les arbres et ont émis l’hypothèse que s’il y avait un amortissement, cela pourrait être confirmé par la détection d’une décélération plus lente du casse-tête par rapport au bec lors de l’impact avec le bois. Mais ce n’est pas ce que l’équipe a trouvé. Au lieu de cela, la tête fonctionnait comme un marteau rigide, avec peu ou pas d’amortissement des vibrations. Les résultats ont été communiqués le 14 juillet à Biologie actuelle.

Des travaux antérieurs dans les années 1970 avaient examiné cette question d’un point de vue théorique, mais cette étude est la première à capturer une vidéo à haute vitesse pour déterminer la quantité de force chargée sur le bec des pics et séparément sur leur cerveau, explique le neurobiologiste Daniel Tobiansky, qui étudie les pics au St. Mary’s College of Maryland et n’a pas participé à l’étude.

Alors, comment les pics évitent-ils les commotions cérébrales ? Les chercheurs ont utilisé des simulations pour calculer l’impact sur le cerveau des oiseaux et l’ont comparé aux seuils des forces provoquant une commotion cérébrale chez l’homme. Pour les gens, un impact d’environ 135 g produit une commotion cérébrale. Mais les pics sont beaucoup plus petits. La longueur de leur cerveau est d’environ un septième de celle d’un humain, ce qui signifie qu’ils peuvent résister à des forces sept fois plus élevées, explique Van Wassenbergh. D’après les modèles, les forces que le cerveau des pics subit sont inférieures au seuil de danger par un facteur de deux. Ainsi, “ils pourraient heurter l’arbre à des vitesses plus élevées et ne pas subir de commotion cérébrale”, dit-il. “La clé est que la tête du pic est juste beaucoup plus petite que celle d’un humain.”

Mais Tobiansky note que parmi les joueurs de football, l’encéphalopathie traumatique chronique (CTE) des lésions cérébrales se trouve le plus souvent chez les joueurs de ligne offensifs qui reçoivent des chocs répétés et subcommotionnels. Ainsi, même les événements sous-commotionnels peuvent avoir un effet néfaste sur le cerveau, et les pics peuvent avoir des mécanismes physiologiques encore à déterminer qui protègent leur cerveau de ces insultes répétées sous-commotionnelles. Les travaux de Tobiansky et de ses collègues suggèrent que les hormones stéroïdes telles que les androgènes et les œstrogènes peuvent avoir des effets protecteurs sur le cerveau des oiseaux.

La physiologie de la protection cérébrale n’est pas encore bien comprise. Il semble cependant clair que, compte tenu de ces inconnues, le casse-tête du pic n’est pas un bon modèle pour inspirer la conception de casques pour humains. Étonnamment, peut-être, un crustacé, membre d’une classe d’animaux qui se spécialise dans un extérieur durci, pourrait fournir une meilleure idée de la façon de procéder.

La caractéristique la plus distinctive de la crevette serpentine à grandes griffes (Alpheus heterochaelis), un petit crustacé marin côtier qui vit dans les eaux tropicales et subtropicales, est sa griffe claquante, une arme que l’animal territorial utilise fréquemment pour combattre les envahisseurs et défendre sa maison. La griffe, constituée d’un piston et d’un trou, fonctionne avec un mécanisme de verrouillage qui tire le piston à travers le trou à une vitesse fulgurante. Cela fait jaillir un jet d’eau, créant une zone de basse pression où le jet est bouilli dans une bulle d’air. Cette soi-disant bulle de cavitation s’effondre, créant un claquement et un bref éclat de lumière. Mais le produit principal de la griffe qui claque est une onde de pression de grande amplitude qui peut endommager les tissus mous tels que ceux du cerveau.

Lorsque deux des crevettes s’engagent dans un combat, chacune s’enclenche à moins d’un centimètre de son adversaire, essayant de l’intimider dans un jeu de poulet hydraulique. Les ondes de pression des boutons-pression peuvent infliger des lésions cérébrales.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Caroline du Sud et de l’Université de Tulsa vient de révéler le secret de ces crevettes claquantes pour faire face à l’assaut constant. Ils sont équipés d’une structure transparente en forme de lunettes, connue sous le nom de “cagoule orbitale”, qui couvre leurs yeux et protège leur cerveau des ondes de pression. Les chercheurs ont rendu compte de leurs découvertes le 5 juillet dans Current Biology.

“Il y a eu des tonnes de travaux sur l’évolution des armes et relativement peu de travail sur” Comment vous défendez-vous contre eux? Dans ce cas, la question est particulièrement intéressante car l’arme fait un claquement, ce qui peut être nocif pour la crevette elle-même, ainsi que pour son adversaire. “Et vous avez donc besoin d’une double protection – une protection contre les autres qui viennent à vous, mais aussi contre votre propre utilisation de l’arme”, explique-t-elle.

Pour comprendre comment les crevettes cassantes font face aux expositions fréquentes aux ondes de choc générées par leurs rivaux (et leurs propres griffes), les chercheurs ont retiré chirurgicalement les capuchons orbitaux de certains des animaux. L’équipe a exposé les crevettes sans capuchon aux ondes de choc d’autres crevettes et a constaté qu’elles étaient désorientées et perdaient le contrôle moteur de leurs membres, parfois de façon permanente, un indicateur de lésions cérébrales. En revanche, les animaux intacts exposés aux ondes de choc n’ont pas eu ces problèmes et ont montré des comportements normaux.

Ensuite, les chercheurs ont utilisé de minuscules capteurs pour mesurer la pression à l’intérieur et à l’extérieur des capots orbitaux lorsque les crevettes étaient exposées à un claquement. Ils ont constaté qu’en moyenne, les capots orbitaux réduisaient de moitié l’amplitude des ondes de choc. “Lorsque nous avons un animal qui porte son casque, il est assez efficace pour amortir ces ondes de choc, nous obtenons donc moins d’énergie atteignant le cerveau sous le capot”, explique Alexandra Kingston, biologiste à l’Université de Tulsa et auteur principal de l’étude. Mais lorsque la cagoule est retirée, les ondes de choc atteignent le cerveau à pleine puissance, ce qui se traduit par “pas de cagoule, pas de protection”.

Comment, exactement, les lunettes sont-elles si efficaces pour protéger le cerveau des animaux ? Kingston et ses collègues ont émis l’hypothèse qu’une onde de choc force l’eau à sortir du capot orbital, transférant ainsi son énergie à l’eau expulsée vers le bas et loin de l’animal au lieu de traverser ses tissus.

Pour tester cette idée, ils ont collé les lunettes fermées sur des crevettes cassantes, empêchant l’eau de sortir du capot orbital. L’équipe a découvert que lorsque ces crevettes étaient exposées à une onde de choc, celle-ci se propageait à travers les lunettes scellées et frappait le cerveau comme si le capot orbital n’était pas vraiment là. Cela a montré que la capacité d’expulser l’eau du bas de la hotte orbitale est essentielle à la protection du cerveau.

Comprendre le fonctionnement de ces minuscules casques pourrait inspirer la conception d’équipements qui protégeront les humains contre les lésions cérébrales traumatiques, selon les chercheurs. Les ondes de choc d’une explosion peuvent causer des lésions cérébrales dévastatrices à un spectateur. Les lésions cérébrales traumatiques légères sont parmi les types les plus courants chez le personnel militaire. Même les véhicules blindés ne protègent pas des ondes de choc. “Ils les traversent”, explique Dan Speiser, écologiste visuel à l’Université de Caroline du Sud et auteur principal de l’étude.

Les pics et les crevettes serpentines sont “les deux animaux qui semblent risquer des lésions cérébrales toute la journée, tous les jours”, explique Speiser. Mais heureusement, leurs astuces physiologiques et biomécaniques pour protéger leur cerveau peuvent inspirer de nouvelles solutions médicales ou techniques pour prévenir les lésions cérébrales chez les soldats et les athlètes également.