Divergent Evolution of Brain Structures and Convergence of Cognitive Functions in Vertebrates : the Example of the Teleost Zebrafish

par Solal Bloch

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Kei Yamamoto.

Soutenue le 02-04-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de Signalisations et Réseaux Intégratifs en Biologie , en partenariat avec Institut des Neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Sylvie Granon.

Le jury était composé de Kei Yamamoto, Sylvie Granon, Alessandra Pierani, Onur Güntürkün, Filippo Del Bene, Olivier Armant.

Les rapporteurs étaient Alessandra Pierani, Onur Güntürkün.

  • Titre traduit

    Évolution divergente des structures cérébrales et convergence des fonctions cognitives chez les vertébrés : l'exemple d'un téléostéen, le poisson zèbre


  • Résumé

    L'objectif de mon projet de recherche était de faire le lien entre structures cérébrales et fonctions, pour mieux comprendre les bases de la cognition. La première partie de ma thèse a été de développer des tests comportementaux pour analyser la cognition et ses fondamentaux. Les résultats suggèrent fortement que les téléostéens possèdent des fonctions exécutives semblables à celles des mammifères. J’ai par la suite cherché le substrat anatomique de ces capacités cognitives nouvellement mises à jour chez cette espèce, notamment dans le pallium (équivalent du cortex cérébral des mammifères). Cependant la neuroanatomie du poisson zèbre adulte est mal connue, car il est souvent utilisé au stade larvaire. Une seconde partie de mon travail a cherché à analyser et identifier l'origine développementale des structures cérébrales adultes. Nous avons découvert que certaines structures considérées jusqu'ici comme faisant partie du cerveau antérieur (prosencéphale) font en fait partie du cerveau médian (mésencéphale) chez le poisson zèbre. L’une de ces structures est le lobe inférieur, précédemment considéré comme hypothalamique. Une autre structure est le noyau préglomérulaire, le noyau sensoriel relais majeur et analogue fonctionnel du thalamus. Cette voie sensorielle contient la principale voie visuelle vers le pallium. Ainsi, même si certaines structures ont la même fonction, elles peuvent avoir une origine évolutive et développementale différente des structures connues chez les mammifères. En résumé, des fonctions similaires ont évolué indépendamment chez les amniotes et les téléostéens. Ce travail élargit ainsi les champs d'application pour la recherche en neurosciences, et permet d'approcher les fondamentaux de la cognition de manière nouvelle par l'identification des structures essentielles à l'émergence d'une cognition de haut niveau telle qu'elle est observée dans l'espèce humaine.


  • Résumé

    The aim of my research project was to link brain structures and functions, to better understand the fundamental bases of cognition. The first part of my thesis consisted in the development of behavioral tests to analyze the essential principles of cognition. The results strongly suggest the existence of executive functions in teleosts similar to those of mammals. Then I looked for the anatomical structures responsible for these cognitive capacities, in particular in the pallium (equivalent of the mammalian cerebral cortex). However, little is known about adult zebrafish neuroanatomy. Indeed, zebrafish is often studied at larval stage. A second part of my work aimed at studying adult structures in more detail through their developmental origin. This has redefined some parts of the brain. We have discovered that some of the structures that were considered as part of the forebrain (prosencephalon) are actually part of the midbrain (mesencephalon) in zebrafish. This includes the inferior lobe, previously classified as hypothalamus. Another structure is the major sensory relay nucleus, the preglomerular nucleus, functional analogue of the thalamus (part of the forebrain) in amniotes. This sensory pathway contains the main visual pathway to the pallium. Thus, even if some structures have the same function, they may have an evolutionary and developmental origin different from structures known in mammals. In summary, similar functions have independently evolved in amniotes and teleosts. This comparative work adds new perspectives for neuroscience research. It also allows us to approach the fundamentals of cognition in a new way: what are the essential building blocks for a higher level of cognition like the human one?


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