Comment les écureuils en hibernation passent plus de six mois sans eau et n’ont pas soif

Pendant six à huit mois de chaque année, les écureuils terrestres à treize lignes ne quittent pas leurs petites tanières souterraines. Sous les prairies d’Amérique du Nord, ils attendent la fin de la saison froide en hibernant, sans aucune réserve de nourriture ni source d’eau. Ils ne mangent ni ne boivent pendant toute la durée. Petit à petit, les scientifiques perdent le mystère du comment et du pourquoi.

Des régions spécifiques du cerveau impliquées dans le déclenchement de la soif sont fortement supprimées chez les spermophiles en hibernation, même pendant les périodes intermédiaires où les rongeurs semblent actifs, selon une étude publié le 28 novembre dans la revue Science. Combinée aux découvertes précédentes du même groupe de laboratoire, la nouvelle recherche apporte des éclaircissements sur une stratégie extrême des mammifères pour rester sous terre aussi longtemps.

Dans la plupart des cas, nous considérons la soif comme une adaptation essentielle à la survie. Nous (et tous les mammifères) avons besoin d’eau pour la circulation, le fonctionnement cellulaire, l’élimination des déchets, la régulation de la température corporelle, etc. Lorsque la concentration d’ions dans votre sang atteint un point critique, lorsque votre volume sanguin devient trop faible ou lorsque vos reins commencent à être stressés, les hormones et d’autres signaux déclenchent la soif de votre Brian. Vous buvez de l’eau et l’équilibre est rétabli.

Mais pour un écureuil à fourrure brune essayant de vivre dans un pays des merveilles hivernal blanc, l’envie de quitter sa tanière et de chercher de l’eau pourrait facilement être une condamnation à mort. « Cela augmenterait le risque de prédation », dit Elena Grachevaauteur principal de l’étude et professeur de physiologie cellulaire et moléculaire et de neurosciences à l’Université de Yale. Il y a bien sûr le froid, qui constitue en soi une menace. Pourtant, les prédateurs affamés qui rôdent à la surface poseraient probablement le plus grand risque, et assurez-vous d’éliminer tous les écureuils terrestres qui ont commis l’erreur de quitter le nid pendant les mois d’hiver maigres, lorsque les proies sont rares et qu’il n’y a nulle part où se cacher. « Nous n’en sommes pas sûrs », note Gracheva, « mais c’est une explication logique à laquelle nous sommes arrivés. »

Éliminer la soif devient ainsi une façon contre-intuitive de rester en vie, même lorsque les écureuils auraient désespérément besoin de boire.

Des recherches antérieures de Gracheva et de ses collègues ont révélé que les écureuils en hibernation maintiennent leurs concentrations sanguines d’ions comme le sel à des niveaux constants, à peu près égaux à ceux des écureuils actifs, en économisant sérieusement l’eau et séquestrer les ions ailleurs dans le corps. Des hormones comme l’ocytocine et la vasopressine permettent le stockage de l’eau et agissent comme antidiurétiques, inhibant la miction. La région du cerveau responsable de la production de ces hormones reste très active pendant l’hibernation, malgré la basse température corporelle des écureuils.

Mais ce mécanisme physiologique ne suffit pas à expliquer pleinement l’absence de soif. D’autres signaux qui déclenchent la soif, comme les hormones liées au stress rénal et au faible volume sanguin, circulent toujours dans le corps des mammifères, qui devrait, selon toutes les mesures standard, réclamer des liquides. Cependant, même lorsqu’ils sont actifs pendant l’hibernation et qu’on leur offre de l’eau, les écureuils l’évitent, selon la nouvelle recherche.

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Tout d’abord, quelques explications : l’hibernation n’est pas le sommeil, c’est tout autre chose. Pendant des semaines, les spermophiles en hibernation diminuent considérablement leur taux métabolique et gèlent presque. Leur température corporelle chute entre 2 et 4 degrés Celsius (35,6 et 39,2 Fahrenheit) et ils existent dans une sorte de limbes physiologiques appelés torpeur. Tout au long des mois d’hibernation, ces périodes de torpeur de 2 à 3 semaines sont entrecoupées de périodes d’éveil d’un ou deux jours. Soudain, les écureuils semblent actifs, leur température corporelle revient à la normale. Mais ils ne quittent toujours pas le terrier et ne mangent ni ne boivent. On pense que ces périodes d’activité sont importantes, en partie, pour que les écureuils en hibernation peut dormir, éliminer les déchets et maintenir l’oxygénation de leur système cardiovasculaire, explique Gracheva.

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Pour déterminer pourquoi les écureuils n’ont pas soif ou ne cherchent pas d’eau pendant ces périodes d’éveil, Gracheva et ses co-chercheurs ont mené une série d’expériences comportementales et moléculaires. Premièrement, ils ont offert aux écureuils en hibernation de l’eau ou une solution saline pendant les périodes d’éveil en milieu d’hibernation. Ils ont constaté que les écureuils s’intéressaient à la solution saline concentrée, mais pas à l’eau. Cela indiquait que les animaux ressentaient certains signaux internes de leur état de privation et qu’ils avaient potentiellement besoin de sel pour augmenter leur volume sanguin sans diluer les niveaux d’ions. « C’est le même principe que Gatorade », précise Madeleine Junkinsauteur principal de l’étude et chercheur en neurobiologie à Yale. Si vous êtes gravement déshydraté, vous ne voulez pas boire de l’eau claire, car cela pourrait diluer les ions critiques dans votre corps en dessous des niveaux sûrs.

Pourtant, contrairement à un athlète humain, les mammifères en hibernation buvant leur écureuil « Gatorade » ne semblaient pas aussi avoir soif d’eau. « Nous savons que l’appétit et la soif de sodium se produisent dans différentes parties du cerveau, et nous avons donc prédit que cette suppression de la soif serait peut-être associée à une activité neuronale réduite dans [certain] régions du cerveau », explique Junkins.

Pour approfondir cette idée, elle et ses collègues ont examiné le cerveau des écureuils de plus près, en examinant l’expression des protéines, l’activité neuronale et la réponse des neurones isolés à certaines hormones déclenchant la soif chez une poignée d’écureuils au cours de plusieurs tests. Ils ont découvert que, seuls dans une boîte de Pétri, les neurones de la partie du cerveau qui induisait la soif s’allumaient toujours en réponse aux hormones pertinentes (mais pas à certains autres signaux). Il y avait des différences dans les propriétés électriques des neurones, mais pas dans leur réponse aux hormones de la soif. Et évaluée dans le contexte de l’ensemble du cerveau, l’activité des neurones a été supprimée. Cela suggère que les neurones eux-mêmes restent capables de réagir aux signaux de soif pendant l’hibernation, mais que quelque chose se passe continuellement dans le cerveau pour calmer leur réponse. Il est probable, suggère Junkins, que la signalisation inhibitrice joue un rôle. Pour approfondir cette idée, elle et ses collègues ont examiné le cerveau des écureuils de plus près, en examinant l’expression des protéines, l’activité neuronale et la réponse des neurones isolés à certaines hormones déclenchant la soif chez une poignée d’écureuils au cours de plusieurs tests. Ils ont découvert que, seuls dans une boîte de Pétri, les neurones de la partie du cerveau qui induisait la soif s’allumaient toujours en réponse aux hormones pertinentes (mais pas à certains autres signaux). Mais évaluée dans le contexte de l’ensemble du cerveau, l’activité des neurones a été supprimée. Cela suggère que les neurones de la soif eux-mêmes restent relativement inchangés pendant l’hibernation et que quelque chose se produit continuellement dans le cerveau pour calmer leur réponse aux composés et signaux induisant la soif. Il est probable, suggère Junkins, que la signalisation inhibitrice joue un rôle.

Pourtant, de nombreuses questions demeurent. Les écureuils terrestres ne sont pas des organismes modèles bien étudiés. Leurs génomes et neurones ne sont donc pas bien cartographiés. Les chercheurs n’ont pas été en mesure de réaliser des tests tels que l’activation ou l’inhibition de neurones individuels pour voir comment cela pourrait modifier le comportement, ce qui serait possible chez un sujet de test comme une souris ou un rat, note Gracheva. « Nous y travaillons et je pense que dans deux ou trois ans, nous serons en mesure d’utiliser des outils similaires », dit-elle. Mais pour l’instant, ils ne connaissent toujours pas les spécificités de la région cérébrale qu’ils utilisent. Je suis rentré chez moi.

De plus, l’hibernation est mal comprise au niveau moléculaire et cellulaire. De nombreuses recherches comportementales ont été réalisées, mais peu de travaux examinent les fonctions internes détaillées des mammifères en hibernation, en particulier la gestion de l’eau. « Je pense que nous sommes les premiers à réellement examiner [thirst during hibernation] d’un point de vue physiologique », explique Gracheva. Elle et ses co-chercheurs étudient également signaux de faim et d’autres aspects de la stratégie de survie hivernale extrême des écureuils terrestres, comme la façon dont les animaux savent quand il est temps d’hiberner sans lumière ni température.

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Ce faisant, elle imagine que la recherche pourrait un jour mener à une litanie de découvertes bénéfiques.

«Nous sommes un laboratoire fondé sur la curiosité», explique Gracheva. Ils ne travaillent directement sur aucune application clinique, et la joie de comprendre la biologie animale est une motivation suffisante à elle seule. « Je suis passionnément convaincu que chaque animal est incroyable et a quelque chose à nous apprendre. Il existe de nombreuses façons différentes de survivre dans le monde et de nombreuses stratégies différentes qui sont fascinantes », déclare Junkins.

Cependant, l’étude de l’hibernation a de nombreuses applications potentielles, si nous parvenons à trouver comment appliquer les leçons des écureuils à nous-mêmes. Cela pourrait améliorer les transplantations ou les chirurgies à cœur ouvert, qui reposent sur une hypothermie temporaire provoquée chez les patients, note Gracheva. En général, de telles procédures sont limitées dans le temps et dans les possibilités, car les personnes ne peuvent rester en toute sécurité dans un état d’hypothermie que pendant de courtes périodes. « Si nous parvenons à étendre cette fenêtre de deux à cinq heures, cela pourrait contribuer à sauver de nombreuses vies », explique-t-elle. « Étant donné que j’étudie dans une faculté de médecine, j’entends cet intérêt pour nos recherches de la part de vrais médecins. »

Cela pourrait également révéler des cibles cellulaires ou moléculaires pour des médicaments destinés à traiter l’anorexie, suggère Gracheva, car ils identifient des voies spécifiques pour supprimer et activer la faim et la soif. Et cela pourrait même nous aider à nous propulser dans l’espace lointain.

Les voyages spatiaux sur de longues distances, vers Mars et au-delà, sont compliqués par la quantité que les humains doivent consommer pour rester en vie. Si nous pouvions mieux contrôler notre propre métabolisme et apprendre les secrets de l’élimination des pulsions inconfortables en état d’hibernation partielle, les vols spatiaux pourraient nous transporter plus loin. « C’est un sujet très brûlant pour la NASA », dit-elle. Des petits terriers d’écureuils au vaste univers, la science construit des ponts inattendus.