Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Depuis quelques années, des chercheurs du laboratoire MSC étudient la formation des visages. Après avoir étudié la formation des oreilles, des yeux et de la bouche Vincent Fleury a étudié plus finement la formation du nez. En positionnant les embryons à l’aide de micro-outils, dans une position qui permet de filmer le développement de la face, il montre que la formation du nez s’accompagne d’une sorte de grognement primitif qui déclenche l’ouverture des narines.

La disposition générale des visages est commune à de nombreuses espèces de vertébrés. Souhaitant comprendre comme se formait le nez, Vincent Fleury, de l’antenne MSCmed située à l’école de médecine, a découvert que les trous du nez et les narines, se formaient suite à de fortes contractions des tissus de la face formant le territoire nasal présomptif. De surcroît, ces tissus présentent une organisation commandée par la physique, et établie extrêmement tôt au cours du développement, ce qui expliquerait la stabilité (la « robustesse ») des visages (1).

Figure 1. Les visages présentent généralement des yeux, un nez et des sillons positionnés dans des endroits similaires (Actrice Paulette Goddard, wikipedia)

Les premiers visages sont apparus chez les animaux il y a 500 millions d’années. Cette disposition avec une bouche, des yeux, des ouïes ou oreilles, et des narines, déjà visible chez les poissons placodermes du dévonien, a relativement peu changé depuis, tandis que de nombreuses autres parties du corps ont été radicalement modifiées au cours de l’évolution. Cela interroge sur les spécificités de la formation des visages. En effet, il y a quelque chose d’illogique sur le plan biologique, à ce qu’une organisation aussi complexe et globale, puisse apparaître rapidement, pour ensuite ne plus changer.

Figure 2. Fossile de Dunkelosteus marsaisi, Musée des Confluences, Lyon. Les poissons du Dévonien présentent déjà une structure du visage figée (yeux, narines, bouche).

Après avoir étudié les bases physiques de la formation des visages, notamment avec Anick Abourachid, du Museum d’Histoire Naturelle (Ref. 2) et 3, Vincent Fleury vient de montrer que c’est un mécanisme physique, dû à une très forte contraction de certains tissus de la face, évoquant un grognement ou un reniflement primitif, qui provoque l’ouverture des trous du nez au niveau des narines. Ces travaux ont été menés sur des embryons de poulet, mais leurs conclusions dépassent largement le seul cas de cette espèce. Ils renversent le point de vue en ce sens qu’une structure plane existe, au cour de l’embryogenèse, qui dessine un nez, mais qui doit encore se contracter et plier pour déclencher la formation d’un trou réellement à 3D. En quelque sorte, le grognement précède et déclenche la formation de son nez.

Chez tous les vertébrés, les embryons se développent avec la tête fléchie vers le bas, de surcroît à l’intérieur du sac amniotique (la "poche des eaux"), pour les amniotes comme le poulet ou l’homme, ce qui empêche de filmer convenablement les premiers stades de la formation de certaines parties du visage, telles que le nez.

Figure 3. Flexion de la tête au cours du développement, et emballage de l’embryon dans son sac amniotique. La face est très difficilement observable dans un embryon de poulet. Visibles ici, la formation de l’oeil et de l’oreille ; le nez est "en dessous".

Vincent Fleury a inauguré une méthode où il sort les embryons de poulet de leur sac amniotique pour les installer dans une cellule en verre. Là, des rubans, découpés dans une nacelle en plastique, servent d’oreiller pour orienter la tête de manière à ce que la face soit visible dans n’importe quelle orientation, pendant la suite du développement des embryons. L’embryon survit plusieurs heures (jusqu’à 12 heures) dans ces conditions, ce qui est suffisant pour observer la formation des trous de nez.

Figure 4. Positionnement de la tête à l’aide de rubans en plastique découpés dans une nacelle. Ici l’embryon est vu en position complètement frontale. En haut à droite positionnement de l’embryon dans la cellule en verre. En bas à droite, gros plan sur l’embryon (même échantillon).

Il est alors possible de filmer en haute résolution et en chronophotographie (Time-Lapse) la formation du visage et du nez. C’est ainsi qu’a été constaté que les trous du nez proviennent d’un pli au coin de la bouche, qui suit un secteur de tissu triangulaire orthogonal à l’arc de la bouche.

Il existe en effet dans le très jeune embryon une structure en anneaux et secteurs analogue à des cernes d’arbres et des quartiers d’orange, qui avait été modélisée dans un précédent travail (Ref. 2). La différence entre les fruits et les animaux, est que chez les animaux les fibres qui délimitent ces cernes et ces quartiers sont contractiles (ce sont des sortes de tout petits muscles déjà). La formation de l’animal proprement dit est un jeu de plis qui suit, grosso modo, les lignes circulaires et les quartiers.

Un des premiers plis concerne un secteur de « cerne » antérieur qui forme la bouche (2e jour du développement). En pliant il fronce en même temps deux boucles en lacet aux commissures des futures lèvres, qui vont former les narines. Leur ouverture a lieu dans un second temps, au 4e jour de développement, sous l’effet d’une très forte contraction des deux boucles, qui s’enroulent alors sur elles-mêmes vers l’intérieur de la tête.

Animations. Observation à trois grossissements différents de l’ouverture des narines. Basse résolution (loupe binoculaire, en haut à gauche), au microscope au 10X (au centre), enfin au 20X (en bas). L’ouverture de la narine est précédée d’une contraction du tissu.

L’implication de phénomènes répondant aux lois de la physique, plutôt que de la seule expression du génome, expliquerait naturellement pourquoi, chez les vertébrés, la structure générale des visages a si peu changé. La structure n’est pas arbitraire, elle ne peut changer au gré de feedbacks biochimiques, le pattern étant d’essence physique.

Cependant, cette découverte révèle aussi l’existence de fibres contractiles qui jouent un rôle crucial dans la formation de la tête car elles tirent sur l’embryon comme autant de haubans, pour en changer la forme. Ces fibres sont organisées à angle droit, et restent reconnaissables sur un visage, où elles fixent la position et les frontières des parties du visage.

Figure 5. Les visages montrent des sillons très reproductibles d’une personne à l’autre, qui sont plus visibles passé un certain âge. Le sillon nasogénien est notamment visible chez tous les humains. (© Fabrice Lang, avec l’aimable autorisation de l’auteur et de M. Dominique Pinon).

Ces observations expliquent très naturellement pourquoi le nez est relié aux yeux et à la bouche (on se mouche quand on pleure en raison de l’existence d’un canal entre l’œil et le nez qui suit le pattern de lignes initial), et peut-être même la transition entre les agnathes et les gnathostomes. Une traction plus grande sur les fibres suffirait à expliquer la fermeture de la narine centrale des agnathes, et l’ouverture des narines latérales des gnathostomes, tandis que la mâchoire se forme par flexion de la tête.

Figure 6. Les agnathes (animaux sans mâchoires) comme la lamproie ont une narine au milieu du front.

En effet les premiers animaux "sans visage", ont une narine au milieu du front (comme la lamproie ci-dessus). Cette narine existe transitoirement chez les poulets, elle se ferme au cours du développement sous l’effet de la traction des lignes. Mais dans le même temps, deux narines gauche et droite se forment, car la force qui tire pour fermer la narine centrale, accentue la formation des trous latéraux. Ainsi, la transition morphologique apparemment très complexe entre des animaux à une narine centrale, et les animaux à deux narines bilatérales, apparaît comme commandée très simplement par la variation d’un facteur physique possiblement unique.

Plus généralement, ces travaux montrent que la formation des visages n’est pas arbitraire, et qu’elle procède d’un mécanisme de traction suivant des sortes de muscles ou tendons microscopiques, en petit nombre, et très organisés (biaxiaux), ce qui expliquerait la robustesse des visages, et la modeste variabilité, au sein d’un pattern standard commun à de nombreux espèces.

Même chez les humains, alors qu’il existe une infinité de visages, ce qui permet d’établir notre identité, ils sont néanmoins tous caractérisés par la présence de sillons nasogéniens, d’un nez perpendiculaire à la bouche, d’yeux alignés suivant un grand cercle au sommet du nez, de traits détourant les cernes, etc. (Voir D. Pinon ci-dessus).

On comprend avec ces travaux pourquoi les visages apparaissent rapidement, pour ensuite ne plus changer : ils obéissent à une loi physique. Passé un certain seuil de pli, ils se forment, mais d’une façon déterminée, qui est commune à tous les animaux, de par la généralité des lois de la physique.

Sur le plan philosophique, ces travaux font des visages des objets émanant de lois fondamentales, comme les spirales des galaxies ou les ellipses des planètes ; ils sont moins contingents que ce qu’on pourrait imaginer.

Ce travail a fait l’objet d’une actualité sur le site du CNRS-Institut National des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes, à retrouver ici ; ainsi que d’une recension sur France Culture dans le Journal des sciences du jeudi 24 Novembre, à écouter ici.

Références

1- V. Fleury, Dynamics of early stages of nose morphogenesis, Eu. Phys. J. E 45, 93 (2022).doi.org/10.1140/epje/s10189-022-00245-8

2- V. Fleury, A. Abourachid, A biaxial tensional model for early vertebrate morphogenesis, Eu. Phys. J. E 45, 31 (2022). doi.org/10.1140/epje/s10189-022-00184-4

3-Une avancée dans la compréhension de la morphogenèse des vertébrés.

Contact : Vincent Fleury (MSCmed) vincent.fleury@univ-paris-diderot.fr