Le Grand Pic (Dryocopus pileatus) peut frapper un tronc à la vitesse de 20 coups à la seconde : mais comment son cerveau résiste-t-il ? Photo : Léo Gobeil

Comment un pic peut-il supporter les tambourinages qu'il effectue sur les troncs des arbres pour y déloger les insectes, pour délimiter son territoire au printemps ou creuser une cavité pour nidifier ?
Par exemple, le Grand Pic (Dryocopus pileatus) frappe un tronc à la vitesse de 20 coups à la seconde et jusqu'à 12 000 fois par jour, avec une force pouvant atteindre 1,2 kg à chaque impact, largement de quoi s'abîmer le cerveau et décoller la rétine !
Ophtalmologiste renommé diplômé de l'Université de Davis en Californie, Ivan Schwab et son collègue défunt Phillip May (UCLA) ont reçu en octobre 2006 le premier prix lg Nobel d'ornithologie pour avoir compris comment cette famille d'oiseaux s'était adaptée à leur mode de vie de "marteau-piqueur".

Abstract

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The drumming of Woodpeckers is familly specific and may be used for communication or territorial display, but is not related to feeding.
As a result of these activities, D pileatus may strike the hard woody surface of a tree at a rate of up to 20 times a second (not a misprint) and up to 12 000 times a day with staggering deceleration forces of as high as 1200 g with each impact. That is equivalent to striking a wall at 16 miles an hour-face first-each time.
When your daily routine involves slamming your head against a tree as it is the case for Woodpeckers, you might expect to get an occasional headache. However, they experience no ill effects from their head-banging ways and, for explaining why, UC Davis ophthalmology professor Ivan Schwab was chosen for the 2006 Ig Nobel Prize in ornithology. He received the award at Harvard University. He shared the prize with the late psychiatrist Phillip R.A. May, whose previous research formed the basis for the study written by Schwab.
Schwab has a special interest in comparative ophthalmology, a field in which he and others examine how insects, birds, reptiles and other nonhuman animals process images.
In his research, May found that woodpeckers have evolved several unique mechanisms that prevent them from inflicting harm upon themselves. Among them are a thick, bony skull with relatively spongy bone, and cartilage at the base of the mandible (lower jaw bone) that partially cushions the incessant blows. The mandibles are attached to the skull by powerful muscles that contract a millisecond before each strike, creating a tight but cushioned structure at the moment of impact and distributing the force of the blow to the base and posterior regions of the skull, thus bypassing the brain.


Comment taper "comme un malade" sur un tronc sans avoir mal au crâne?

Le prix lg Nobel d'Ornithologie 2006

En octobre 2006, le professeur Ivan Schwab, de l'Université de Californie (campus de Davis) a reçu à l'Université d'Harvard le prix Ig Nobel d'ornithologie, qu'il a partagé avec son défunt collègue Phillip May (UCLA, Université de Californie) pour son étude "Cure for a Headache" publiée en 2002 dans le British Journal of Ophthalmology.
Le lg Prix Nobel est une "parodie" du Prix Nobel; il récompense chaque année dix découvertes qui "font sourire et réflechir le public" dans le domaine des sciences, de la technologie et de la médecine.
2006 est la première année où l'ornithologie est distinguée.

L'espèce étudiée

Grand Pic (Dryocopus pileatus) Photo : Léo Gobeil

L'étude de Y. Schwab a été réalisée sur le Grand Pic (Dryocopus pileatus), le troisième plus grand pic d'Amérique du Nord après le Pic impérial et le Pic à bec d'ivoire.
Comme de nombreuses espèces de Picidés, le Gand Pic frappe les troncs pour se nourrir en délogeant les insectes xylophages cachés sous l'écorce, pour creuser la cavité qui lui servira de nid, pour tambouriner au printemps lors de la parade nuptiale et pour délimiter son territoire.
Cette espèce peut frapper un tronc jusqu'à 20 fois par seconde et jusqu'à 12 000 fois par jour, avec une force pouvant atteindre 1200 g à chaque impact.

De nombreuses adaptations

1) Scan par tomographie de la tête d'un Grand Pic, au niveau de la moitié du crâne. L'os hyoïde (oh) est indiqué 2) Photographie par IRS d'un crâne de Grand Pic qui montrant les os denses et spongieux du crâne et l'espace subrachinoïde étroit. Notez les grandes orbites oculaires comparativement à la taille du cerveau Schéma : Ornithomedia.com, d'après Erik R Wisner, DVM, School of Veterinary Medicine, University of California Davis

Pour occuper sa niche écologique, l'évolution a doté le pic d'un crâne osseux épais avec des os relativement spongieux, surtout au niveau de l'occiput, et d'un cartilage à la base de la mandibule pour amortir les coups incessants.
Dans le crâne, il n'y a pratiquement pas de liquide cérébro-spinal, et l'espace sub-rachinoïde est très petit.
Les mandibules sont attachées au crâne par des muscles puissants qui se contractent une milliseconde avant l'impact, créant une structure tendue qui amortit le coup et la distribution de la force vers la base et l'arrière du crâne, épargnant le cerveau (May et al, Lancet 1976).
Les mécanismes neurologiques sont incroyablement bien adaptés. Le pic frappe un coup perpendiculairement parfait pour éliminer la force de cisaille qui déchirerait les méninges ou provoquerait des commotions (May et al, Arch Neurol, 1976). Bien cela n'ait pas été étudié, ce mécanisme prévient aussi probablement les hémorragies intrarétinales et les détachements rétiniens.
En outre, le pic est protégé, au moins jusqu'à un certain point, par sa taille : son cerveau est relativement petit, et son poids est relativement faible par rapport à sa surface; ainsi, la pression se disperse sur un secteur relativement grand, rendant le cerveau un peu plus résistant à la commotion qu'un cerveau humain; et pourtant, le pic utilise l'effet de levier du poids de son corps pour augmenter la force d'impact de son bec, se transformant ainsi tout entier en "marteau".

Membrane et pectines

Un système photographique à haute vitesse a révélé que durant la milliseconde précédant la frappe, une fine membrane ou nictitans recouvrait l'oeil : cela le protégerait des débris et des fragments de bois, mais servirait aussi de "ceinture de securité" pour empêcher les yeux d'être littéralement expulsés de leurs orbites. Les pics bénéficient d'une choroïde (paroi qui tapisse le fond de l'oeil) composée d'un mucopolysaccharide jusqu'ici inconnu remplissant les interstices.
Les pectines jouent aussi probablement un rôle pour élever la pression intra-oculaire en coagulant légèrement le sang, maintenant ainsi une force suffisante sur la lentille et la rétine pour empêcher les dommages.

Une "écharpe" musculaire

Crâne et langue d'un pic : 1) vue de côté, 2) de dessus. Zs : os spongieux du crâne La langue part de la mandibule supérieure, sort de la narine droite, se sépare en deux parties, contourne le crâne et forme une langue unique au niveau de la mandibule inférieure Schéma : Ornithomedia.com

Le pic possède d'autres adaptations uniques qui méritent d'être étudiées et qui pourraient contribuer à mieux comprendre comment protéger l'homme des blessures intracraniennes.
Sa langue est ainsi unique, partant du dessus des maxillaires, passant par la narine droite, entre les yeux, se divisant en deux, contournant la partie supérieure du crâne, l'occiput, passant sur les côtés du cou, arrivant dans la mandibule inférieure et s'unissant en une seule langue dans la cavité oro-pharyngéale.
Des muscles entourent l'os hyoïde dans l'oropharynx et tapissent le plancher de la bouche, créant un système permettant une projection extraordinaire de la langue au-delà de la pointe du bec. Ces bandes musculaires créent une structure en "écharpe" qui fonctionne probablement comme un absorbeur de chocs une fois contractée avant chaque coup. Cette écharpe servirait aussi de distributeur de forces (May et al, Lancet 1976).
La longueur de la langue est utile pour pénétrer dans les loges d'insectes sous l'écorce des arbres. Cette langue effilée est revêtue d'une salive collante pour attraper les petits insectes comme les fourmis, et possède des barbelures utiles pour empaler les plus grands insectes et larves.
En outre, elle est équipée d'excellentes capacités tactiles pour détecter les plus petites proies.
Les mandibules sont recouvertes enfin de plaques de kératine appelées rhamphothèques.

Contact

Ivan Schwab - E-mail : irschwab@ucdavis.edu.


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