Physiologie et psycho-physiologie de l’olfaction

Les sens chimiques que sont l’odorat et le goût permettent aux êtres vivants d’identifier les substances présentes dans leur environnement. Cette aptitude existe, sous des formes plus ou moins différenciées et évoluées, depuis les êtres unicellulaires jusqu’aux mammifères supérieurs. Le schéma de construction anatomique du système olfactif des insectes aux mammifères est homologue. C’est un système très plastique qui permet la détection et la reconnaissance d’un nombre très important d’odeurs liées aux congénères, aux prédateurs, aux sources écologiques, et en particulier, à la qualité de la nourriture. Depuis une quinzaine d’années, l’étude de l’olfaction a connu un regain d’intérêt considérable. La découverte en 1991 par Buck et Axel de la famille de gènes qui codent pour les récepteurs olfactifs a ouvert la voie à de nombreux travaux abordant l’olfaction par des approches très diversifiées. Le prix Nobel 2004 de physiologie ou médecine est venu récompenser l’ensemble de leurs contributions et a donné pour le grand public un coup de projecteur sur les avancées qu’elles ont permis. Toutefois, depuis le signal moléculaire jusqu’à l’odeur qu’il évoque, les mécanismes moléculaires, neuronaux puis finalement cognitifs sont d’une grande complexité. De plus, la plasticité de l’activité des réseaux cérébraux impliqués dans l’olfaction, c’est-à-dire la capacité des neurones et de leurs connexions à modifier leur structure et leur activité par rapport au vécu dans différents environnements pour mieux s’adapter, reste un sujet d’étude fascinant pour toutes les neurosciences.

Dans ce contexte, ce thème qui réunit des équipes d’une vingtaine de laboratoires aux compétences complémentaires, est composé de quatre axes : interactions récepteurs/molécules odorantes ; réseaux neuronaux de la perception des odeurs ; processus olfactifs cognitifs (émotions et mémoires) et régulation épigénétique.

La perception olfactive trouve son origine dans l’interaction entre les composés chimiques volatils transportés par l’air inhalé, par voie directe ou rétronasale (vertébrés), et les neurones récepteurs olfactifs situés dans l’épithélium olfactif (vertébrés) ou les antennes (insectes). Il existe d’une dizaine à quelques centaines de récepteurs olfactifs selon les espèces d’insectes (drosophile, papillon et abeille pour les plus étudiés), un millier de récepteurs chez les rongeurs contre quelques centaines chez l’homme. L’encodage du signal chimique est combinatoire. De nombreux récepteurs peuvent participer à la détection d’une molécule odorante et chaque molécule odorante active un sous-groupe de récepteurs qui lui est a priori propre. Mais la stratégie pour associer le message périphérique à une perception olfactive –voire une identification de l’odeur- mise au point par notre cerveau reste à déchiffrer au niveau moléculaire. Par exemple, pourquoi certains récepteurs sont en mesure de détecter des structures très variées alors que d’autres ont un spectre de reconnaissance bien plus restreint ? Certains récepteurs sont-ils spécifiquement associés à une odeur et/ou à une molécule donnée ? Ces questions sont typiques des aspects moléculaire traités dans ce thème.

Après cette étape de détection, l’information est transmise dans le premier relai cérébral responsable du traitement de l’information olfactive, le bulbe olfactif (ou son équivalent chez l’insecte, le lobe antennaire). L’information est ensuite distribuée en parallèle dans un vaste réseau comprenant le cortex olfactif (cortex piriforme, tubercule olfactif, amygdale), système limbique (cortex entorhinal, hippocampe, amygdale, hypothalamus) et tous les centres neuromodulateurs (noyaux du raphé, locus coeruleus…). La connexion directe du bulbe avec les centres émotionnels et mnésiques expliquent la propension des odeurs à évoquer des souvenirs et des émotions : la fameuse madeleine de Proust en est l’exemple le plus célèbre. Ce traitement olfactif effectué au niveau cellulaire par les neurones et les cellules gliales subit des modulations constantes liées au contexte de vie de l’animal (état nutritionnel, stress, apprentissage) qui s’opèrent dès le niveau de la muqueuse et du bulbe olfactif jusqu’au cortex olfactif. De nombreuses questions restent ouvertes quant à la physiologie de chacun des étages du codage décrit plus haut. Par exemple, comment ces différents niveaux d’activité spatiotemporelle peuvent-ils sous-tendre la reconnaissance et la mise en mémoire des odeurs ?

Chez l’humain, peu de données sont disponibles sur la construction du percept olfactif, l’influence de la nature physico-chimique de l’odeur, de la génétique et de l’expérience personnelle sur les variations interindividuelles de la perception olfactive. Le lien particulier, puisque faible, qui relie les odeurs au langage est lui aussi source de questionnements. Quant aux relations privilégiées entre les odeurs, la mémoire et les émotions, elles sont loin d’être élucidées. A quel niveau de traitement la valence émotionnelle d’une odeur est-elle représentée ? Dans quelle mesure la composante émotionnelle influe sur la mémoire ? Quel est le devenir des processus olfactifs quand la mémoire est erronée ? Quel est l’impact anatomique et fonctionnel de l’expertise olfactive ? Comment la physicochimie, la cognition à travers l’apprentissage ou encore la culture modulent nos réponses hédoniques aux odeurs ? A toutes ces questions fondamentales s’ajoute notre méconnaissance des bases neuronales de l’olfaction chez l’humain. Ces processus multidimensionnels requièrent l’utilisation de modèles complémentaires (Homme/Animal) mais aussi la collaboration entre disciplines autant pour les objectiver (chimie, psychophysique, neurobiologie, psychologie) que pour les modéliser et les interpréter (informatique, statistique). Dans le cadre de ce GDR, les collaborations interdisciplinaires donneront une occasion unique de fournir les outils nécessaires à ces études chez l’humain.

Enfin, d’après des données très récentes, la fonction olfactive est sous une forte influence épigénétique. La régulation épigénétique est définie par les modifications (ou facteurs) qui ne sont pas codées par l’ADN. Elle module l’activité des gènes en facilitant ou en empêchant leur expression et permet une lecture différente d’un même code génétique. Une étude récente s’est intéressée à ce sujet par le conditionnement de mâles géniteurs dans un protocole associant une odeur à un choc : ce protocole induit une diminution du seuil de détection de l’odeur associée à ce choc dans la descendance de ces mâles. Dans cette descendance, on observe une augmentation du nombre de récepteurs olfactifs reconnaissant cette odeur ainsi que de modifications structurales dans le bulbe olfactif. Une expérience olfactive particulière a donc été transmise à la génération suivante et le système olfactif profondément affecté dans son anatomie et sa fonction. Cet exemple montre que l’étude de la régulation épigénétique pourrait occuper une position centrale dans l’exploration de des modifications olfactives liées à l’environnement et marquants un ensemble de gènes.

Une des forces de ce thème est de mettre en contact des équipes qui ont une grande expertise à la fois théorique et technique de l’olfaction. Les outils moléculaires, cellulaires, génétiques, physiologiques, psychophysiques et mathématiques sont fortement présents et nécessaires pour répondre aux questions cruciales que nous avons énumérées dans les paragraphes précédents. On remarquera en particulier les études utilisant les techniques d’imagerie neurofonctionnelle de pointe (depuis la microscopie deux photons, à l’imagerie ultrasonore et jusqu’à l’IRM fonctionnelle) et la stimulation optogénétique (d’un type spécifique de neurones rendu photoactivable) qui permettent une description in vivo de l’activité des réseaux olfactifs depuis l’insecte, en passant par les rongeurs, jusqu’à l’Homme.