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111 | 2012
Annuaire du Collège de France 2010-2011
Résumé des cours et travaux 111e année
Équipes accueillies

Circuits neuronaux et comportement

CIRB
Alexander Fleischmann
p. 934-936

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1Notre laboratoire s’intéresse aux circuits neuronaux qui sous-tendent la perception des odeurs. Nous utilisons une combinaison d’approches expérimentales chez la souris, incluant génétique moléculaire, imagerie in vivo, et analyse du comportement, pour comprendre la logique du codage de l’information sensorielle par les différents relais olfactifs du cerveau.

La perception des odeurs : du nez au cerveau

2La perception des odeurs repose d’une part sur la reconnaissance des divers composants odorifères en périphérie et d’autre part sur des mécanismes généraux dans le cerveau qui permettent la discrimination des odeurs. Chez les souris, les odeurs sont reconnues au niveau de l’épithélium olfactif par des neurones sensoriels olfactifs qui fixent les molécules odorantes par l’intermédiaire de récepteurs métabotropes. Chaque neurone olfactif exprime l’un des 1 300 gènes du répertoire des récepteurs olfactifs, et tous les neurones exprimant le même récepteur olfactif projettent leurs axones vers deux points stéréotypés dans le bulbe olfactif, appelés des glomeruli. Les patterns formés par ces projections axonales sont conservés entre individus, et constituent donc une carte topographique de l’activation des récepteurs olfactifs : une odeur active un sous-ensemble de neurones sensoriels, et est représentée dans le bulbe olfactif par un pattern d’activité glomérulaire spatialement invariant.

3Comment cette représentation est-elle transformée lors du traitement de l’information olfactive par les structures cérébrales en amont du bulbe olfactif ? L’information encodée par l’activité des glomeruli est transmise par les cellules mitrales et touffetées vers plusieurs structures cérébrales, dont le cortex piriforme, qui serait le substrat de l’apprentissage olfactif. Contrairement à l’organisation spatiale très précise des représentations des odeurs dans le bulbe olfactif, les projections des cellules mitrales et touffetées sont diffuses, et par conséquent les odeurs induisent une activité neuronale clairsemée, dans des neurones disséminés dans toute l’étendue du cortex piriforme. Ces mécanismes neuronaux du traitement de l’information olfactive dans le cortex olfactif sont méconnus, tout comme le lien entre ces représentations corticales et la réponse comportementale.

Des souris au « nez monoclonal » : un indice du traitement de l’information sensorielle

4Afin d’étudier les propriétés fonctionnelles des circuits impliqués dans le traitement de l’information olfactive, nous avons conçu une stratégie transgénique pour perturber la représentation des odeurs dans le cerveau des souris. Nous avons généré une souris transgénique dont 95 % des neurones sensoriels expriment le récepteur olfactif à l’acétophénone, nommé M71. Conséquemment, le pourcentage de neurones sensoriels exprimant un récepteur olfactif endogène est réduit d’un facteur 25 dans l’épithélium olfactif de ces souris. Ces résultats montrent que l’expression d’un récepteur olfactif exerce un rétro-contrôle négatif sur l’expression des autres récepteurs olfactifs, garantissant ainsi que chaque neurone sensoriel n’exprime qu’un seul récepteur olfactif fonctionnel.

5Les perturbations de la carte olfactive dans ces souris transgéniques M71 nous permettent d’aborder les questions qui concernent la génération des représentations corticales des odeurs et l’utilisation de ces représentations pour la production du comportement. Nous avons découvert que les souris transgéniques M71, malgré une augmentation d’un facteur 1 000 du nombre de neurones répondant à l’acétophénone, ne détectent pas cette odeur. Cependant, ces souris sont capables de détecter d’autres odeurs même en présence du bruit de fond induit par l’acétophénone. Ces observations surprenantes nous ont suggéré un modèle de traitement de l’information olfactive selon lequel la détection d’une odeur requière un contraste entre les patterns d’activité neuronale : dans les souris sauvages, les odeurs induisent des patterns d’activité clairsemés dans le bulbe olfactif et le cortex piriforme. Dans les souris transgéniques M71, l’acétophénone induit une hyper-activité dans les circuits olfactifs, une représentation dense qui serait dysfonctionnelle. L’ajout d’une seconde molécule odorante en plus de l’acétophénone augmenterait le contraste et constituerait un pattern d’activité signifiant pour l’organisme. Nos données suggèrent donc en outre l’existence de mécanismes destinés à adapter le signal pour une maximisation du contraste, qui permettrait la détection d’un signal faible dans une sous-population de glomeruli (excitation locale) en présence d’une activité globale de fond, le bruit olfactif. Cette sensibilité passerait soit par une inhibition globale, soit par des processus d’amplification localisés, et pourrait être à la base de la capacité à identifier un composant odorifère particulier au sein d’un fond complexe (ségrégation figure-fond).

6Pour mettre à l’épreuve ce modèle, nous allons analyser l’effet de différentes perturbations génétiques modifiant l’expression des gènes codant les récepteurs olfactifs dans des souris transgéniques. Nous utiliserons des techniques d’imagerie in vivo de pointe pour comprendre comment les patterns d’activité glomérulaires, génétiquement déterminés, sont transformés en représentations de second ordre au niveau du cortex. Enfin, nous analyserons les conséquences de ces perturbations sur les comportements en utilisant des tests de comportements innés et acquis dépendant de l’olfaction. Ce plan de travail représente une approche interdisciplinaire combinant génétique moléculaire de la souris, imagerie in vivo et tests comportementaux pour aborder des questions clés communes à la biologie sensorielle et aux neurosciences.

Figure. Souris au « nez monoclonal »

7Des perturbations dans la carte olfactive modifient les représentations neuronales et altèrent la discrimination des odeurs.

(A) Stratégie génétique pour exprimer le récepteur M71 dans tous les neurones sensoriels de l’épithélium olfactif. L’expression du transgène tetO-M71 est stimulée par l’expression de tTA par le locus OMP.

(B) Les neurones sensoriels exprimant le transgène M71 sont révélés par un marquage X-Gal sur une préparation entière OE : épithélium olfactif, VNO : organe voméronasal, OB : bulbe olfactif.

Publications choisies

8Choi G., Stettler D.D., Kallmann B., Bhaskar S.T., Fleischmann A. et Axel R., « Driving opposing behaviors with ensembles of piriform neurons » Cell,146(6), 2011, 1004-1015.

Fleischmann A., Shykind B.M., Sosulski D.L., Franks K.M., Glinka M.E., Mei D.F., Yonghua S., Kirkland J., Mendelsohn M., Albers M.W., Axel R., « Mice with a “monoclonal” nose: perturbations in an olfactory map impair odor discrimination », Neuron, 60, 26 déc. 2008, 1-14.

Présentations scientifiques à des conférences internationales

9The Society for Neuroscience Annual Conference, San Diego, novembre 2010.

The Gordon Research Conference, Neural Circuits and Plasticity, Salve Regina University. juin 2010.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 111e année, Collège de France, Paris, avril 2012, p. 934-936. ISBN 978-2-7226-0156-7

Référence électronique

Alexander Fleischmann, « Circuits neuronaux et comportement », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 111 | 2012, mis en ligne le 22 novembre 2013, consulté le 22 février 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/1740

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Auteur

Alexander Fleischmann

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Droits d’auteur

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