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Odeurs

Système olfactif et neurobiologie

André Holley
p. 107-122

Résumés

Les connaissances neurobiologiques sur l’odorat progressent désormais rapidement depuis la découverte des récepteurs des odorants, remarquables par leur grand nombre et leur diversité. Des réponses sont maintenant apportées aux questions posées par les propriétés originales de la perception olfactive dont beaucoup sont déterminées dès le niveau de l’organe olfactif, et sont fortement déterminées par la génétique. Les connaissances génétiques sur les récepteurs dévoilent une considérable réduction du nombre de gènes olfactifs fonctionnels dans l’espèce humaine et alimentent une réflexion sur l’évolution de l’odorat. Autre avancée riche de promesses : l’application à l’olfaction des méthodes d’imagerie cérébrale fonctionnelle commence à fournir des cartes détaillées de l’activation du cerveau chez des sujets humains engagés dans des tâches olfactives. Parmi les attributs des odeurs, c’est la valence affective qui paraît la plus sensible à l’influence des expériences sensorielles, de l’environnement et donc de la culture.

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Texte intégral

1Les recherches sur le fonctionnement de l’odorat connaissent de nos jours un développement rapide et un renouveau d’intérêt. Le principal moteur de cette accélération est sans conteste la découverte des récepteurs des odorants au début des années 1990 par Linda Buck et Richard Axel (1991). En annonçant que le système olfactif utilisait des centaines de types de récepteurs moléculaires pour accomplir sa fonction, les auteurs de la découverte n’apportaient pas seulement la réponse à une question laissée longtemps sans réponse, ils dévoilaient une propriété biologique assez étonnante pour attirer l’attention de nombreux biologistes. Qu’un nombre aussi grand de gènes soient consacrés à l’expression de la seule fonction olfactive indiquait sans doute l’importance de cette fonction. Cela indiquait aussi que l’Évolution avait engagé l’organisation du système olfactif dans une voie très différente de celle qui permet aux autres systèmes sensoriels de fonctionner en n’utilisant que quelques récepteurs seulement. La nature de la tâche, à savoir la détection et la discrimination d’un grand nombre de molécules, appelait sans doute le choix génétiquement coûteux.

2Dans ce qui suit, nous présenterons d’abord les caractéristiques principales de la perception des odeurs. Nous examinerons ensuite les données neurobiologiques qui permettent de les interpréter : celles qui portent sur les récepteurs des odorants d’abord, puis celles qui ont trait à l’organisation des voies olfactives et à leur fonctionnement. Nous verrons s’exprimer un fort déterminisme génétique dans les processus les plus périphériques et nous apporterons des éléments de réflexion sur les tendances évolutives qui se manifestent au sein du génome olfactif humain. Enfin, l’expérience et l’apprentissage apparaîtront comme les principaux déterminants des propriétés de niveau plus élevé, comme la valence hédonique des odeurs.

Les traits majeurs de la perception des odeurs

3Trois sortes d’attributs sont traditionnellement reconnus aux odeurs : la qualité, l’intensité et la valeur hédonique ou affective. Ces attributs dépendent à la fois des propriétés physicochimiques des substances odorantes et de celles du système perceptif, c’est-à-dire de l’organe sensoriel et des ensembles neuronaux qui transmettent et utilisent l’information.

La qualité ?

4C’est ce qui donne son identité à l’odeur, ce par quoi l’odeur de rose est odeur de rose. Les odeurs sont discriminables sur la base de leurs qualités. Lorsque les stimuli odorants sont présentés par paires, en succession rapide, la discrimination est maximale car le jugement humain de type même / différent est alors très performant. Certains des échecs de cette discrimination révèlent des cas d’anosmie ou d’hyposmie, qui sont pour certains d’origine génétique, tandis que la majorité des autres est causée par des atteintes traumatiques ou infectieuses du système olfactif périphérique. Des sujets qui ne perçoivent pas quelques molécules qualitativement proches mais détectent normalement les autres odorants sont dits porteurs d’une anosmie sélective ou partielle (Guillot 1948 ; Amoore 1967).

5Les odeurs naturelles sont plus souvent produites par des mélanges moléculaires de composition chimique hétérogène que par des corps purs. La distinction mélange / corps pur n’est pas toujours sensible pour celui qui perçoit. Prédire la qualité olfactive d’un mélange connaissant la qualité de chacun des corps purs qui le constituent est une difficulté souvent relevée par les professionnels de la composition de préparations aromatisantes ou de parfums. Le problème n’a pas une grande signification écologique, mais il a une réelle importance économique. Il est également difficile de reconnaître les composantes d’un mélange un tant soit peu complexe : trois ou quatre composantes seulement pourront être discernées et, sur ce point, la performance de l’expert n’est guère supérieure à celle du sujet naïf, non entraîné (Livermore & Laing 1996). Il convient toutefois de remarquer que les mélanges rencontrés dans le milieu naturel ne sont pas toujours aussi homogènes que ceux que délivre un flacon de parfum, car les constituants ont souvent plusieurs sources séparées. Le système olfactif peut se montrer alors plus analytique en opérant une discrimination spatiale qui tire profit des variations relatives des concentrations dues aux déplacements de la tête par rapport aux sources proches.

L’intensité ?

6La force de la sensation, que l’on appelle intensité, croît avec la concentration des molécules odorantes selon une loi de puissance, lorsque le seuil de perception est atteint. On distingue deux seuils : celui de la détection, qui correspond à l’impression qu’une odeur est présente, et celui, plus élevé, de la reconnaissance et de l’identification qui représente la limite inférieure de concentration d’un odorant permettant au sujet de déceler la qualité particulière de son odeur.

7Intensité et qualité ne sont pas des dimensions indépendantes : la qualité perçue d’un stimulus olfactif est susceptible de changer selon son intensité. Cette interaction entre attributs est cependant variable selon les odorants. Visiblement, les deux codages de la qualité et de l’intensité interfèrent. La raison en apparaîtra plus loin.

8Il a été maintes fois constaté que des sujets peuvent être placés dans des environnements odorisés nettement au-dessus de leur seuil de détection sans prendre conscience de la présence d’odeurs, pour peu qu’ils soient engagés dans une tâche qui requiert une attention qui n’est pas centrée sur l’odorat. Même dans des situations de mesure du seuil, lorsque les sujets doivent désigner parmi plusieurs flacons présentés celui qui contient une odeur, le choix qu’ils pensent faire au hasard est souvent juste, ce qui indique que le cerveau peut capter de l’information non consciente. Cette information peut être mémorisée sous forme de mémoire implicite et utilisée (Degel & Köster 1999). La « perception non consciente » pourrait bien être la règle plutôt que l’exception dans la vie courante.

9Il reste difficile de prédire l’intensité d’un mélange odorant connaissant celle, évaluée séparément, de chacun de ses constituants. En général, l’intensité perçue du mélange est moindre que la somme des intensités des composantes isolées : c’est l’hypoadditivité ou suppression. La situation opposée, c’est-à-dire la synergie, est moins fréquente. Des modèles des interactions entre constituants ont été proposés pour des mélanges à très peu de composantes (Laffort & Dravnieks 1982).

La valeur hédonique ?

10Troisième attribut de l’odeur, la valeur hédonique ou affective s’impose aussi bien dans l’expérience de tous les jours que dans les études de ressemblance ou mesures de distance qualitative entre odeurs. En effet, le caractère plaisant ou déplaisant de l’odeur apparaît comme premier facteur dans les analyses multidimensionnelles des jugements de ressemblance entre odeurs (Schiffman 1974). La valeur affective de l’odeur dépend bien évidemment de son identité, ou qualité, et de l’apprentissage acquis lors des expériences antérieures. Elle dépend aussi de son intensité. En général, les odeurs jugées désagréables à faible intensité le sont encore davantage lorsque la concentration de l’odorant augmente. Pour les odeurs agréables, la relation est souvent différente : elle suit une courbe en U inversé, c’est-à-dire présente un optimum de part et d’autre duquel le caractère plaisant ne fait que décroître.

11Comme les seuils de perception et l’intensité, la valence hédonique des odeurs est sujette à de grandes différences individuelles. Pour ce qui concerne seuils et intensité, l’explication s’en trouve certainement dans la variété génétique, notamment des récepteurs, comme nous le verrons plus loin. En ce qui concerne la valence affective, l’opinion qui prévaut est qu’elle est surtout affaire d’apprentissage. Certaines des aversions ou répulsions olfactives sont le résultat de conditionnements associatifs, comme dans le cas du conditionnement d’aversion réalisé en un seul essai, et de longue durée, qui associe les propriétés sensorielles d’un aliment toxique et les nausées et autres douleurs viscérales consécutives à l’ingestion de cet aliment (Garcia et al. 1966). Il ne semble pas y avoir, pour les odeurs, des préférences et des rejets manifestés dès la naissance comme cela a été mis en évidence pour les saveurs sucrées et amères chez le bébé humain (Steiner 1979). Cependant, l’étude des préférences olfactives précoces est encore peu avancée et il faut se garder de nier toute prédisposition des odeurs à adopter préférentiellement une certaine polarité affective. Ce qui est avéré, c’est que l’apprentissage olfactif commence très tôt, comme l’ont montré Benoist Schaal et ses collaborateurs (1998) qui ont pu mettre en évidence une influence de l’expérience prénatale sur les préférences olfactives du nouveau-né humain.

12En conclusion, la perception des odeurs offre un ensemble de traits dont certains doivent sans doute être éclairés par l’analyse des processus qui prennent place dès l’étage de réception des stimuli olfactifs tandis que d’autres mettent plus probablement en jeu des phénomènes d’un niveau plus élevé.

Structures et phénomènes périphériques

13Pour qu’une substance volatile soit perçue, il faut d’abord que des récepteurs existent pour la détecter. Les molécules volatiles agissent sur l’épithélium olfactif dont les cellules sensorielles possèdent des récepteurs auxquels les odorants se lient de façon réversible grâce à des liaisons de faible énergie. C’est la première étape vers la genèse d’un signal électrique. Les cellules sensorielles sont des neurones. Un neurone récepteur possède un pôle dendritique qui porte des cils très fins immergés dans une couche de mucus. C’est la membrane des cils qui héberge les macromolécules réceptrices. L’autre pôle du neurone possède un axone qui se projette sur le bulbe olfactif. Il conduit les signaux électriques induits par l’activation des récepteurs. Dans le bulbe olfactif, les axones font synapse avec des neurones-relais qui, à leur tour, se projettent sur le cortex olfactif primaire. De là, le message nerveux est adressé à plusieurs aires cérébrales.

Les récepteurs des odorants ?

14Les récepteurs d’odorants appartiennent à une superfamille de protéines couplées à des protéines G (Buck & Axel 1991). Ce sont des protéines apparentées à l’opsine des photorécepteurs de la rétine ainsi qu’à d’autres récepteurs de neurotransmetteurs du système nerveux et de certaines hormones. Ils ont tous la même structure générale caractérisée par sept régions hydrophobes traversant la membrane, mais diffèrent les uns des autres par leurs séquences d’acides aminés, particulièrement variables dans certaines régions de la protéine, alors qu’elles sont bien conservées dans d’autres segments (Mombaerts 1999). Une molécule ne peut activer un récepteur que si elle trouve sur ce récepteur une région avec laquelle elle est en mesure d’échanger des liaisons disposées selon une géométrie tridimensionnelle adéquate. On pense que les régions « hypervariables » déterminent des sites de liaison ligand-récepteur (Singer & Shepherd 1994). La structure des récepteurs et leurs propriétés ne sont connues que de manière indirecte, elles sont inférées de la séquence des gènes qui codent ces récepteurs.

15La transduction olfactive, c’est-à-dire l’amplification de l’énergie de liaison des odorants avec les récepteurs et sa conversion en signal électrique, implique une cascade de réactions enzymatiques dont la première étape est l’activation d’une protéine G. Il s’ensuit une série de réactions qui aboutissent à la production du « second messager ». La liaison de ce dernier à des canaux ioniques est à l’origine des courants électriques qui engendrent les signaux nerveux propagés par les axones des cellules sensorielles.

La sensibilité des cellules olfactives

16Avant que ne soient découverts les récepteurs grâce aux travaux de biologie moléculaire, les réponses individuelles des neurones récepteurs avaient été longuement explorées par des méthodes électrophysiologiques (Gesteland et al. 1965 ; Holley et al. 1974 ; Sicard & Holley 1984 ; et plus tard Duchamp-Viret et al. 1999). Il a été trouvé que les cellules sensorielles avaient une sélectivité individuelle variable et, en moyenne, faible.

17Devant l’apparente hétérogénéité des molécules susceptibles d’activer une même cellule sensorielle, il avait été supposé que plusieurs types de récepteurs pouvaient coexister dans l’équipement de chaque cellule. Les données de biologie moléculaire, plus récentes, sont plutôt en faveur d’un seul type de récepteur par cellule (Zhao et al. 1998 ; Malnic et al. 1999 ; Mombaerts 1999), bien que des avis différents aient été formulés (Rawson et al. 2000 ; Mombaerts 2004). Admettons qu’il faille attribuer aux récepteurs eux-mêmes la propriété de faible sélectivité montrée par les cellules. Cela n’exclut pas qu’il existe des récepteurs de sélectivité forte. Cette hypothèse expliquerait la possibilité des anosmies sélectives, c’est-à-dire l’absence de sensibilité que des individus montrent à l’égard d’un nombre restreint d’odorants. Il est en effet difficile d’interpréter cette forme d’anosmie par l’absence ou la détérioration d’un gène, comme on le fait généralement, si tous les odorants sont détectés par des récepteurs au large spectre de sensibilité.

18Malgré la précision des connaissances acquises par l’analyse des gènes des récepteurs, on connaît assez mal les profils individuels de réponses de récepteurs identifiés. La raison est technique : les chercheurs ont rencontré les plus grandes difficultés à utiliser la méthode – efficace dans beaucoup d’autres cas – qui consiste à introduire des gènes et les faire exprimer dans des cellules hétérologues pour soumettre ces cellules à un screening systématique.

19Qu’un neurone récepteur porte un ou plusieurs types de récepteurs, il reste que de nombreux neurones se montrent peu sélectifs. En conséquence, l’activité d’un seul neurone ou de plusieurs neurones de sensibilité identique ne représente pas, pour le cerveau, une information dépourvue d’ambiguïté. Pour lever l’ambiguïté, le cerveau doit disposer des messages provenant d’une population de neurones aux spectres de sensibilité différents. L’odeur est représentée au niveau de la population. On parle d’un « codage populationnel » ou encore de codage par « across-fiber pattern », selon une expression popularisée par Erickson (2000) à propos du codage dans le système gustatif. Compte tenu du spectre de sensibilité très varié des neurones, la combinatoire est extrêmement riche.

L’environnement influence-t-il la sensibilité ?

20Les propriétés des cellules sensorielles et de leurs récepteurs qui viennent d’être présentées sont très largement dépendantes de l’équipement génétique des individus, et peu de place semble être laissée à l’influence de l’environnement sur ces propriétés. On peut se demander toutefois si l’expression des gènes ne pourrait pas être modulée par l’ambiance olfactive dans laquelle s’effectue le développement de l’appareil sensoriel. On ne sait par quel mécanisme une cellule olfactive choisit d’exprimer un seul du millier de gènes olfactifs qu’elle contient. L’hypothèse a été envisagée (Mombaerts 2004) qu’au cours du développement de la cellule, plusieurs gènes pourraient être exprimés avant qu’un processus de sélection positive et négative détermine le choix final d’un seul gène. L’environnement pourrait-il influencer ce choix ? Si tel était le cas, les facteurs environnementaux à considérer pourraient n’être pas seulement ceux du milieu intra-utérin mais aussi ceux de l’environnement externe, puisque l’épithélium olfactif est le siège d’une neurogenèse permanente. Chez de nombreuses espèces, en effet, des cellules situées à la base de l’épithélium olfactif, les cellules basales, ont la propriété de se diviser et de se différencier en nouveaux neurones récepteurs bien après la naissance.

21L’influence de l’environnement sur l’expression des récepteurs olfactifs n’a pas été démontrée. On peut cependant verser au dossier le cas de la réversibilité de l’anosmie sélective à l’androsténone. L’explication habituelle des anosmies sélectives est que les sujets présentent cette anomalie parce qu’ils ne possèdent pas le récepteur indispensable pour détecter la molécule ou la classe de molécules qui fait l’objet de l’anosmie. Or, il a été montré que si un sujet anosmique à l’androsténone est quotidiennement exposé à cet odorant, il manifeste en quelques jours une sensibilité très améliorée à cette substance (Wysocki et al. 1989). Il est difficile d’interpréter les faits en invoquant quelque processus central, car une semblable restauration de sensibilité a été obtenue en exposant à l’androsténone des souris appartenant à une souche habituellement insensible à la substance. Dans ce cas, l’apparition de la sensibilité est détectable par l’enregistrement de la réponse électrique de l’épithélium olfactif à la stimulation (Wang et al. 1993).

22En conclusion, chaque odorant détermine dans l’épithélium olfactif une configuration spécifique d’activité cellulaire fondée sur l’activation de récepteurs modérément sélectifs. Le message nerveux à destination du cerveau représente les attributs de qualité et d’intensité de l’odeur. Quant à la valence hédonique, elle est élaborée par les aires cérébrales.

Le devenir du message des cellules réceptrices dans le bulbe olfactif

23Dans l’épithélium olfactif, les récepteurs sont répartis selon leur sensibilité dans des zones non chevauchantes. Quatre zones d’expression ont été mises en évidence chez les mammifères étudiés (Ressler et al. 1993). Chez tous les individus d’une même espèce, un récepteur d’odorant identifié sera retrouvé dans une zone géographique et une seule. La sensibilité olfactive a donc une certaine distribution spatiale au sein de l’épithélium sensoriel. Le message nerveux issu de la population de cellules réceptrices activées par un stimulus olfactif donné est transmis aux bulbes olfactifs qui, après lui avoir appliqué un certain traitement, l’adressent à plusieurs régions interconnectées, désignées globalement comme cortex olfactif primaire.

24Une règle très stricte de correspondance entre l’épithélium et le relais bulbaire a pu être précisée après la découverte des récepteurs des odorants : les cellules réceptrices qui expriment un même type défini de récepteurs d’odorants envoient leurs axones dans le même glomérule, ou plus souvent dans deux glomérules (Ressler et al. 1994 ; Vassar et al. 1994). Les glomérules sont des structures ovoïdes d’un diamètre d’une centaine de microns ou plus, entourés de petits neurones appelés cellules périglomérulaires. Ces glomérules sont des lieux de contacts synaptiques très denses entre quelques dizaines de milliers d’axones de cellules réceptrices et quelques dizaines de cellules-relais, les cellules mitrales. Puisque les axones des cellules réceptrices convergeant vers un glomérule expriment la même sensibilité, les cellules mitrales qui innervent ce glomérule transmettent des messages nerveux correspondant exclusivement à cette sensibilité. La carte d’activation de l’épithélium olfactif en réponse à une stimulation est donc transposée au niveau du bulbe. On utilise parfois l’expression « image olfactive » ou « carte olfactive » pour désigner cette représentation spatiale de l’odeur.

25Deux principales catégories de neurones locaux inhibiteurs, les cellules périglomérulaires en périphérie du bulbe olfactif, et les cellules granulaires, plus profondes, entrent dans des boucles de rétroaction qui participent au contrôle de l’activité des cellules mitrales. On peut voir dans le glomérule la population de neurones récepteurs qui l’innervent, le groupe de cellules mitrales qui relaient les messages afférents et les deux populations d’interneurones régulateurs de l’activité des cellules mitrales, les constituants d’une unité fonctionnelle. Le bulbe olfactif serait ainsi constitué de quelques milliers de micromodules, chacun étant anatomiquement individualisé par un glomérule.

L’environnement influence-t-il le fonctionnement du bulbe olfactif ?

26L’épithélium olfactif est, avons-nous vu, le siège d’une neurogenèse permanente. Une autre forme de neurogenèse tardive s’exprime dans le bulbe olfactif. On a découvert que des cellules situées en bordure des ventricules cérébraux gardaient, après la naissance, la capacité de se diviser (Luskin 1993 ; Lois & Alvarez-Buylla 1994). Les cellules-filles migrent vers la région centrale du bulbe olfactif où elles deviennent des neurones locaux de cette structure, cellules périglomérulaires pour certaines et cellules granulaires pour d’autres, complétant ainsi l’équipement en interneurones inhibiteurs qui participent au contrôle de l’activité des cellules mitrales. On a fait l’hypothèse (Lledo & Gheusi 2003) que cette addition tardive de neurones, potentiellement soumise à modulation sous l’influence de l’environnement, était associée à une amélioration de la mémoire olfactive. Il vient d’être montré (Magavi et al. 2005), chez la souris, que les neurones granulaires récemment issus de la neurogenèse adulte ne réagissent pas à des stimulations olfactives de la même manière que ceux produits durant le développement embryonnaire. Ils montrent des réponses plus grandes aux odeurs nouvelles, propriété qui pourrait être liée à leur implication dans de nouveaux apprentissages olfactifs. Ainsi, par le processus de neurogenèse tardive, le bulbe olfactif offre une forme particulièrement originale de plasticité.

Les traits de la perception explicables par les processus périphériques

27Nous pouvons maintenant nous demander quels traits de la perception des odeurs sont interprétables en termes de mécanismes périphériques. Le grand nombre d’odorants discriminés et le grand nombre de qualités perçues sont la conséquence du grand nombre et de la variété des récepteurs, et dépendent d’un codage combinatoire reposant sur la sélectivité limitée des récepteurs. Même si les odeurs sont discriminables, certaines d’entre elles présentent des ressemblances qualitatives dues au chevauchement des populations de neurones sensoriels qui représentent leurs qualités respectives. Le codage de l’intensité perçue est fondé sur les changements de fréquence de décharge que les variations de concentration de l’odorant induisent dans les cellules réceptrices. Un autre corrélat de l’intensité est le nombre de cellules recrutées par la stimulation. Mais puisque la qualité repose sur un motif de cellules actives, le fait de changer la force de la stimulation modifie le motif, ce qui peut occasionner un changement de qualité. Toutefois, l’inhibition latérale assurée par les neurones locaux du bulbe olfactif peut limiter le degré d’interférence entre qualité et intensité. Quant aux interactions qualitatives et quantitatives rencontrées dans les mélanges d’odorants, elles pourraient résulter d’interactions compétitives ou synergiques entre les composantes (Duchamp-Viret et al. 2003).

28Avant d’aborder le devenir des messages nerveux dans le cerveau, nous allons prolonger l’étude de la biologie du système périphérique par des considérations sur son évolution.

Les récepteurs olfactifs humains, leurs gènes et leur évolution

29Les gènes des récepteurs olfactifs sont extrêmement nombreux – ils constituent la plus grande des familles de gènes des vertébrés (Glusman et al. 2001). Le génome olfactif de la souris comporte environ 1 300 gènes (Zhang & Firestein 2002), celui de l’homme un peu moins d’un millier. Il apparaît donc que le système olfactif utilise une part significative du génome – environ 5 % – pour assurer sa fonction de détection moléculaire vis-à-vis de l’environnement. Cette constatation a surpris, et contribué à attirer vers la recherche olfactive nombre d’équipes qui n’étaient jusqu’alors aucunement orientées vers l’étude de l’odorat.

30On peut voir, dans l’acceptation par les espèces du coût génétique considérable de l’équipement en récepteurs olfactifs, une marque de l’importance de l’odorat pour ces espèces. Celle-ci est en effet très grande puisque nombre de comportements fondamentaux dépendent de signaux moléculaires fournis par l’environnement (prise alimentaire, exploration…) et par d’autres animaux (comportement sexuel, relations géniteurs-progéniture, organisation sociale…). Il semble bien toutefois que ce soit la nature même de la tâche à accomplir par le système olfactif qui impose un nombre élevé de récepteurs et nécessite un grand nombre de gènes pour les exprimer. Alors que la vision et l’audition réalisent leurs tâches respectives en combinant leur sensibilité à une dimension du stimulus, la fréquence d’une onde et la répartition spatiale des éléments détecteurs, l’olfaction doit prendre en compte les multiples dimensions de l’univers des molécules qu’il importe de détecter et de reconnaître dans leur singularité. En effet, aucune propriété physicochimique ne permet à elle seule de singulariser une espèce chimique. Pour reconnaître cette singularité, le système doit donc explorer simultanément un ensemble de propriétés, ce qu’il fait en multipliant les récepteurs qui répondent chacun à une certaine combinaison de ces propriétés. Une fois la reconnaissance moléculaire accomplie par l’étage des cellules sensorielles, une grande partie de la tâche est réalisée et le système fait l’économie des multiples étapes de traitement que les autres systèmes consacrent à ce que l’on appelle le « traitement de l’information ».

31Les récepteurs olfactifs des humains présentent beaucoup de similitudes avec ceux des autres espèces quant aux séquences de leurs acides aminés. Il existe toutefois une particularité des humains : une proportion importante de leurs quelque 950 gènes est constituée en réalité de pseudogènes : des gènes qui ont subi une détérioration et n’ont plus, de ce fait, la possibilité de s’exprimer, mais n’ont pas été éliminés. Seuls 350 environ seraient fonctionnels. Chez la souris, ces pseudogènes existent mais en proportion bien plus faible, voisine de 20 % (Zhang & Firestein 2002).

32La pseudogénisation, c’est-à-dire la transformation de gènes en pseudogènes, n’est pas une singularité du système olfactif, mais elle y est particulièrement massive. Faut-il voir dans l’ampleur du processus chez les humains l’expression d’un déclin de l’importance fonctionnelle de l’odorat ? Bien que la preuve n’en soit pas faite, il est probable que la diminution du nombre de récepteurs a pour effet de réduire les capacités de discrimination de l’odorat humain par rapport aux performances des autres mammifères. Un faible taux de pseudogènes, comme on l’observe chez la souris, pourrait ne pas avoir de graves conséquences sur la fonction olfactive en raison d’une probable redondance au sein du génome olfactif et au caractère assez peu sélectif des récepteurs. Mais avec le taux atteint chez l’homme, la pseudogénisation ne peut être sans conséquences. Ces conséquences peuvent être comprises de deux façons. Ou bien la perte du caractère fonctionnel affecte principalement certains gènes de récepteurs sensibles à des catégories particulières d’odorants : dans ce cas l’univers olfactif humain serait plus restreint que celui des autres espèces animales. Ou bien la pseudogénisation affecte peu ou prou toutes les catégories d’odorants et l’accès à l’ensemble des odorants est préservé, mais avec des performances de discrimination affaiblies. En comparant le génome de la souris et celui de l’homme, on remarque que les gènes qui restent fonctionnels chez les humains ont leurs homologues dans presque toutes les familles de gènes olfactifs de la souris (Zhang & Firestein 2002). Cela signifie peut-être que le système olfactif humain est capable d’accéder au même univers olfactif que celui des autres mammifères, mais avec probablement moins d’acuité.

33Constatation importante : une première étape de pseudogénisation est observée chez les singes de l’Ancien Monde et les primates anthropoïdes (Rouquier et al. 2000 ; Gilad et al. 2004), dont le taux de pseudogènes est voisin de 30 %. Comme le font remarquer Yoav Gilad et ses collaborateurs, un autre événement génétique du domaine sensoriel s’est produit chez les singes de l’Ancien Monde dans le domaine de la vision : l’acquisition d’une pleine vision trichromatique. Il n’est certes pas démontré que l’amélioration de la vision soit la cause du déclin de l’odorat, mais la coïncidence des deux changements évolutifs est frappante. Elle l’est d’autant plus que la seule espèce connue pour avoir un taux de pseudogènes élevé chez les singes du Nouveau monde est le singe-écureuil, qui se trouve précisément avoir bénéficié d’une amélioration de sa vision des couleurs par duplication d’un gène d’opsine.

34L’hypothèse de la diminution de la pression de sélection sur le système olfactif en raison de l’amélioration de la vision a donc une bonne plausibilité. Il se peut que certaines fonctions de l’odorat soient avantageusement assurées par la vision, rendant la détérioration de certains gènes de récepteurs olfactifs sans graves conséquences sur leurs porteurs et leur descendance. Toutefois, le relâchement de la pression de sélection sur les récepteurs ne les concerne sans doute pas tous. L’équipe de Yoav Gilad (2004) a cru repérer l’indice d’une stabilisation du processus de pseudogénisation chez les singes de l’Ancien Monde, ce qui pourrait indiquer que l’olfaction reste importante dans certains domaines de son utilisation.

L’intégration centrale de l’information périphérique.
Données de l’imagerie cérébrale

35Les structures centrales impliquées dans le traitement de l’information olfactive ont d’abord été explorées chez l’animal à l’aide de méthodes anatomiques et neurophysiologiques (voir les revues qu’en fait Price 1985, 1987). Plus récemment, elles ont été étudiées chez l’homme grâce à des méthodes d’imagerie cérébrale : la tomographie d’émission de positons (pet) et l’imagerie fonctionnelle par résonance magnétique nucléaire (fmri). Les deux méthodes d’imagerie fournissent des mesures des variations locales du flux sanguin cérébral qui accompagnent certains événements cérébraux comme ceux engendrés par une stimulation olfactive.

Le cortex olfactif primaire ?

36Les axones des cellules mitrales du bulbe olfactif gagnent différentes aires du paléocortex regroupées sous l’appellation de cortex olfactif primaire. La région appelée cortex piriforme est une importante composante de cet ensemble. Le cortex olfactif primaire est organisé d’une façon bien appropriée à un rôle de mémoire associative (Haberly 1985). Il contient des cellules pyramidales dont les dendrites sont contactées par les axones des cellules mitrales. Le trait le plus marquant de l’organisation de ce cortex consiste en l’émission par les axones des cellules pyramidales d’un grand nombre de ramifications établissant des synapses excitatrices avec d’autres cellules pyramidales, certaines proches, d’autres plus lointaines. Grâce à ces connexions horizontales, l’excitation reçue par des groupes de cellules en certains sites s’étend à d’autres groupes plus ou moins distants, avec un délai. Lors d’une stimulation olfactive, des cellules corticales reçoivent simultanément une double stimulation : une stimulation directe par les axones venant du bulbe olfactif et une stimulation indirecte par les fibres d’association. C’est une situation favorable à la formation d’« assemblées de neurones », c’est-à-dire d’ensembles de neurones aux interconnexions renforcées. On sait en effet qu’à l’intérieur de tels ensembles, les neurones qui se trouvent être souvent activés de concert renforcent leurs liens synaptiques réciproques grâce à un mécanisme dit de potentialisation à long terme (Long Term Potentiation, ltp) que l’on tient pour responsable des apprentissages. Parmi toutes les synapses, celles qui utilisent le neurotransmetteur nmda sont spécialement impliquées dans la formation de ltp et donc dans l’apprentissage. Or, le cortex piriforme et le bulbe olfactif contiennent des synapses à récepteurs de nmda et sont le siège de ltp quand ils sont stimulés de manière appropriée (Stripling et al. 1988). C’est l’indice que ces structures sont aptes à garder la trace des événements sensoriels qui les atteignent. Ainsi peut-on penser que les processus de la perception et de la conservation des traces mnésiques coexistent dans la même aire olfactive.

37Le cortex piriforme n’est pas une structure homogène. Ses parties antérieure et postérieure diffèrent dans leur organisation. Alors que la partie antérieure reçoit d’abondantes projections du bulbe olfactif, la partie postérieure reçoit surtout les branches collatérales des cellules pyramidales du cortex antérieur. Une étude récente qui a fait appel à la méthode fmri vient de montrer chez l’homme que ces différences d’organisation recouvrent des différences fonctionnelles (Gottfried et al. 2006). Avant de préciser ces différences, disons que bien que le cortex piriforme soit une structure de relais des messages olfactifs, son activation par des odorants n’est pas toujours manifeste (Zald & Pardo 1997 ; Dade et al. 1998 ; Sobel et al. 1998), peut-être parce qu’elle est de trop courte durée (Poellinger et al. 2001). Jay Gottfried et ses collaborateurs ont néanmoins utilisé avec succès la méthode fmri lors de stimulations de sujets humains par des paires d’odorants différant par leurs qualités ou par leurs structures moléculaires. Ils ont montré que la partie antérieure du cortex piriforme représentait principalement la structure moléculaire des odorants (mais non leur qualité en tant que telle), tandis que la partie postérieure représentait davantage leur qualité (plutôt que leur structure). La qualité n’est évidemment pas indépendante de la structure moléculaire mais elle paraît faire intervenir également des associations et autres apprentissages perceptifs qui restent encore peu explorés.

Au-delà du cortex olfactif primaire ?

38Le cortex olfactif primaire est à l’origine de projections de troisième ordre vers de nombreuses structures corticales et sous-corticales repérables chez l’homme par l’imagerie cérébrale. Des images d’activation sont systématiquement obtenues dans une zone du cortex frontal orbitaire (ofc) qui peut être considérée comme le cortex olfactif secondaire (Zatorre et al. 1992). Deux voies connectent le cortex olfactif primaire à cette aire : une voie directe, cortico-corticale, vers les régions latérale et ventrolatérale, et une voie qui fait relais dans le noyau médiodorsal du thalamus. On aura remarqué qu’à la différence de ce qui se passe pour les autres modalités sensorielles, la voie thalamique n’est pas le passage obligé vers le cortex puisqu’elle est elle-même issue d’un cortex, le cortex primaire. Sans doute faut-il voir dans cette particularité l’illustration du fait que le système olfactif requiert un plus petit nombre d’étapes de traitement que les messages des autres sensorialités.

39L’activation du cortex orbitaire a la propriété de ne pas être symétrique, c’est-à-dire semblable dans les hémisphères droit et gauche (Zatorre et al. 1992 ; Small et al. 1997 ; Sobel et al. 1998 ; Royet et al. 1999 ; voir aussi la revue effectuée par Royet & Plailly 2004). L’activation d’un côté précis dépend du type d’opération que les sujets doivent réaliser sur les stimuli, par exemple les détecter seulement, juger de leur familiarité ou encore porter un jugement sur leur valeur hédonique (Royet et al. 2001).

40De nombreuses autres régions cérébrales fournissent des images d’activation : le cortex entorhinal (Zald & Pardo 2000) qui est une voie d’entrée sur l’hippocampe et le système de la mémoire ; l’hypothalamus (Zatorre 2002), structure clé pour le contrôle des comportements motivés, comme la prise alimentaire ; l’amygdale (Zald & Pardo 1997 ; Anderson et al. 2003), dont le rôle dans l’affect, l’émotion et le conditionnement est bien établi ; le cortex de l’insula qui est aussi une aire de projection du goût et des afférences viscérales et qui est activé par la perception visuelle de visages exprimant le dégoût (Phillips et al. 1997) ; le cortex cingulé antérieur (Cerf-Ducastel & Murphy 2001 ; Anderson et al. 2003), structure aux fonctions complexes parmi lesquelles on note le déclenchement des émotions et l’élaboration de décisions fondées sur l’évaluation de la valeur d’une gratification attendue (Rushworth et al. 2004).

41Dans ces aires cérébrales impliquées dans le traitement affectif des odeurs, la dissymétrie des activations est la règle. Par exemple, dans une étude menée par Adam K. Anderson et ses collaborateurs (2003) en imagerie fmri, un stimulus plaisant (citral) et un stimulus déplaisant (acide valérique) étaient utilisés, chacun à deux concentrations différentes. Des images d’activation ont été trouvées, principalement dans le cortex frontal orbitaire, l’amygdale et la partie rostrale du cortex cingulé. Dans le cortex orbitaire, le stimulus agréable induisait un signal d’activation dans la partie antérieure et médiane de ce cortex, dans l’hémisphère droit, alors qu’un stimulus désagréable activait une zone plus latérale du même cortex, cette fois dans l’hémisphère gauche. Si de telles observations étaient confirmées en utilisant un plus grand nombre de stimuli, il faudrait supposer que deux circuits neuraux distincts interviennent dans le traitement des odeurs, l’un associé à l’acceptation du stimulus et l’autre à son rejet.

42L’asymétrie des réponses d’activation cérébrale, particulièrement manifeste dans le traitement des stimuli à valeur émotionnelle, obéit à des principes qui n’ont pas encore été clairement identifiés. Bud Craig (2005) vient de proposer un modèle dit « homéostatique », dont le mérite, malgré sa complexité, est d’apporter une certaine intelligibilité aux phénomènes. Brièvement, pour l’auteur, l’asymétrie observée serait liée au fonctionnement du système nerveux autonome, fortement impliqué dans l’expression des émotions et lui-même nettement asymétrique dans ses afférences et ses efférences. Compte tenu des rôles respectifs des deux composantes parasympathique et orthosympathique de ce système dans l’homéostasie de l’énergie physique et « mentale », l’enrichissement en énergie (alimentation, sécurité, affect positif, comportement d’approche…) impliquant le système parasympathique serait associé au télencéphale gauche, et la dépense d’énergie impliquant le système sympathique (éveil, danger, affect négatif, comportement aversif) serait associée au télencéphale droit.

Conclusions

43Nous avons pu repérer dans cette perspective succincte sur la biologie de l’odorat que deux domaines jouaient un rôle moteur dans le progrès des connaissances : la biologie moléculaire des récepteurs et l’imagerie fonctionnelle cérébrale. La biologie des récepteurs a déjà fourni des données très éclairantes et répondu à plusieurs des questions qui se posaient aux chercheurs qui, à la fin du siècle dernier, s’efforçaient de tirer le meilleur parti du paradigme électrique. La découverte de nombreux gènes de récepteurs devenus non fonctionnels chez certains primates et plus encore chez l’homme nous a paru traduire un relâchement de la pression de sélection sur les récepteurs des odorants, probablement en raison de la prise en charge de certaines fonctions de l’odorat par la vision. Il faut remarquer, toutefois, que l’odorat humain conserve des capacités remarquables, et reste irremplaçable sur certains de ses terrains d’exercice, notamment comme pourvoyeur d’affects.

44L’autre voie de recherche prometteuse, l’imagerie fonctionnelle cérébrale, commence à livrer des connaissances qui vont au-delà de la simple confirmation, chez l’homme, des travaux anatomiques et neurophysiologiques engagés d’abord chez l’animal. De nombreuses aires cérébrales s’activent pendant l’exposition aux odeurs. Parmi elles, plusieurs sont connues pour leur implication dans l’élaboration, par apprentissage, de la valence affective des stimuli et la préparation à l’action. L’imagerie cérébrale ouvre donc une voie vers l’analyse, certes difficile mais passionnante, des processus par lesquels s’exerce l’influence subtile des messages olfactifs sur les états mentaux.

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Pour citer cet article

Référence papier

Holley A., 2006, « Système olfactif et neurobiologie », Terrain, n° 47, pp. 107-122.

Référence électronique

André Holley, « Système olfactif et neurobiologie », Terrain [En ligne], 47 | septembre 2006, mis en ligne le 15 septembre 2010, consulté le 18 décembre 2018. URL : http://journals.openedition.org/terrain/4271 ; DOI : 10.4000/terrain.4271

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