Leptine, obésité et régulation de mécanismes olfactifs

Je voudrais maintenant proposer mes hypothèses de travail sur le rôle de la leptine dans la représentation spatiotemporelle des odeurs au sein du BO.

Plusieurs études effectuées in vitro sur tranches de BO ont essayé de déterminer le rôle des peptides, signaux du statut nutritionnel, comme les orexines et insuline, sur les interactions entre les MC et GC. Les récepteurs aux orexines sont localisés sur les corps cellulaires des GC et MC et dans les synapses réciproques entre les deux types cellulaires (Hardy et al., 2005). Des études suggèrent que les orexines ont un effet hyperpolarisateur indirect sur les MC, par des transmissions dépendantes de la dépolarisation des GC qui en retour inhibent les MC (Hardy et al., 2005). La présence de l’insuline, hormone anorexigène et son action dans la MO et le BO, et notamment son impact sur l’excitabilité des cellules mitrales via la modulation des canaux potassiques Kv1.3 ont été bien décrits (Fadool et al., 2000, 2011; Lacroix et al., 2008; Marks et al., 2009; Savigner et al., 2009). Récemment, des expériences effectuées sur des tranches de BO ont montré que i) les MC sont sensibles à la variation des concentrations de glucose, autrement dit, ce sont des cellules glucosensibles (Fadool et al., 2011) ; ii) l’insuline, hormone anorexigène, augmente non seulement l’excitabilité des MC en inhibant leurs canaux potassiques voltages dépendants, mais réduit également l’activité des projections glutamatergiques et GABAergiques des interneurones sur les MC. L’insuline agirait sur les MC en fonction de l’activité évoquée par les OSN, et diminuerait la variabilité des réponses de la population des MC en fonction de l’état nutritionnel (Kuczewski et al., 2014).

Pour la leptine, bien que ses récepteurs soient détectés dans toutes les couches du BO (Caillol et al., 2003; Prud’homme et al., 2009), aucune étude électrophysiologique n’a pour l’instant été réalisée. Une étude importante réalisée au centre INRA de Jouy a montré qu’une injection intra-cérébro- ventriculaire de leptine 1 heure avant la stimulation olfactive augmentait chez les rats à jeun l’activité c-fos spontanée dans les couches MCL et GCL (mais pas GL) et qu’elle diminuait l’activité de c-fos en réponse à une odeur alimentaire (Prud’homme et al., 2009). Nos résultats sont en accord avec cette étude en étendant l’explication du mode d’action de la leptine au fonctionnement du BO chez des souris obèses. Nous pouvons émettre l’hypothèse qu’en l’absence totale de signalisation leptinergique, en état de désinhibition, l’activité des projections des OSN vers le BO est plus élevée (Savigner et al., 2009), ce qui expliquerait la forte augmentation de l’activité spontanée chez les souris ob/ob. Toutefois, l’absence de leptine pourrait également impacter l’activité intrabulbaire, et comme nous l’avons constaté dans l’augmentation du nombre de cellules néoformées chez les souris ob/ob : l’augmentation mécanique du nombre de nouveaux neurones (GC et PGC) formés dans le BO pourrait à la fois modifier le nombre de sites d’entrée postsynaptique du manganèse et l’activité de la boucle d’interaction MC/GC. Comme nous l’avons montré en injectant la leptine à des souris ob/ob, l’hormone semble augmenter l’absorption de manganèse par les neurones des couches profondes du BO, tout en diminuant l’absorption des couches superficielles du BO, suggérant une action globalement excitatrice de la leptine sur la couche GCL et MCL et inhibitrice sur la couche GL (directement et/ou par l’intermédiaire de l’inhibition des afférences des OSN). De façon intéressante,

dans notre étude la leptine ne semble pas agir de façon uniforme sur l’ensemble du BO, en stimulant par exemple les couches profondes indépendamment de toute stimulation olfactive (conformément à Prud’Homme et al., 2009), en inhibant les couches latérales en fonction de l’odeur présentée, et en ne semblant pas impacter les couches dorsales superficielles. Cet effet pourrait être lié à une expression différentielle et hétérogène de Ob-R dans le BO, mais très peu d’études, à part celle de Prud’homme et al., (2009) ont pour l’instant décrit l’expression de Ob-R dans le BO, l’immunodétection de Ob-R étant encore un défi technique à l’heure actuelle (communication personnelle de Vincent Prévost, INSERM / Lille). Dans ce contexte, des études de patch clamp pourraient permettre d’étudier précisément l’effet de la leptine sur les différentes populations cellulaires du BO, notamment entre PGC et GC. Cette étude cellulaire menée chez les ob/ob pourrait aussi expliquer pourquoi nous ne retrouvons pas chez la souris ob/ob l’effet inhibiteur de la leptine sur l’activité des couches profondes induite par l’odeur alimentaire visualisée chez le rat à jeun (Prud’homme et al., 2009).

Comment expliquer l’impact spécifique de la leptine sur l’odeur alimentaire, une odeur ayant acquis une signification pour l’animal, et non pas sur l’odeur neutre inconnue ? Comme je l’ai décrit pour les études comportementales, l’ensemble de la littérature décrit une meilleure performance olfactive des animaux uniquement suite à un apprentissage, ou lorsque l’animal à associé la nourriture à un aliment, ce qui est le cas de l’odeur d’amande que nous avons utilisée. Par contre face à une odeur neutre comme l’arôme d’orange pour l’exploration spontanée ou le pentylacétate utilisé pour la stimulation en MEMRI, les animaux ob/ob ne présentaient pas de réponse comportementale ou de signaux MEMRI supérieurs par rapport aux témoins. L’imagerie SPM a même montré que les animaux témoins stimulés avec le pentylacétate présentaient une activité supérieure dans le BO par rapport aux animaux ob/ob. La réponse comportementale et l’activité bulbaire des animaux ob/ob en réponse à la leptine sont donc fortement liées à l’apprentissage. Ces observations sont tout à fait cohérentes avec (i) l’augmentation des oscillations bêta que nous avons observée en électrophysiologie, qui est-elle-même le même marqueur fonctionnel du réseau olfactif fortement lié à l’apprentissage ; (ii) avec la régulation de la maturation des neurones néoformés en période postprandiale.

Pour l’augmentation du bêta en l’absence de leptine chez les ob/ob, il est probable que la leptine ait une action forte sur les projections centrifuges du BO. Dans ce cadre, les ECB et les récepteurs CB1 (Soria-Gomez et al., 2014) peuvent servir d’effecteurs à la signalisation leptinergique sur les fibres centrifuges, de façon similaire à des mécanismes décrits dans l’hypothalamus (Cardinal et al., 2014). Il a été montré qu’une injection locale d’un agoniste des récepteurs CB1 dans le BO induisait chez la souris témoin à jeun une augmentation de la prise alimentaire (Soria-Gomez et al., 2014). Cette augmentation de la prise alimentaire pourrait être due à une diminution de l’habituation aux odeurs alimentaires, c’est-à-dire à un maintien de l’exploration olfactive, qui a été détectée chez ces mêmes

souris injectées. L’interaction leptine-récepteurs CB1 serait spécifique de la GCL puisque dans la GL, même si des OR-b existent, il y a moins de récepteurs CB1 détectés. L’action des CB1 étant de freiner la libération de glutamate par les fibres centrifuges, en l’absence de leptine, les CB1 pourraient être inactifs et « laisser couler » le flux de glutamate pour aboutir à une suractivation des GC. De plus, il n’est pas exclu que les interactions leptine-ECB puissent avoir lieu dans l’AON, le tractus olfactif latéral ou le cortex piriforme (Suárez et al., 2011).

Pour la neurogenèse, il a été montré que, durant le sommeil post-prandial (ou la concentration de leptine est élevée), l’élimination des GC néoformées non intégrées dans le réseau serait effectuée sous l’influence de facteurs encore inconnus mais au nombre desquels on compte les hormones anoréxigènes et l’activité des fibres centrifuges qui sont essentielles à l’insertion fonctionnelle des GC immatures dans le circuit bulbaire (Yamaguchi et al., 2013). L’hypothèse de l’implication de la fonction des retours centrifuges du PC vers le BO a été récemment testé (Komano-Inoue et al., 2014) : en cas d’inhibition de ces retours chez la souris vigile, l’apoptose des GC diminue. Or chez les ob/ob, le flot d’information entrant dans les couches profondes par les centrifuges serait augmenté, ce qui devrait suivant « l’hypothèse centrifuge » augmenter l’apoptose et l’élimination des GC néoformées, ce qui n’est pas cohérent avec nos résultats. Nous pouvons donc penser que la leptine agit sur l’apoptose et la maturation des GC par un mécanisme indépendant des GC, mécanisme qui reste à être décrit et qui serait différent de celui qui a été décrit dans l’hippocampe où la leptine stimule la neurogenèse (Garza et al., 2012).

Figure 4.1 Représentation schématique de la variation des signaux MEMRI et de leurs bases cellulaires étudiées pendant la thèse. Les signaux sont représentés en activité spontanée et en réponse à l’odeur

alimentaire, chez les souris ob/ob à gauche et chez les souris ob/ob injectée avec de la leptine à droite. La participation de la neurogenèse et des oscillations à ces variations est également indiquée.

Nous postulons suite à l’ensemble de ces résultats que l’absence de leptine chez les ob/ob impacte la représentation spatiotemporelle intrabulbaire des odeurs, uniquement lorsque celles-ci ont

GL* EPL MCL IPL GL* EPL MCL ** IPL GCL* **

ob/ob (pas de leptine)

+

-

-

-

-

+

+

+

+

** Oscillations bêta élevées

*Neurogenèse augmentée

ob/ob + injection de leptine

Courant de migration rostrale Courant de migration rostrale GCL*

+

+

+

-

-

-

+

+

+

+

+

-

+

+

+

acquis une valeur appétitive après un apprentissage. Cette modulation n’est pas entièrement inhibitrice et régule finement et de façon différentielle l’activité du BO, en inhibant l’entrée des afférences au niveau de la GL et en activant les retours centrifuges au niveau de la GCL. Un mécanisme intéressant à proposer impliquerait un couplage avec les récepteurs CB1 des ECB exprimés sur les retours centrifuges. Il est possible que d’autres structures du cortex olfactif soient modulées par l’action de la leptine ou des ligands des ECB, et en plus de structures non identifiées nous pouvons proposer le PC comme un candidat potentiel puisque il y a une augmentation de l’expression des ARNm des récepteurs à la leptine chez les ob/ob par rapport à des animaux témoins (Huang et al., 1997).

Conclusion

Les interactions olfacto-alimentaires sont étudiées depuis récemment sous l’angle de la pathologie métabolique dévastatrice qu’est l’obésité. Nous avons mené une série d’études in vivo pour comprendre l’influence de l’obésité et de la leptine sur l’activité spontanée et évoquée par une odeur alimentaire et neutre en MEMRI. Nous avons également apporté des données sur la dynamique temporelle du BO chez des souris ob/ob en situation d’apprentissage ainsi que sur la neurogenèse basale. Alors que les études sur les souris DIO montrent une perte de fonction olfactive profonde dans la MO couplée à une baisse des performances olfactives (Thiebaud et al., 2014), nous montrons dans notre étude sur l’autre modèle murin important de l’obésité, les ob/ob, que l’absence de leptine influence fortement la distribution de l’activité spatiale dans le BO, l’activité des boucles MC/GC en situation d’apprentissage ainsi que la neurogenèse basale, vers le sens d’un gain de fonction. En MEMRI, l’injection de leptine montre un effet massif d’activation sur les couches profondes et un effet inhibiteur sur les couches superficielles. Nous pensons que les mécanismes d’apprentissage de l’odeur alimentaire accompagné du recrutement de l’ensemble du réseau olfactif sont essentiels dans l’interaction avec la régulation leptinergique et sont à explorer davantage dans le cadre du modèle ob/ob mais aussi dans le modèle DIO. A l’issue de ce travail de thèse, nous prévoyons la publication de deux articles, l’un concernant la représentation spatiale des odeurs par MEMRI chez les ob/ob, l’autre portant sur l’étude des oscillations chez ces animaux obèses.