B.2)b) Traitement du stimulus olfactif

# Chez lʼinsecte, les molécules odorantes sont détectées au niveau de chaque antenne (fig. 7). Lʼinformation olfactive est ensuite acheminée par le nerf antennaire vers le cerveau, dans un premier relais synaptique, le lobe antennaire (Pareto, 1972 ; Suzuki, 1975). Ensuite, lʼinformation olfactive traitée dans le lobe antennaire est acheminée vers les corps pédonculés et la corne latérale via les tractus antenno-cérébraux (Mobbs, 1982 ; Goodman, 2003).

# Détection des molécules odorantes. Chez lʼabeille, les molécules odorantes sont détectées au niveau des antennes (fig. 6) par des récepteurs olfactifs contenus dans des structures sensorielles spécialisés, les sensilles trichodées et placodées (Esslen et Kaissling, 1976 ; Goodman, 2003; Robertson et Wanner, 2006). La molécule odorante se fixe sur les récepteurs membranaires olfactifs — protéines à 7 domaines transmembranaires, présents à la surface des dendrites des neurones sensoriels olfactifs contenus dans les sensilles — induisant ainsi un potentiel récepteur et éventuellement un train de potentiel dʼaction dans ces neurones (Kaissling, 1987). Lʼinformation olfactive est ensuite acheminée vers le cerveau par le nerf antennaire, constitué des prolongations axonales des quelque 60000 neurones sensoriels, qui fasciculent à lʼintérieur de lʼantenne (Nishino et al., 2009). Le nerf antennaire se projette sur le lobe antennaire ipsilatéral, où il se sépare en 6 tractus sensoriels (Pareto, 1972 ; Suzuki, 1975). Quatre de ces tractus (T1-T4) innervent des parties distinctes du lobe antennaire. Les deux derniers (T5, T6) contournent le lobe antennaire et se projettent vers le lobe dorsal, le ganglion sous- oesophagien et le protocérébron caudal.

Figure 7 : Représentation schématique de la voie olfactive de l’abeille. Les molécules volatiles

sont détectées au niveau des antennes par une population de neurones spécialisés, les neurones sensoriels olfactifs. L’information est ensuite canalisée dans les axones de ces neurones, au niveau du nerf antennaire (NA), qui se termine dans les lobes antennaires (LA). Ce neuropile héberge le premier relais de l’information olfactive, où les dendrites de neurones de deuxième ordre récupèrent l’information, et la transfère via le tractus antenno-cérébral (TAC), jusqu’à la corne latérale (CL) d’une part, et jusqu’aux calices des corps pédonculés (CL et CM : calices latéral et médian). Dans les calices, les dendrites des neurones intrinsèques des corps pédonculés (cellules de Kenyon) collectent l’information et la réorientent, via le pédoncule (Pé), vers les lobes de sortie des corps pédonculés (Lγ : lobe γ , LM : lobe médian, LV : lobe vertical) (CC : corps central ; LO : lobe optique). [À partir d’une représentation du cerveau de l’abeille de Dujardin (1850) et de l’atlas standard 3D (Brandt et al., 2005).]

Traitement de lʼinformation olfactive par les lobes antennaires. Au niveau du cerveau, lʼinformation olfactive est dʼabord traitée par les lobes antennaires, premier relais de lʼinformation olfactive. Cette structure, par son anatomie et sa fonction, est comparable au bulbe olfactif des vertébrés (Hildebrand et Shepherd, 1997 ; Ache et Young, 2005). Elle est composée de structures neuropilaires ovoïdes qui sont autant de sous-unités anatomiques et fonctionnelles : les glomérules. Le nombre de glomérules est beaucoup plus restreint chez les insectes que chez les vertébrés (Ache et Young, 2005). Ainsi, au lieu des 2000 glomérules présents dans le bulbe olfactif du rat, le lobe antennaire de lʼabeille ne compte que 160 glomérules environ (Arnold et al., 1985). De plus, lʼorganisation glomérulaire est stable entre individus. Contrairement aux vertébrés, la plupart des glomérules sont donc identifiables individuellement, en fonction de leur taille, de leur forme et de leur position relative (Flanagan et Mercer, 1989 ; Galizia et al., 1999b). La figure 8A présente lʼatlas glomérulaire de la face rostro-ventrale du lobe antennaire de lʼabeille — c'est-à-dire lʼhémilobe innervé par le tractus antennaire T1 (les glomérules innervés par les tractus T2-4 sont observables sur la face opposée). Cet atlas (Galizia et al., 1999b) sert de référence pour lʼidentification individuelle des glomérules (Galizia et al., 1999b ; Sandoz et al., 2003 ; Deisig et al., 2006, 2010).

#

Figure 8 : Cartographie morphofonctionnelle du lobe antennaire de l’abeille. (A) Atlas morphologique du lobe antennaire de l’abeille en vue rostro-ventrale (Galizia et al., 1999b). D’une abeille à une autre, les glomérules sont retrouvés aux mêmes positions. Ils peuvent donc être facilement identifiés et comparés entre individus. Les glomérules visibles sur cette vue appartiennent au tractus T1. (B) Chaque glomérule, principalement constitué de synapses, et excluant tous corps cellulaires, est entouré d’une couche de cellules gliales (CG). Dans un glomérule particulier, les neurones récepteurs olfactifs (NRO) exprimant un même récepteur membranaire convergent sur les dendrites de deux populations neuronales  : les interneurones

locaux (IL) et les neurones de projection (NP). Ces derniers transmettent l’information aux corps pédonculés et à la corne latérale. (C) Atlas physiologique (Sachse et al., 1999). Les profils d’activation glomérulaire sont reproductibles chez un même animal, lors de présentations olfactives successives, mais aussi d’un individu à un autre. Un atlas des activations glomérulaires de la face rostro-ventrale du lobe antennaire a donc pu être réalisé, en réponse à des molécules odorantes de longueurs de chaîne différentes, et comportant des groupements fonctionnels différents.

# Comme chez le vertébré, chaque glomérule, est un lieu de contacts synaptiques (fig. 8B) entre les neurones sensoriels olfactifs et les neurones centraux (Ache et Young, 2005), les corps cellulaires des neurones étant placés à la périphérie du lobe antennaire. Chez lʼabeille, les axones sensoriels du nerf antennaire (~ 60 000 par antenne) entrent en contact avec deux types de neurones du lobe antennaire : les interneurones locaux et les neurones de projection. Tandis que les interneurones locaux (~ 4000 par lobe antennaire) assurent les connexions latérales entre glomérules au sein du lobe antennaire, les neurones de projection (~ 800 par lobe antennaire), eux, transmettent lʼinformation olfactive aux centres supérieurs (corps pédonculés et corne latérale), et constituent donc la voie efférente du lobe antennaire (Arnold et al., 1985; Fonta et al., 1993; Abel et al.,

2001; Müller et al., 2002). Un petit nombre de fibres forment des connexions entre les

deux lobes antennaires, mais leur caractère principalement GABAergique, indicateur dʼune transmission inhibitrice, suggère un traitement essentiellement indépendant de lʼinformation dans chacun des deux lobes antennaires (Schäfer et Bicker, 1986 ; Arnold et al., 1987 ; Bicker 1999). Chaque glomérule reçoit des afférences sensorielles en provenance de lʼun des tractus du nerf antennaire (Flanagan et Mercer, 1989 ; Galizia et al., 1999b). Pour environ les deux tiers, les contacts synaptiques entre ces populations de neurones sont localisés dans le cortex, couche la plus externe du glomérule (Gascuel et Masson, 1991). La partie plus centrale du glomérule, le cœur, est constitué dʼun nombre plus faible de synapses et de fibres entrant et sortant du glomérule (Arnold et al., 1985 ; Gascuel et Masson, 1991 ; Fonta et al., 1993) . Par ailleurs, chaque glomérule est empaqueté par une enveloppe de glie (Hähnlein et al., 1996), impliquée chez certains lépidoptères dans le développement et le maintien de la compartimentation glomérulaire (Baumann et al., 1996 ; Rössler et al., 1999 ; Tolbert et al., 2004). Lʼimplication de la glie glomérulaire dans les processus de perception et de mémorisation des odeurs reste encore très obscure.

# Chez la drosophile, les axones des neurones sensoriels olfactifs qui expriment le même récepteur olfactif convergent dans le même glomérule (Vosshall et al., 2000, 2001). Chez lʼabeille, la bonne correspondance entre le nombre de glomérules et le nombre de gènes de récepteurs olfactifs putatifs identifiés dans le génome (> 160 ; Robertson et Wanner, 2006), ainsi que les données issues dʼenregistrements fonctionnels des réponses glomérulaires (voir ci-dessous) suggèrent quʼil en serait de même. Il est donc communément admis que les axones afférents à chaque glomérule appartiennent à un

sous-ensemble de neurones sensoriels olfactifs exprimant un même récepteur membranaire.

# La plupart des interneurones locaux semblent être GABAergiques (Schäfer et Bicker, 1986 ; Arnold et al., 1987 ; Christensen et al., 1998 ; Sachse et Galizia, 2002), et induiraient une inhibition globale permettant un contrôle de gain de lʼactivité neuronale olfactive (Sachse at Galizia, 2002). Dʼautres interneurones inhibiteurs (possiblement histaminergique, glutamatergique, mais aussi GABAergiques), assureraient par contre une inhibition latérale, plus locale et asymétrique entre glomérules, permettant dʼaffiner la représentation des odeurs et conférant une meilleure discrimination parmi les représentations olfactives (Sachse et Galizia 2002 ; Deisig et al., 2006, 2010). Dans la mesure où tous les interneurones du lobe antennaire nʼont pas encore été caractérisés du point de vue neurochimique et fonctionnel, lʼexistence dʼautres sous-populations est probable. En particulier, la présence dʼinterneurones excitateurs – comme ceux identifiés récemment chez la drosophile (Shang et al., 2007 ; Olsen et al., 2007) – ne peut être exclue.

Dʼun point de vue morphologique, le réseau local est constitué de deux classes dʼinterneurones, dont lʼéventuelle correspondance avec les types neurochimiques évoqués ci-dessus nʼest pas connue. Les interneurones locaux homogènes (environ 15 %) présentent un arbre dendritique peu dense se terminant principalement dans le cortex de la majorité des glomérules, alors que ceux dits hétérogènes (environ 85 %) présentent une arborisation particulièrement dense dans lʼun des glomérules innervés, dont elle occupe lʼessentiel du volume (Fonta et al., 1993 ; Devaud et Masson, 1999). En outre, on distingue également deux types de neurones de projection, selon que leurs dendrites forment des arborisations peu denses dans plusieurs glomérules (neurones de projection pluriglomérulaires) ou une seule arborisation, très dense, dans un unique glomérule (uniglomérulaires) (Fonta et al., 1993 ; Devaud et al., 1999). Sur la base des données publiées, on peut fournir lʼestimation dʼenviron 25 interneurones locaux – dont 20 hétérogènes - et 5 neurones de projection – dont un uniglomérulaire - innervant chaque glomérule (Fonta et al., 1993).

# Les principes fondamentaux de traitement de lʼinformation olfactive — au niveau du lobe antennaire de lʼabeille — sont appréhendés depuis une quinzaine dʼannées, au travers dʼapproches complémentaires dʼélectrophysiologie (Sun et al., 1993, Stopfer et al., 1999) et dʼimagerie calcique (Joerges et al., 1997, Galizia et al., 1999b, Sachse et Galizia, 2002, 2003, Deisig et al., 2006, 2010). Une étude électrophysiologique sur les différents types dʼinterneurones du lobe antennaire (Sun et al., 1993) a par exemple permis de détecter une plus grande sélectivité des réponses chez les populations de neurones présentant une arborisation asymétrique (interneurones locaux hétérogènes et neurones de projection uniglomérulaires). Ces neurones pourraient donc être davantage impliqués dans le codage de la qualité des odeurs. Lʼimagerie calcique présente lʼavantage dʼenregistrer simultanément lʼactivité de plusieurs glomérules identifiés du lobe antennaire, et donc de pouvoir analyser et comparer les réponses du réseau à différentes odeurs (Galizia et Menzel, 2001). Les glomérules du lobe antennaire sont constitués de nombreux neurites afférents et efférents, ainsi que de nombreuses synapses (cf. plus haut). Comme la dépolarisation des neurones induit une entrée de calcium dans les neurones (principalement par des canaux dépendants du voltage), le niveau de calcium intracellulaire est utilisé comme indicateur indirect du niveau dʼactivité neuronale (Galizia et Kimmerle, 2004).

# Des sondes calciques fluorescentes ont été développées, permettant ainsi de suivre en temps réel lʼactivité neuronale en mesurant les variations de fluorescence dues aux variations de concentration en calcium. Après application dʼun tel colorant sur le cerveau de lʼabeille dont la capsule céphalique a été ouverte, il est possible dʼévaluer lʼactivité glomérulaire induite par des stimulations olfactives, sur la face visible des lobes antennaires (face rostro-ventrale ; cf fig. 8A) dʼabeilles vigiles (Galizia et al., 1997 ; Joerges et al., 1997 ; Galizia et Vetter 2004). Cʼest ainsi quʼil a été montré que les odeurs induisent des patrons dʼactivation glomérulaire spécifiques de la molécule odorante présentée (Joerges et al., 1997 ; Galizia et al. 1999a) et symétriques entre les deux lobes antennaires (Galizia et al., 1998 ; Sandoz et al., 2003). Grâce à lʼexistence dʼun atlas morphologique du lobe antennaire (fig. 8A ; Galizia et al., 1999b), il a été possible dʼattribuer les réponses obtenues à des glomérules identifiés (Galizia et al. 1999a  ; Sachse et al. 1999). Cʼest ainsi que les réponses glomérulaires aux odeurs sont apparues constantes et reproductibles entre individus. Un atlas physiologique du lobe antennaire, en

réponse à de nombreuses odeurs pures, a donc pu être réalisé (Sachse et al., 1999, fig. 8C). Chaque glomérule peut faire partie du patron dʼactivation de plusieurs odeurs qui partagent en général certaines caractéristiques moléculaires, comme la longueur de chaîne carbonée ou le groupe fonctionnel. Deux types de sondes calciques sont régulièrement utilisés, fournissant des informations complémentaires sur lʼactivité des populations neuronales du lobe antennaire. Le Calcium Green 2-AM, appliqué en bain, rend potentiellement compte des variations dʼactivité de lʼensemble des cellules (neurones et glie) qui le constituent, mais qui semblent dominées par celles des neurones sensoriels olfactifs, de loin les plus nombreux (Galizia et Vetter, 2005). Le Fura-Dextran, qui peut être injecté dans les tractus antenno-cérébraux et qui migrera en retour vers le lobe antennaire, permet dʼenregistrer spécifiquement lʼactivité des neurones de projection (Sachse et Galizia, 2002). Chaque sonde permet donc dʼavoir accès à des informations concernant les caractéristiques du signal en entrée ou en sortie du lobe antennaire (Sachse et Galizia, 2002, 2003 ; Deisig et al., 2010).

# Après un premier traitement au sein du lobe antennaire, lʼinformation concernant les stimuli olfactifs est transmise par les neurones de projection, qui appartiennent à différents tractus antenno-cérébraux (Mobbs, 1982 ; Abel et al., 2001 ; Kirschner et al., 2006), vers les corps pédonculés et la corne latérale (fig. 7).

# Les corps pédonculés. Les terminaisons axonales des neurones de projection arborisent dans la zone dʼentrée des corps pédonculés, les calices, une zone neuropilaire en forme de coupe (Dujardin, 1850 ; Kenyon, 1896 ; Mobbs, 1982). Chaque hémisphère cérébral présente un corps pédonculé, avec deux calices, latéral et médian (fig. 7). Les calices sont compartimentés en un anneau basal, un col et une lèvre, se succédant depuis le fond jusquʼau bord libre des calices (fig. 9A-B ; Jawlowski, 1959a,b, 1960 ; Gronenberg, 2001 ; Mobbs, 1982 ; Strausfeld, 2002). Toutefois, les neurones de projection des lobes antennaires ne se projettent pas de manière homogène dans les calices ; ils gagnent spécifiquement lʼanneau basal et la lèvre des calices ipsilatéraux (Schröter et Malun, 2000 ; Abel et al., 2001 ; Gronenberg et al., 2001 ; Müller et al., 2002 ; Strausfeld, 2002). À lʼintérieur même de la lèvre, leurs arborisations terminales sont très largement dispersées (Fonta et al., 1993). De leur côté, les projections de la voie visuelle (provenant du lobe optique ; fig. 7) gagnent le col et lʼanneau basal des calices (Gronenberg, 2001). Les afférences olfactives et visuelles sont par conséquent ségrégées au niveau de la lèvre et du col, mais chevauchantes au niveau de lʼanneau basal. Les corps pédonculés sont donc en position dʼintégrer des informations provenant de diverses modalités sensorielles (olfactives et visuelles, mais aussi tactiles et gustative - Rybak et Menzel, 1998 ; Schröter et Menzel 2003 ; Balkenius et al., 2009), qui pourraient sous-tendre la perception et lʼapprentissage dʼinformations contextuelles (Gerber et Menzel, 2000). Les corps pédonculés sont connus pour être impliqués dans dʼautres processus cognitifs (Giurfa 2003, 2007), et notamment dans lʼapprentissage et la mémoire olfactifs, que ce soit pour de simples associations odeur-sucre (Menzel et al., 1974 ; Erber et al., 1980 ; Cano- Lozano et al., 1996 ; Hammer et Menzel, 1998) ou pour des apprentissages complexes impliquant des ambiguïtés dans les associations entre SC et SI (Komischke et al., 2003 ; 2005 ; Devaud et al., 2007).

# Au niveau des calices, les neurones de projection des insectes forment de larges boutons synaptiques contactant les dendrites des neurones intrinsèques des corps pédonculés, les cellules de Kenyon (~ 170 000 par corps pédonculé chez lʼabeille), localisées entre les calices et dans leur concavité (Kenyon, 1896 ; Mobbs, 1982; Sun et al., 1997; Abel et al., 2001). Les synapses entre les neurones de projection et les cellules de Kenyon sont réalisées sous forme de complexes synaptiques appelés microglomérules (MG) (fig. 9B-C). Chaque microglomérule comprend, en son centre, un large bouton synaptique dʼun neurone de projection, et à sa périphérie, en large majorité, une couronne dʼépines dendritiques (~ 20 par MG) de cellules de Kenyon (Ganeshina et

Menzel, 2001 ; Gronenberg, 2001 ; Rössler et al., 2002 ; Yusuyama et al., 2002 ; Frambach et al., 2004 ; Groh et al., 2004 ; 2006 ; Leiss et al., 2009 ; Seid et al., 2005 ; Seid et Wehner, 2009). Dʼautres types de neurones participent - de manière minoritaire - aux contacts synaptiques des MG ; cʼest le cas dʼinterneurones inhibiteurs extrinsèques (Mobbs et al., 1982 ; Yamazaki et al., 1998 ; Grünewald, 1999a ; Leiss et al., 2009) et intrinsèques (Leiss et al., 2010).

Figure 9 : Organisation des corps pédonculés de l’abeille. (A) Les calices, en position rostrale du

cerveau de l’abeille, sont les neuropiles accueillant les afférences. Chaque calice est régionalisé en anneau basal, col et lèvre, selon la provenance des afférences. (B) Sur une coupe histologique frontale doublement marquée antisynapsine/phalloïdine, les 3 compartiments des calices sont retrouvés (AB : anneau basal ; CC : corps central ; Co : col ; Lè : lèvre ; Pé : pédoncule), et (B) l’organisation microglomérulaire est révélée. Un microglomérule (MG — cadre blanc) est un complexe synaptique entre le bouton terminal d’un neurone de projection (NP) et les épines dendritiques de cellules de Kenyon (KC).

# Dʼun point de vue fonctionnel, des expériences dʼélectrophysiologie et dʼimagerie calcique ont montré quʼune odeur pure engendre lʼactivation dʼun sous-ensemble spécifique de MG, largement disséminé dans le volume de la lèvre, différent selon lʼodeur de stimulation (Perez-Orive et al., 2002 ; Szyszka et al., 2005 ; 2008 ; Yamagata et al., 2009). Un codage olfactif existe donc aussi au niveau des calices (Szyszka et al., 2005 ; 2008). Toutefois, ces microglomérules ne sont pas identifiés individuellement, ce qui rend problématique la comparaison interindividuelle de ces patrons dʼactivité, dont lʼéventuelle stéréotypie est vivement discutée (Tanaka et al., 2004 ; Szyszka et al., 2005 ; Jefferis et al., 2007 ; Lin et al., 2007 ; Murthy et al., 2008).

# Lʼinformation olfactive, collectée par les dendrites des cellules de Kenyon au niveau des calices est ensuite véhiculée par ses axones vers la sortie des corps pédonculés : les lobes verticaux, médians et gamma par lʼintermédiaire du pédoncule (cf. fig. 7).