HAL Id: tel-01748469
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l’information par les cellules mitrales du bulbe olfactif
Maxime Ambard
To cite this version:
Maxime Ambard. Influence de l’inhibition synaptique sur le codage de l’information par les cellules
mitrales du bulbe olfactif. Informatique [cs]. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 2009. Français.
�NNT : 2009NAN10036�. �tel-01748469�
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UFR STMIA
Influence de l’inhibition synaptique sur
le codage de l’information par les
cellules mitrales du bulbe olfactif
TH`
ESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 8 juin 2009
pour l’obtention du
Doctorat de l’universit´
e Henri Poincar´
e – Nancy 1
(sp´
ecialit´
e informatique)
par
Maxime Ambard
Composition du jury
Rapporteurs :
Hugues Berry
Philippe Tarroux
Examinateurs :
Jean-Paul Haton
H´el`ene Paugam-Moisy
Nathalie Buonviso
Amine Bermak
Directeurs :
Fr´ed´eric Alexandre
Dominique Martinez
Cettethèseétudiel'en odagedel'informationsensorielleparles ellulesrelaisdubulbeolfa tifave uneappro heasso iantanalysededonnéesexpérimentalesetmodélisationinformatique.Lebulbeolfa tif estprin ipalement onstituéde neuronesex itateurs, dits ellulesmitrales,inter onne tésviades inter-neuronesinhibiteurs,dits ellulesgranulaires.
Dansunpremiertemps,l'analysededonnéesexpérimentalesre ueilliesen onditioninvitrodansdes tran hes de bulbe olfa tif de rats révèle le ara tère phasé des potentiels d'a tion des ellulesmitrales relativement aux os illations du potentiel de hamp lo al. Ce phasage est largement atténué lorsque l'onbloquepharma ologiquementl'inhibition provenantdes granules,mettant ainsi enéviden e le r le primordialde l'inhibitionsynaptique. A nd'extraireledé ours temporel dela ondu tan esynaptique inhibitri e,nousproposonsunenouvelleméthodebaséesurl'ajustementd'unmodèledeneuroneasso iéà l'inje tiondebloqueurssynaptiques.Grâ eà elle- i,nousobservonsqueles u tuationsdela ondu tan e synaptiqueinhibitri esont orréléesà ellesmesuréessurlepotentielde hamplo al.Unerelationentre l'inhibition reçue et la phase des potentiels d'a tion est également dévoilée. Un neurone aura plus de han ed'émettreenphases'ilreçoitunnombreimportantd'événementssynaptiquesinhibiteursetsi es événementssonteux-mêmephasés.
Dans un deuxième temps, les résultats de ette analyse sont rassemblés ausein d'un modèle infor-matiquedebulbeolfa tifa n d'explorerles apa ités de odagede l'intera tion mitrale-granule.Après avoirmontré quele transfertd'information des ellulesmitralessemble plusrésiderdansleurs instants pré isd'émissiondepotentielsd'a tionau oursdesos illationsquedansleursfréquen esdedé harges, nous étudions analytiquement l'in uen e du nombre d'événements synaptiques inhibiteurs reçus et de leurdispersiontemporelle surlapré isionde l'a tivitédes ellulesmitrales.Notre étude on lut quela robustessedu ode produit parles ellulesmitraleslors desos illationsdu réseauest onditionnée par uneforteintera tionsynaptiqueentreles ellulesmitralesetles ellulesgranulaires.Endernierlieu,nous appliquonsnotremodèledebulbeolfa tifpourre onnaîtredesodeursàl'aided'unematri ede apteurs degazarti iels.
Mots- lés:Neuros ien es omputationnelles,olfa tion,neuronesimpulsionnels, inhibitionsynaptique
Abstra t
Thisthesisstudiestheen odingofsensoryinformationinolfa torybulbrelayneuronsby ombining experimentaldataanalysiswith omputermodelling.Theolfa torybulbismainly omposedofex itatory ells, alled mitral ells,inter onne tedvialo alinhibitoryneurons, alledgranule ells.
In the rst part of the thesis, the analysis of ele trophysiologi al data, re orded in vitro from rat olfa torybulbsli es,showsthatmitral ell ringisphase-lo kedtothefastlo al eldpotentialos illation. This phase-lo king is largely redu ed when the inhibitory synapti ondu tan e is pharma ologi ally blo ked,hen ehighlightingtheimportantroleofsynapti inhibition.Inordertoextra tthetime ourse oftheinhibitorysynapti ondu tan e,weproposeanewmethod basedontheadjustmentofaneuron modelfrom experimentswithlo al inje tionsofasynapti blo ker.Usingthismethod, we ndthatthe inhibitory ondu tan e u tuationsare orrelatedtothelo al eldpotentialos illations.Arelationship betweenthere eivedinhibitionandthephaseofmitrala tionpotentialsisalsorevealed.Theprobability to reaphase-lo keda tionpotentialin reasesiftheneuronre eivesalargenumberofinhibitorysynapti events,andiftheseeventsarethemselvesphase-lo ked.
Inthese ondpartofthethesis,resultsfromthepreviousanalysisareusedtodesigna omputational modelof theolfa torybulbin orderto exploretheen oding apa ityof themitral-granuleinterplay. It
timingpre isionrequiresastrongsynapti ouplingbetweenmitralandgranule ells.Lastly,ourolfa tory bulbmodelis appliedtothere ognitionofodoursbyusing anarrayofarti ialgassensors.
Remer iements
En premierlieu,je tiensbiensûràremer ierDominiqueMartinez.Sapassionpourlare her he,ses ompéten eset sa réativité en fontun her heur ex ellentet je penseavoireu dela han e de l'avoir ommeresponsable tout au longde e travail. Je le remer ie parti ulièrement pour sonexigean e qui futparfois un peu stressante mais qui est unpréalable à tout travail s ienti que. Je le remer iede sa on an e et d'avoir her hé de nombreux ontrats me permettant, misbout-à-bout,de terminer ette thèse.Je remer ieFrédéri Alexandrepoursona essibilitéet sonsoutien.Je remer ieThierryVieville pourses ompéten esmathématiquesave lesquelles emondeabstraits'animed'uneviesiparti ulière. Jeleremer ietoutparti ulièrementpoursasuperméthodededé onvolution.Jeremer ieAxelHuttpour sonaidepré ieuse on ernantla ompréhensiondestestsstatistiques.Jeremer ieHélènePaugam-Moisy pour m'avoir initié au monde fabuleux des réseaux de neurones impulsionnels arti iels. Je remer ie MartineKuhlmannpoursagentillesseetsavirtuositéadministrative.Jeremer ieYannBonifa epoursa rele tureetpoursavisionsinoireetenmêmetempssibelledenotrepossibleavenir.Jeremer ieNi olas Rougierpourlarele ture,poursonhumouret poursonaidedanslesdi ultésinhérentesauxsystèmes informatiques.Jeremer ieégalementmesparentsdufonddu oeurpourleursoutieninébranlable.C'est uneéviden e,maissanseuxjen'auraistout simplementpaspuveniràboutde estravaux.Jeremer ie mongrandfrèreSylvainpoursonsoutienet pourm'avoirpréparéleterrainpourtellementde hoses,la thèse y ompris.Je remer ieSébastien pour sa joie de vivreet pour m'avoirbien souventé outé dans lesmomentsdi iles onsé utifs à ettepériode. Je remer iema dou e Stéphanie poursa fraî heuret satendresse.J'espèrepouvoirbéné ierdesaprésen edenombreusesannées.Jeremer ieJulienVittay pour sa uriosité,son amitiéet es soiréesàla n desquellesrien neme semblaitina essible. J'espère pouvoirrevivre souvent e genre de moment en sa ompagnie. Je remer ie Thomas Voegtlinpour les ammenku hespartagéesetpourm'avoirfaitren ontrerdesibellespersonnes omptantparmisesamis. Je lui souhaite beau oup de réussite dans ses futurs projets. Je remer ie Jeremy Fix pour son rire si dis ret et pour avoirsoutenu sa thèse avantmoi, me donnantainsi de nombreux onseils. Je remer ie AmineBermakpoursona ueiletsesbons onseilspourtrouverlesbonsrestaurantsdeHong-Kong.Je remer ieGuoBinpouravoirbienvoulugoûterla uisinefrançaise de hezMaxime.Jeremer ieFahrid poursagentillesseetnosdis ussionssienri hissantes on ernantlareligion.Jeremer ieThomasGiraud poursestenuesex entriqueset pourm'avoirfaitdé ouvrir desstylesdemusique omtemporainequeje nesoupçonnaispas.En njeremer ietouteslespersonnesaupseudosouventassezbizarrequiprennent deleur temps pouraiderd'autres personnes sur les forumsInternet. C'est promis, unjour, je passerai unesemaine omplèteàleurrendrelapareille.
Résumé i
Abstra t i
Introdu tion 1
Chapitre 1L'olfa tionetle systèmeolfa tif
1.1 L'olfa tion. . . 5
1.1.1 Lesfon tionsdel'olfa tion . . . 5
1.1.2 Lemé anismeolfa tif . . . 6
1.1.3 Lesperforman esdusystèmeolfa tif . . . 6
1.1.4 Con lusion:Unsystèmeolfa tifperformantàlafois ommunet diéren ié . . . . 8
1.2 Anatomieetphysiologiedusystème olfa tif hezlesvertébrés . . . 8
1.2.1 Anatomiegénérale . . . 8
1.2.2 Lesneuronesré epteursolfa tifs . . . 9
1.2.3 Lesglomérules . . . 11
1.2.4 Lesneuronesjuxtaglomérulaires . . . 15
1.2.5 Les ellulesrelais . . . 16
1.2.6 Les ellulesgranulaires. . . 18
1.2.7 L'intera tion ellulesrelais- ellulesgranulaires. . . 18
1.2.8 L'inhibition ré urrente . . . 19
1.2.9 L'inhibitionlatérale . . . 19
1.2.10 Le ortexolfa tifprimaire . . . 20
1.2.11 Lesretours orti aux . . . 21
1.2.12 Lesos illationsdubulbeolfa tif . . . 22
1.3 Lesr les omputationnelsdel'inhibition synaptiquedanslebulbeolfa tif . . . 24
1.3.1 Augmentationdu ontrastedansun odagespatial . . . 25
1.3.2 Générationd'un odageparvaguesdePA . . . 26
1.3.3 Syn hronisationdes ellulesmitrales . . . 28
1.3.4 Intera tionsdansunréseaudeneuronesrésonateurs . . . 29
Chapitre 2In uen ede la ondu tan e synaptique inhibitri esur l'a tivitédubulbe olfa tif en onditionin vitro
2.1 Présentationdesenregistrementséle trophysiologiques . . . 34
2.1.1 Lesenregistrementsextra ellulaires. . . 34
2.1.2 Lesenregistrementsintra ellulaires . . . 35
2.1.3 Proto oleexpérimental . . . 35
2.2 In uen edublo agedel'inhibition GABAergiquesurletauxd'a tivité,lesos illationsetlephasagedes ellulesmitrales 36 2.2.1 Unea tivitéos illante atténuée . . . 36
2.2.2 Uneaugmentationdesémissionsdepotentielsd'a tion . . . 39
2.2.3 L'augmentationduphasagedespotentielsd'a tions . . . 42
2.3 Unenouvelleméthodepourl'extra tiondesévénementssynaptiques . . . 47
2.3.1 Desméthodesantérieuresinappropriées . . . 47
2.3.2 Unenouvelleméthodeparinje tiondebloqueurssynaptiques . . . 49
2.4 Des ondu tan essynaptiques orréléesauPCL . . . 59
2.4.1 Ledé ourstemporel des ondu tan essynaptiquesmoyennes . . . 60
2.4.2 La orrélationentreles ondu tan essynaptiquesetlesignalduPCL . . . 62
2.4.3 Uneinhibitionsynaptiquedontles ara téristiquesfavorisentlephasagedes ellulesmitrales 66 2.5 Con lusion . . . 72
Chapitre 3Etudedu r le de l'inhibitionsynaptique dans un modèleinformatique dubulbe olfa tif 3.1 L'inhibitionsynaptiquelatéralepourlagénérationd'os illations. . . 74
3.1.1 Uneadéquationentremodèleet ellulebiologique . . . 74
3.1.2 Unea tivitéderéseauos illante . . . 77
3.1.3 Des ellulesmitralesphasées . . . 79
3.2 Unestratégiede odageolfa tif . . . 81
3.2.1 Les ara téristiquesdesvaguesdepotentielsd'a tion . . . 82
3.2.2 Lare onnaissan edesvaguesdepotentielsd'a tion. . . 87
3.2.3 L'in uen ed'une onne tivité synaptiquehétérogène . . . 95
3.3 Appli ationssurdes apteursdegaz . . . 99
3.3.1 Adaptation del'algorithme . . . 99
3.3.2 Une odagerobuste auxdiérentes on entrations . . . 103
3.4 Con lusion . . . 104
Dis ussion,perspe tives et on lusion 1 Dis ussion . . . 107
1.1 Synthèse. . . 107
1.2 Critiqueset omparaisondesrésultats . . . 108
2 Perspe tives. . . 111
3 Con lusion . . . 115
AnnexeAFigures A.0.1 Traitementdusignal . . . 117
A.0.2 LesPAsextra ellulaires . . . 126
A.0.3 Enregistrementsintra ellulaire . . . 132
A.0.4 Estimationdesparamètresdumodèle . . . 140
A.0.5 Les ondu an essynaptiques . . . 147
A.0.6 Corrélationentreles ondu tan essynaptiqueset lePCL . . . 152
AnnexeBMéthodes numériques B.1 Analysesdesdonnéesneurophysiologiques . . . 171
B.2 Modélisationinformatique . . . 171
AnnexeCPubli ations, onféren es,posters C.1 NeuroComputing,2006. . . 176
C.2 ISCAS,2007 . . . 183
C.3 DELTA, 2008 . . . 188
C.4 COSYNE, 2006 . . . 193
L'Hommeestlanatureprenant ons ien ed'elle-même. EliséeRe lus,L'Homme etla Terre, 1905.
L'étudeanatomiqueetphysiologiquedusystèmenerveuxalongtempsétélimitéeparlahaute sophis-ti ationdesoutilsd'observationsné essaires.Depuisquelquesdizainesd'années,l'amélioration roissante delate hniqueapermisdemesurerlesmé anismesmisenjeud'unemanièredeplusenpluspré ise.Les onnaissan es a tuelles partagéespar une large majoritéde la ommunauté s ienti que font état d'un traitement d'information opéré via une ommuni ation éle tro- himique entre les ellules du système nerveux.
Parmi es ellules,lesneurones onstituentunemultituded'unités detraitementreliéeslesunesaux autresettransformant,selon ertainesrègles,uneinformationenentréeenun odedesortie.Lesupport de ette transformation est la u tuation d'une diéren e de potentiel éle tronique appelé potentiel membranaire onstitué par ladiéren ede on entrationd'ions de diversesnatures entre l'intérieur de laparoi ellulaired'unneuroneetleliquideextra ellulairedanslequelilsetrouve.Un mé anismeditde pompeionique maintienten onditiondereposunediéren eéle troniquenégativeentrel'intérieuret l'extérieurdelaparoi ellulaire.Lorsquelepotentielmembranairedevienttropélevé(pasasseznégatif), un mé anisme ionique onduisant à une brusque élévation de e potentiel se dé len he. En quelques millise ondes,lepotentielmembranairepassedeprèsde-60mVàprèsde0mVpuisretourneàunpotentiel hyperpolariséentre-80et-50mV.Onappelle etteforte u tuationunpotentield'a tion.Lavariationde epotentielmembranaireestrégiepar equel'onappelledes anauxioniquesdontledegréd'ouverture dé nitlaquantitéd'ions transitantdepartetd'autredelaparoimembranairedela ellule.Certainsde es anaux ontundegré d'ouverturequi dépend dupotentielmembranaire dela ellule.Ils onstituent les ara téristiqueséle troniquesintrinsèquesduneuroneetgrâ eàeux,leneuronepeutsoitresteràun potentielmembranairestablesoit émettredespotentielsd'a tion.
D'autres anaux sont ontr lés pardesmolé ules omplexes appeléesdes neuroré epteurs etsituées sur la paroi membranaire de la ellule. L'a tivité de es neuroré epteurs est elle-même ontr lée par la on entration dans le milieu extra ellulaire de molé ules appelées neurotransmetteurs. Ces neuro-transmetteurssontrelâ hésdanslemilieuextra ellulairesuiteàl'émissiondespotentielsd'a tionparles autresneurones.Lorsquelepotentield'a tiond'unneuronedé len helalibérationdeneurotransmetteurs etque eux- ia tiventlesneuroré epteurssituéssurunautreneuronegénérantainsiune u tuationde sonpotentielmembranaireparl'intermédiairedelamodi ationdel'ouverturede ses anauxioniques, onditque esneuronessontliésparune synapse himique.Le neuroneémetteur duneurotransmetteur estappelé leneuroneprésynaptiqueet leneuronesur lequellesneuroré epteurs sonta tivésest appelé le neurone postsynaptique. Ce type de ommuni ation himique entre deux neurones est favorisé par une protubéran e dansla forme de laparoi duneuroneprésynaptique. Cette parti ularitéanatomique est appelée lebouton synaptique. Sa dimension ontr le en partie la quantité de neurotransmetteurs libéréeetlaquantité deneuroré epteursa tivéeprovoquantalorsune u tuationdupotentiel membra-naireduneuronepostsynaptiqueplusoumoinsimportante.Leboutonsynaptiqueestséparéduneurone postsynaptique par un espa e restreintappelé la fente synaptique et dans lequel transitent les
neuro-transmetteurs. L'a tivation d'une synapse va don onduire le potentiel membranaire à se dépolariser (lepotentiel estau-dessusdesonpotentielmembranaire derepos)ou às'hyperpolariser(endessousdu potentielmembranairederepos).
L'anatomiedesneuronesesttrèsvariable.Uns hémagénéralprésente eux- i ommeétant onstitués d'un arbre dendritique, rami ation de la paroi ellulaire sur laquelle se trouvent les neuroré epteurs synaptiques.A etterami ationestreliélesoma, orps ellulairedanslequelse on entreunelargepart desionsdé nissantlepotentielmembranaire.En n,l'axoneestune rami ationdelaparoidendritique partantdusoma.Sur etterami ationse on entrentlesterminaisonsprésynaptiquesresponsablesde lalibérationdeneurotransmetteurslorsdel'émissiond'unpotentield'a tionparleneurone.
A ette population de neurones, s'ajoute elle des ellules gliales. Elles sont plus de 10 fois plus nombreuses que les 100 milliards de neurones d'un erveau humain. Leur r le essentiel est le support de fon tionnement des neurones en leur pro urant l'énergie. Selon les onnaissan es a tuelles, ellesne sont que peu impliquées dans le traitement dire t de l'in ux nerveux mais e point fait a tuellement débat[FieldsetStevens-Graham,2002℄.
Malgré la onstante amélioration des onnaissan es on ernant le système nerveux, des questions essentielles restent en oreen suspens.Parmi elles- i, laforme pré ise du ode neuronal utiliséepar le système nerveuxest l'unedes plus débattues. On peut par exemple sedemander si l'information d'un neuroneest transmiseparsafréquen ededé harge(lenombredepotentielsd'a tionproduits parunité detemps)oubienparsona tivitérelativeauxautresneuronesappartenantàlamêmestru ture. Cette question est légitimée par la présen e quasiment uniforme et permanente d'une a tivité éle tronique os illantedansle erveau.
Ces a tivitéséle triquesos illantessontl'unedes aratéristiquesprin ipalesdusystèmenerveux en-tral.Quel quesoit l'instrumentde mesureutilisé, pourpeuque sa résolution temporelle soit assez ne (de l'ordre de la dizaine de millise ondes), les signaux enregistrés (éle troen éphalogramme, potentiel de hamplo al,enregistrementintra ellulaire...)présententundé ourstemporel u tuantselondes fré-quen esparti ulières.Pourtant ettedynamiqueesten oremal omprise.Onnesaitpasquellesensont les ausesetsurtout,quelleestsonin uen edansletransfertd'informations.L'insertionde ette tempo-ralitédansle odagedesréseauxdeneuronesest en oreune hosedéli ateàmanipuler.Comprendre e mé anismeserasûrementl'unedesnouvellesgrandesavan éesàvenirdansla ompréhensiondu erveau.
Certainesthéoriespla ent esos illations ommel'undessupportsprin ipauxdutransfert d'informa-tionentrelesdiérentes stru turesneuronales[Singeret Gray,1995℄.Les ausesde es os illationssont sus eptibles d'être multiples selon lastru ture neuronale dans laquelle elles apparaissentet selon leurs fréquen es.Ilesttrèsprobablequelesintera tionssynaptiquesentreneuronesensoientl'unedes auses prépondérantes.
Cette thèse étudie les intera tions synaptiques au sein d'une stru ture neuronale appelée le bulbe olfa tif.Plusieursraisonsfontde eréseaul'undesplusétudiésparla ommunautés ienti que.La prin- ipaleest ertainementqu'ilestassezfa ilementlo alisableanatomiquement.Uneautreestqu'ilestassez faiblementinnervépardesaéren esvenantdu ortex equifaitdeluiunsystèmeassezfa ileà appré-hender.En n,sari hea tivitéos illanteissued'intera tionsnombreusesentrediérentespopulationsde neuroneslorsdestimulationsolfa tivespermetd'étudier denombreuxphénomènes intervenantdansles réseauxneuronauxtelqueler ledesos illationsdansle odagedel'information.
Lesméthodes utilisées dans es travauxs'appuient largementsur le al ul informatique. L'essorde ettedis ipline es30dernièresannéesadonnéunnouveloutiltrèsperformantpourl'étudedusystème nerveux. Cette relation béné que est bilatérale ar l'étude du système nerveux a lui aussi permis des grandes avan ées en termes d'algorithmie.Par exemple, l'algorithme appelé "per eptron" est basé sur l'intégrationdesintera tionssynaptiquesparlesneurones.Pourtant,degrandsprogrèsrestentàréaliser dansla ompréhensionde esdeuxdomaines.L'histoire ommunedel'informatiqueet desneuros ien es
prometteuse.Les résultatsprésentésdans e do ument ombinentdes analysesde donnéesbiologiques, delasimulationnumériqueetdesanalysesmathématiques.L'utilisationdemodèlesetleurs onfrontations ave desdonnéesbiologiquespermettentdedégagerdiérentss énariosquantàlaproblématiqueinitiale.
Nous montronsun lien entre l'a tivité des ellulesGABAergiques et lesos illations dupotentiel de hamplo aldanslebulbeolfa tifduraten onditionsinvivo.Nousmontronsquele aratère y liquede laré eptiond'événementssynaptiquesinhibiteurs onditionnelephasagedes ellulesmitralesparrapport aupotentiel de hamplo al.Nous montrons quelaquantité d'évenementssynaptiquesinhibiteursreçu in uen elapré isiondesémissionsdepotentielsd'a tion des ellulesmitrales.Nousen on luonsquela pré isiondel'informationtransmisedépenddutauxd'intera tionsentrelesdiérentstypesde ellulesdu bulbeolfa tif.Nousappliquons esidéesauseind'unnezéle troniquea nd'obtenirunsystèmearti iel bio-inspirépermettantdere onnaîtrediérentsgaz.
Lesapportsprin ipauxde estravauxrésidentdanslanouvelleméthoded'extra tiondes ondu tan es synaptiquesàpartir d'enregistrementsintra ellulairesprésentée dansle se ond hapitreet dans l'étude analytique on ernantl'in uen edunombred'événementssynaptiquesinhibiteursreçussurlapré ision desémissions de potentiels d'a tion des ellules prin ipales au ours d'os illations su essivesprésenté dans le troisième hapitre. Le premier de es apports permet d'étudier simultanément la ondu tan e inhibitri ereçueparunneuroneetsonpotentielmembranaireenrégimed'émissiondepotentield'a tion, equi, àla onnaissan edel'auteur,n'aen orejamaisétéréalisé.Lese ondde esdeuxapportspermet dedonnerune onditionné essaireàunestratégied'en odageneuronaledel'information.Cette ondition exprimeentreautresqueplusl'intera tionsynaptiqueentreles ellulesmitralesetles ellulesgranulaires estforte,meilleureest lapré isiondel'en odagedel'informationparlesos illationsrapidesduréseau.
Le premier hapitre est onstitué par une présentation de e qu'est l'olfa tion et de e que l'on onnaitde l'anatomie et de laphysiologiedubulbe olfa tif.La dernièrese tion de e premier hapitre présenteunelistedesprin ipauxs énariosquantaur ledel'inhibitionsynaptiquedansletraitementde l'informationolfa tive.Lese ond hapitreprésentedesanalysesdedonnéesbiologiquesenregistrées hezle raten onditioninvitro.Dans ettepartieestentre autresprésentéeunenouvelleméthoded'extra tion des ondu tan es synaptiques reçues par le neurone. Le troisième hapitre présente des résultats de modélisationreprenantdesinformationsa quisesdansle hapitrepré édent.Dans etroisième hapitre est présentée une analyse mathématique montrantque lapré isionde l'a tivité des ellulesprin ipales dubulbeolfa tifdépenddes aratéristiquesdelaré eptiond'événementssynaptiquesinhibiteurs.Cette relation permet de prédire que la robustesse du ode neuronal transmis par le bulbe olfa tif né essite uneintera tionentre ellulesmitraleset ellulesgranulairessu sante.Lequatrième hapitre on lut es travaux.
L'olfa tion et le système olfa tif
1.1 L'olfa tion
Le soleil se ou he à l'horizon. Les bruits du jour laissent pla e peu à peu aux ris des animaux no turnes. Après une longue journée passée à brouter les herbes éparsesde lasavane,les antilopesse regroupenten troupeau pour aller boire à la mared'eau laplus pro he. Elles saventqu'à e moment pré is, elles ourent le risque d'être hassées par des fauvesaamés. Bien qu'elles soient très rapides, l'issuede la ourseave unlion est in ertaine et laprobabilitépour esantilopesde nirdé hiquetées pardes ro sa érésnonnégligeable.Pouranti iperetéviterlepire,ellessentent.Ellessententdetoutes leursfor es arde ette apa itédépend leursurvie.
Cequenousappelonsodeurestl'expressionper eptiveissuedelaren ontreentredesmolé ulesetle systèmeolfa tif.Ladé nitiond'uneodeurétantplusdenatureper eptiveque himiqueouphysique,son étuderentre dansle hampdelapsy hophysique[Keller et Vosshal,2004℄.Onappellestimulusolfa tif l'ex itation des ré epteurs olfa tifs par des molé ules. Une molé ule parti ulière générant un stimulus olfa tifestappeléeunodorant.Lesodorantspeuventêtreprésentsdansunmilieuliquideougazeux.On parledon d'olfa tionque esoitpourlesêtreshumainsoupourlespoissons.
1.1.1 Les fon tions de l'olfa tion
L'olfa tion est une ara téristiquedu monde vivant. Erwin Shrödinger (prix Nobel de physique en 1933)n'apas étudiélaVie queparl'intermédiairedes hats.Ilprésente lesorganismesvivants omme dessystèmesphysiques onsommantdel'énergie externea n de onserverleur organisationinterne qui tendrait,sinon,audésordre [S hrodinger,1944℄.IlyaProgogine (prixNobelde himieen1977)aa né etteidéeen rappro hantlemondevivantdesréa tions himiquesloin del'équilibre thermodynamique ( onsommantdel'énergie), elles- ipouvantalorsgénéreruneauto-organisationdesélémentspermettant ladissipation del'énergie onsommée [Prigogineet Stengers, 1984℄.Maturanaet Varela ont nommé e prin iped'auto-organisation ommeautopoïétique si lesproduits des réa tions himiquesdu système favorisentla ontinuationdesréa tionsqui lesontgénérées.Ilsinsistentsurlanotiond'interfa e démar-quant non seulementtopologiquement lesystème vivant mais onstituantégalementle lieu d'é hanges d'énergie permettant le ltrage des entrants. La ognition est alors onsidérée omme le re et de la sophisti ationdufon tionnementde ettemembrane[MaturanaetVarela,1980℄.
Dans e adre, l'olfa tion sesituedans lanature semi-ouvertede laséparationentre l'organismeet sonmilieu.Elledonne, ommelagustation,desinformationsessentiellessurla omposition himiquedu
milieuenvironnant.L'organismeétant onstitué parunréseauderéa tions himiques, l'interventionde molé ulesétrangèresà es y lesmettraitenpériltoutlesystème.Uneanalyseetun ltragede elles- i est don essentiela n de re onnaître elles béné quesausystème (aliments) de elles quisontnéfastes (poisons).
Cette fon tion est si importante qu'elle est apparuetrès t t dans l'évolution dumonde vivant.Les ba tériesont,surlepourtourdeleurmembrane,desré epteurs himiquesleurpermettantd'analyserleur environnement sanspourautantpermettre àtoutesles molé ules de fran hir leursmembranes.[Alder, 1969℄.Desorganismesmulti ellulairesrelativementprimaires ommeleverCaenorhabditis Elegans sont dotés d'un système olfa tif rudimentaire mais dont une part des onstituantsest identique à euxdes mammifères [L'Etoile et Bargmann, 2000℄.Ce i suggère une grande an ienneté dans la phylogénie du système olfa tif, les onstituants restantles mêmes mais leurspé ialisationdépendantdu mode de vie desorganismes.Deuxespè esprovenantdelamêmesou hepeuventainsivoirleurspe trederé epteurs himiquessespé ialiser[M Bride,2007℄.
L'olfa tion ne sert pasqu'à l'alimentation. Une utilisationimportante en est faite entantque sup-port de ommuni ation. Ces odeurs émises par les animaux sont alors appelées phéromones. Pour de nombreusesespè esanimalestelles quelesfourmis,lesupport himiqueestleve teurprin ipal de om-muni ationentre lesindividus. L'analysedes phéromonesaengendré hez ertainesespè es omme les rongeurs(pas hezl'êtrehumain) [Shepherd, 2007℄,l'apparitiond'un système neuronalqui yest ex lu-sivementdévolu.Ilest onstitué d'unensembleséparé deré epteurs himiques regroupésausein d'une stru ture appelée l'organe voméronasal et d'une se onde stru ture neuronale dédiée au traitementdes informationsappeléelebulbeolfa tifa essoire[Eisthen, 1992℄.Alorsque, hezlesêtreshumains, beau- oupdegènes odantlesré epteursauxphéromonesnesontplusexprimés,ilapparaitquenosréa tions etjugementssontenpartieguidéesparnotreodorat[Kova setal.,2004℄.
Outrelare her hed'alimentsetla ommuni ationintra-espè e,l'olfa tionsertégalementàladéte tion dedangers.Ainsidesanimauxpourrontsentirl'arrivéed'unprédateuravantque elui- in'aitles apa ités physiques delesatteindre. D'autresutilisationsmoins ommunesexistent. Certainesplantes arnivores dégagentune odeurqui attiredesinse tesqui seposentetseretrouventengluésoubien noyés,servant alorsde omplémentsnutritifs.
1.1.2 Le mé anisme olfa tif
Généralement,l'olfa tionest oupléeave larespiration,que elle- isoitaérienneouaquatique.Dans e as, la prise d'oxygène se fait par une ontra tion mus ulaire entraînant un a ux d'air (resp. eau) verslespoumons(resp.bran hies).Lorsde etrajet,unepartiedu uideentreen onta tave uneparoi surlaquellesesituentdiérentsré epteurs himiques.Ceux- is'a tiventenfon tiondes ara téristiques des molé ules reçues. Lesinse tes ont, quantàeux, une organisationanatomique très diérente.Leurs organesrespiratoiressontdisséminéssurtoutle orps(sousla arapa e)etlesré epteurs himiquessont situéssurlesantennes.Respiration etolfa tionsontalorstotalementséparées.
Deparletransportdesmolé ulesgrâ eàla uiditédumilieu,l'olfa tionestunmoyenprivilégiépour lare her hegéographiquedenourriture,dedangersouen oredepartenairessexuels.Ce omportement dere her heest exprimépardesstratégiesexploratoiresqui dépendentdes ara téristiquesmé aniques dumilieu[BalkovskyetShraiman,2002℄.
1.1.3 Les performan es du système olfa tif
analysetrès nequantàlanaturedu omposé himique.Commeprouessedumondeanimal,onpeut iter lasourisetlamitequisemblent apablesdedis ernerdeuxénantiomères[Maet Shepherd,2000,Ulland etal., 2006℄.Danslamême atégorie, hezl'Homme,le hangementd'unatometransformantl'o tanol ena ide o tanoïque hangerasasenteurderoseenodeurserappro hantd'unalimentavarié.
Ladéte tion d'unemolé uleest onditionnée àunseuil limite de on entration.Celui- idépend de l'espè e et de la nature himique étudiée. Il varie également en fon tion des individus. La mesure de on entrationdesmolé ulesauseindusubstratsedonneenpartiespourmillions(ppm)oupartiespour trillions(ppt)exprimantainsilaproportion,auseind'unemêmeunitévolumétrique,demolé ulesd'une ertainenaturepar rapportau nombretotaldemolé ules dumilieu danslequelellesévoluent.Le seuil de déte tion peut des endre à quelques dizaines de parties pour trillions hez la souris pour ertains aldéhydes[Laskaet al.,2006℄.
En ondition é ologique, le système d'analyse des informations olfa tives doit permettre la re on-naissan e d'une odeur quelle que soit sa on entration a n de déterminer la nature de la sour e odo-ranteindépendammentdesadistan e. Bienqu'assezrobuste vis-à-visdela on entration,l'olfa tion de l'Hommepeut onduire elui- i à onsidérerune molé ule omme le diphenyl méthane omme sentant le géranium ou bien l'orange en fon tion de sa on entration [Gross-Issedorf et Lan et, 1988℄. A part ertainesmolé ules,laper eptiondesodeursresteidentiquesurdelargesgammesde on entrations.
L'analyse des signaux odorants doit également permettre de séparer diérentes odeurs entre elles a n,parexemple,dere onnaîtrel'odeurd'unprédateuraumilieud'unenvironnement hangeant.L'être humainpeutdéte terjusqu'à12 omposésdiérentsauseind'uneodeur[JinksetLaing,1999℄.Pourtant, une odeur peut aussi bien résulter d'un seul type de molé uleque de multiples substan es himiques ombinées en ertaines proportions. Le système d'analyse doit don ee tuer à la fois une tâ he de segmentationetunetâ hederegroupementdesodorants.
Ce problème seretrouvedans d'autressystèmes per eptifstelsque lavision et l'audition. En eet, lare onnaissan evisuelled'objetsmetenjeuàlafoislare onnaissan edes onstituantsmaisaussiune synthèse plus globale. Les diéren es dans la nature de es stimuli rendent di ile l'appli ation dans l'olfa tion des onnaissan es issuesdu système visuel ou auditif. Ilsemble que lasimilarité entre deux stimuliolfa tifs onditionnelargementlamanièredontseraperçuunmélangede esdeux omposés.Plus deux stimuliolfa tifs serontpro hes, plusleur mélange entraîneraune per eption diérente de ha un desdeux reçusséparément[Wiltroutet al.,2003,Kayet al.,2003℄.
Lesperforman esdusystèmeolfa tifsonten oreplusimpressionnantesquandon onsidèrelanature desstimuliolfa tifs.Ceux- iétantdesmolé ules,toutelari hesse desdiérentes ombinaisonspossibles d'élémentsyestexprimée.Cesstru turesnesontpasrédu tiblesàquelquesvaleurs ommepeuventl'être lesphénomènesondulatoiresquesontparexemplelesphotonset lessons.Ce i engendreunetrèshaute dimensionnalitédanslanature dustimulus.Plusde10000odorantsdiérentsontétére ensés.
Cha un d'eux n'est pas asso ié à un ré epteur spé i que. Pour déte ter toutes es molé ules, on ompteparexempleenviron1000ré epteursdiérents hezlasouriset4000 hezl'Homme[Crastoetal., 2001℄[Godfrey et al., 2004℄.Cha undes typesde ré epteursréagità unpanel destru tures himiques plut tqu'àunemolé uleenparti ulier[Du hamp-Viretetal.,1999℄.Ainsi,unodoranta tiveraplusieurs famillesderé epteurset une famillederé epteurs peutêtre a tivéeparplusieursmolé ules diérentes. L'a tivationdesneuronesré epteursolfa tifsestainsitrèsrépartieauniveaudel'épithélium olfa tif,les sous-populationsde ré epteurs a tivéspar diérentes odeurs se re ouvranten large proportion [Ma et Shepherd,2000℄.
1.1.4 Con lusion: Un système olfa tif performant à la fois ommun et
dié-ren ié
Les performan es de l'olfa tion animale sont en ore loin d'être atteintes par les systèmes arti - iels[Rö ket al., 2008℄.La hautedimensionnalitédu stimulusné essite unappareillage omplexe pour les apteurs himiques mais également une analyse des signaux performante. Dans es deux domaines beau oupde hoses restentàfaire.Ilest d'autantplusintéressantde omprendreet de s'inspirerde la biologie arellefournit unexemple on retdesystèmeayantrésolu es diérentsproblèmes.
Lesdiérentssystèmesolfa tifssontadaptésaumodedeviedesespè esquiensontpourvues.Que e soit auniveaudela formedesorganessensorielsou auniveau omportemental, haqueanimal possède son propre fon tionnement. Mais, répondant à des obje tifs semblables dans tout le règne animal, les onstituantstelsquelesré epteurs himiquessonttrèssemblablesd'unanimalàl'autre[Ja quin-Jolyet Merlin,2004℄.Demême,les hémagénéraldeliaisonentrediérentespartiesoufon tionnalitéssembleêtre assez onservédansunelargepartdurègneanimal[HildebrandetShepherd,1997℄.Cetteressemblan eest prin ipalementper eptibleauniveaudel'organisationnerveuse.Parexemple,uninse tedontlesystème nerveuxest trèsdiérentde eluid'unmammifère,possèdedesstru tures dédiéesautraitementolfa tif appelées "lobesantennaires"serappro hantparbien des égardsde sonéquivalent hezle vertébré : le bulbeolfa tif[KayetStopfer,2006℄.
1.2 Anatomie et physiologie du système olfa tif hez lesvertébrés
Lesystèmeolfa tiftransformeuneinformation himiqueeninformationspatio-temporelle onstituée par des potentiels d'a tion de neurones. Cette trans ription né essite diérentes étapes de traitement d'informationstellesque odage-dé odage,synthèse, déte tiondesimilarités...Cha un des onstituants responsabledutransfertd'informationsentrelesneuronesré epteursetle ortexolfa tifaunr le ompu-tationneldépendantdesonanatomie,desaphysiologieetde elledesélémentsave lesquelsilinteragit. L'étudeséparéede esdiérents onstituantsfortementintriquéspeutentraînerunein ompréhensiondu s hémaglobal.Pourtantla omplexitédusystèmerendné essaire ette démar hepréliminaire.
1.2.1 Anatomie générale
Que e soit hezles mammifères[Lledo et al., 2005℄,lesoiseaux [Gomez et Celii, 2008℄ou les pois-sons[HamdanietDoving,2007℄,lapremièreétapedusystèmeolfa tifesttrèssemblable.Desré epteurs himiquesappelés "neuronesré epteursolfa tifs"(NROs)sesituentsurunsupport dédiéappellé "l'épi-thélium olfa tif" (voir les héma 1.1). Les diérentes famillesde es ré epteurs seprojettent, versdes stru turesglomérulaires,formantainsilenerfolfa tif.Cesglomérules onstituentune ou hesuper ielle de equ'onappellelesbulbesolfa tifs(unpour haquenarine).Ceux- iontuneformeoblongue.Cha un est onstituédesix ou hes on entriques(voirl'anatomiesurles héma1.2):
1. lenerf olfa tif
2. lesgloméruleset ellulespériglomérulaires
3. leplexiformeexterne
4. les ellulesmitraleset ellulesàpana hes
5. leplexiformeinterne
6. les ellulesgranulaires
Fig. 1.1 S héma présentant la lo alisation de l'organevoméronasal(VNO), del'épithélium ol-fa tif(MOE), dubulbeolfa tifprin ipal (MOB) etdubulbeolfa tifa essoire(AOB) hezlerat. Imageadaptéede[Lledoetal.,2005℄.
Fig. 1.2 S héma présentant une oupe trans-versale du bulbe olfa tif. De haut en bas, Les neurones ré epteurs olfa tifs (NRO), la lame riblée (LC), le nerf Olfa tif (NO), la ou he glomérulaire (CG), les orps ellulaires des ellules mitrales (M), les orps ellulaires des ellules granulaires (G), les bres entrifuges (FC). En en art en bas à droite, un s héma de la onne tivité des diérents onstituants, l'ar de er le en pointillé représente les glomérules, (PG) représente les ellules périglomérulaires, (M) les ellules mitrales,(G) les ellules granu-laires, (FC) les Fibres Centrifuges. Image tirée du site Internet
http : //olf ac.univ − lyon1.fr
/documentation/olf action/medecine
_sciences
/medecine
_sciences − 2.html
réalisé parAndréHolleyet GilleSi ard.
primaire(voirlamorphologiedestra tusolfa tifssurles héma1.3).Comparéeauxautresvoies senso-rielles,l'olfa tion présente ladistin tion majeure de ne pas(ou peu hez ertainesespè es) innerverle thalamus[Shepherd,2007℄.
1.2.2 Les neurones ré epteurs olfa tifs
Chezlesvertébrés,lesneuronesré epteursolfa tifs(NROs)sontdes ellulessituéesdansl'épithélium olfa tifet spé ialiséesdansladéte tiondesubstan es himiques.L'épithéliumolfa tifd'unêtrehumain adultea pour dimensionapproximative 2 msur 5 met est situé au fond de la avité nasale. Chez la souris,onaestiméà5millionslenombredeNROsprésentsauseindel'épithéliumolfa tif[Zhou etal., 2001℄.L'organisationspatialedesNROspeutêtre dé omposéeen4grandeszones que esoit auniveau del'expressiondesgènesdé nissantlesré epteurs[Bu k,1996℄oubienauniveaudeleursréponses[S ott etal.,1997℄(voirs héma1.4).Chaqueré epteursemblese antonneràuneuniquezone, eszonesétant symétriquesparrapportauxdeuxnarines.
Les NROs sontdes neuronesbipolaires [Get hell, 1986℄.Une dendrite api aleva du orps ellulaire jusqu'àlasurfa ede l'épithélium. A ette extrémité, ladendriteprésente unren ementappelé bouton olfa tif. Celui- i se divise en de nombreux laments appelés ils olfa tifs (voir leur morphologie sur le s héma1.5.A).Alasurfa ede es ilssesituentlesré epteursolfa tifs(ROs).Ceux- isontdediérents types.ChaqueNROn'exprimesurses ilsqu'unseultypederé epteurs.Lesdiérentstypesderé epteurs
Fig. 1.3 S héma présentant les proje tions du bulbe olfa tif hez l'Homme. Image tirée et adaptée de
http : //www.kb.u − psud.fr/etudes −
medicales/cours/DCEM 1/OLF ACT IO
N 08.pdf
.Fig.1.4S hémaprésentantlesdiérentes zonesdel'épithélium olfa tifainsiqueleur orrespondan e ave deszonesdela ou heglomérulaire.Imagetiréede[Morietal.,2006℄.
Les ROs font partie de la famille des ré epteurs ouplés aux protéines G odées dans le génome. L'identi ation de ettefamille de gènes a onduit àla remise du prix Nobel de Physiologie en 2004. Dans es travaux [Bu k et Axel, 1991℄, une super-famille de 1000 gènes diérents (
3%
du nombre de gènestotal)quipeuvent ha unexprimerunré epteurolfa tifdiérentaétéprésentée.Celafaitde ette familledegèneslaplusimportantedetoutlegénotype.Chezlasourislenombredegènesexprimésetdon deré epteursolfa tifsest approximativementde1000alorsque hezl'Hommeil estapproximativement de400.Cettediéren esembleêtreissued'unepartdel'ina tivationde ertainsgènes odantl'olfa tion hezl'Hommeet d'autrepartd'uneaugmentation dansladiversitéde esgènes hezlasouris[Niimura etNei,2006℄.L'a tivation de es ré epteursolfa tifs au sein des ils entraîne une as ade de réa tions himiques résultantenune dépolarisationdupotentielmembranaire duNRO.Si ette dépolarisationdépasse une valeur ritique, le neurone émet un potentiel d'a tion. Ce potentiel d'a tion généré près du soma se propageensuitelelongd'unaxone non-myelinisé. LesaxonesdesNROsserassemblentet traversentla lame riblée qui sépare la avité nasale (où se situe l'épithélium olfa tif) et la avité érébrale (où se situentlesbulbesolfa tifs).Touslesaxonesexprimantlamêmefamillederé epteurs onvergentversune stru tureappelée"glomérule".
Lesneuronesré epteursolfa tifsprésententune a tivitéspontanéepouvantêtre deplusieurs poten-tielsd'a tionpar se onde hezle rat.Cha un de es neuronesréagitàunegrande variétéde molé ules himiques.L'intensitédeleurréponseestmoduléeenfon tiondel'espè e himiqueetdesa on entration. Leurréa tion enversunstimuluspeut se ara térisersoit enune augmentationsoit en une diminution del'a tivitéparrapport à ellespontanée(voirillustrationave l'enregistrement g.1.5.B).Une même ellule peut être ex itée par ertainesmolé ules et inhibée par d'autres. L'ex itation reste la réa tion privilégiéepuisqu'elle onstitue plusde 90%des réponses signi atives.Ainsi, une odeur engendre une augmentationmoyennedel'a tivitédelatotalité desneuronesré epteurs[Du hamp-Viret etal., 1999℄. SiplusieursmilliersdeNROd'unemêmefamille onvergentversunmêmegloméruleets'a tiventàprès de 100potentielsd'a tions parse onde, le glomérule ré epteur est alors le siège d'une intense a tivité synaptique.
Ce que déte tent exa tement lesNROs resteen ore assezmé onnu. Ils semblentêtre sensibles àla géométriemolé ulaire ommelalongueurdes haînes arbonnées ainsiqu'aux groupes himiquesa tifs [U hidaetal.,2000℄.Leur omportementsembleen oreplusdi ileà ernerpuisquelesNROssontnon seulementsensiblesauxsubstan es himiquesmaiségalementaux uxd'airquilesamènent,faisantd'eux desré epteursmé aniques[Grosmaitreet al.,2007℄.Ils sont don sensiblesàla naturede l'odorant, sa on entrationetàladynamique demiseen onta t[Krivanetal.,2002℄.
Les neurones ré epteurs olfa tifs ont la parti ularité de se régénérer en quelques dizaines de jours [Herzog et Otto, 1999℄. Ils onstituent un des premiers exemples lairement identi és de neurogénèse ontinueauseindusystèmenerveux entral.Celle- iseproduitauseindel'épithéliumolfa tif.Des ellules dites basales se diéren ient pour se transformer en neuronesré epteurs olfa tifs. Les axones de es neuronessontensuiteguidésverslesglomérulespardes ellulesglialesengainantes.Cette ara téristique estd'unegrandeimportan edanslestentativesdetraitementdeslésionsneuronales omme ellespouvant survenirdanslamoelleépinière[Raisman,2001℄.
1.2.3 Les glomérules
Lesglomérulessontdesstru turessphériquessituéessurlepourtourdesbulbesolfa tifs.Ellespeuvent avoirundiamètre dequelquesdizainesoubienquelques entainesdemi ronsselonlesespè esanimales [Chen et Shepherd, 2005℄.Chaque glomérule reçoit les axones issus d'une même famille de ré epteurs olfa tifs[Mombaerts,2004℄.IlsemblequelesNROsprovenantd'unemêmezonede l'épithéliumolfa tif se onne tentà des glomérules pro hes spatialement. De plus, les glomérules présentant des domaines
A B
Fig.1.5 A: S héma présentant l'anatomie desneurones ré epteursolfa tifs situésdans l'épithélium olfa tif.Imagetiréeetadaptéede[Mombaerts,2004℄.B:Enregistrementsextra ellulairesdespotentiels d'a tionémis parunneuroneré epteurolfa tif. Dehautenbas: l'a tivitéspontanée(sans stimulation) etl'a tivitépour6molé ulesdiérentes.Latra elaplusbassereprésenteles2se ondesdurantlesquelles leré epteureststimuléparune odeur.Imagetiréede[Du hamp-Viretet al.,1999℄.
réalisent des synapses sur les dendrites de ellules mitrales ou sur les dendrites de ellules à pana he (voirse tion1.2.5).Lesdendritesde ellulesjuxtaglomérulairessontégalementprésentes auseinde es stru tures[Urbanet Sakmann,2002℄.
Cesdiérentessynapsessontséparéesspatialementauseind'unglomérule.Unepremièrezone onsti-tue le lieu prédestiné aux synapses axodendritiques et dendroaxoniques entre l'axone du nerf olfa tif et les dendrites des ellulesrelais et des ellulesjuxtaglomérulaires. Une se onde partie est dédiée aux intera tions dendrodendritiques entre les ellules relaiset les ellules juxtaglomérulaires[Kosakaet al., 1998℄(voirlaphoto etl'illustrationd'une oupedeglomérule g.1.6).
Le taux de onvergen e hez les vertébrés est approximativement de 5 000-10 000 NROs pour 1 glomérule[ChenetShepherd,2005℄.Cetauxex eptionnellementélevépeutservirplusieursfon tionsdont voi iunelistenonexhaustive:maintenirunnombrede onnexionssynaptiquesàpeuprès onstantentre les ellulesmitralesetlesNROsmalgréle ontinuelrenouvellementde esderniers;ampli erlaréponseet prévenirladéfaillan efon tionnelledeplusieursNROsd'unemêmefamille;favoriserlasyn hronisation despotentielsd'a tionsémisparlesNROsparunmé anismeappelél'intera tionéphaptique[Kemermans etFahrenfort,2004℄.
Laparoiexterned'ungloméruleest onstituéed'unarrangementde ellulesgliales.Ler lede es astro- ytesapparaîtparti ulièrementimportant.L'informationd'unefamilled'ORNsétanttrèspeuredondante auniveauglomérulairepuisqu'elleesttransféréeseulementviaunoudeuxglomérules,l'endommagement d'un glomérule engendrerait une perte d'informations pré ieuses. Les astro ytes forment une sorte de bou lier [Valverde,1999℄ pouvantprotéger la onnexion synaptique primordialeentre lenerf olfa tif et les ellulesmitrales.Ils semblentégalementpouvoirempê her lesionsémis àl'intérieur d'unglomérule de sediuser versd'autresglomérules, ontribuant ainsià leur ségrégationfon tionnelle[Jan et West-brook,2005℄.En n ils semblent ontribueràguider lesaxones desNROs régénérésverslesglomérules orrespondantàleurfamille[Baileyet al.,1999℄.
A B
Fig. 1.6 A : S héma représentant la oupe transversale d'un glomérule.Image tirée et adaptée de [Raisman,2001℄.B:Re onstru tiondemi ros opie onfo aled'unglomérule hezlasouris.Imagetirée etadaptéede[Bellus ioetal.,2002℄.
Fig.1.7Enregistrementintra ellulaire présen-tantladépolarisationd'une ellulemitraledueà lastimulationpar un ho éle trique de 20V ef-fe tuésurle nerfolfa tif hezlerat. Imagetirée de[Janet Westbrook,2005℄.
rulairessontglutamatergiques[Aroniadou-anderjaskaetal.,2000℄etentraînentuneex itationdes ellules post-synaptiquesviadesré epteursAMPA etNMDA[Chenet Shepherd,2005℄.Ces derniersré epteurs sontresponsablesenlargepartie dupotentielpost-synaptiquedelonguedurée(plusieurs se ondes)issu d'un ho éle triquesurlenerf olfa tif[Chenet Shepherd,2005℄(voirenregistrementintra ellulaire g. 1.7).Lesré epteursAMPA semblent, quantàeux,avoirla apa itéde syn hroniserlespotentiels d'a -tionde ellulesmitralesprovenantd'unmême glomérule[S hoppaetWestbrook,2002℄.L'ex itationdes ellulesmitralesentraîne égalementlalibération deglutamate ausein duglomérule. Ainsi,l'a tivation des ellules relais au sein d'un glomérule entraîne non seulement l'ex itation des autres ellules relais de e même glomérule mais également l'ex itation des ellules juxtaglomérulaires [Chen et Shepherd, 2005,Carlsonetal.,2000℄.
Les ellulesjuxtaglomérulaires(voirse tion1.2.4)peuventavoirunea tioninhibitri e surles termi-naisonsaxoniquesdubulbeolfa tifetsurlesdendritesdes ellulesrelaisvialeneurotransmetteurGABA. Ainsi,unphénomèned'inhibition peutsurvenirquelques entainesdemillise ondesaprès ephénomène ex itateur[Aroniadou-Anderjaskaetal.,1999℄.Ilsemblequ'unmé anismed'inhibitionlatéraleentre glo-mérulessoitprésentave l'a tion de ellulespériglomérulaires onne téesàplusieursglomérules [Urban etSakmann,2002℄.Lesglomérulessontdon deslieux on nésoùseproduit une himie omplexeissue
Fig. 1.8 Tableau présentant des artesglomérulairespourdiérentes odeurs. La taille des er les repré-sente le taux d'a tivité enregistré parimagerie al ique.Imagetiréeet adaptéede[Galiziaetal.,1999℄.
Les artes glomérulaires
L'observation ave des te hniques d'enregistrement étudiant des signaux à dynamique lente, par exemplel'imagerie par uophoressensitifsau al ium,révèle hezl'inse te [Galiziaet al.,1999℄ omme hezlerongeur[Xuetal.,2003℄des artesd'a tivitéglomérulaire.Sur elles- i, haquegloméruleaun tauxd'a tivité qui dépend del'odorantutilisé et desa on entration.La arteadon une omposante essentiellementspatialeave ladénominationetlalo alisationde ha undesglomérules.Ilapparaîtque ette arteestreprodu tiblepourdesindividusd'unemêmeespè e.Latrèshautedimensionalitéprésente au niveau des géométries molé ulaires semble di ilement représentable au niveau d'une arte glomé-rulaire en 2dimensions. L'utilisation du odage ombinatoire semble être le support de es diérentes artes puisque, bien que ha une soit diérente des autres, elles peuvent avoir des parties de odage (taux d'a tivité de ertainsglomérules) semblables (voir les exemplesde artes glomérulaires g. 1.8). End'autresmots,unmêmeglomérulepeutrépondreàplusieursodorantsetunodoranta tiveplusieurs glomérules[Galiziaetal.,1999℄.
Ilapparaît quedes ara téristiques himiquespro hesentraînentdes artesd'a tivationspro hes.Il estpourtantdi iled'avoirunemesurededistan eentrepropriétés himiquesdemolé ulespouvantêtre rappro hée d'une mesurede distan e entre artesd'a tivation glomérulaire. Cette notion de similarité entre molé ules pourrait être hiérar hisée ave le mélange de fa teurs prin ipaux, omme les groupes fon tionnels,etdefa teursse ondaires, ommelalongueurdela haîne arbonée[U hidaet al.,2000℄.
Au sein d'une arte,l'identité des glomérules ainsi que leur a tivitésemblent varier en fon tionde la on entration de l'odorant [Meister et Bonhoeer, 2001℄.Plus elui- i est on entré, plus le nombre de glomérules a tivés de la arte est important. Les mélanges d'odeurs ompliquent le phénomène de génération de artes. Si ha une des molé ules engendre une arte d'a tivité propre, qu'en est-il de l'a tivation glomérulaire engendrée par le mélange de plusieurs de es molé ules? Il semblerait que, aussi bien hezl'inse te [Carlssonet al.,2007℄ que hez lerongeur [Grossman et al., 2008℄,lanouvelle arteengendréereprésenteassez dèlementl'additiondes artesnormalementproduitesparlesdiérents onstituants.Au ontraire,lastimulationpardeuxodorantstrès pro hesen termesde artesproduites sembleengendreruneréa tiondiérente [Wiltroutetal.,2003℄.
Ces artes statiques ne re ètent pas exa tement l'a tivation des glomérules. En eet, de nouvelles te hnologiespermettantune analyse temporelle plus ne présententun tableauplus dynamique [Spors etGrinwald,2002℄[Sporsetal.,2006℄.Auseind'une arte,l'a tivitéd'unglomérulepeutvarierau ours
Fig.1.9 Photographiesdes ellulesjuxtaglomérulairesparimmuno uores en e.(A)Une ellule péri-glomérulaire.(B) Une elluleàaxone ourt.(C) Une elluleàpana hesuper ielle.Letraitnoirenbas àgau he de la gureA représente une é hellede 25 mi rons.Imagetirée et adaptéede [Crespoet al., 1997℄
séquen e [Spors et Grinwald, 2002℄. Ave une augmentation de la on entration de l'odorant, l'ordre d'allumagedesglomérules semble onservé,sonrythmepar ontres'a élèreet denouveaux glomérules jusqu'alorssilen ieuxs'a tiventégalement[Spors et Grinwald,2002℄.Les ausesde es u tuations res-tenten orepeu onnues.Parmilesplusprobables,on peut iterladynamique de réa tivitépropredes diérentes populations deNROs(voirse tion1.2.2)ou une inhibition synaptiqueauniveaudes termi-naisonsaxoniques dunerfolfa tif [Was howiak etCohen,1999℄.Celle- i seraitprin ipalementissuedes onnexionsintra-glomérulaires[M Gann etal.,2005℄.
Mêmesila omposantedynamiqueestprésente,ave des onstantesdetempsdel'ordredela entaine demillise ondespourladé roissan eenimagerie al ique, elle- iapeuàvoirave un odagehautement temporel omme eluique onstituentlespotentielsd'a tionsd'unneuroneunique(tempsd'unpotentiel d'a tion
≈ 1ms
). L'a tivitéglomérulaireissuedela onvergen e d'ungrandnombredeneurones ré ep-teursolfa tifsengendreunea tivitérésultantebeau oupplus ontinueetnonunea tivitédetypebinaire ommepeutl'être ellerésultantd'ununiqueneurone.1.2.4 Les neurones juxtaglomérulaires
Les neuronesjuxtaglomérulaires, .à.d. eux dont le orps ellulaire est pro he de la ou he glomé-rulaire, sont divisés en trois familles : les neurones super iels à axone ourt ( g. 1.9.B), les ellules super ielles à pana he ( g. 1.9.C)et les ellules périglomérulaires( g. 1.9.A). Les ellules périglomé-rulaires onstituentlafamillelaplusnombreusedestrois. Lesdendritesde es ellulesseprojettentau seindesgloméruleset semblentavoirdes onta tssynaptiquesave laterminaisondunerf olfa tifainsi quelesdendritesdes ellulesrelais[Pin hing etPowell,1971℄). Ellespeuvent onne ter d'autres ellules périglomérulairesou relier plusieurs glomérules dansle même arbre dendritique [Puopolo et al., 2005℄. Les ellulessuper iellesàaxone ourtsontmoinsnombreuses.Leursdendritessontsituéesauniveaude la ou heglomérulaireetleursaxonespeuventseprojeterjusqu'àla ou hedes ellulesgranulaires[S ott etal.,1986℄.
Une ertainehétérogénéitédes ellulespériglomérulairesdansleursmorphologiesetl'expressionde dif-férentstypesdeneurotransmetteursfontd'ellesunefamillepotentiellementmulti-fon tionnelle[Puopolo et Belluzzi,1998℄.Ilsemble pourtantqu'elles soientmajoritairementde typeGABAergique [Panzanelli etal.,2007℄(maisvoiraussi[Kosakaetal.,1998℄).Elles onstituentdon ,ave les ellulesgranulaires,une se ondefamilled'interneuronesinhibiteursdubulbeolfa tif.Aprèsun ho surlenerfolfa tif, es ellules
Fig. 1.10 Dessin issu de l'observation au mi ros ope dedeux ellulesmitrales mar-quéeàlabio ytine.Image ti-réeetadaptéede[Desmaisons etal.,1999℄.
dépolarisation(plusieursdizainesdemillise ondes)soitunebouéedePA. Quandlesystèmeeststimulé paruneodeur,ellesproduisentunebouéedePAsre étantassez dèlementladynamiqueglomérulaire. Cette longue durée d'a tivation serait issue des neurotransmetteursglutamates libérés par les ellules mitralessuiteàleurex itation[WellisetS ott, 1990℄.
1.2.5 Les ellules relais
Les ellulesmitrales(CMs)sont onsidérées ommelaprin ipalefamilledeneuronesrelais.Ellessont essentiellesdansletransfertdel'informationolfa tive.Ellesreçoiventl'a tivitédesNROspar l'intermé-diairede synapsesAMPA et NMDA situées au sein desglomérules. En très largemajorité,les ellules mitrales ne sont reliées qu'à un seul glomérule. On ompte quelques dizaines de ellules mitrales par glomérule[Urban et Sakmann,2002℄.A raisonde1000glomérules hezlasouris,onpeutenvisagerune populationd'approximativement50000 ellulesmitralesparbulbeolfa tif.
Ces neuronesontune morphologieparti ulière.Leurs dendritessedé omposentendeuxparties. Un premierarbredendritiqueapi alesedéveloppeauseind'ungloméruleoùil établitdessynapsesave les axonesprovenantdesNROs.Cetarbresedéploiedon radialementdela ou heglomérulaireàla ou he de ellulesmitrales,mesurantainsi hezlejeuneratunelongueurde200à400mi rons[Debardieuxetal., 2003℄.Un se ondarbredendritique basal,aussiappelédendritese ondaire,estsituéauniveaudu orps ellulaire(voirdessinissud'uneobservationaumi ros ope g.1.10).Sesdendritesdéployéesdemanière latéralepeuventfaireplusd'unmillimètre delong.Ellesréalisentdessynapsesdendro-dendritiquesave les ellulesgranulaires.Lessynapsesmitrale->granulesontdetypeex itatri es.Les orps ellulairesdes mitrales sont toussitués sur une min e ou he dubulbeolfa tif. Lesaxones des ellules mitralessont orientésversle entre dubulbeolfa tifoùilss'yrassemblentpourformerletra tusolfa tif.
Les ellulesàpana heou ellulestouues sontégalementdes neuronesrelais dubulbeolfa tif.Leur diéren e fondamentale ave les ellules mitrales provient d'un orps ellulaire situé au niveau de la ou heplexiforme externe, soit moins en profondeur queles orps ellulairesdes ellulesmitrales (voir photographie g. 1.11). Al'instar de es dernières,ilspossèdentunarbre dendritique dé omposableen deuxsous-arbresquisedéveloppentl'unauseind'ungloméruleet l'autredemanièrelatérale.
La réponse d'une ellule mitrale est peu robuste vis-à-vis d'une stimulation onstante non-bruitée supra-liminaire(voir g.1.12).Lestempsd'émissionsdepotentielsd'a tiondeviennentdemoinsenmoins pré isaufuretàmesurequeseprolongelastimulation.Ilapparaîtainsiunea umulationd'impré isions dans la séquen e de PAs générée. Ce i peut être d'autant plus dommageable que la stimulation des ellules mitrales est issue d'une multitude d'aéren es de NROs e qui entraîne un stimulus lent. Un
Fig. 1.11 Photographies présentantladiéren ede po-sition entre les orps ellu-laires des ellules mitrales(à gau he) et elui des ellules àpana he(àdroite)par rap-portàla ou heglomérulaire (GL), la ou he plexiforme externe (EPL) et la ou he de ellules mitrales (MCL). Imagetiréeetadaptéede [Na-gayamaetal.,2004℄.
Fig. 1.12 Enregistrement d'une ellulemitrale soumise àun ourantinje té onstant (à gau he) et u tuant (à droite). Image tirée et adap-téede[S haeferet al.,2006℄.
transitoirementenphasesous-liminairepuisdenouveauenphasesupra-liminaire,lavariabilitédansles PAssuivantsdiminued'autantplusquelaphasesous-liminairedurelongtemps.Suiteà ette transition, la ellulere ommen eàa umulerlesimpré isionset letempsd'émissiondesPAredevientdemoinsen moinsrobuste.Delamêmemanière,alorsqu'unsignalà omposante ontinueentraîneuneréponse non-reprodu tible,l'ajoutdans elui- id'une omposanteos illanteengendrantunesu essiondephasessupra etsous-liminairea roîtlapré isionneuronale.Ilenrésultequesideuxsignaux ontinusdiérentssont utiliséspourstimulerune ellulemitrale,laréponsede elle- isera lairementdiérentiableave l'ajout d'une omposanteos illante.Sanselle,leproblèmeestbeau oupplusdi ile[Baluetal.,2004℄[S haefer etal.,2006℄.
Les ellulesmitralespossèdentdes ara téristiquesos illantesauseinmêmedeleurmembrane[Chenet Shepherd,1997℄.Celles- is'ampli entave ladépolarisationdupotentielmembranaire.Pluslepotentiel membranaire est important plus la fréquen e est élevée. La fréquen einstantanée lorsdes bouées de PAs [Baluet al.,2004℄ sembledire tementliéeà e rythme os illant[Desmaisonset al.,1999℄.Ce iest dire tement visible sur la ourbe de remise à zéro de la phase ou phase-resetting urve (PRC). Celle- iprésente une zone danslaquelle unévénementex itateur pourra retarderl'apparition d'un potentiel d'a tionsileneuroneestdansun ertaindomainedephasedesonos illationinterne[Galanetal.,2005℄.
Fig.1.13Dessin issu del'observation aumi ros opede3 ellules granulaires du bulbe olfa tif. La barre horizontale en bas à droite représente une longueur de 25 mi rons. Image tirée et adaptée de [Reyheretal.,1991℄.
deux régimes de fon tionnement. Un état stable de basse a tivitéet unrégime de haute a tivité, plus dépolarisé,danslequelles ellulesmitralesprésenteraientdesos illationsinternes[Heywardetal.,2001℄. Lafaiblereprodu tibilitéde erésultatsuggèreune ara téristiquepeurépandue.
1.2.6 Les ellules granulaires
Les ellules granulaires sont des interneurones dont le orps ellulaire fait approximativement une dizainedemi ronsdediamètre.Celui- isesitueauniveaudela ou heplexiformeinterne.Lesgranules du bulbe olfa tif n'ont pas d'axone. Un seul arbre dendritique va du orps ellulaire vers la ou he plexiformeexternesuivantainsiuneorientationradialeauseindes ou hes on entriquesdubulbeolfa tif. Cet arbre fait environ une entaine de mi rons de long (voir dessin g. 1.13). Il réalise des synapses dendro-dendritiques ave les dendrites basales des ellules mitrales et des ellules à pana he [Pri e et Powell, 1970℄.Lesarbres se ondairesdesmitralesayantdetrès longuesrami ations, unemême ellule granulairepeutavoirdes liaisonssynaptiquesave des ellulesmitrales dont le orps ellulaire est très éloignégéographiquement.
Les liaisonssynaptiques granules->mitralessont detype GABAa. Ce neurotransmetteurest inhibi-teuret dé len heunehyperpolarisationdelamembraneduneuronepost-synaptique.Ainsi,une granule onstitue unlien inhibiteurindire t entre diérentes ellules mitralesqui n'ont pasde onta ts synap-tiques dire ts entre elles[Isaa son et Strowbridge, 1998℄.Les ellulesgranulaires semblent re evoirdes événementssynaptiquesinhibiteurs[Nusseretal.,1999℄.L'originede eux- irestein ertaineet pourrait provenirdesneuronesàaxones ourts (voirse tion1.2.4), desretours orti aux(voirse tion1.2.11)ou en ored'uneinhibition latéraledire te entre ellulesgranulaires.Ilsemblerait qu'ellespuissent re evoir une ombinaisonde esdiérentesintera tions[Nusseret al.,2001℄.
1.2.7 L'intera tion ellules relais - ellules granulaires
La génération d'un potentiel d'a tion par une ellule mitrale entraîne une u tuation de potentiel qui sepropagedans toutsonarbre dendritique(zone api aleet basale)[Debardieuxet al.,2003℄.Cette u tuationlibèrenonseulementduglutamateauniveaudupana hedel'arbredendritiqueapi al (dans les glomérules) [Urban et Sakmann, 2002℄ mais a tionne également des synapses ré iproques
dendro-Fig. 1.14 Enregistrement en voltage- lamp d'une ellule mitrale. En haut le potentielmembranaire de la ellule main-tenuà-70mV,saufdurantunestimulation à 0mV pendant 10ms.En bas, le ourant membranaire enregistrépendant lamême période.Imagetiréede[Isaa sonet Strow-bridge,1998℄.
1.2.8 L'inhibition ré urrente
Les synapsesdendro-dendritiques présentent au niveau lo al la dynamique suivante : le ux d'ions al iumquisepropagelelongdel'arbredendritiquese ondairedes ellulesmitralesdé len helalibération présynaptiquedeglutamate.Celui- ia tivelesré epteurspost-synaptiquesprin ipalementNMDAmais également non-NMDA des dendrites des ellules granulaires. Ces ré epteurs dé len hent en retour la libérationdeGABAré eptionnéparlesré epteursGABAadeladendritedela ellulemitrale.L'a tivation desré epteursNMDA des ellulesgranulairesentraîne une omposante lente dansla dépolarisationdu potentiel demembrane desgranules. Ils'ensuit une libération deneurotransmetteursGABA générant non pas unévénement uniquemais un barragede ourants post-synaptiques inhibiteurs mesurable au niveaudu orps ellulaire dela ellulemitrale (voir ourantsynaptique aprèsune brèvedépolarisation d'une ellulemitrale g.1.14).Ladistribution temporelle de es évènementsinhibiteurs estasyn hrone ave une onstantedetemps deplusieurs entainesdemillise ondes[Isaa sonetStrowbridge,1998℄.
1.2.9 L'inhibition latérale
L'a tivation d'une ellule mitrale peut entraîner l'inhibition d'autres ellules du même type bien qu'ellesn'aientpasdesynapsesentreleursarbresdendritiques(voirl'in uen edel'émissiond'unpotentiel d'a tionpar une ellulemitralesur le ouranttrans-membranaired'une autre ellule mitrale g.1.15). Ce i s'expliquepar lefait que l'a tivation d'une synapsemitrale-granulepeutse propagerdans l'arbre dendritiqued'unegranule.Celui- iétant onne téàdenombreuses ellulesmitrales,ilpeut onstituerle supportpouruneinhibitionlatérale entre ellulesmitrales.
Alorsquela ommuni ationentresynapsesdistantessefaithabituellementvialapropagationaxonique d'unpotentield'a tionsodiumgénéréauniveaudu orps ellulaire,i i,lesgranulesn'ayantpasd'axone, ette ommuni ationestissuedemé anismesplussinguliers.Lagénérationd'unpotentield'a tionpeutse rétropropagerauseindel'arbredendritique [Eggeretal.,2003℄ onstituantainsiunmé anismepossible pour l'inhibition latérale. Pourtant, l'inhibition latérale perdure ave une inje tion de TTX (produit himique enséprévenirlagénérationdepotentielsd'a tions)[Isaa sonetStrowbridge,1998℄et perdure également après l'ablationdes orps ellulaires des ellulesgranulaires[Lagier et al., 2004℄.De plus, il apparaîtqueles ellulesgranulairesgénèrentpeudepotentielsd'a tionin-vivo.Leve teurutilisédans e asest probablementdes potentielsd'a tion al iumàfaible seuil [Eggeret al.,2005℄.Ceux- ipeuvent êtregénérésauseinmêmedel'arbredendritiqueet sepropagerdanslarami ation.
Les ellulesmitralesliéesàunemême ellulegranulairereçoiventuneinhibitionlatéraleave des évè-nementsfortementsyn hrones.Ces événementssynaptiquesgénèrentdes ourantsdequelquesdizaines
Fig.1.15Enregistrementsintra ellulairesdu ourant trans-membranaire d'une ellule mitrale ayant émis un potentiel d'a tion (en haut)ainsi que d'uneautre ellule mitrale mon-trant un pro essus d'inhibition latérale (en bas).Image tirée de[Isaa sonetStrowbridge,1998℄.
mentquediérentes granulesreçoiventlesévènementsex itateurs provenantdes ellulesmitralesd'une manière orrélée[S hoppa,2006℄.Ce isuggèrequeles onnexionslatérales réentunréseaud'intera tions entreunegrande partdes ellulesmitrales.Ladynamiquede ette intera tioninhibitri e entremitrales semble omposéepar unesomme de ourantspost-synaptiques inhibiteurs unitaireset rapides, dont la sommation peut générer une dynamique plus lente. Cette dynamique lente serait issue des ré epteurs NMDAprésentsauniveaudes ellulesgranulaires[Isaa sonet Strowbridge,1998℄.
Laré eptionparles ellulesmitralesd'évènementsissusdel'inhibitionlatéralesembleavoirdiérents impa tsselonleurslo alisation.Sil'évènementarrivepro hedusomadela ellulemitrale,ilpeut l'hyper-polariseretainsiprévenirlagénérationdepotentield'a tion.S'ilarriveauniveaudesarbresdendritiques se ondairesd'unemanièreassezéloignéedusoma,ilpeutatténuerlapropagationdespotentielsd'a tion etainsis ulpterlazonedelibérationdeglutamateparles ellulesmitrales[Lowe,2002℄.
1.2.10 Le ortex olfa tif primaire
Le ortexolfa tifprimaireest onstituédu ortexpiriforme,dutuber uleolfa tif,du ortexentorhinal, du ortex périamygdalienet du ortexinsulaire[Johnson et al., 2000℄.Le ortexpiriforme(CP) est la stru ture laplusinnervée parles aéren esdutra tus olfa tiflatéral,lui-même issudu rassemblement desaxonesdes ellulesrelaisdubulbeolfa tif[Haberly,2001℄.Ilfaitpartiedupaléo ortex.L'organisation laminairedu CPest habituellementprésentéeen 3 ou hes.La premièreest onstituéedesliaisonsdes aéren es dubulbe olfa tifet de bresdu CP. La se ondeest unensemble de ellules pyramidales.La dernièreest onstituéede dendrites et axones provenantdes ellules pyramidalesde lase onde ou he [Rosinetal.,1999℄.D'autresétudesprésentent,au ontraire,lesaéren esprovenantdes ellulesmitrales et ellulesàpana he ommelargementdisséminéesàtraversleréseaudu ortex piriforme[Zhou etal., 2001℄.Des ellulesmitralesprovenantdumêmeglomérulesemblentposséderdesproje tionsaxonalesau seinduCPpro hesspatialement[Buonvisoetal.,1991℄.
Les ellules pyramidales du ortex piriforme disséminent très largement leurs arbres axoniques à traversle ortexpiriformemaiségalementverslesautresstru turesdu ortexolfa tif.Enréponseàune stimulation olfa tive, elles forment des artes d'a tivité très réparties [Zou et al., 2005℄.Des odorants diérents forment des artes diérentes mais qui se hevau hent en largesproportions. La répartition de es artesaugmente ave la on entrationdel'odorant.Cettea tivitédiuseest dueàlarépartition
Fig. 1.16 Enregistrement extra ellulaire des potentiels d'a tion générés dans un es-pa e limité du ortex piri-forme pour diérents odo-rants. De haut en bas, ben-zyl a etate, propyl butyrate, heptanal, ethyl proprionate, limonene, isoamyl a etate. Image tirée et adaptée de [Rennakeretal.,2007℄.
auseindu ortexpiriformeantérieur [Zhou etal., 2001℄.La onne tivité àl'intérieur duPCest diuse etnon ompartimentéeen olonnes orti ales[Johnsonet al.,2000℄.
Lesneuronesdu ortexpiriformeontuneréponseparti ulièreenfon tiondel'odorant.Ilspeuventêtre ex itésouinhibés(voir g.1.16).Letempsderéa tion hezleratanesthésiéestdequelques entainesde millise ondesquandl'odeurestinje téeendébutd'inhalation[Rennakeretal.,2007℄.Leura tivitén'est pas uniquement dépendante de la stimulation puisque de nombreuses inter onne tions entre diérents neuronesduCPexistent[Gellmanet Aghajanian,1993℄.
1.2.11 Les retours orti aux
Lesretours orti aux sont assezmal onnus. Ils onstituentunsystèmetop-down, .a.d.unretour desaires orti alessupérieures.Cesaéren es entrifugespeuventêtrediviséesen2groupes(voirs héma g.1.17): ellesqui relâ hentdesneuromodulateurset ellesissuesdu ortexolfa tif[Matsutaniet Y a-mamoto,2008℄.Lesproje tionslibérantdesneuromodulateurssontissuesde diérenteszones orti ales ommelelo us oeruleus,lenoyauduraphéetlapartiebasaledu ortexfrontal.Cesstru tureslibèrent respe tivementlesneurotransmetteurssuivants:delanorepinephrine,delaserotonineetde l'a etyl ho-line.Cesneuromodulateurssontlibéréslargementauseindubulbeolfa tifetontunea tionassezdiuse. Cesaéren essemblentavoirunr le danslepro essus deliaisonodeur-ré ompense[Kisely znyket al., 2006℄.
Lesproje tions venantdu ortexolfa tifont une a tionplus iblée.Leurs axonesse onne tentsur lesdendrites des granules auniveau de la ou he plexiforme externe et de la ou he glomérulaire. Les onnexionspro hesdes orps ellulairesdegranulessemblentêtreglutamatergiqueset don ex itatri es. Lesévènementssynaptiquesissusde essynapsessemblentavoirune onstantedetempsplusrapideque elle issue des synapsesdendrodendritiques ave les ellules mitrales.Cette ex itation peut in uer sur l'inhibitiondes ellulesmitrales[Baluetal.,2007℄.Lase tiondutra tusolfa tiflatéral oupelesretours provenantdu ortexolfa tif.Au niveaudynamique (voirse tion suivante), lebulbeolfa tif neprésente alorsplusquedesos illationsauxfréquen es
γ
. L'os illationβ
est supprimée[Nevilleet Haberly, 2003℄. Lesmêmesétudesontmontréquelafréquen eβ
étaitissued'un ourantsynaptiquesituéauniveaudesFig. 1.17 S héma présen-tant la onne tivité du sys-tème olfa tifselonune oupe saggitale.Pourplusde larté, lesproje tions entrifugesont été seulement dessinées en hautdubulbeolfa tifet elles entripètes en bas. Image ti-rée et adaptée de [Johnson etal.,2000℄.
Fig.1.18Potentielde hamplo al enregistréauniveaudela ou hede ellules mitrales du Bulbe Olfa tif durat.Onvoitun y leos illatoire
θ
(≈
500ms)surlequelsesuperpose un rythmeγ
suivi d'un rythmeβ
. Imagetiréeetadaptéede[Buonviso et al.,2003℄.1.2.12 Les os illations du bulbe olfa tif
Les diérentsmé anismessynaptiquesévoquésdans lesse tionspré édentes ont ha unleur propre dynamique. Ils interagissent entre eux et s ulptent la réponse initiée par la stimulation des NROs. Il s'en-suit une a tivitérythmique omplexeau seindusystème olfa tif. L'a tivitéos illante de eréseau est onnuedepuislongtempsave notamment destravauxpionniersréalisésen éle troen éphalographie (EEG) [Adrian, 1942℄. Depuis, ette dynamique a été largement étudiée ave notamment l'étude du signal appelé Potentiel de Champ Lo al (PCL). Celui- i est issu d'une éle trode pla éedans le milieu extra ellulaireetdonneuneinformationsurl'a tivitéglobaleduréseauneuronal.Destravauxontmontré que plusieurs fréquen esse mélangent et se su èdent au ours d'un y le respiratoire hez lerongeur [Buonvisoetal.,2003℄:lafréquen e
θ
(1-8Hz),lafréquen eβ
(15-35Hz)etlafréquen eγ
(40-80Hz)(voir g.1.18).Les os illations
θ
Lesos illations
