Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Selon les dernières estimations mondiales, plus de 43,3 millions d’individus seraient atteints d’une privation visuelle. Autrement dit, l’aptitude de ces individus à percevoir visuellement le monde et les détails qui le composent est presque ou totalement nulle. Bien que privés de l’un des sens les plus importants, ces derniers parviennent à s’adapter et interagir, de façon remarquable, avec l’environnement, et ce, en s’appuyant principalement sur leurs sens préservés. La navigation dans l’espace, la localisation et l’identification d’objets ou de personnes ainsi que la lecture ne sont que quelques exemples permettant d’illustrer la compensation comportementale réalisée par l’entremise des autres canaux sensoriels chez les individus atteints de cécité. L’accomplissement fructueux de telles activités nécessite certes un apprentissage chez les individus aveugles, mais permet également de mettre en lumière qu’au-delà d’une différence de perception visuelle, l’adaptation à une existence vécue dans l’obscurité la plus complète occasionne des changements dans le traitement de l’information en provenance des autres modalités sensorielles. Ces transformations comportementales, issues principalement de la réorganisation cérébrale occasionnée par un déficit perceptif, constitue un sujet d’intérêt pour la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Bien que l’apparition des techniques d’imagerie cérébrale non-invasives a permis d’élucider jusqu’à présent de nombreux mystères concernant l’incroyable capacité du cerveau à se modifier sous l’effet de l’expérience, de nombreuses questions demeurent sans réponse. Ainsi, les articles composant cette thèse ont pour objectif principal de contribuer à l’état des connaissances actuelles concernant la réorganisation cérébrale chez les individus atteints de cécité, tant au niveau fonctionnel que structurel, et ce, afin de mieux saisir les répercussions de ces changements cérébraux sur le comportement des non-voyants. Plus particulièrement, nous avons souhaité investiguer l’impact de la privation visuelle précoce sur les régions cérébrales impliquées dans traitement des informations chimiosensorielles (olfactives et trigéminales). Pour ce faire, nous avons d’abord souhaité préciser les mécanismes de réorganisation cérébrale de type structurel prenant place au sein des régions traitant l’information de nature olfactive auprès d’aveugles congénitaux, et ce en comparaison à leurs pairs voyants. L’article 1 de cette thèse révèle que les individus aveugles présentent de multiples altérations cérébrales dans les régions composant le système olfactif. Bien que les aveugles congénitaux inclus dans notre étude présentent des volumes significativement réduits au niveau des bulbes olfactifs, du cortex orbitofrontal et du complexe parahippocampique, leurs performances olfactives, mesurées à l’aide d’épreuves standardisées, demeurent comparables à celles obtenues chez leurs pairs voyants. Nos résultats supportent ainsi la présence d’une réorganisation intramodale au sein du système olfactif chez les aveugles congénitaux, laquelle n’ayant aucune incidence mesurable sur leurs performances olfactive. D’autre part, nous avons souhaité explorer, par le biais de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle, si, tout comme pour le traitement de stimuli auditifs et tactiles, les régions habituellement dévolues au traitement visuel participaient, chez l’individu atteint cécité au traitement particulier d’une odeur. Plus précisément, l’article 2 de cette thèse révèle que les aveugles congénitaux sollicitent davantage leur cortex occipital que leurs pairs voyants lors d’une tâche de localisation d’odeurs. Toutefois, lorsque ces mêmes odeurs doivent être identifiées, aveugles et voyants présentent des niveaux d’activité cérébrales comparable dans les régions occipitales. Nos résultats supportent ainsi la présence d’un recrutement intermodal lors du traitement chimiosensoriel de différentes odeurs. Mis ensemble, ces résultats contribuent à une meilleure appréciation des changements cérébraux à la suite d’une privation visuelle, notamment en ce qui concerne les régions impliquées dans le traitement des informations de nature chimiosensorielle. Cette thèse doctorale s’inscrit de façon intéressante au sein des théories de la compensation comportementale présente chez l’individu aveugles, de même que les mécanismes sous-tendant la neuroplasticité structurelle et fonctionnelle des systèmes sensorielles. / According to the latest global estimates, more than 43.3 million people suffer from visual deprivation. In other words, the ability of these individuals to visually perceive the world and the details that compose it is almost or totally absent. Although deprived of one of the most important senses, they manage to adapt and interact with their environment, and this, by relying mainly on their remaining senses. Navigating in space, locating and identifying objects or people, and reading are just few examples that illustrate the behavioral compensation achieved through other sensory channels among individuals living with blindness. The successful accomplishment of such activities certainly requires learning or adaptation. However, it also highlights that beyond a difference in visual perception, adaptation to an existence lived in complete darkness causes changes in the processing of information from other sensory modalities. These behavioral transformations, resulting from the cerebral reorganization caused by a perceptual deficit, have been a subject of interest in the scientific community for many years. Although the emergence of non-invasive brain imaging techniques has, so far, elucidated many mysteries concerning the incredible capacity of the brain to change under the effect of experience, many questions remain unanswered. Thus, the articles included in this thesis have the main objective of contributing to the current knowledge of cerebral reorganization found in individuals living with blindness. More specifically, we wanted to investigate the impact of early visual deprivation on brain regions involved in the processing of chemosensory information (olfactory and trigeminal). To do this, we first evaluated the structural cerebral reorganization taking place among congenitally blind individuals within the olfactory regions. The first study of this thesis reveals that blind individuals present multiple cerebral alterations in the regions composing the olfactory system. More precisely, we found that congenitally blind individuals present significantly reduced olfactory bulb volume, as well as reduction in grey matter density in the orbitofrontal cortex and the parahippocampal complex. Despite this, their olfactory performances, measured using standardized tests, remain comparable to those obtained by their seeing counterparts. Therefore, our results support the presence in congenitally blind individuals of an intramodal reorganization within the olfactory system, which has no measurable impact on their olfactory performance. Through functional magnetic resonance imaging, we wanted to explore if regions that are usually devoted to visual processing are in congenitally blind individuals engaged for the processing of different components of an odor (i.e. olfactory and trigeminal components). More specifically, compared to their sighted counterparts, we found stronger activation in the occipital cortex of blind individuals during our odor localization task. However, when identifying the same odorants, blind and sighted individuals show comparable levels of brain activity in the occipital regions. Our results thus support the presence of cross-modal recruitment during the chemosensory processing of odors. Taken together, these results contribute to a better appreciation of cerebral changes following visual deprivation, particularly in regions involved for the processing of chemosensory information. In an interesting way, the results of this doctoral thesis fit some of the theories stated for blind individuals, such as the structural and functional neuroplasticity of sensory systems.

La perception des signaux chimiques de l’environnement est un processus nécessaire aux interactions sociales entre les animaux. La Drosophile détecte les molécules odorantes et sapides grâce à ses systèmes gustatif et olfactif impliquant plusieurs familles multigèniques de chimiorécepteurs. Ainsi, ces composés chimiques pénétrant dans l'organe sensoriel (sensille) doivent être solubilisés avant d'être transportés à travers la lymphe sensillaire hydrophile baignant les dendrites des neurones chimiosensoriels. Ces événements périrecepteurs font intervenir plusieurs familles de protéines solubles parmi lesquelles se trouvent les odorant-binding proteins (OBPs). Si les OBPs ont été initialement identifiées dans les sensilles olfactives, certaines sont également exprimées dans les sensilles gustatives. La fonction physiologique des OBPs est encore peu connue mais certaines études révèlent que ces protéines agissent comme transporteurs de molécules lipophiles. Les affinités relativement faibles des OBPs pour les odorants ainsi que leur abondance dans la lymphe sensillaire suggèrent que ces protéines peuvent se lier, solubiliser et transporter des molécules hydrophobes jusqu’aux chimiorécepteurs en traversant la lymphe sensillaire hydrophile. De nouveaux rôles ont été attribués aux OBPs, et en particulier leur capacité à «tamponner» des changements soudains de concentrations d'odorants et leur implication dans la détection de l’humidité. Récemment, l’OBP49a exprimée dans les sensilles gustatives, a été montrée comme étant impliquée dans la détection de certains composés amers. Comme le rôle pérircepteur des OBPs reste encore très peu compris, l'objectif de mon projet de thèse a consisté à clarifier l'implication de certaines OBPs dans l'odorat et le goût chez Drosophila melanogaster. Ma thèse a d’abord consisté à mesurer le rôle des OBPs dans la perception des composés alimentaires chez les adultes D. melanogaster. Les OBPs exprimées dans les appendices gustatifs ont été identifiées par q-PCR et produites en utilisant un système d'expression hétérologue, la levure. Les propriétés de liaison des OBPs recombinantes purifiées ont ensuite été testées pour leur capacité à lier de nombreux ligands potentiels. L’OBP19b est capable de lier certains acides aminés. La cartographie des sensilles et des cellules exprimant l’OBP19b révèle que cette protéine est uniquement exprimée dans certaines cellules accessoires de sensilles précises du labellum. L’OBP19b a été aussi localisée dans le tube digestif et dans certains organes reproducteurs. La comparaison des réponses comportementales et électrophysiologiques sensillaires des mouches témoins et des mouches transgéniques a confirmé que l’OBP19b est impliquée dans la détection de certains acides aminés. De plus, la comparaison des séquences protéique a révélé sa relativement haute conservation au sein des espèces de Drosophilidae et même entre Diptères, ce qui suggère qu’elle joue un rôle crucial vis-à-vis de la recherche de nutriments chez ce groupe d’espèces. J’ai ensuite étudié le rôle de l’OBP28a dans l’olfaction. Cette OBP, l’une des plus abondante dans les antennes de Drosophile, a été montrée importante pour tamponner les variations soudaines de concentrations d'odorants. Des études structurales, génétiques, biochimiques, comportementales et électrophysiologiques ont été réalisées en collaboration avec les membres de l’équipe. L’OBP28a a d'abord été exprimée puis purifiée et sa structure 3D a été résolue. L'étude de ses propriétés de liaison a révélé la capacité de l'OBP28a à se lier à des composés floraux tels que la β-ionone. Les mesures comportementales et électrophysiologiques ont confirmé son rôle physiologique dans la détection de la β-ionone. En conclusion, ma thèse de doctorat met en évidence les rôles nouveaux de deux OBPs dans la chimioréception: l’OBP28a est impliquée dans le détection de molécules florales alors que l’OBP19b est nécessaire pour détecter certains acides aminés. / Chemoperception is used by animals to detect nutritive food and avoid toxic compounds. It also allows animals to identify suitable ecological niche and mating partners. Like many other insects, Drosophila melanogaster possesses a very sensitive chemosensory ability and can detect and discriminate a wide panel of semiochemicals. Chemosensory detection is mostly mediated by olfactory and gustatory systems involving several multigene chemoreceptor families. Volatile and non-volatile chemical compounds entering the sensory organ (sensillum) must be solubilized before being transported through the hydrophilic sensillum lymph bathing the dendrites of chemosensory neurons. These perireceptor events involve a family of soluble proteins named odorant-binding proteins (OBPs). Despite the fact that OBPs were initially found in olfactory sensilla, some OBPs are also expressed in gustatory sensilla. While their physiological roles in olfaction and gustation remain unclear, many studies suggest that OBPs transport lipophilic chemicals. The relatively low affinity of OBPs for odorants and their high abundance in the sensillum lymph both suggest that OBPs can bind, solubilize and transport hydrophobic stimuli to the chemoreceptors across the aqueous sensilla lymph. In addition to this broadly accepted “transporter role” hypothesis, OBPs have also been proposed to buffer sudden changes in odorant levels and to be involved in hygroreception. The role of OBP49a was recently shown in taste: this OBP, expressed in the gustatory system, is required to detect some bitter compounds. However, the role of OBPs in perireceptor events remains largely unknown. The main goal of my thesis project consisted to investigate the involvement of OBPs in the smell and taste sensory modalities using a multi-faceted approach in Drosophila melanogaster.My first research axis consisted to better understand the role of OBPs in the perception of food compounds by using both in vitro and in vivo approaches of OBPs expressed in the gustatory appendages of D. melanogaster adults. After identifying by q-PCR the OBPs expressed in gustatory appendages, we produced them using a heterologous yeast expression system. Then, the binding properties of the recombinant purified OBP were investigated. Our binding assay screen revealed that the taste-expressed OBP19b is able to bind some amino acids. The expression of OBP19b was mapped in specific accessory cells in a subset of proboscis sensilla. This OBP was also expressed in the digestive tract and in some internal reproductive organs. The comparison of behavioural and single-taste sensilla responses between transgenic variants and control flies supported our finding that OBP19b is indeed involved in the detection of some amino acids. Finally, the comparison between various dipteran insects of the OBP19b-like protein coding sequence indicates the relatively high conservation of this protein suggesting its critical role in food search.The second research axis of my PhD thesis focused on the olfactory role of OBP28a. OBP28a was previously shown to be highly expressed in the Drosophila antennae and proposed to buffer quantitative odour variations. To better understand the physiological role of this OBP, and in collaboration with different members of the team, we used structural, genetic, biochemical, behavioural and electrophysiological methods to better understand the role of this OBP. OBP28a was first heterologously expressed and purified. The folding of OBP28a was then determined and the protein was crystallized. The study of the binding properties of OBP28a revealed that it can bind floral compounds such as β-ionone. Behavioural and electrophysiological recordings supported the physiological role of OBP28a in β-ionone detection. In summary, this PhD thesis reveals novel roles of two OBPs in perireceptor chemoreception: OBP28a in the detection of floral compounds and OBP19b in the detection of some amino acids.