Comment les odeurs contrôlent-elles le comportement animal ? Dans ma thèse, j'ai utilisé des manipulations optogénétiques et chimiogénétiques in vivo de l'activité neurale combinées à des analyses comportementales pour explorer l'organisation de circuits cérébraux impliqués dans des comportements olfactifs chez la souris. J'ai mis au point un test de conditionnement aversif olfactif indépendant de l'intensité des odeurs. J'ai démontré que les souris pouvaient généraliser une réponse aversive en présentant différentes concentrations d'odeurs. J’ai ensuite testé si les souris pouvaient apprendre cette tâche en inactivant les interneurones exprimant la parvalbumine dans le cortex olfactif (piriforme). J'ai trouvé que l’inactivation des cellules PV, n'était pas suffisante pour abolir l'aversion aux odeurs acquise, ce qui suggère que des composants de circuits neuronaux supplémentaires contribuent à la perception de l'odeur indépendamment de sa concentration. Ensuite, j'ai tenté de comprendre la constitution relative des différentes voies neurales du piriforme dans ce comportement d’aversion apprise. À l'aide d'outils génétiques et viraux, j'ai ciblé des sous-populations distinctes de neurones piriformes, et j'ai constaté que l'activité neurale induite par la lumière dans les cellules du piriforme projetant vers le bulbe olfactif et vers le cortex préfrontal, mais pas dans les cellules du piriforme projetant vers l’amygdale corticale et vers le cortex entorhinal latéral était suffisante pour supporter le conditionnement aversif. Ces résultats contribuent à mieux comprendre les propriétés fonctionnelles des circuits neuronaux corticaux pour l'olfaction. / How do odors control animal behavior ? In my thesis, I have used in vivo optogenetic and chemogenetic manipulations of neural activity combined with behavioral analyses to explore the organization of brain circuits involved in olfactory behaviors in mice. In the first part of the thesis, I established an odor intensity-independent olfactory conditioning task. I demonstrated that mice were able to generalize a learned escape behavior across a range of different odor concentrations. I then tested if by silencing Parvalbumin-expressing interneurons in the olfactory (piriform) cortex, a candidate cell population for mediating odor concentration invariance, mice would fail to learn the task. I found that silencing PV cells was not sufficient to abolish learned aversion, suggesting that additional neural circuit components contribute to concentration-invariant odor perception. Next, I asked whether different piriform neural output pathways differed in their ability to support learned aversion. Using viral-genetic tools, I targeted distinct subpopulations of piriform neurons and I found that light-induced neural activity in only piriform principle cells could drive a behavioral response. Furthermore, I tested the sufficiency of subpopulations of piriform projection neurons to drive learned aversion. I found that photostimulation of olfactory bulb- and prefrontal cortex-projecting piriform neurons was sufficient to support aversive conditioning, but not the photostimulation of cortical amygdala- and lateral entorhinal cortex-projecting piriform neurons. Together, these results provide new insights into the functional properties of cortical neural circuits for olfaction.

L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs.

Les comportements olfactifs nécessitent de reconnaitre les odeurs sur une large gamme de concentration tout en restant sensible aux changements de concentration. Pour accomplir cette tâche paradoxale, le système olfactif doit façonner des représentations des odeurs qui soient à la fois dépendantes et indépendantes de leurs concentrations.Nous avons combiné des techniques de génétique murine, microscopie biphotonique, et enregistrements neurophysiologiques extracellulaires pour caractériser l’activité neuronale en réponse aux odeurs dans le bulbe olfactif et le cortex olfactif (piriforme) de la souris. En utilisant une souris au « nez monoclonal », nous montrons que les circuits du bulbe olfactif sont capables d’amplifier les entrées sensorielles très faibles, et d’atténuer les entrées envahissantes. En revanche, nous observons que le niveau d’activité neuronale induite par les odeurs dans le cortex piriforme est globalement indépendant de leurs concentrations. En outre, nous avons identifié une sous-population de neurones du cortex piriforme encodant l’identité d’une odeur indépendamment de sa concentration. Nos résultats d’imagerie calcique in vivo et d’enregistrement neurophysiologiques suggèrent que cette invariance à la concentration dans le cortex piriforme est assurée par les interneurones positifs à la paravalbumine, une sous-population de neurones inhibiteurs.Ces résultats mettent en évidence deux étapes différenciées du traitement de l’information dans les voies neurales de l’olfaction : tandis que le bulbe olfactif normalise les entrées sensorielles, les microcircuits du cortex piriforme intègrent cette information en composantes sensorielles distinctes. / Olfactory behaviors require the identification of odors across a large range of different concentrations, yet are exquisitely sensitive to changes in odor concentrations. To accomplish this seemingly paradoxical task the olfactory system must generate odor representations that are, at once, both concentration-dependent and concentration-invariant.We have used a combination of mouse genetics, in vivo two-photon microscopy, and extracellular multielectrode recording techniques to characterize odor-evoked activity in the olfactory bulb and olfactory (piriform) cortex of mice. Taking advantage of a mouse with a “monoclonal nose” in which the sensory input map is strongly perturbed, we show that olfactory bulb circuits are able to amplify very weak sensory inputs, and to suppress pervasive input.In contrast, we found that the overall level of odor-evoked neural activity in the piriform cortex is largely concentration-invariant. Moreover, we identified a small subpopulation of odor-responsive piriform neurons, which encodes odor identity independent of concentration. In vivo calcium imaging and extracellular multielectrode recordings suggest that parvalbumin-expressing interneurons, a subpopulation of inhibitory neurons, mediate concentration invariance in the piriform cortex.These results highlight contrasting processing mechanisms of sensory information along the olfactory pathway: while the olfactory bulb normalizes sensory inputs, microcircuits of the piriform cortex integrate this information into distinct sensory features. This process may allow for the simultaneous representation of identity and intensity in the olfactory system.

L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs. / The aim of this thesis was to use MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) for studying the processing of behaviorally significant odors in the rat primary olfactory cortex, under conditions close to natural perception in awake animals. MEMRI is a method based on the detection of o functional and remanent contrast agent, manganese, which has proved to be valuable dor studying odor processing in the olfactory bulb. However , this method has mainly been used to trace neuronal pathways, but seldom to explore sensory functions. Here, we have conducted two studies to define the conditions of application of manganese and to optimize processing of MEMRI images. Based on these methodological developments, we have then used MEMRI to investigate the activation of central olfactory structures following exposure of awake rats to biologically relevant odors (food and predator odors compared to a control situation). MEMRI revealed that a predator is processed differently from the control situation in the primary olfactory cortex. Fos immunolabeling in the anterior piriform cortex corroborated this result. Altogether, MEMRI and Fos results suggest that olfactory processing may rely on both the intensity of activation and the size of neuronal populations recruited. Finally, MEMRI revealed that the olfactory message, crucial for survival, is asymmetrically processed in the brain. Methodological and scientific advances brought by this thesis will be useful for better understanding brain olfactory processing.

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