La littérature décrit certains phénomènes de réorganisation physiologique et fonctionnelle dans le cerveau des aveugles de naissance, notamment en ce qui a trait au traitement de l’information tactile et auditive. Cependant, le système olfactif des aveugles n’a reçu que très peu d’attention de la part des chercheurs. Le but de cette étude est donc de comprendre comment les aveugles traitent l’information olfactive au niveau comportemental et d’investiguer les substrats neuronaux impliqués dans ce processus. Puisque, en règle générale, les aveugles utilisent leurs sens résiduels de façon compensatoire et que le système olfactif est extrêmement plastique, des changements au niveau de l’organisation anatomo-fonctionnelle pourraient en résulter. Par le biais de méthodes psychophysiques et d’imagerie cérébrale (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle-IRMf), nous avons investigué les substrats anatomo-fonctionnels sollicités par des stimuli olfactifs. Nous avons trouvé que les aveugles ont un seuil de détection plus bas que les voyants, mais que leur capacité à discriminer et identifier des odeurs est similaire au groupe contrôle. Ils ont aussi plus conscience de l’environnement olfactif. Les résultats d’imagerie révèlent un signal BOLD plus intense dans le cortex orbitofrontal droit, le thalamus, l’hippocampe droit et le cortex occipital lors de l’exécution d’une tâche de détection d’odeur. Nous concluons que les individus aveugles se fient d’avantage à leur sens de l’odorat que les voyants afin d’évoluer dans leur environnement physique et social. Cette étude démontre pour la première fois que le cortex visuel des aveugles peut être recruté par des stimuli olfactifs, ce qui prouve que cette région assume des fonctions multimodales. / It is generally acknowledged that people blind from birth develop supra-normal sensory abilities in order to compensate for their visual deficit. While extensive research has been done on the somatosensory and auditory modalities of the blind, information about their sense of smell remains scant. The goal of this study was therefore to understand olfactory processing in the blind at the behavioral and the neuroanatomical levels. Since blind individuals use their remaining senses in a compensatory way to assess their environment and since the olfactory system is highly plastic, it is likely to be susceptible to changes similar to those observed for tactile and auditory modalities. We used psychophysical testing and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neuronal substrates responsible for odor processing. Our data showed that blind subjects had a lower odor detection threshold compared to the sighted. However, no group differences were found for odor discrimination and odor identification. Interestingly, the OAS revealed that blind participants scored higher for odor awareness. Our fMRI data revealed stronger BOLD responses in the right lateral orbitofrontal cortex, bilateral medio-dorsal thalamus, right hippocampus and left occipital cortex in the blind participants during an odor detection task. We conclude that blind subjects rely more on their sense of smell than the sighted in order to assess their environment and to recognize places and people. This is the first demonstration that the visual cortex of the blind can also be recruited by odorants, thus adding new evidence to its multimodal function.

There is little knowledge about olfactory learning in primates, even though primates are known to use olfaction in several behaviors including food selection and territorial defense. Therefore I assessed the olfactory learning and memory performance in five adult spider monkeys (Ateles geoffroyi) using a food-rewarded two-choice olfactory discrimination paradigm. The spider monkeys acquired the initial odor discrimination in 530-1102 trials and in a series of intramodal transfer tasks they needed 30-510 trials to reach the learning criterion. There was a significant negative correlation between the number of trials needed to reach the learning criterion and the number of transfer tasks completed. Thus, as a group, the animals displayed olfactory learning set formation. The number of trials that the spider monkeys needed in initial olfactory learning was comparable to that of other primate species tested previously but higher compared to that of other mammals such as dogs and rats. The learning speed of the spider monkeys in intramodal transfer tasks was similar to that of other mammals tested, suggesting that primates are less prepared to use olfactory cues in the initial solving of a problem but that once they learn the concept, their learning speed with novel odor discrimination problems is not generally slower than that of non-primate mammals. All spider monkeys tested reached the learning criterion in the memory tasks straight on the first testing day, that is: within 30 trials, suggesting similar long-term odor memory capabilities in spider monkeys and other mammals such as dogs, mice and rats.

O comportamento gregário é comum em algumas espécies de Opiliones. No período noturno indivíduos gregários saem do abrigo para forragear e ao amanhecer retornam ao ambiente de repouso. Químicos de coespecíficos têm sido discutidos como mediadores do retorno ao abrigo nos indivíduos da subordem Eupnoi, mas até o momento nada se sabe sobre as pistas que os indivíduos da subordem Laniatores utilizam para retornar ao abrigo. Recentemente, uma grande diversidade de receptores olfativos foi descrita nessa subordem e o uso do olfato à curta distância (< 2 cm) já foi documentado em agregados. Testamos as hipóteses do uso do olfato à longa distância (50 cm) na atração por (1) químicos voláteis emitidos diretamente de coespecíficos e (2) químicos voláteis próprios e de coespecíficos deixados previamente nos abrigos. Utilizamos um olfatômetro em formato de Y. Usamos como estímulos fêmeas e machos coespecíficos para (1) e abrigos dos sujeitos experimentais, de coespecífico do mesmo sexo e controle para (2). Para (1) machos de M. cuspidatus escolheram significativamente o lado do olfatômetro com machos coespecíficos. Fêmeas de M. cuspidatus não mostraram preferência por nenhum dos estímulos. Para (2) machos e fêmeas de M. cuspidatus não escolheram significativamente nenhum estímulo do olfatômetro. Esses resultados nos mostram que talvez machos de M. cuspidatus tenham maior sensibilidade olfativa comparada ao das fêmeas coespecíficas. Os machos de M. cuspidatus não mostraram preferência por fêmeas coespecíficas talvez porque no momento do experimento as fêmeas não estivessem liberando voláteis. Nossos resultados também mostram que indivíduos de M. cuspidatus não são atraídos à distância por químicos deixados no abrigo, talvez porque esses químicos sejam pouco voláteis ou porque os indivíduos detectaram o odor, mas optaram por não escolher o braço com odor próprio e nem de coespecífico. O olfato parece ser mais importante do que anteriormente mencionado em Opiliones / Gregarious behavior is common in some species of Opiliones. At night, gregarious individuals leave their shelter to forage and at dawn return to the original spot. Chemicals of conspecifics have been suggested to be mediators of homing in individuals of the suborder Eupnoi, but so far nothing is known about the cues used in the suborder Laniatores. Recently, a large diversity of olfactory receptors has been described in this suborder and the use of olfaction at close range (<2 cm) has already been documented in aggregations. We tested the hypotheses of the use of olfaction at long range (50 cm) in the attraction by (1) volatile chemicals emitted directly from conspecifics and (2) volatiles (own chemicals and conspecific chemicals) previously left in shelters. We used a Y-shaped olfactometer. We used conspecific females and males as stimuli for (1) and shelters of the experimental subjects and of conspecifics of the same sex for (2). For (1) males of M. cuspidatus chose significantly the side of the olfactometer with conspecifics males. Females did not choose any stimuli. For (2) males and females of M. cuspidatus did not choose any of the stimuli. Males may therefore be more sensitive than females. Males of M. cuspidatus did not show preference for conspecific females, perhaps because at the time of the experiment females were not releasing volatiles. Individuals of M. cuspidatus are not attracted at a distance by chemicals left in the shelter, perhaps because these chemicals are not volatile or because the individuals detected the odor, but chose not to walk towards it. Olfaction seems to be more important than previously mentioned in Opiliones

La formation d'un organe repose sur la coordination spatio-temporelle du positionnement et de la différenciation de progéniteurs. La finalité de ces évènements permet la constitution structurelle de l'organe et la production de la diversité cellulaire nécessaire pour assurer ses fonctions. L'épithélium olfactif de l'embryon de poisson-zèbre est issu de la migration de progéniteurs qui vont générer entre autres les neurones olfactifs. Au cours de ma thèse je me suis intéressé aux bases génétiques et moléculaires de la coordination de la morphogenèse et de la neurogenèse de cet épithélium tout en étudiant l'origine de la diversité des types cellulaires olfactifs. L'imagerie en temps réel m'a permis de caractériser la migration de ces progéniteurs en générant une carte morphométrique de leur déplacement. Mon travail de thèse révèle que le proneural Neurog1 régule directement l'expression de cxcr4b, un récepteur au chimiokine, dans les progéniteurs olfactifs assurant leur positionnement. Ainsi, Neurog1 coordonnerait la position et l'identité des progéniteurs olfactifs via ses cibles transcriptionnelles. Au sein de l'épithélium olfactif dans l'embryon, deux populations cellulaires (neurones à GnRH et neurones à microvillosités) ont été décrites comme provenant des crêtes neurales céphaliques (CNC). J'ai pu montrer que l'expression de marqueurs spécifiques de ces populations n'est pas affectée dans un contexte d'absence de différenciation des CNCs (sox10-/-) suggérant que ces types cellulaires ne dérivent pas de ce territoire. Afin d'identifier leur territoire d'origine, j'ai développé une méthode d'imagerie en temps réel, le backtracking, qui m'a permis de déterminer que la région de la placode olfactive, et non les crêtes neurales, génère ces deux types cellulaires. Ainsi j'ai pu définir la source de ces deux populations neuronales tout en minimisant la contribution des crêtes neurales. En conclusion mes résultats suggèrent que la diversité des neurones olfactifs serait produite localement et ceci conjointement à la morphogenèse de l'épithélium. / The correct development of sensory organs relies on the coordination between changes in progenitor positioning over time and the differentiation/specification of different neural subtypes. The outcome of this coordination is proper organ shape and cell diversity, which are required for functionality. The zebrafish embryonic olfactory epithelium arises from progenitor migration and differentiation. During my PhD, I studied the genetic and molecular basis of morphogenesis in this tissue, and how this is coordinated with neurogenesis, as well as revisiting the origin of olfactory cell type diversity.First, I generated a morphometric map of olfactory progenitors through the characterization of their migration in live embryos. Next, I showed that the proneural transcription factor Neurog1 directly regulates cxcr4b expression, a chemokine receptor that has already been shown to govern olfactory progenitor positioning. Thus, Neurog1 orchestrates olfactory progenitor position and the generation of olfactory neurons via distinct transcriptional targets. Secondly, I addressed the origin of olfactory neuron diversity. Within the embryonic olfactory epithelium, two cell populations (GnRH neurons and microvillous neurons) have been described as cephalic neural crest (CNC) derivatives. I found, however, that the expression of specific markers of both populations is unaffected in a genetic context blocking CNC differentiation. To revisit the lineage assignment of these cell types, I developed a backtracking approach through time-lapse live imaging. I found that both populations are derived from classical olfactory placode progenitor and not the CNC. In conclusion, my results indicate that heterogeneity of olfactory cell-types is locally generated, and concomitant with morphogenesis of the placode.

Dentre as hipóteses para explicar mecanismos utilizados por pombos-correios para se orientar e navegar no espaço destacam-se a utilização de dois fatores ambientais: gradientes de odores específicos na atmosfera e o campo geomagnético. Para determinar se há diferenças ou correlações entre áreas cerebrais envolvidas com as vias sensoriais olfatória e magnética, utilizou-se imunohistoquímica e gene de resposta imediata ZENK. Dois grupos foram expostos a estímulos olfatórios, mas um com oclusão de narinas. Um grupo foi exposto ao estímulo magnético variando em direção e intensidade semelhante ao campo geomagnético durante o voo, com narinas tampadas. Dois grupos não foram estimulados, mas um teve oclusão de narinas. Dados indicam igual marcação no bulbo olfatório, córtex pré-piriforme e córtex piriforme em animais com as narinas tampadas, expostos ou não ao estímulo magnético. O estímulo olfatório, por outro lado, foi eficaz em marcar estas estruturas. Conclui-se que o processamento central de pistas magnéticas não está intimamente correlacionado à via olfatória. / There are two main theories to explain how homing pigeons orient and navigate in their return flights from unfamiliar sites: by following olfactory cues in the atmosphere or by means of the geomagnetic field. The aim of this study was to determine whether magnetic and olfactory stimuli activate common brain areas in the pigeon, by an immunohistochemical technique using the immediate early gene ZENK. Two groups were exposed to smell, but one had their nostrils plugged. One group was exposed to a magnetic field varying in direction, of intensity similar to the geomagnetic field during flight, with nostrils plugged. Two groups were not stimulated, but one had their nostrils plugged, whereas the other did not. The data indicates that ZENK expression in the olfactory bulb, pre-piriform cortex and piriform cortex was not different in birds with nostrils plugged, whether magnetically stimulated or not. The conclusion is that central processing of magnetic cues is unlikely to be intimately related to the olfactory pathway.

Cette thèse étudie l'encodage de l'information sensorielle par les cellules relais du bulbe olfactif avec une approche associant analyse de données expérimentales et modélisation informatique. Le bulbe olfactif est principalement constitué de neurones excitateurs, dits cellules mitrales, interconnectés via des inter-neurones inhibiteurs, dits cellules granulaires.<br /><br />Dans un premier temps, l'analyse de données expérimentales recueillies en condition in vitro dans des tranches de bulbe olfactif de rats révèle le caractère phasé des potentiels d'action des cellules mitrales relativement aux oscillations du potentiel de champ local. Ce phasage est largement atténué lorsque l'on bloque pharmacologiquement l'inhibition provenant des granules, mettant ainsi en évidence le rôle primordial de l'inhibition synaptique. Afin d'extraire le décours temporel de la conductance synaptique inhibitrice, nous proposons une nouvelle méthode basée sur l'ajustement d'un modèle de neurone associé à l'injection de bloqueurs synaptiques. Grâce à celle-ci, nous observons que les fluctuations de la conductance synaptique inhibitrice sont corrélées à celles mesurées sur le potentiel de champ local. Une relation entre l'inhibition reçue et la phase des potentiels d'action est également dévoilée. Un neurone aura plus de chance d'émettre en phase s'il reçoit un nombre important d'événements synaptiques inhibiteurs et si ces événements sont eux-même phasés.<br /><br />Dans un deuxième temps, les résultats de cette analyse sont rassemblés au sein d'un modèle informatique de bulbe olfactif afin d'explorer les capacités de codage de l'interaction mitrale-granule. Après avoir montré que le transfert d'information des cellules mitrales semble plus résider dans leurs instants précis d'émission de potentiels d'action au cours des oscillations que dans leurs fréquences de décharges, nous étudions analytiquement l'influence du nombre d'événements synaptiques inhibiteurs reçus et de leur dispersion temporelle sur la précision de l'activité des cellules mitrales. Notre étude conclut que la robustesse du code produit par les cellules mitrales lors des oscillations du réseau est conditionnée par une forte interaction synaptique entre les cellules mitrales et les cellules granulaires. En dernier lieu, nous appliquons notre modèle de bulbe olfactif pour reconnaître des odeurs à l'aide d'une matrice de capteurs de gaz artificiels.

La réalité virtuelle est un domaine en plein essor actuellement. Un des sujets de recherche dans ce domaine concerne l'immersion et la sensation de présence en environnement virtuel. Pour augmenter l'immersion, les chercheurs se sont intéressés aux retours sensoriels comme le retour sonore, haptique ou tactile. Très peu de recherches ont été réalisées sur les retours olfactifs. Ce travail traite de l'intégration du retour olfactif en environnement virtuel. Dans un premier temps, différentes expériences ont été réalisées afin de mettre en place une méthodologie permettant de caractériser les types de diffuseurs. Les résultats ont montré que la subjectivité des sujets entraîne l'obligation de calibrer un diffuseur avant de l'utiliser dans une application. Ce document présente une taxinomie du choix de diffuseurs en fonction de différents paramètres comme les techniques d'interaction définies par D.A. Bowman et al. ou les interfaces de visualisation. Ce travail a permis également une première évaluation du retour olfactif sur deux points : la sensation de présence du sujet et la mémorisation d'objets ou d'événements.

L'objectif de cette thèse est de décrire le réseau cérébral et la dynamique neuronale qui pourraient servir de support aux aversions alimentaires de type olfactives. Nous avons réalisé des enregistrements multisites de potentiel de champ locaux chez le rat vigile engagé dans cet apprentissage, en proposant deux modes de présentation de l'indice olfactif : à proximité de l'eau de boisson (distal) ou ingéré (distal-proximal). Après apprentissage, la présentation du seul indice distal induit l'émergence d'une activité oscillatoire de forte amplitude dans la bande de fréquence beta (15-40 Hz). Finement corrélée au comportement d'aversion de l'animal, cette activité est proposée comme la signature du réseau de structures fonctionnellement impliquées dans la reconnaissance de l'odeur en tant que signal. Nous montrons que ce réseau peut être plus ou moins étendu selon la façon dont le stimulus a été perçu lors du conditionnement: dans certaines aires (bulbe olfactif, cortex piriforme, amygdale basolatérale, cortex orbitofrontal) la modulation en puissance de l'activité beta se fait indépendamment du mode de conditionnement; dans d'autres aires (cortex insulaire, cortex infralimbique) ces changements ont lieu si et seulement si l'odeur a été ingérée. Complétés par l'étude des interactions fonctionnelles entre ces différentes structures dans la bande de fréquence considérée, ces résultats nous permettent de mieux comprendre comment un stimulus peut être représenté en mémoire dans un réseau cérébral en fonction de l'expérience que l'animal en a fait.

<p>In the present thesis, three empirical studies investigate autobiographical odor memory with regard to: (a) whole life-span age distributions, (b) phenomenological experience, (c) semantic processing, and (d) odor imagery. Study I explored potential influences of cue type (words, pictures, odors) on the retrieval of autobiographical memories. The results indicated that odor-evoked events were older than memories evoked by words and pictures. The bump for olfactory evoked information peaked in the first decade of life (<10 years of age), whereas the bump of the word- and picture-evoked age distributions peaked in the second decade (i.e., 11-20 years of age). Also, olfactory evoked events were associated with stronger feelings of being brought back in time. Study II investigated the influence of verbal processing on the retrieval of autobiographical olfactory information. The results revealed that semantic knowledge (i.e., the odor name) affected both the age distribution and phenomenological experience. Also, olfactory memories were associated with a higher emotional arousal. Study III addressed the influences of olfactory imagery on the age distribution and phenomenological experiences. The results showed that events evoked by odor imagery were older than memories evoked by words. No differences in phenomenological experiences were found between the two cue conditions. Based on these findings, it is suggested that (a) memories evoked by olfactory information are older than memories evoked by verbal and visual information, (b) odor memories are more emotional and associated with stronger feelings of being brought back in time, (c) knowledge of an odor’s name produces a shift from a more perceptually to a more conceptually driven retrieval, and that (d) imagined odor cues mimic the age distribution of events evoked by real odors. Overall, the results suggest that memories triggered by the olfactory sensory system are different from memories evoked by verbal or visual information.</p>

Le travail décrit dans ce mémoire a été effectué dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire d'Électronique de l'École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI), et l'équipe "Neurobiologie de la mémoire olfactive" de l'Institut des Sciences Cognitives de Lyon. L'étude des dynamiques neuronales associées aux processus cognitifs peut être abordée par l'analyse de l'activité électrique de populations neuronales enregistrée par des électrodes placées sur le scalp (électroencéphalogramme ou EEG); ou en profondeur (local field potential ou LFP) qui fournissent une meilleure résolution spatiale sur l'origine du signal. On détecte ainsi des motifs d'activité rythmiques divisés en bandes de fréquences (rythmes alpha, bêta, gamma...) et qui traduisent différents "états cérébraux" comme le niveau de vigilance et d'attention ou certains états pathologiques comme l'épilepsie. On ignore toutefois si ce type d'activité révèle également des aspects plus fins du traitement de l'information comme par exemple la réponse neuronale sélective ("code neuronal") à une stimulation sensorielle donnée. S'il en est ainsi, on devrait pouvoir mettre en évidence que la présentation d'un stimulus sensoriel donné évoque un pattern reproductible d'activité oscillatoire. C'est pourquoi dans un premier volet nous nous intéressons, dans ce travail, à l'analyse des représentations temps-fréquence des signaux LFP enregistrés chez le rat libre de se mouvoir en réponse à différents odorants. Dans un second volet, nous analysons des enregistrements EEG de courte durée obtenus chez des patients dont on soupçonne qu'ils développeront la maladie d'Alzheimer. Nous cherchons à détecter des patterns d'activité oscillatoires qui pourraient contribuer au diagnostic. Ces deux approches sont rendues possibles par une nouvelle méthode d'analyse des cartes temps-fréquence qui fait l'objet de cette thèse. La méthode que nous présentons ici, la "modélisation en bosses", fournit une représentation simple, parcimonieuse en nombre de paramètres, des cartes temps-fréquence obtenues par décomposition du signal en ondelettes. Cette modélisation permet l'extraction de caractéristiques temps-fréquence, à l'aide desquelles l'analyse statistique d'enregistrements nombreux, et la détection de motifs temps-fréquence reproductibles, peuvent être effectuées. La méthode est d'abord validée sur des signaux artificiels (simulation de signaux réels). Elle est ensuite appliquée en premier lieu à l'analyse de plusieurs centaines de réponses aux odeurs obtenues dans le bulbe olfactif du rat (signaux LFP). Nous montrons d'une part que chacun des 4 odorants évoquent des patterns d'activité oscillatoire reproductibles et que certains de ces patterns diffèrent entre eux de façon significative. Ces motifs spécifiques d'activité, principalement observés dans la bande beta (15-35 Hz), pourraient refléter le recrutement successif d'assemblées neuronales associées à la représentation du stimulus. Pour les signaux EEG, nous présentons les premiers résultats d'une étude effectuée en collaboration avec le laboratoire LABSP du Riken Brain Science Institute (Wako, Japon). Nous montrons que notre méthode permet une détection précoce de la maladie (18 à 24 mois avant le diagnostic de la pathologie) avec une précision largement améliorée par rapport aux prédictions effectuées par d'autres méthodes sur la même base de données. En conclusion, notre approche montre qu'il est possible d'extraire à partir de l'analyse des motifs complexes d'activités oscillatoires générées par de larges populations neuronales des corrélats du traitement de l'information sensorielle et la signature encore discrète d'états pathologiques.