Si le rôle de la gustation sur le développement des préférences alimentaires a été étudié par le passé, il n’en ait pas de même du rôle de l’olfaction. Les objectifs de ce travail de thèse étaient d’étudier les réponses olfactives des nourrissons, leur dynamique au cours des deux premières années de vie, ainsi que leurs relations avec les expositions aromatiques précoces, l’appréciation alimentaire et le comportement néophobique des nourrissons. Ce travail, s’inscrivant dans le cadre de l’étude longitudinale OPALINE (Observatoire des Préférences ALImentaire du Nourrisson et de l’Enfant), a permis d’évaluer les réponses olfactives envers des odeurs alimentaires agréables, comme la vanille, et désagréables, comme le poisson, chez les nourrissons de 8, 12 et 22 mois. Les résultats révèlent que, dès 8 mois, les nourrissons sont capables de discriminer les odeurs agréables des odeurs désagréables. Toutefois, si des réponses d’évitement envers certaines odeurs désagréables sont observées, aucune réponse d’attraction n’est décrite au cours des deux premières années de la vie. De plus, nos résultats mettent également en évidence une certaine plasticité des réponses olfactives. Seules les réponses à quelques odeurs alimentaires désagréables sont stables entre deux âges consécutifs suggérant que les réponses hédoniques négatives vis-à-vis d’odeurs alimentaires apparaitraient plus précocement que les réponses hédoniques positives.Concernant les effets des expositions aromatiques précoces, il apparaît que plus un nourrisson a été exposé, in utero ou durant l’allaitement, aux notes aromatiques désagréables de certains aliments, moins il aura de réponses d’évitement face aux odeurs de ces aliments à 8 mois, mais pas au-delà.Lors de la diversification alimentaire (8 mois), la composante olfactive ne semble pas avoir d’impact sur l’appréciation des aliments nouvellement introduits. En revanche, à 12 mois, la composante olfactive pourrait jouer un rôle de modulateur dans l’appréciation des aliments à flaveur prononcée. Ce rôle n’est plus observé à 22 mois. Nos résultats mettent également en évidence que la réactivité différentielle à différentes odeurs, et non à différentes saveurs, est liée au degré de néophobie du nourrisson, suggérant que seules les odeurs contribuent à la méfiance envers les aliments nouveaux au cours de la seconde année de vie. Ce travail met en avant que les expositions aromatiques précoces peuvent influencer les réponses olfactives au début de la diversification alimentaire, période favorable à l’acceptation des aliments. Autour de l’âge d’un an, quand le répertoire alimentaire des nourrissons s’élargit et intègre des aliments dits « adultes », l’odorat jouerait un rôle clé dans l’appréciation des aliments en agissant comme un système d’alarme protégeant le nourrisson des aliments potentiellement dangereux / The role of taste on food preferences has already been investigated, however, little is known about the role of olfaction. The main objectives of this work were to assess infants’ olfactory responses, their dynamic during the first two years of life, and also their links with early food exposures, food liking and infants’ food neophobia. This work was conducted within a longitudinal study named OPALINE (Observatory of food preferences in infants and children). Olfactory responses were assessed, in 8-, 12- and 22-month-old infants, towards pleasant odours, such as vanilla, and unpleasant odours, such as fish. The results reveal that, from 8 months, infants can discriminate pleasant and unpleasant odours. However, only avoidance responses are observed towards some unpleasant odours; no attraction responses are highlighted during the first two years of life. Our results also suggest a plasticity of olfactory responses. Only responses towards some unpleasant odours are stable between two consecutive ages, suggesting that negative hedonic responses towards food odours would appear earlier than positive ones. Concerning the effects of early food exposure, it appears that the more an infant has been exposed, in utero or during breastfeeding, to some unpleasant food odours, the least s/he exhibits avoidance responses towards these food odours at 8 months, but not beyond. When complementary feeding has begun (8 months), olfaction does not seem to impact new food liking. However, at 12 months, olfaction can play a role of modulator in liking of the foods with strong flavour. This role is not observed anymore at 22 months. Our results also highlight that differential olfactory responses, and not gustatory ones, are linked to infants’ food neophobia suggesting that only odours contribute to the suspicion towards unfamiliar foods during the second year of life. This work stresses that early sensory exposures influence responses towards unpleasant odours at the onset of complementary feeding, which is a favourable period to food acceptance. Then, olfaction can play a role in food liking by acting as an alarm system protecting the infants against potentially harmful food

Le champ des neurosciences connaît depuis quelques décades un développement très important dans la compréhension des corrélats neuronaux de la perception. Le cerveau adulte répond aux variations de l'environnement et à l'expérience par des modifications fonctionnelles et structurales, regroupées sous le terme générique de plasticité, plasticité qui sous-tend l'apprentissage. Cette plasticité affecte la perception sensorielle, olfactive puisque c'est cette modalité qui va nous intéresser, mais également la perception de stimuli dans d'autres modalités sensorielles. Contrairement à des convictions longtemps érigées en dogme mais maintenant dépassées sur la nature fixe du cerveau, il est établi désormais que le cerveau adulte est capable de générer tout au long de la vie de nouveaux neurones qui s'intègrent dans la circuiterie cérébrale complexe, en particulier dans le bulbe olfactif et pourraient jouer un rôle dans l'apprentissage. Des travaux antérieurs de l'équipe ont démontré que l'acquisition de l'apprentissage perceptif dépend de la présence des neurones formés chez l'adulte. Par ailleurs, les systèmes neuromodulateurs comme les systèmes noradrénergique et cholinergique innervent massivement le bulbe olfactif et en particulier les neurInhibiting noradrenergic fibers duroing post learning discrimination testing lblmocked ones cibles de la neurogenèse adulte, les interneurones granulaires. Ils sont depuis longtemps connus pour leur implication dans les processus d'apprentissage en général et olfactif en particulier. Un objectif de la thèse était de déterminer le pattern temporal et spatial de l'innervation des neurones formés chez l'adulte dans le bulbe olfactif et sa modification potentielle par l'apprentissage, par des approches comportementales combinées à des approches neuro-anatomiques. Un autre objectif était d'évaluer le rôle fonctionnel des contacts noradrénergiques mis en place par l'apprentissage en utilisant l'outil optogénétique. Les résultats indiquent que l'innervation des neurones formés chez l'adulte s'installent dès le huitième jour après la naissance des neurones pour le système cholinergique, comme pour le système noradrénergique. L'apprentissage induit une augmentation massive des contacts noradrénergiques sur les neurones formés chez l'adulte qui n'est pas retrouvée pour les fibres cholinergiques, pointant le système noradrénergique comme un acteur majeur de la plasticité induite par l'apprentissage perceptif / The field of neuroscience has experienced explosive growth over the past decade toward understanding the neural correlates of perception. More specifically, the adult brain responds to environmental experience by significant functional and structural modifications, called "neural plasticity" which underlies learning. A main issue in neuroscience is to understand the cellular basis of perceptive plasticity and subsequent behavioral adaptations. Contrary to previously held beliefs about its static nature, the adult brain is in fact capable of generating new neurons that can integrate into its complex circuitry. The birth of new neurons constitutively occurs in two specific regions of the adult mammalian brain (OB and hippocampal dentate gyrus). Adult neurogenesis is a sophisticated biological process whose function has remained a mystery to neuroscience researchers but a role in learning and memory has been proposed. Previous work in our group have shown that perceptive olfactory learning depends on adult neurogenesis. In addition, neuromodulatory systems, including noradrenergic and cholinergic systems massively innervate the olfactory bulb and more specifically the inhibitory interneurons targeted by adult neurogenesis and are long-known for their role in learning and memory. One objective of the present work was to determine the spatial and temporal pattern of the innervation by noradrenergic and cholinergic inputs of developing adult-born neurons and to investigate its modulation by learning. For that purpose, we used behavioral and neuro-anatomical approaches. Another objective was to assess the functional role of centrifugal contacts using an optogenetic approach. Results indicate that the noradrenergic innervation is selectively increased on adult born neurons following perceptual olfactory learning, a phenomenon that was not observed for cholinergic innervation, pointing the noradrenergic system as a key mechanisms involved in perceptual learning. Interestingly, noradrenergic contacts on neurons born during ontogenesis were not affected by learning, suggesting a very specific part played by adult-born neuron in learning associated plasticity. In the same brains, we have analyzed the structural plasticity induced by learning in adult-born and pre-existing neurons. The major finding is that mirroring the increased number of noradrenergic contacts, learning induced an increase in dendritic spines on adult-born, but not on pre-existing neurons

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.

L’olfaction participe à l’élaboration de la valeur hédonique des aliments et à la régulation de la prise alimentaire. Réciproquement, la détection des odeurs alimentaires est influencée par le statut métabolique. Le jeûne augmente les performances olfactives, notamment en augmentant l'activité neuronale dans le bulbe olfactif (BO). Au sein des glomérules du BO, les synapses glutamatergiques entre les neurones sensoriels olfactifs et les cellules mitrales sont régulées par des astrocytes, des neurones périglomérulaires et des afférences centrifuges. En tant que partenaires synaptiques, les astrocytes sont à l’origine de mécanismes de métaplasticité dans le système nerveux central, qui pourrait participer à la régulation métabolique de la réponse olfactive au niveau du BO. Afin de tester si les astrocytes glomérulaires du BO sont impliqués dans la détection du statut métabolique par le système olfactif, nous avons comparé le déploiement des prolongements astrocytaires glomérulaires, par quantification de l’aire occupée par la GFAP chez des rats nourris et mis à jeun.Le déploiement astrocytaire est nettement augmenté chez les rats à jeun par rapport aux rats nourris, dans toutes les régions du BO dès 17h de jeûne. L'administration intra-peritoneale du peptide anorexigène PYY3-36 ou de glucose chez des rats à jeun diminue leur prise alimentaire ou restaure leur glycémie respectivement, et abolit dans les deux cas l'augmentation du déploiement astrocytaire induite par le jeûne. L'application directe des peptides orexigènes ghréline et NPY sur des tranches de BO entraîne une augmentation du déploiement astrocytaire alors que l'application de PYY3-36 entraîne une rétraction astrocytaire au sein des glomérules. Ces résultats concordent avec les variations de la morphologie des astrocytes, observées respectivement en situation de jeûne ou de satiété.Le déploiement des prolongements astrocytaires glomérulaires varie donc en fonction de l'état métabolique des rats, et il est influencé par les peptides régulant la prise alimentaire. Cetteplasticité pourrait participer à l'adaptation de la sensibilité olfactive à l’état métabolique des individus. / Olfaction plays a key role in the elaboration of the hedonic value of foods and the regulation of food intake. Reciprocally, the detection of food odors is influenced by the metabolic state. Fasting increases olfactory performances, notably by increasing neuronal activity in the olfactory bulb (OB). Within the OB glomeruli, the glutamatergic synapses between olfactory sensory neurons and mitral cells are regulated by astrocytes, periglomerular neurons and centrifugal afferents. Astrocytes, which support mecanisms of metaplasticity in the brain, may drive the metabolic regulation of the olfactory response in the OB. To test whether OB glomerular astrocytes are involved in the metabolic sensing of the olfactory system, we compared the astroglial processes expansion by quantification of the GFAPlabelled area in fed and fasted rats.Astroglial spreading was markedly increased in fasting rats, as compared to fed rats, in all regions of the OB after 17h-fasting. Intra-peritoneal administration of the anorexigenic peptide PYY3-36 or glucose in 17h-fasted rats respectively decreased their food intake or restored their glycemia and both reversed the increased astroglial deployment induced by fasting. Direct application of orexigenic peptides ghrelin and NPY on OB acute slices, resulted in an increase of the astroglial deployment, whereas application of PYY3-36 oppositely resulted in astroglial retraction within the glomeruli. These results are in close agreement with the effects of fasting or satiation on the morphology of astrocytes.The deployment of the glomerular astroglial processes clearly varies according to the metabolic state of the rats, and is influenced by food intake regulatory peptides. This plasticity may participate in the adaptation of the olfactory sensitivity to food intake.

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.

La reconnaissance joue un rôle important dans les systèmes de communication animale et plusieurs modalités sensorielles sont impliquées à cette fin. Bien que la reconnaissance mère-jeune ait été largement étudiée, il y a un manque d'information sur la reconnaissance multimodale et l'importance relative des différentes modalités dans ce processus. Dans cette thèse, j'ai exploré la communication multimodale chez un mammifère colonial - le lion de mer Australien (Neophoca cinerea). La reconnaissance mère-jeune est connue pour être multimodale chez cette espèce, mais les processus sous-jacents de la reconnaissance olfactive et visuelle, ainsi que les interactions entre les indices acoustiques, visuels et olfactifs, et leurs contributions relatives restent inconnues. Des analyses chimiques ont permis de déterminer si les profils chimiques diffèrent selon le sexe et l'âge, les colonies et les régions corporelles des animaux. La présence de similarités chimiques entre la mère et son petit suggèrent que l'appariement des phénotypes pourrait être utilisé pour la reconnaissance olfactive. J'ai examiné le rôle des indices visuels lors de la reconnaissance mère-jeune et j'ai constaté que les indices visuels spécifiques à l'âge sont utilisés par les femelles pour affiner la recherche de leur petit dans la colonie. Les jeunes ont également la capacité de distinguer divers indices visuels, qui peuvent être utilisés pour identifier les différentes classes de congénères. Enfin, j’ai pu aussi déterminer comment les indices acoustiques, olfactifs et visuels sont utilisés de manière synergique dans le processus d’identification individuel, et les résultats sont interprété dans une perspective coûts-avantages pour démêler les pressions évolutives sur chaque composante de ce système de communication. Si les différents indices sensoriels ont la capacité de transmettre des informations en isolation, leur rôle peut être différent lorsque d'autres indices sensoriels sont présents. Les résultats de cette recherche fournissent des résultats sans précédent, contribuant à une meilleure compréhension de la reconnaissance mère-jeune chez les mammifères, ainsi que des règles générales de communication chez les vertébrés. / Recognition plays an important role in animal communication systems and individuals often employ different sensory modalities to enact this activity. Although recognition has been widely investigated, especially for mother-offspring interactions, there is a dearth of information about multimodal recognition and the relative importance and interactions of various sensory cues. In this thesis, I explored multimodal communication in a colonial mammal – the Australian sea lion (Neophoca cinerea). Communication during mother-pup reunions is known to be multimodal in this species, yet the underlying processes of olfactory and visual recognition, as well as the interactions between acoustic, visual and olfactory cues remain unclear. Through chemical analyses, I determined whether chemical profiles differ among sex and age classes, colonies, and body regions of animals. Chemical similarities between mothers and pups indicate that phenotype matching may be used by Australian sea lions for olfactory recognition. I examined the role of visual cues in mother-pup recognition and found that age-specific visual cues assist mothers to refine their search for their offspring in the colony. Pups are capable of distinguishing various visual cues that can be used in the assessment of conspecifics. Having provided baseline information about the role of sensory cues in isolation, I determined how acoustic, olfactory, and visual cues are used in a synergistic way to ensure accurate mutual recognition and then interpreted the results using a cost-benefit perspective to disentangle the evolutionary pressures on each component of this communication system. I showed that although cues have the ability to convey given information in isolation, their role may be different when other sensory cues are present. Furthermore, there is a mutual dependency in the communication system, where the limitations imposed on one participant of the dyad affect cue use by the other. These findings contribute to a better understanding of mammal mother-offspring recognition and communication mechanisms in vertebrates.

De nombreux insectes s’avèrent être des ravageurs de culture, pouvant de surcroît transmettre des pathogènes aux plantes et ainsi causer des dégâts d’importance économique notables. Leur contrôle repose essentiellement sur l’utilisation d’insecticides, mais cela pose problème en termes de pollution de l’environnement, d’effets non désirés sur les espèces non-cibles, d’apparition de populations d’insectes résistants aux insecticides, sans parler de leur toxicité pour l’homme. L’olfaction joue un rôle clef dans le développement de nombreux comportements chez les insectes, comme la recherche de la plante nourricière ou du partenaire sexuel, le repérage de sites de ponte ou de prédateurs. Leurs organes olfactifs portent les sensilles sensorielles dans lesquelles se déroulent les étapes de la réception du signal : les molécules odorantes pénètrent par les pores et sont transportées à travers la lymphe sensillaire par des "odorant binding proteins" jusqu’aux récepteurs olfactifs (Ors) avec lesquels elles interagissent pour déclencher la cascade de transduction, puis le signal olfactif est inactivé. Si les interactions odeurs/ORs sont largement étudiées et élucidées, il n’en est pas de même pour le transport et l’inactivation du signal. En particulier, les "odorant-degrading enzymes" (ODEs) qui seraient impliquées dans cette dernière étape, en dégradant les molécules odorantes en métabolites inactifs, i.e. ne pouvant plus stimuler les récepteurs. Les ODEs appartiennent à diverses familles d’enzymes de biotransformation, comme les cytochromes P450s (CYPs), les carboxylestérases (CCEs), les glutathion-S-transférases (GSTs), ou les UDP-glucosyltransférases (UGTs). La plupart sont exprimées fortement dans les antennes. Peu d’entre-elles ont été caractérisées fonctionnellement, principalement par des approches in vitro, peu d’études ont été réalisées in vivo avec des approches électrophysiologiques ou comportementales. Au cours de ma thèse, nous avons caractérisé deux CCEs antennaires, l’Estérase6 (Est6) et la « Juvenile Hormone Esterase duplication » (JHEdup), chez Drosophila melanogaster, en combinant des approches transcriptomiques et fonctionnelles. Nous avons montré que ces deux estérases étaient exprimées très fortement dans les antennes et capables de métaboliser in vitro certaines odeurs alimentaires émises par les fruits mûrs. Nous avons aussi démontré que ces deux estérases étaient impliquées in vivo dans les réponses physiologiques et comportementales à ces odorants, et qu’elles s’avèrent donc être des ODEs.. Pour deux ODEs candidates, Ugt35b (UGT) et Cyp308a1 (CYPs), nous avons établi leur patron d’expression dans les antennes afin de préciser les types de sensilles impliquées, en préliminaire à des études fonctionnelles plus ciblées. Enfin, pour ugt35b, cyp308a1 et jhedup, nous avons mis en évidence une expression dans différentes structures gustatives, posant la question de leur rôle possible dans le métabolisme de molécules sapides. Les quatre enzymes antennaires présentées ici ne sont que le début d’une longue liste d’ODEs candidates identifiées lors de l’analyse du transcriptome antennaire de D. melanogaster. Ce travail participe à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement du système olfactif. Du point de vue appliqué, les ODEs pourraient constituer des cibles d’intérêt (via des inhibiteurs spécifiques par exemple) pour modifier des comportements olfacto-induits, et ce dans un contexte de contrôle de populations d’insectes ravageurs plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, les connaissances acquises sur les ODEs chez cette espèce modèle pourraient contribuer à leur caractérisation chez d’autres espèces, en particulier des ravageurs de cultures. / Insects can be hazardous crop pests that do not only feed on crops but also transmit plant pathogens, causing yearly a great economical damage. Pest control relies mainly on insecticides but an extensive use bears problems such as the pollution of environment, unpredictable effects on non-target species, an increase of insecticide resistant populations and toxicity for humans. Olfaction is fundamental for the implementation of many insect behaviours like host plant and mating partner foraging, identification of suitable oviposition sites and predator avoidance. Insects smell with hairshaped olfactory sensilla, which are located on their antennae and palps. These sensilla are the showplace of early olfactory processing involving several steps: the odor uptake through the sensillar pores and their transport through the sensillar lymph mediated by odorant binding proteins, the detection of odors by olfactory receptors (ORs) and eventually the inactivation of the olfactory signal. Odor/OR interactions have been intensely studied, contrary to odor transport and inactivation that remain not well understood. Odorant-degrading enzymes (ODEs) have been suggested to be responsible for odor inactivation by degrading odorants into inactive metabolites which no longer activate ORs. The ODEs identified to date belong to various biotransformation enzyme families, including cytochrome P450s (CYPs), carboxylesterases (CCEs), glutathione-S-transferases (GSTs), UDP-glucosyltransferases (UGTs). Most of them are highly expressed in insect antennae. To date, only some ODEs have been functionally characterized, most of them in vitro using recombinant protein and showing their ability to efficiently metabolize various odorant molecules. Only a very few studies were investigating ODE function in vivo using electrophysiological and behavioural approaches. In this thesis we functionally characterize two antennal CCEs, Esterase6 (Est6) and Juvenile Hormone Esterase duplication (JHEdup), in the insect model Drosophila melanogaster combining transcriptomic, in vitro and in vivo approaches. We found that both CCEs are highly expressed in antennae and are able to efficiently metabolize certain odors emitted by rotting fruits in vitro. Furthermore, we showed that both are involved in physiological and behavioural responses to these odors. Therefore we propose Est6 and JHEdup as sensillar candidate ODEs. Moreover, we investigated the precise antennal gene expression pattern in toto for two antennal biotransformation enzymes belonging to other classes, Ugt35b (UGT) and Cyp308a1 (CYPs), which will be helpful for further investigations in order to clarify their potential role in olfaction. In case of three ODE candidate genes (ugt35b, cyp308a1 and jhedup) we discovered an interesting expression pattern in various gustatory organs posing new questions about additional functions of these antennal enzymes in taste processing. The antennal enzymes discussed in this thesis are only four of many candidate ODEs that we identified in the antennal transcriptome of the fruit fly. These candidates comprise also enzymes that belong to other classes such as GSTs, aldehyde oxidases, alcohol dehydrogenases or lipases. This work contributes to a deeper understanding of the insect olfactory system including its molecular actors. From an applied point of view ODEs are interesting targets to modify odorant-driven insect behaviours. The identification of specific ODE inhibitors that could interfere with insect ability to respond to environmental olfactory cues, emitted by mating partners or host plants, would contribute to a broader variety of “eco-friendly” olfactory-based insect pest control strategies. In the future the obtained knowledge in the insect model Drosophila will contribute to the characterization of ODEs in different hazardous insect pests which will be the next step to develop new inhibitor-based strategies.

Parmi les dimensions sensorielles engagées dans la perception de la flaveur, la composante odorante est déterminante car elle porte le plus souvent l’identité et la typicité d’un aliment. L’analyse chimique de la composante odorante repose sur une stratégie séparative qui permet d’identifier les différents odorants présents dans l’aliment. Cependant, la perception des odorants en mélange induit des interactions au niveau perceptif qui ne sont pas prises en compte dans les techniques séparatives. Les mécanismes sous-jacents aux interactions perceptives sont mal connus, ce qui limite les possibilités de prédiction de l’odeur d’un aliment sur la base de sa composition chimique. En réponse à cette problématique deux approches émergent de la revue de la littérature. La première est basée sur la prédiction d’odeur d’après la structure moléculaire des odorants. Cependant, les études concernent des odorants seuls et non leurs mélanges. La seconde repose sur la recombinaison d’odorants en mélange après l’étape d’analyse séparative, mais le choix des odorants à associer est essentiellement empirique. Ainsi, deux questions se posent : Comment prédire l'odeur de mélanges de molécules d’après la structure moléculaire des odorants? Comment améliorer l'analyse de la flaveur dans le but de prédire l'odeur d’aliments complexes composés de plusieurs dizaine d’odorants en mélanges? Ces deux questions ont été abordées dans cette thèse dont les travaux sont décrits dans ce manuscrit selon deux axes principaux.Le premier axe décrit l'utilisation et le développement d’un modèle basé sur le concept des distances angulaires calculées à partir de la structure moléculaire des odorants avec pour objectif de prédire la similarité perceptive de mélanges plus ou moins complexes d’odorants. Les résultats soulignent l'importance de prendre en compte la dimension d'intensité des odorants afin d’améliorer la qualité de la prédiction. Des perspectives d’amélioration du modèle sont dégagées pour permettre de dépasser la dimension de similarité et prédire des dimensions qualitatives de l’odeur.Le deuxième axe présente une démarche originale d’intégration de connaissances liées à l’expertise dans la procédure d'analyse de la flaveur. Ainsi, trois types de données hétérogènes sont agrégés dans un modèle mathématique global : des données chimiques, des données sensorielles et des connaissances d’experts aromaticiens. L'expertise est intégrée à travers la création d'une ontologie qui est ensuite associée à une approche de logique floue optimisée par algorithme évolutionnaire. Le modèle développé permet de prédire le profil odorant de seize vins rouges sur la base de leur composition en odorants. Au final, l’ensemble des travaux menés dans cette thèse apporte des résultats originaux permettant une meilleure compréhension de la construction des odeurs des aliments et permet d’élaborer des hypothèses quant aux relations sous-jacentes de l'espace perceptif des odeurs en mélanges complexes. / Among the sensory dimensions involved in food flavor, the odor component is critical because it often determines the identity and the typicality of the food. Chemical flavor analysis provides a list of the odorants contained in a food product but is not sufficient to predict the odor resulting from their mixture. Indeed, odor perception relies on the processing by the olfactory system of many odorants embedded in complex mixtures and several perceptual interactions can occur. Thus, the prediction of the perceptual outcome of a complex odor mixture remains challenging and two main approaches emerge from the literature review. On the one hand, predictive approaches based on the molecular structure of odorants have been proposed but have been limited to single odorants only. On the other hand, methodologies relying on recombination strategies after the chemical analyses of flavor have been successfully applied to identify those odorants that are key to the food odor. However, the choices of odorants to be recombined are mostly based on empirical approaches. Thus, two questions arise: How can we predict the odor quality of a mixture on the basis of the molecular structure of its odorants? How can we improve food flavor analysis in order to predict the odor of a food containing several tens of odorants? These two questions are at the basis of the thesis and of this manuscript which is divided in two main axes.The first axis describes the development of a model based on the concept of angle distances computed from the molecular structure of odorants in order to predict the odor similarity between mixtures. The results highlight the importance of taking into account the odor intensity dimension to reach a good prediction level. Moreover, several perspectives are proposed to extend the model prediction beyond the similarity dimension and to predict more qualitative dimensions of odors.The second axis presents an innovative strategy which allows integrating experts’ knowledge in the flavor analysis procedure. Three different types of heterogeneous data are embedded in a mathematical model: chemical data, sensory data and knowledge from expert flavorists. Experts’ knowledge is integrated owing to the development of an ontology, which is further used to define fuzzy rules optimized by evolutionary algorithms. The final output of the model is the prediction of red wines’ odor profile on the basis of their odorants’ composition. Overall, the thesis work brings original results allowing a better understanding of food odor construction and gives insights on the underlying relationships within the odor perceptual space for complex mixtures.

L’odorat est le sens qui permet de percevoir des substances volatiles appelées communément odeurs. Il joue un rôle important dans la subsistance et le bien être des individus car il intervient dans la communication avec leur environnement (recherche de nourriture, de partenaire, détection des prédateurs ...). L’efficacité du système olfactif repose en grande partie sur sa sensibilité, qui dépend de l’affinité des molécules odorantes pour leurs récepteurs olfactifs mais aussi d’un mécanisme de clairance enzymatique des molécules odorantes qui évite à ces récepteurs d’être saturés et qui implique les Enzymes du Métabolisme des Odorants ou EMO. En effet, des études récentes ont démontré que dans l’épithélium olfactif, les EMO qui biotransforment les molécules odorantes conduisent à l’arrêt du signal olfactif en désactivant ces molécules, ce qui permet leur élimination et participent donc ainsi in fine à la perception olfactive. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes enzymatiques impliquant les EMO dans la perception olfactive des mammifères et d’étudier plus particulièrement ces mécanismes chez l’Homme.Le premier axe de ce travail, basé sur des analyses physico-chimiques, a consisté à développer une technique innovante de spectrométrie de masse par réaction de transfert de protons (PTR-MS) permettant le suivi en temps réel de la biotransformation des molécules odorantes par les EMO. Cette technique a été utilisée ex vivo sur des prélèvements d’épithélium olfactif et du mucus olfactif de rat et de lapin et également in vivo directement au sein de la cavité nasale humaine. Ainsi, il a été démontré que la biotransformation olfactive de molécules odorantes catalysée par différentes enzymes de type glutathion transférases, carboxylestérases ou dicarbonyl xylulose réductases (DCXR) est un mécanisme très rapide (de l’ordre de la milliseconde) en parfaite adéquation avec la dynamique physiologique du processus olfactif. Ces analyses ont également révélé que la biotransformation des molécules odorantes peut conduire à la production de métabolites volatils odorants pouvant potentiellement participer à la perception olfactive globale en interagissant eux aussi avec les récepteurs olfactifs. Ces différents métabolites ont été formellement identifiés par une technique de chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS).Le second axe de ce travail, reposant sur des analyses psychophysiques, a consisté à évaluer l’impact du métabolisme des molécules odorantes sur la perception olfactive chez l’Homme. Pour atteindre cet objectif, une stratégie originale de modulation de la perception olfactive reposant sur une compétition entre des molécules odorantes métabolisées par une même EMO, développée récemment au sein de l’équipe chez le lapin, a été transposée à l’Homme. La compétition entre des molécules odorantes de type dicétone vis-à-vis de l’enzyme DCXR a tout d’abord été démontrée in vitro par des analyses biochimiques sur l’enzyme recombinante humaine. Une méthode d’analyse par olfactométrie, appliquée à un panel de 40 sujets, a permis de démontrer que ce mécanisme de compétition entre molécules odorantes induit des modulations de la biotransformation de ces molécules conduisant ainsi à des modifications de leur biodisponibilité relative et in fine de leur perception. Ces résultats inédits démontrent que des modulations affectant la biotransformation d’un odorant conduisent instantanément à une modification de sa perception. Ces travaux de thèse précisent la fonction des EMO chez les mammifères et révèlent pour la première fois, chez l’Homme, une participation significative du métabolisme des molécules odorantes dans la perception olfactive. / The sense of smell permits the perception of volatile substances commonly known as odors. This sense plays an important role in the feeding and wellness of individuals because it involves exchanges with their environment (search for food or partners, predators detection…). The efficiency of the olfactory system mainly relies on its sensitivity depending on the odorant affinity for their olfactory receptors but also on an enzymatic clearance mechanism of odorants which involves the Odorant metabolizing Enzymes (OME) to avoid the saturation of the receptors. Recent studies have shown that the biotransformation of odorants by EMO, in the olfactory epithelium, participates in the olfactory perception. Indeed, OME catalyse the deactivation of the odorants and their subsequent elimination which led to the termination of the olfactory signal. In this context, this work aims to provide a better understanding of the enzymatic mechanisms of the OME in mammal olfactory perception and to study more specifically these mechanisms in human.The first axis of this work, based on physicochemical analysis, has consisted to develop an innovative proton transfer reaction mass spectrometry technique (PTR-MS) to allow the analysis in real time of the odorants biotransformation by OME. This technique was first applied ex vivo using rats and rabbits olfactory epithelium and olfactory mucus but also in vivo directly inside the human nasal cavity. Thus, we have demonstrated that the olfactory biotransformation of odorants catalyzed by different enzymes like glutathione transferases, carboxylesterases and dicarbonyl xylulose reductases (DCXR), is a very fast mechanism (few milliseconds). This very high velocity is perfectly consistent with the physiological dynamics of the olfactory process. Moreover, PTR-MS analyzes revealed that the odorants biotransformation could produce volatile metabolites with odorous properties which could participate in the global olfactory perception by interacting also with olfactory receptors. These various metabolites have been formally identified by a gas chromatography-mass spectrometry technique (GC-MS).The second axis, based on psychophysical method, evaluated the impact of the odorant metabolism in the human olfactory perception. For this purpose, an original approach recently developed in the lab, consisting of the modulation of the olfactory perception through a competition between odorants metabolized by the same EMO was transposed from the rabbit model to the human. The metabolic competition between several diketones toward DCXR was first demonstrated by biochemical analysis using the corresponding human recombinant enzyme. Then, an olfactometric study carried out on a 40 subjects panel demonstrated that this competition mechanism between odorants induces modulations of the biotransformation of these molecules and thus leads to modifications of their relative bioavailability and in fine of their perception. These new and significant results demonstrate that modulations impacting odorants metabolism leads immediately to changes in their olfactory perception. This thesis highlights on the function of EMO in mammals and reveals for the first time in human a significant role of the odorant metabolism in olfactory perception.

CONTEXTE: La maladie de Parkinson idiopathique (MPI), la démence à corps de Lewy (DCL) et la démence parkinsonienne (DP) sont des synucléinopathies. La dysfonction olfactive est reconnue comme étant une caractéristique principale de ces maladies. L'objectif de ce travail était d'évaluer et de comparer les seuils de détection olfactifs dans ces trois synucléinopathies (MPI, DP, DCL) chez des sujets âgés de plus de 65ans. Dans cette optique, trois études ont été menées utilisant des substances odorantes stimulant variablement les systèmes trigéminal et olfactif.MÉTHODES: les tests de détection des seuils olfactifs ont été réalisés chez (1) 89 patients ayant une MPI versus témoins sains, (2) 17 PD versus MPI et (3) 20 DCL versus PD versus témoins sains appariés, en utilisant l'alcool phényléthylique, le n-butanol et la pyridine comme stimuli. Les seuils de détection de ces 3 odorants ont été évalués à l'aide d'une série de dilution de facteur 2 et une procédure ascendante de choix forcé.Les données ont été analysées en utilisant des tests de Mann-Whitney-Wilcoxon ou Kruskal-Wallis, la corrélation de Spearman et des analyses de covariance. Des analyses discriminantes ont également été réalisées.RÉSULTATS: (1) Les seuils de détection olfactifs sont capables de discriminer les patients MPI des témoins sains et les patients ayant une MPI bénigne de ceux avec autonomie déficiente. De plus, nous avons trouvé une subtile interaction entre les systèmes olfacto-trigeminal.(2) Nos résultats mettent en évidence, une absence de différence significative des seuils de détection des odorants entre MPI et PD appariés.(3) Nous avons constaté des différences significatives des seuils olfactifs entre patients ayant une DCL, une DP et témoins sains (p <0,001), avec une altération majeure de la sensibilité olfactive chez les patients atteints de DCL par rapport à ceux ayant une DP.Au travers des 3 études, une corrélation significative a été trouvée entre les seuils de détection des trois odorants.CONCLUSION: Ce travail souligne que la DCL peut être distinguée de la DP, la DP des sujets sains et la MPI des sujets sains en évaluant les seuils de détection des trois odorants. Cependant, l’absence de différence significative entre les seuils de détection olfactifs entre les MPI et DP soulève des doutes sur l'importance des tests de seuils de détection olfactive dans le suivi cognitif dans la MPI. D'autres recherches sur le dysfonctionnement olfactif dans les synucléinopathies sont nécessaires pour conforter nos résultats.MOTS CLÉS: Principales synucléinopathies (maladie Parkinson idiopathique, Démence parkinsonienne, Démence à corps de Lewy); seuils de détection des odorants; interactions des systèmes olfacto-trigéminal ; diagnostics positif et différentiel. / Idiopathic Parkinson disease (IPD), Dementia with Lewy bodies (DLB) and Parkinson’s disease dementia (PDD) are synucleinopathies. Olfactory impairment is recognized as a characteristic feature of some synucleinopathies. The aim of this study was to assess and compare olfactory detection thresholds in these three synucleinopathies (IPD, PDD and DLB). For that purpose three studies were conducted: (1) Elderly with IPD matched to healthy controls, (2) IPD versus PPD and (3) between DLB, PDD and healthy controls using odor stimuli that variably trigger nasal trigeminal and olfactory systems.METHODS: Olfactory thresholds tests were performed in 89 IPD patients aged over 65 compared to paired matched healthy controls, in 17 IPD versus and matched PDD patients and in 20 LDB patients versus PDD patients versus matched healthy controls, using Phenyl-ethyl alcohol, n-Butanol and Pyridine as stimuli. Detection thresholds for these 3 odorants were assessed using an ascending staircase factor-2 odor dilutions series and a binary forced-choice procedure. Participants were priory evaluated by experimented physicians.Data were analyzed using Mann-Whitney-Wilcoxon or Kruskal-Wallis tests, Spearman correlation and covariance analyses. Discriminant analyses were also carried out to predict and classify the three participants’ groups in the third study.RESULTS: (1) Olfactory detection thresholds are able to discriminate elderly IPD from healthy controls, with a fair detection thresholds performance for pyridine compared to the two other odorants; and the ability to distinguish benign IPD patients with good autonomy from those with impaired autonomy (malign IPD). Moreover, we found subtle olfacto-trigeminal systems interaction.(2) Our results highlight no significant difference on odor detection threshold between elderly IPD compared with matched PDD patients.(3) We found significant odor thresholds differences between LBD patients, PDD patients and healthy controls (all p-values < 0.001), with also a significant poor sense of smell in DLB patients compared to moderate PDD patients. A plain differentiation between the three groups was confirmed by standardized canonical discriminant analyses.Through the 3 studies, a significant correlation was found between the odor detection thresholds.CONCLUSION: This work highlights that DLB can be distinguished from PDD, PDD from healthy controls and IPD from healthy controls by assessing odors (PEA, n-butanol, pyridine) detection thresholds. However, the lack of difference between olfactory thresholds between IPD and PDD raises doubts on the importance of olfactory thresholds tests in the cognitive follow-up of patients with IPD.Further investigations of olfactory dysfunction in patients with synucleinopathies are needed to confirm our results.KEYWORDS: idiopathic Parkinson disease; Parkinson's disease dementia ; Dementia with Lewy bodies; odor detection thresholds; chemonasal trigeminal and olfactory systems interactions; clinical diagnosis.