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.

\ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Quoique très immature à la naissance, l’opossum grimpe de l’orifice urogénital de la mère jusqu’à une tétine à laquelle il s’accroche pour poursuivre sa maturation. Des informations sensorielles sont nécessaires pour que l’animal atteigne la tétine et que le réflexe d’attachement soit déclenché. Une modalité sensorielle envisagée est l’olfaction. Or, des expériences physiologiques effectuées au laboratoire sur des préparations in vitro suggèrent que le système olfactif central est trop immature pour influencer les comportements moteurs. Une étude immunohistochimique employant un marqueur de maturité axonique (NF200) a montré une absence de marquage dans le cerveau antérieur, à l’exception d’un mince faisceau reliant les bulbes olfactifs aux régions caudales du cerveau. L’implication de l’olfaction dans les comportements du nouveau-né est donc peu probable, mais la présence de ce faisceau est intrigante et l’étude de son développement est approfondie dans le présent travail. Le développement du faisceau exprimant NF200 est décrit de la naissance jusqu’à la fin de la 2e semaine postnatale, âge auquel le marquage NF200 n’est plus observé à ce niveau. Il est aussi montré que le trajet de ce faisceau se superpose à celui de fibres nerveuses exprimant GnRH1, une neurohormone exprimée par des neurones hypothalamiques chez l’adulte. Les résultats indiquent que ce faisceau est le nerf terminal et pourrait servir de voie pionnière pour la croissance des fibres GnRH1. Aucun marquage NF200 dans le cortex olfactif n’est observé avant P15, supportant l’idée que le système olfactif n’influence pas les comportements de l’opossum nouveau-né. / While quite immature at birth, the opossum is nevertheless able to crawl from the urogenital opening to a mother's nipple to which it attaches to pursue its development. Sensory information are required to guide the newborn to the nipple and induce attachment. Olfaction is one of the sensory modalities often proposed. However, recent physiological experiments in the laboratory using in vitro preparations suggest that the olfactory system is too immature to influence the newborn behaviors. Furthermore, an immunohistochemical study using a marker of axonal maturity (neurofilament 200kDa, NF200) has shown that the prosencephalon is nearly devoid of mature fibers except for a thin fascicle running from the olfactory bulbs to more caudal areas of the brain. Olfaction is thus unlikely to guide the locomotion of the newborn, but the presence of this fascicle is intriguing and its development is studied in the present thesis. This fascicle is described from the day of birth to the end of the second postnatal week, when NF200 labeling is no more visible in this region. It is also shown that this fascicle superpose with fibers expressing GnRH1, a neurohormone characterizing hypothalamic neurons in the adult. The results indicate that this fascicle is the terminal nerve, and might serve as a pioneer pathway to GnRH1 fibers cells. Until P15, the olfactory cortex was devoid of NF200 projections, supporting that the olfactory systems is too immature to influence the behavior of newborn opossums.

La fasciculation des axones joue un rôle essentiel dans le développement des réseaux neuronaux. Cependant, la dynamique de la fasciculation axonale, ainsi que les mécanismes biophysiques à l’œuvre dans ce processus, demeurent encore très mal compris. En vue d'étudier les mécanismes de fasciculation d'axones ex vivo, nous avons développé un système modèle simple, constitué par des explants d'épithélium olfactif de souris embryonnaires en culture, à partir desquels poussent les axones des neurones sensoriels olfactifs. Grâce à une étude en vidéomicroscopie, nous avons observé que ces axones interagissent de façon dynamique par leur fibre, à la manière de fermetures éclair pouvant se fermer ("zippering") ou s'ouvrir ("unzippering"), ce qui conduit respectivement à la fasciculation ou à la défasciculation des axones. Mettant à profit cette nouvelle préparation expérimentale pour l'étude des interactions dynamiques entre axones, nous avons développé une analyse biophysique détaillée des processus de zippering/unzippering.Nous mettons en évidence dans notre travail l'existence d'un mécanisme biophysique cohérent de contrôle des interactions locales entre fibres axonales. Ce mécanisme local est à mettre en relation avec les changements de la structure globale du réseau axonal (degré de fasciculation) qui s'opèrent sur une échelle temporelle plus longue. Enfin, nous discutons la signification fonctionnelle de nos observations et analyses, et proposons un nouveau rôles de la tension mécanique dans le développement du système nerveux : la régulation de la fasciculation des axones et, en conséquence, de la formation des cartes topologiques au sein des réseaux neuronaux. / While axon fasciculation plays a key role in the development of neural networks, very little is known about its dynamics and the underlying biophysical mechanisms. In a model system composed of neurons grown ex vivo from explants of embryonic mouse olfactory epithelia, we observed that axons dynamically interact with each other through their shafts, leading to zippering and unzippering behaviour that regulates their fasciculation. Taking advantage of this new preparation suitable for studying such interactions, we carried out a detailed biophysical analysis of zippering, occurring either spontaneously or induced by micromanipulations and pharmacological treatments.We show that there is a consistent mechanism which governs local interactions between axon shafts, supported by broad experimental evidence. This mechanism can be reconciled with changes in global structure of axonal network developing on slower time scale, analogically to well-studied relation between local relaxations, and topological changes and coarsening in two-dimensional liquid foams. We assess our observations and analysis in light of possible in vivo functional significance and propose a new role of mechanical tension in neural development: the regulation of axon fasciculation and consequently formation of neuronal topographic maps.

La cellule microgliale, seule cellule du système immunitaire résidant en permanence dansle système nerveux central, a un rôle important dans le développement cérébral. Elle participe à l’élagage des neurones en développement, via le marquage des épines dendritiques à éliminer par les facteurs du complément. Certaines régions cérébrales continuent à produire des neurones à l’âge adulte. Chez le rongeur, des néo-neurones sont ainsi générés dans la zone sous-ventriculaire tout au long de la vie et migrent vers le bulbe olfactif où ils s’intègrent au réseau pré-existant. Le but de ce travail est de caractériser l’implication de la microglie dans le développement et l’élagage des neurones nés dans le système olfactif de la souris à l’âge adulte. Pour ce faire, nous avons combiné des méthodes d’étude du comportement, d’immunohistochimie, de microscopie confocale et d’analyse d’images pour explorer les interactions entre microglie et neurones bulbaires dans un contexte normal ou pathologique : déafférentation olfactive, inflammation par les lipopolysaccharides (LPS) bactériens, dérégulation de l’axe hypothalamus-pituitaire-adrénal ou déficience génétique en complément C3 (C3−/−). Nous avons découvert que la microglie phagocyte préférentiellement les néo-neurones nés à l’âge adulte par rapport aux neurones néonataux, et que cette tendance s’accentue encore en cas de déafférentation sensorielle. Ainsi, la microglie façonne le réseau neuronal du bulbe en fonction des expériences sensorielles. La densité d’épines dendritiques est peu impactée par l’activation microgliale, et n’est pas modifiée par l’absence de complément C3. Cela suggère que l’élagage des néo-neurones du bulbe olfactif pourrait ne pas mettre en jeu la microglie et le complément C3. En conclusion, ce travail de thèse montre l’importance de la microglie dans la régulation du taux de neurogenèse bulbaire en fonction de l’activité sensorielle. L’implication de la microglie dans les mécanismes de plasticité neuronale ouvre des perspectives de recherche pour des thérapies ciblées sur les cellules microgliales. / Microglia are resident immune cells in the central nervous system. They participate in the pruning of developing neurons. Complement factors are key markers of the dendritic spines to eliminate...

Ce projet de recherche est focalisé sur le lien entre la structure des molécules odorantes et leurs interactions avec les récepteurs olfactifs exprimés dans les neurones olfactifs. Cette recherche fondamentale est d'une importance primordiale pour la construction d'un «nez virtuel », physiologiquement inspiré, qui reproduit la fonction des 400 types de récepteurs olfactifs impliqués dans la détection des odeurs. Ici, chaque récepteur olfactif est représenté par un système moléculaire qui est reproduit atome par atome dans un modèle informatique. Un protocole optimal a été conçu pour prédire les structures de ces récepteurs grâce à l’analyse bioinformatiques de leurs séquences sous contraintes de données expérimentales. Ensuite, les bases de la relation entre la séquence d’un récepteur et son mécanisme d’activation en fonction de la structure d’une molécule odorante liée à sa cavité ont été établies. Par ailleurs, l’analyse des structures de molécules d’une même famille olfactive peut conduire à l’identification des récepteurs impliqués dans leur perception. L’ensemble de ces résultats constitue les bases pour l’étude des relations structure-odeur à l’ère post-génomique. / This research project is focused on the link between chemical structures of odorant molecules and their interactions with odorant receptors expressed in olfactory neurons. This basic research is of primary importance for building a physiologically-inspired “computational nose” that reproduces the function of the 400 types of odorant receptors involved in the perception of smells. Here, each odorant receptor is represented as a molecular system, reproduced atom per atom in a computational model. An optimal protocol has been built to predict the structure of these receptors using bioinformatics analyses of their sequences under the constraints of experimental data. Then, the relationship between the sequence and the activation mechanism of a receptor as a function of the structure of a molecule bound to its cavity has been established. Furthermore, the structural analysis of molecules belonging to the same olfactory family was shown to lead to the prediction of some receptors involved in their perception. These results constitute a basis for structure-odor relationships studies in the postgenomic era.

La résistance pléiotropique (MDR) est une propriété de certaines cellules relative à la capacité de rejeter ou d’évacuer une très large variété de substances potentiellement toxiques. Les pompes à l’origine de ce rejet sont des protéines membranaires appartenant à la superfamille ABC (ATP-Binding Cassette). Deux membres de cette famille ABC confèrent la propriété de résistance pléiotropique, P-gp (P-glycoprotein) et MRP1 (Multidrug Resistance-associated Protein). Nous avons mené une étude fonctionnelle sur l’activité de ces deux transporteurs dans la muqueuse olfactive à la fois chez le rat et la souris. Nous avons employé le test fluorométrique à la calcéine-AM sur des tranches coronales de la muqueuse olfactive incubées en présence d’inhibiteurs spécifiques des transporteurs de la résistance pléiotropique, vérapamil et cyclosporine A comme inhibiteurs de Pgp ainsi que probénécide et MK571 comme inhibiteurs de MRP1. Chacun de ces quatre inhibiteurs provoque une augmentation significative de l’intensité de la fluorescence.Afin de savoir si les transporteurs de la résistance pléiotropique peuvent être impliqués dans la réponse olfactive nous avons examiné les réponses évoquées par des odorants seuls ou mélangés à l’aide d’enregistrements d’électro-olfactogrammes (EOG). En présence des deux inhibiteurs de MRP1, l’amplitude maximale des EOG est significativement réduite pour chaque stimulus odorant testé, tandis que les inhibiteurs de Pgp n’ont qu’un effet modéré ou nul. L’expression des gènes codant pour Pgp et MRP1 dans l’épithélium olfactif ont ensuite été confirmées par RT-PCR. L’ensemble de ces résultats suggère que les transporteurs MRP1 et Pgp sont présents et fonctionnels dans l’épithélium olfactif principal des rongeurs et sont impliqués dans la réponse aux odorants. Leur fonction précise dans l’olfaction reste à élucider / Multidrug resistance (MDR) is a property of various cells associated with the capacity to reject or efflux a wide range of potentially harmful substances out of the cell. Pumps that effect such efflux are membrane proteins and belong to the ATP- binding cassette (ABC) superfamily. Among the members of the ABC family two are conferring MDR, P-glycoprotein (Pgp) and the multidrug resistance-associated protein (MRP1). In this study we investigated the functional activity of MDR transporters in olfactory mucosa of two species, rat and mouse. We used the fluorometric calcein-AM uptake assay on olfactory mucosal slices incubated with specific inhibitors of the MDR-transporters, verapamil and cyclosporin A as Pgp-inhibitors, and probenecid and MK571 as MRP-inhibitors. All four inhibitors caused significant increases in fluorescence intensities. To test if MDR transporters may be involved in the olfactory response we examined odorant evoked responses to single and mixed odorants by means of electro-olfactograms recordings (EOG). In the presence of the two MRP inhibitors, maximum EOG amplitudes were significantly reduced for all odorants tested, while Pgp inhibitors had only a moderate or no effect. Expression of Pgp and MRP1 encoding genes in the olfactory epithelium was further confirmed by RT-PCR. The results together suggest that MRP and Pgp transporters are present and functional in the main olfactory epithelium of rodents and are implicated in the olfactory response. The precise functional role in olfaction remains to be elucidated.

L’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) a connu un grand essor ces deux dernières décennies. En effet, l’arrivée sur le marché d’IRM de haute résolution (5 Teslas et dernièrement 7 Teslas) a permis l’étude des mécanismes cérébraux. Le travail de recherche de cette thèse s’inscrit dans ce contexte.Il s’agit de développer une instrumentation pour des études objectives du comportement cérébral sous l’effet de stimuli. Nous nous sommes intéressés à l’étude de l’olfaction. Nous avons conçu et réalisé un stimulateur olfactif à six canaux, synchronisable avec la respiration et contrôlable par ordinateur. L’originalité de notre travail réside en la modularité de notre appareil, qui en fait un dispositif adaptable aux besoins des études. Nous proposons une approche innovante pour modifier l’intensité des stimulations délivrées : la Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI).Cet appareil a été utilisé dans plusieurs études en IRMf. L’efficacité de la MLI est mise en évidence dans une étude psychophysique décrite dans ce manuscrit. / The Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has been developing for twentyyears. Indeed, the marketing of high-resolution MRI (5 Tesla and 7 Tesla recently)allowed the study of brain mechanisms. The research work of this PHD was todevelop instrumentation for objective studies of brain behavior during a sensorystimulation. We are interested in the study of olfaction. We have designed and builta six-channel olfactometer, synchronized with breathing and controlled by computer.The originality of our work lies in the modularity of our device, which makes itadaptable to a wide range of studies. We also propose an new method to changethe intensity of stimulation delivered : the Pulse Width Modulation (PWM). Thisdevice has been used in several studies in fMRI. The effectiveness of the PWM ishighlighted in a psychophysical study described in this manuscript.

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.

Le bulbe olfactif est le siège d'une neurogenèse adulte pouvant jouer un rôle dans les apprentissages olfactifs. Nous nous sommes intéressés à son rôle dans un type d'apprentissage olfactif : l'apprentissage perceptif. Tout d'abord, l'enrichissement permet d'améliorer la discrimination d'odeurs proches : c'est l'apprentissage perceptif. En étudiant les effets de la suppression de la neurogenèse pendant l'enrichissement nous avons montré que la neurogenèse était nécessaire à l'apprentissage perceptif en modulant l'inhibition des cellules mitrales par les cellules granulaires. Ensuite, nous avons étudié le rôle de la noradrénaline dans cet apprentissage. La noradrénaline est nécessaire à l'apprentissage perceptif et suffisante pour en mimer les effets. De plus, nous avons montré que la neurogenèse bulbaire était essentielle à l'action de la noradrénaline pour permettre l'apprentissage perceptif. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'effet du vieillissement sur l'apprentissage perceptif. Nous avons trouvé qu'il existait un défaut d'apprentissage perceptif chez la souris âgée en lien avec une diminution de la neurogenèse. En revanche, une stimulation noradrénergique permet de restaurer l'apprentissage perceptif sans modulation de la neurogenèse bulbaire suggérant l'existence de mécanismes compensatoires. L'apprentissage perceptif est sous-tendu par la neurogenèse bulbaire, via le système noradrénergique, pour permettre une hausse d'inhibition des cellules mitrales par les cellules granulaires améliorant la discrimination des odeurs proches. Avec l'âge, l'apprentissage perceptif peut être restauré suggérant une plasticité toujours présente dans un système olfactif vieillissant / The olfactory bulb is the target of a well described adult neurogenesis which has been involved in different kinds of learning. We focused on the role of adult neurogenesis on olfactory perceptual learning which consists on an improvement of olfactory discrimination after odor enrichment. We found that experience-driven improvement in olfactory discrimination (perceptual learning) requires the addition of newborn neurons in the olfactory bulb. More specifically, we showed that adult-born neurons are required for perceptual learning by modulating the inhibition of mitral cells by granule cells. Then, we studied the role of noradrenaline on perceptual learning. Direct manipulation of noradrenergic transmission significantly effect on adult-born neuron survival and perceptual learning. Finally, we investigated the effect of aging on perceptual learning. We found that perceptual learning was impaired by aging in line with an alteration of neurogenesis. However, noradrenergic stimulation restores perceptual learning without modulating neurogenesis suggesting compensatory mechanisms. Neural mechanisms underlying perceptual learning involve neurogenesis and noradrenergic system to allow an increase of mitral cell inhibition thanks to the granule cells leading to an improvement of odor discrimination. During aging, perceptual learning can be restored suggesting that the olfactory system is still plastic