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

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

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.

Voltage-gated calcium (Cav) channels are a prerequisite for signal transmission at the first olfactory sensory neuron (OSN) synapse within the glomeruli of the main olfactory bulb (MOB). We showed previously that the N-type Cav channel subunit Cav2.2 is present in the vast majority of glomeruli and plays a central role in presynaptic transmitter release. Here, we identify a distinct subset of glomeruli in the MOB of adult mice that is characterized by expression of the P/Q-type channel subunit Cav2.1. Immunolocalization shows that Cav2.1+ glomeruli reside predominantly in the medial and dorsal MOB, and in the vicinity of the necklace glomerular region close to the accessory olfactory bulb. Few glomeruli are detected on the ventral and lateral MOB. Cav2.1 labeling in glomeruli colocalizes with the presynaptic marker vGlut2 in the axon terminals of OSNs. Electron microscopy shows that Cav2.1+ presynaptic boutons establish characteristic asymmetrical synapses with the dendrites of second-order neurons in the glomerular neuropil. Cav2.1+ glomeruli receive axonal input from OSNs that express molecules of canonical OSNs: olfactory marker protein, the ion channel Cnga2, and the phosphodiesterase Pde4a. In the main olfactory epithelium, Cav2.1 labels a distinct subpopulation of OSNs whose distribution mirrors the topography of the MOB glomeruli, that shows the same molecular signature, and is already present at birth. Together, these experiments identify a unique Cav2.1+ multiglomerular domain in the MOB that may form a previously unrecognized olfactory subsystem distinct from other groups of necklace glomeruli that rely on cGMP signaling mechanisms.

Hintergrund: Der Geruchssinn spielt eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben, während sein Fehlen erhebliche Auswirkungen auf das Leben von Menschen mit Geruchsstörungen hat, einschließlich Veränderungen in ihrer geistigen, sozialen und körperlichen Gesundheit. Der Verlust des Geruchssinns kann eine Vorstufe zu schweren neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sein, und kann mit depressiven Symptomen einhergehen. Daher sollten Menschen mit Riechverlust adäquat untersucht und behandelt werden. In den drei zu einer Arbeit zusammengefassten Veröffentlichungen wurde die MRT zur Untersuchung der Riechfunktion und ihrer Plastizität eingesetzt, vor allem bei Patienten mit Riechstörungen. Publikation 1 befasste sich mit der Verbesserung bestehender Methoden zur Bewertung des Volumens des Bulbus olfactorius (OB) hinsichtlich der strukturellen Bewertung der Riechfunktion. Publikation 2 befasste sich mit der funktionellen Plastizität des olfaktorischen Systems bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie, wenn der olfaktorische Input fehlt. Publikation 3 befasste sich mit der Plastizität des chemosensorischen Systems am Beispiel der gewohnheitsmäßigen Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Methoden: In Publikation 1 wurden 52 Probanden einer 3-T-MRT Untersuchung des Gehirns unterzogen. Alle Probanden wurden mit der 'Sniffin' Sticks'-Testbatterie auf ihre orthonasale Riechfunktion hin getestet. Mit Hilfe der AMIRA®-Software berechneten zwei geschulte Beobachter das OB-Volumen mit einem manuellen Segmentierungsverfahren, der planimetrischen manuellen Konturierung (PMC) (Fläche in mm3). Mit ITK-SNAP®-Software verwendeten die gleichen Beobachter die neue Methode 'box-frame' zur Berechnung des OB-Volumens. Zunächst wurde die Anzahl der Schichten (Länge) mit deutlicher Erkennbarkeit des OB notiert. Bei der Box-Methode wurde angenommen, dass Höhe und Breite der Markierungen in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Das Volumen wurde als Vielfaches von L x B x H (Scheibendicke in mm3) berechnet. Bei divergenten Befunden wurde ein dritter Beobachter herangezogen, und die zwei am nächsten liegenden Volumina mit weniger als 10 % Unterschied zur weiteren Betrachtung ausgewählt. In Publikation 2 wurden 40 Probanden mit 3-T-fMRT untersucht. Davon waren 18 gesunde Probanden, 14 waren Probanden mit kongenitaler Anosmie und 8 hatten eine idiopathische Anosmie. Den Probanden wurden 36 Wörter mit starker olfaktorischer Assoziation (OW) und 36 Kontrollwörter mit geringer oder keiner olfaktorischen Assoziation (CW) präsentiert. Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Anweisungen und Wörter zu lesen. Vor den Wortblöcken wurden die Teilnehmer darauf hingewiesen, sich auf die olfaktorischen Aspekte der angezeigten Wörter zu konzentrieren, um eine Erwartung für im Folgenden gezeigten Wörter zu wecken und um die OW- von den CW-Blöcken klar zu trennen. Geruchsbezogene semantische Unterschiede wurden als Kriterium für die Unterscheidung zwischen den Aktivierungen gewählt. Wir verglichen vor allem Aktivierungsphasen, in denen OW erwartet wurden mit denjenigen, in denen OW gelesen wurden. In Publikation 3 nahmen 40 gesunde Probanden an einer fMRT-Untersuchung teil. Ein Teil der Probanden kaute regelmäßig Kaugummi mit Minzegeschmack (GC, n = 20), ein anderer Teil verwendete nie bzw. sehr selten Kaugummi oder andere Lebensmittel mit Minzgerüchen, z.B. Pfefferminztee (N'GC, n = 20). Mit Hilfe eines computergesteuerten Olfaktometers wurden den Probanden in vier separaten Sitzungen zwei „trigeminale Gerüche“ (Pfefferminze und Minze) und zwei „olfaktorische Gerüche“ (Kirsche und Erdbeere) verabreicht. Nach jeder Sitzung bewerteten die Probanden die Intensität und die Angenehmheit der angebotenen Gerüche. Ergebnisse: In Publikation 1 berechneten wir die OB-Volumina mit beiden Techniken und fanden vergleichbare Ergebnisse. Für die von beiden Beobachtern berechneten Volumina wurde eine hohe Korrelation festgestellt. Für die manuelle Segmentierung betrug Cronbachs α 0,91 bzw. 0,93 für das rechte bzw. linke OB-Volumen, während für die Box-Frame-Methode α 0,94 bzw. 0,90 für das rechte bzw. linke OB-Volumen betrug. In Publikation 2 zeigten die Teilnehmer mit idiopathischer und congenitaler Anosmie während der Erwartung der OW eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die sich bis zur rechten Insula, dem Caudatum und dem fronto-medialen OFC erstreckte. Während des Lesens der OW zeigten Teilnehmer mit congenitaler Anosmie eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die bis zur Insula reichte. In Publikation 3 zeigte die GC-Gruppe eine höhere trigeminale Empfindlichkeit im Vergleich zur N'GC-Gruppe. Olfaktorische Gerüche aktivierten den bilateralen insulären Kortex und die Amygdala. Neben den olfaktorischen Bereichen (Amygdala, insulärer Kortex) führten trigeminale Gerüche auch zu Aktivierungen im rechten Thalamus und der rechten Substantia nigra. In der GC-Gruppe führten olfaktorische Gerüche zu einer stärkeren bilateralen Aktivierung des insularen Kortex als in der N‘GC-Gruppe, während für trigeminale Gerüche keine derartigen Unterschiede beobachtet wurden. GC-Probanden schienen auf trigeminale chemosensorische Reize empfindlicher zu reagieren. Schlussfolgerungen: Mit der Veröffentlichung 1 konnten wir eine neue zuverlässige Methode vorstellen, die plastische Veränderungen auf der Ebene des OB auf effiziente Weise messbar macht. Die Methode ist zeitsparend und erfordert nur einen geringen technologischen Aufwand, was in die klinische Routine bedeutsam ist. Damit können strukturelle plastische Veränderungen des zentralnervösen Riechsystems zu diagnostischen Zwecken effektiv genutzt werden. In Publikation 2 fanden wir funktionelle Plastizität bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie. Dieser Ansatz zeigte eine Aktivierung in den sekundären Geruchsregionen wie dem posterioren OFC, die sich bei Menschen mit angeborener Anosmie im Vergleich zu Riechgesunden bis zur Insula ausdehnte. Diese Aktivität ist am ehesten im Zusammenhang mit multisensorischer Integration zu sehen, was wiederum auf kompensatorische Mechanismus für die Verarbeitung semantischer Geruchsinformationen bei fehlendem Riechvermögen schließen lässt. In Publikation 3 untersuchten wir die Plastizität des chemosensorischen Systems bei gewohnheitsmäßiger Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Gegenüber selektiv olfaktorischen Aktivierungen gibt es Überlappungen aber auch deutliche Unterschiede in der Peripherie und im ZNS, wie trigeminale Gerüche verarbeitet werden. Erwartungsgemäß schienen Teilnehmer mit habituellem Minzgebrauch empfindlicher auf trigeminale chemosensorische Reize zu reagieren. Dies führte jedoch nicht zu Unterschieden in der zentralnervösen Aktivierung für trigeminale Reize. Vielmehr erschienen trigeminale Gerüche für die Gruppe mit geringem Minzkonsum bedeutungsvoller und erregender. In der Summe zeigen die Arbeiten, dass das chemosensorische System außerordentlich plastisch ist, auf stuktureller und funktioneller Ebene und wir uns ständig an unsere Umwelt anpassen.:List of Abbreviations 1 List of figures 1 List of Tables 3 Introduction 4 Olfactory system 4 Olfactory dysfunction 5 Anatomy of olfactory system 6 Chemosensory assessment 8 Psychophysical olfactory tests 8 Psychophysical Trigeminal tests 9 Electrophysiological tests - olfactory event related potentials (OERP) 10 Functional magnetic resonance imaging (fMRI) 10 Publication 1: Assessment of structural plasticity by measuring OB volume 11 Publication 2: Assessing functional plasticity using bottom- up and top- down olfactory processing 12 Publication 3: Assessing plasticity of chemosensory system 12 Methods 13 Method 1 13 Publication 1- A novel technique for olfactory bulb measurements 13 Method 2 18 Publication 3- Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 18 Contributions in publications 20 Publication 1: 20 Publication 2: 20 Publication 3: 20 Abstract of publication 1 21 Publication 2 (Second study): Neural processing of olfactory‑related words in subjects with congenital and acquired olfactory dysfunction 31 Abstract of publication 2 31 Publication 3 (Third study) Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 40 Abstract of publication 3 40 Discussion and Outlook 49 Summary in German 55 Hintergrund 55 Methoden 55 Ergebnisse 56 Schlussfolgerungen 56 Summary in English 58 Background 58 Hypothesis 58 Methods 59 Results 59 Conclusions 60 References 61 Curriculum vitae 80 List of scientific publications 82 Anlage 1 84 Anlage 2 85

Das menschliche olfaktorische Epithel ist dank Stamm- und Vorläuferzellen innerhalb der Basalzellpopulation, die mit einer erhöhten Mitoserate und Regeneration von Epithelzellkomponenten auf Verletzungen oder neuronalen Verlust reagieren, zu lebenslanger Regeneration befähigt. Nichtsdestotrotz ist eine Beeinträchtigung des Geruchssinns im Alter und bei Demenzerkrankungen häufig. Etwa 80 % der über 80-jährigen und etwa 85 % der Patienten mit Alzheimer-Demenz im Frühstadium weisen eine Geruchsstörung auf. Diese ist mit einer Reduktion der allgemeinen Lebensqualität sowie gesteigerter Mortalität und psychischen Erkrankungen wie Depression und Angststörungen assoziiert. Veränderungen des histologischen Aufbaus der zugrunde liegenden anatomischen Strukturen sind anzunehmen und vorrangig für das olfaktorische Epithel (OE) weniger den olfaktorischen Bulbus (OB) beschrieben. Das Wissen über den Aufbau des menschlichen Geruchssystems und seine Veränderungen im Alter beruht jedoch auf Ergebnissen weniger deskriptiver Studien menschlicher Gewebeproben und überwiegend auf Erkenntnissen aus dem Modelltier Maus. Wenngleich murine Studien maßgeblich zu einem besseren Verständnis des Geruchssystems beigetragen haben, weist die Maus als Modelltier deutliche strukturelle Unterschiede zum Menschen auf. Detaillierte quantitative Analysen des menschlichen Geruchssystems fehlen weitestgehend. Das Ziel dieser Arbeit war es, das menschliche Geruchssystem durch eine umfangreiche qualitative und quantitative Analyse menschlicher Autopsiepräparate des olfaktorischen Epithels (OE) und olfaktorischen Bulbus (OB) zu charakterisieren und histopathologische Veränderungen über die Lebensspanne und bei Demenzerkrankungen zu beschreiben.

Durant ma thèse, j’ai étudié dans le bulbe olfactif (BO) de souris adulte, les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans l’apprentissage et de la mémorisation olfactive. Le BO est le premier relai central de l’information olfactive. A ce niveau, des phénomènes de plasticité locaux interviendraient dans la conservation d’une trace mnésique de l’apprentissage. J’ai tout d’abord évalué, dans la couche granulaire, les conséquences d’un apprentissage olfactif associatif sur l’expression de l’IEG Zif268 induite par une stimulation odorante. Les souris ayant une expérience préalable avec l’odorant ne présentent pas d’augmentation de l’expression de Zif268. Cependant, le patron d’expression cellulaire de Zif268 est modifié par l’apprentissage. J’ai ensuite isolé par microdissection laser, à partir des patrons d’expression de Zif268, les populations de cellules de la couche granulaire impliquées dans le traitement de l’odorant suite à l’apprentissage. Dans ces régions, l’étude de l’expression des gènes à large échelle m’a permis de mettre en évidence que la voie des neurotrophines était modulée dans la phase précoce de l’apprentissage alors que les acteurs de la LTP étaient modulés lors de la phase tardive. Enfin, j’ai montré que des souris inactivées pour zif268 présentaient des déficits d’acquisition et de consolidation de l’apprentissage olfactif ainsi que de discrimination d’odorants perceptivement proches. Ces résultats indiquent que l’acquisition par l’odorant d’une signification lors d’un apprentissage olfactif modifie son traitement dans le BO. D’autre part, des acteurs moléculaires potentiellement impliqués dans ces modifications cellulaires ont été identifiés. / My research was about cellular and molecular mechanisms implicated in olfactory learning and memory in the adult mouse olfactory bulb (OB). The OB is the first relay of olfactory information in the central nervous system. At this level, phenomenon of local plasticity could be involved in the conservation of a memory trace associated with learning process. First, I evaluated in the granule cell layer, the consequences of an olfactory associative learning on the IEG Zif268 odour-induced expression. Mice with a prior behavioural experience with the odour do not show increase in Zif268 expression. However, the specific odour-induced Zif268 expression pattern is modified by learning. Then, I isolated using laser capture microdissection activated cell populations of the granule cell layer, based on Zif268 expression patterns, after an olfactory associative learning. In those regions, I studied gene expression at a large scale. I found that neurotrophine pathway was modulated during the early phase of learning process whereas molecular actors of LTP are modulated during the consolidation phase. Finally, I showed that Zif268 knock-out mice exhibit associative learning and memory deficits. Those mice also present deficits to discriminate between closely related odorants. Those results indicate that acquisition by odorant of a behavioural meaning during olfactory learning modify odorant processing at the level of OB. Moreover we identified candidate genes that could be implicated in the cellular modifications.

Le rythme lent lié à la respiration est une caractéristique proéminente de l’activité du bulbe olfactif de rat. Il se définit par des oscillations de grande amplitude du potentiel de champ local, une activité de décharge des cellules mitrales/ à panache (M/P) synchronisée à la respiration et des oscillations lentes de leur potentiel de membrane (OPLM). Des relations spécifiques entre ces activités détermineraient la participation d’une cellule M/P au traitement de l’information olfactive. Jusqu’à présent, il n'existait que très peu de données sur ces relations. L’objectif de cette thèse a été de caractériser les OLPM des cellules M/P et d’étudier les relations qu’elles entretiennent avec l’activité de décharge et l’activité du réseau bulbaire. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis au point une technique d’enregistrements simultanés de l’activité intracellulaire des cellules M/P et du potentiel de champ local du bulbe olfactif chez l’animal anesthésié et libre de respirer. Nous montrons que plusieurs types d’OLPM existent. Des relations spécifiques s’établissent entre ces OLPM et la synchronisation de l’activité de décharge à la respiration. Nous observons également l’existence de relations complexes entre les OLPM et les oscillations du réseau bulbaire. L’ensemble de ces résultats nous permet d’intégrer la dynamique lente, et plus particulièrement celle du potentiel de membrane, à un schéma général du traitement de l’information olfactive et de proposer son implication dans la formation d’assemblée de neurones. / The respiration-related slow rhythm strongly shapes the activity of the olfactory bulb. This rhythm is characterized by high amplitude oscillations in the local field potential, respiration synchronization of mitral/tufted (M/T) cell discharge and slow oscillation of M/T cell membrane potential (OLPM). Specific relationships between these activities could determine the M/T cell participation to olfactory processing. However, little is known on these relationships. The aim of my thesis has been to characterize M/T cell OLPM and to study the relationships between OLPM and both discharge and bulbar network activities. In this way, we recorded simultaneously intracellular activity of M/T cell and local field potential of olfactory bulb in anesthetized freely breathing rat. We showed that several types of OLPM can be distinguished and exhibited specific relationship with the respirations ynchronization of M/T cell discharge activity. We observed also specific and complex relationships between OLPM and local field potential oscillation. Taken together, our results allowed us to integrate slow rhythm, and more particularly OLPM, in the more general scheme of olfactory processing.

Le bulbe olfactif est le siège d’une neurogenèse adulte permanente. Le nombre de nouveaux neurones issus de cette neurogenèse adulte est modulé par l’apprentissage, ce qui suggère un rôle des néoneurones dans la mémoire olfactive. Au cours de ce travail, nous avons montré que l’apprentissage olfactif associatif recrute des nouveaux neurones granulaires dans des régions de la couche granulaire du bulbe olfactif spécifiques à l’odeur apprise. Nous avons également mis en évidence un lien entre la force de l’apprentissage olfactif, sa rétention et la modulation de la neurogenèse qui en résulte. En bloquant la neurogenèse bulbaire à l’aide d’un agent antimitotique nous avons montré que les nouveaux interneurones ne sont pas indispensables à l’acquisition d’une tâche olfactive associative, mais le sont pour sa rétention à long terme. Puis, en utilisant une approche comportementale, nous avons aboli l’association olfactive acquise lors d’un apprentissage et nous avons observé que les nouveaux neurones initialement sauvés dans le bulbe olfactif par cet apprentissage disparaissaient prématurément, confirmant ainsi leur rôle dans le support de la mémoire olfactive. Enfin, nous avons montré que suite à un apprentissage olfactif, une régulation locale de la mort cellulaire est mise en jeu qui pourrait être à l’origine de la sélection des néoneurones dans les régions traitant l’odeur apprise. Dans l’ensemble nos données indiquent un rôle crucial des neurones formés à l’âge adulte dans le bulbe olfactif dans la mémoire olfactive / Adult-born neurons are added to the mammalian olfactory bulb, and their number is modulated by learning suggesting that they could play a role in olfactory memory. In this work, we demonstrate that retrieval of an associative olfactory task recruits newborn neurons in odor-specific areas of the olfactory bulb and in a manner that depends on the strength of learning. By blocking neurogenesis during this olfactory task, we then demonstrate that acquisition is not dependent on neurogenesis while long-term retention of the task is abolished by neurogenesis blockade. In a second part, using an ecological approach, we show that behaviorally breaking a previously learned odor-reward association prematurely suppresses newborn neurons selected to survive during initial learning. Our results indicate that the newborn neurons saved by olfactory learning die when the odor looses its associative value, thus confirming that these newborn neurons support the memory trace. Finally, during and after learning, cell death and BrdU positive cells were mapped in the granule cell layer. We find that regions showing high BrdU-positive cell density exhibit the lowest rate of cell death indicating local regulation of cell death shaping the spatial distribution of newborn neurons in the granule cell layer of the olfactory bulb. Taken together, our findings reveal the crucial role of bulbar adult born neurons in olfactory memory

Le système olfactif partage de nombreux liens moléculaires, neuroanatomiques et fonctionnels avec le système de régulation de l’homéostasie énergétique. L’exploration de ces interactions nous a conduit à démontrer que la détection olfactive est modulée par les états alimentaires et métaboliques : des animaux affamés présentent une meilleure sensibilité olfactive que des animaux rassasiés. Cette modulation persiste chez les rats Zucker fa/fa obèses et disparaît chez les rats LouC résistants à l’obésité. Les hormones et les neuropeptides impliqués dans la régulation de l’homéostasie énergétique apparaissent comme de bons candidats pour expliquer l’influence des états alimentaires et métaboliques sur la détection olfactive. Afin de tester directement leur action sur la détection olfactive, nous avons évalué les rôles de l’Orexine A, un neuropeptide hypothalamique orexigène, ainsi que de la leptine et de l’insuline, deux hormones d’adiposité périphériques, sur la capacité de détection olfactive de rats Wistar. Ainsi, nous avons démontré que l’injection ICV d’orexine A induit une augmentation de la détection olfactive. A l’inverse, les injections ICV de leptine et d’insuline induisent une diminution de la détection olfactive. Les récepteurs de l’orexine A, de l’insuline et de la leptine sont largement exprimés au niveau du système olfactif. En particulier, les récepteurs de l’insuline présentent une régionalisation marquée et sont très abondants au niveau de plusieurs catégories cellulaires du bulbe olfactif, le premier relais central de l’information olfactive. Nous avons également montré que la quantité d’insuline bulbaire variait en fonction de l’état alimentaire tandis que la densité des récepteurs n’était pas modifiée. L’ensemble de ces données, corroboré par d’autres travaux de la littérature, suggère que les hormones et les neuropeptides impliqués dans la régulation de l’homéostasie énergétique jouent également un rôle majeur dans la régulation de la fonction olfactive. Les molécules orexigènes, libérées en état de faim et de carence énergétique, augmentent la détection olfactive et participent à l’initiation du comportement alimentaire. A l’inverse, les molécules anorexigènes libérées en état de rassasiement et d’abondance énergétique, diminuent la détection olfactive et conduisent à l’arrêt de la prise alimentaire. La compréhension des mécanismes qui sous-tendent les interactions entre l’odorat et la régulation de la prise alimentaire et de la masse corporelle pourrait permettre à terme d’évaluer l’importance de la perception sensorielle de la nourriture lors de la mise en place de troubles du comportement alimentaire. / Olfaction is closely linked to energy homeostasis regulation. The olfactory system shares several molecular, anatomical and functional links with brain areas and peripheral organs involved in food intake and body weight regulations. We demonstrated that the feeding state modulates olfactory detection: fasted rats display better olfactory sensitivity that satiated ones. This modulation is also observed in Obese Zucker fa/fa rats. However, obesity-resistant LouC rats do not modulate their olfactory detection according to the feeding state. Peripheral hormones and neuropeptides involved in energy homeostasis regulation might be responsible for olfactory detection modulation. To examine this hypothesis, we evaluated the respective roles of Orexin A, a hypothalamic orexigenic neuropeptide; as well as leptin and insulin, two peripheral adiposity hormones; on olfactory detection. We demonstrated that central administration of Orexin A increases olfactory detection; whereas central administration of leptin or insulin decreases olfactory detection. Orexin A, leptin and insulin receptors are widely expressed in the olfactory system. We further demonstrated that insulin receptors were abundantly expressed in discrete olfactory bulb areas and in several neuron types of the olfactory bulb network. The whole of these data, supported by several reports, suggest that hormones and neuropeptides classically involved in energy homeostasis regulation extend their roles to olfactory detection modulation. Indeed, orexigenic signals released upon fasting or in conditions of energy depletion increase olfactory detection which participate in meal initiation. By contrast, anorexigenic signals released during refeeding or in conditions of energy abundance decrease olfactory detection which participate in meal termination. With the ever rising incidence of metabolic disorders, elucidating the cross-talks between olfaction and energy homeostasis regulation is of critical relevance to better understand and manage the etiology of altered food-intake behaviours.