Une particularité de la modalité sensorielle olfactive est la nature complexe du stimulus chimique à représenter. Les cellules sensorielles de la cavité nasale sont sensibles aux traits physico-chimiques des molécules et transmettent cette information vers le bulbe olfactif, premier relais central de cette modalité. L’organisation des voies de projection vers le bulbe entraîne une spatialisation de l’activité dans cette structure, ce qui constitue un mode de représentation de l’information mais qui n’est pas suffisant à lui seul. Le bulbe olfactif est également marqué par des phénomènes dynamiques prépondérants. Tout d’abord le rythme respiratoire, qui organise temporellement le niveau d’activation de l’appareil sensoriel, ensuite les oscillations des potentiels de champs locaux, et enfin les oscillations sous-liminaires des potentiels de membrane des cellules. Ces éléments dynamiques pourraient être le support de la formation d’assemblées de neurones, sous-populations de cellules synchronisées transitoirement et permettant la représentation de l’information suivant un principe spatio-temporel. Les travaux présentés dans cette thèse sont basés sur l’enregistrement conjoint des activités unitaires des cellules du bulbe, des oscillations des potentiels de champs locaux et de la respiration en réponse à des stimulations olfactives. Nous montrons les relations existant entre les différents phénomènes dynamiques et comment ils permettent d’organiser l’activité des cellules pour aboutir à la formation d’assemblées de neurones fonctionnelles. Nous mettons particulièrement en évidence le rôle central de la respiration dans le fonctionnement intégré du bulbe olfactif. / A striking feature of the olfactory sensory system is its ability to deal with a complex multi-dimensional chemical stimuli. Receptor cells in the nasal cavity are sensitive to specific features of molecules and transmit this information to the olfactory bulb, first relay for olfaction in the central nervous system. Due to the organization of projection pathways to the bulb, afferent information activates the structure in a topographical fashion ; although this may constitute a coding strategy for olfactory information it has proven insufficient, and other strategies must be investigated. Dynamic phenomenons are a preponderant feature of the olfactory bulb. The respiratory rhythm imposes a sinusoidal level of activation to the system, oscillations in local field potentials and subthreshold oscillations in neurons membrane potentials may interact and lead to the transient synchronization of sub-populations of neurons. This particular mechanism, designated as neural assemblies, is in theory a good candidate for the representation of olfactory information. The work presented here is based on conjoint recordings, in anesthetized animals, of unitary activities, oscillations in the LFP and respiration, in response to olfactory stimulation. We show the relationships existing between the various dynamic phenomenons, and hypothesize on their functional roles. We propose that a same mechanism may form different neural assemblies each assuming a specific functional role. The respiratory rhythm acts as a gating system, organizing the formation of successive yet different neural assemblies.

Cette thèse s’intéresse à la capacité du cerveau à s’adapter à un environnement changeant. Plus spécifiquement, elle s’intéresse à la plasticité cérébrale dans le système olfactif. Les sommeliers, experts dans le domaine de l’olfaction, ont constitué notre modèle. Une première étude nous a permis d’établir un protocole afin de tester la performance olfactive des sommeliers. Dans une deuxième étude, nous avons testé des étudiants en sommellerie au début de leur formation d’un an et demi qui mène à la profession de sommelier. Nous avons observé que ces futurs experts de l’olfaction présentaient déjà, au cours des deux premiers mois, des capacités olfactives supérieures. Dans une troisième étude, nous avons de nouveau testé les étudiants à la fin de leur formation, afin d’examiner les effets d’un entraînement olfactif à long terme sur la performance olfactive et sur le cerveau : en plus de mesurer les capacités olfactives avec le test des Sniffin’ Sticks, nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour évaluer l’évolution du cerveau au cours de la formation en sommellerie. Nos principales observations concernent des changements au niveau de la structure cérébrale. Premièrement, le volume du bulbe olfactif a augmenté au cours de la formation, ce qui est en accord avec la littérature disponible à propos de cette structure. Deuxièmement, nous avons observé un épaississement au niveau du cortex entorhinal mais aussi un amincissement au niveau d’autres régions du cortex. Mises en relation avec les résultats d’études antérieures, ces observations soutiennent le récent modèle de surproduction-élagage selon lequel les changements dus à la plasticité liée à l’entraînement ne sont pas linéaires mais font intervenir différents processus en plusieurs phases. Ce modèle constitue une avancée importante dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la plasticité cérébrale et devrait être pris en compte dans les futures études sur la plasticité. Bien que les résultats sur le plan neuroimagerie soient intéressants, les résultats de l’étude longitudinale relatifs à la performance olfactive n’étaient pas concluants sur le plan comportemental. Nous avons donc mis en place dans une quatrième étude une tâche d’identification d’odorants au sein de mélanges plus complexe et plus adaptée aux sommeliers qui a confirmé la supériorité de leurs capacités olfactives. Nous avons aussi entraîné des novices sur cette tâche pendant cinq jours pour tester les effets d’un court entraînement olfactif. Cette thèse est organisée sous forme de thèse par articles. Le premier chapitre correspond à l’introduction générale, qui est elle-même organisée en plusieurs grandes parties. Ces différentes parties définissent les concepts-clés de cette thèse : l’olfaction, les corrélations neuroanatomiques dans le système olfactif, la plasticité cérébrale, la plasticité liée à l’entraînement dans le système olfactif, la neuroimagerie. La dernière partie conclut l’introduction en présentant les objectifs et hypothèses de recherche. Les chapitres suivants correspondent aux articles rédigés au cours du doctorat et présentant les résultats des recherches. Le dernier chapitre constitue une discussion générale. Enfin, en annexes se trouvent deux articles publiés lors du doctorat, un chapitre à paraître dans un livre ainsi que des résultats non publiés. / This thesis is about the brain’s ability to adapt to an ever-changing environment. More specifically, it is about brain plasticity in the olfactory system. We used sommeliers, who are experts in olfaction, as our model. A first study allowed us to instate a protocol to assess sommeliers’ olfactory function. In a second study, we tested sommelier students at the start of their year-and-a-half-long training which is the prerequisite to become a professional sommelier. We observed that these future experts in olfaction already had, during the first two months of training, superior olfactory abilities. In a third study, we tested sommelier students again at the end of their training to examine the effects of a long-term olfactory training on olfactory performance and on the brain: beside assessing olfactory performance with the Sniffin’ Sticks test, we used magnetic resonance imaging (MRI) to examine the evolution of brain structure and function during sommelier training. Changes in brain structure constituted our main results. Firstly, olfactory bulb volume increased during sommelier training, which is in line with previous reports about this structure. Secondly, we observed a cortical thickness increase in the entorhinal cortex but also cortical thinning in other brain areas. Put together with findings from previous studies, these results support the recent overproduction-pruning model of plasticity according to which changes due to training-related brain plasticity are nonlinear but involve different processes and different phases. This model constitutes a great advance in the understanding of brain plasticity and its underlying mechanisms and should be considered in future studies about plasticity. Though neuroimaging results were interesting, results from olfactory tests in our longitudinal study were not conclusive so we conducted a fourth study to test the ability to identify odorants within mixtures, a task which is more complex and suitable for sommeliers than the Sniffin’ Sticks test. Sommeliers performed better. We also tested novices that we had trained on this task for five days to evaluate the effects of a short-term olfactory training. This thesis is organized by articles. The first chapter is a general introduction, itself organized in several parts. These different parts define the major concepts of this thesis: olfaction, neuroanatomical correlations in the olfactory system, brain plasticity, plasticity in the olfactory system, neuroimaging. The last part concludes the introduction with aims and hypotheses. The following chapters are articles written during PhD that present the results of our research. The last chapter is a general discussion of all the results. Finally, two articles published during PhD, a chapter that is to be published in a book and unpublished results are presented as appendices.

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Der Bulbus olfactorius (OB) spielt eine wichtige Rolle in der Wahrnehmung von Gerüchen. Das OB-Volumen korreliert mit der Riechfunktion und ist daher ein Biomarker für mehrere neurodegenerative Erkrankungen sowie für Riechstörungen. In mehreren Studien wurde gezeigt, dass eine Abnahme des OB-Volumens mit einer Abnahme der Geruchsempfindlichkeit einhergeht und umgekehrt. Dies bedeutet, dass die Messung des OB-Volumens für verschiedene Diagnose- und Forschungszwecke von großem Interesse ist. Bisher wurden diese Messungen manuell durchgeführt, was mit einem Zeitaufwand von 15-20 Minuten pro Probanden eine sehr langwierige Methode ist, die außerdem zu erheblichen Messungenauigkeiten führt. Dies erschwert die Verarbeitung großer Datensätze sowie den Vergleich verschiedener Studien. Um dieses Problem zu lösen, haben wir einen vollautomatisierten, auf Deep-Learning basierten Algorithmus zur Segmentierung des OB sowie zur Messung dessen Volumens entwickelt und ein einsatzbereites Tool zur Anwendung veröffentlicht. Des Weiteren wurde eine Studie an Patienten mit Mild Cognitive Impairment (MCI) durchgeführt, um den Effekt von Riechtraining auf funktionale und morphologische Veränderungen des OB und des Hippocampus zu untersuchen. Methoden: Wir haben unseren Algorithmus auf vier Datensätzen trainiert und getestet, die jeweils aus T1-gewichteten MRT-Aufnahmen des gesamten Gehirns sowie hochaufgelösten T2-gewichteten Aufnahmen der vorderen Schädelbasis und den entsprechenden klinischen Informationen über das Riechvermögen der Probanden bestehen. Ein Datensatz enthielt Patienten mit gesicherter Anosmie oder Hyposmie (N = 79). Die anderen drei Datensätze enthielten gesunde Probanden (N = 91). Um die Grundwahrheit für die OB-Segmentierung und die Volumenmessung zu erhalten, wurden die Datensätze von zwei erfahrenen wissenschaftlichen Mitarbeitern unabhängig voneinander nach einem einheitlichen Protokoll manuell segmentiert. Verglichen mit dem gesamten Gehirn nimmt der OB ein sehr kleines Volumen ein. Jedes Bild hat daher viel mehr Voxel, die dem Hintergrund angehören als solche, die zum OB gehören. Somit sind die Daten sehr unausgewogen, was eine Herausforderung für die automatische Lokalisierung des OB darstellt. Um dieses Problem zu lösen, haben wir zunächst die manuellen Segmentierungen mit dem Template des Montreal Neurological Institute (MNI) registriert und den Massenschwerpunkt (Center of Gravity, COG) ermittelt. Im Preprocessing übertragen wir die COG-Koordinaten aus dem MNI-Raum in den individuellen Raum der jeweiligen MR-Aufnahme und konstruieren eine Bounding Box um den OB. Anschließend selektieren wir den in der Bounding Box enthaltenen Bildanteil, in welchem dann der OB durch das 3D-U-Net-Modell segmentiert wird. Bei dem Modell handelt es sich um ein neuronales Netz, welches für die 3D-Bildsegmentierung entwickelt wurde und sich im Bereich der medizinischen Bildverarbeitung bewährt hat. Der Algorithmus gibt anschließend die binären Segmentierungsmasken und eine Datei mit den Volumina für den linken und rechten OB heraus. Im Rahmen der Studie an MCI-Patienten wurden 37 Patienten randomisiert in Verum- und Placebo-Gruppe eingeteilt. Das Riechtraining wurde zweimal täglich über einen Zeitraum von vier Monaten durchgeführt. Olfaktorische und kognitive Testungen sowie MRT-Bildgebung wurden zu Anfang und Ende der viermonatigen Studie durchgeführt. Ergebnisse : Zum Trainieren des neuronalen Netzes haben wir den Datensatz in einen Trainings- (60%; N = 191), einen Validierungs- (20%; N = 64) und einen Testdatensatz (20%; N = 64) aufgeteilt. Auf zuvor ungesehenen Daten (d. h. auf dem Testdatensatz) wurde ein mittlerer Dice-Koeffizient (DC) von 0,77 ± 0,05 erreicht, was dem zwischen den beiden manuellen Segmentierungen ermittelten DC von 0,79 ± 0,08 für dieselbe Kohorte sehr nahe kommt. Darüber hinaus wurden die von unserem Algorithmus erzeugten Segmentierungen von einem unabhängigen verblindeten Bewerter manuell auf einer standardisierten Skala evaluiert und erreichten eine vergleichbare Punktzahl von 5,95 ± 0,87 im Vergleich zu einer Bewertungszahl von 6,23 ± 0,87 für die erste und 5,92 ± 0,81 für die zweite Segmentierung. Diese Evaluierungsergebnisse zeigen, dass unser Algorithmus mit drei bis vier Minuten pro Probanden eine schnelle und zuverlässige automatische Segmentierung des OB ermöglicht, die der Genauigkeit der derzeitigen Goldstandard-Methode entspricht. In der Studie mit MCI-Patienten wurde nach Durchführung des viermonatigen Riechtrainings eine Zunahme der Riechfähigkeit sowie der kortikalen Schichtdicke des Hippocampus beidseits beobachtet. Sowohl in der Verum-Gruppe als auch in der Placebo-Gruppe konnte keine signifikante Zunahme des OB-Volumens festgestellt werden. Diskussion: Der von uns vorgeschlagene Algorithmus kann sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Patienten mit diagnostizierten Riechstörungen eingesetzt werden und ist daher von hoher klinischer Relevanz. Er ermöglicht die schnelle Verarbeitung großer Datensätze und die Durchführung vergleichender Studien zur Entwicklung des OB-Volumens im Laufe der Zeit, da er zuverlässigere Ergebnisse liefert als die manuellen Annotationsmethoden. In der Studie an MCI-Patienten war das Riechtraining mit einer Zunahme der kortikalen Schichtdicke des Hippocampus assoziiert, nicht jedoch mit einer Zunahme des OB- oder Hippocampus-Volumens. Ein Grund hierfür könnte die Tendenz des OB-Volumens sein, in MCI-Patienten abzunehmen. Somit könnte das stabile OB-Volumen nach Riechtraining bereits als positiver Effekt gewertet werden. Andererseits könnte das unveränderte OB-Volumen auch auf die methodisch bedingten manuellen Messfehler zurückgeführt werden. Um das Problem der ungenauen manuellen Messungen zu lösen, haben wir ein auf Python basierendes, sofort einsetzbares Tool entwickelt, das Segmentierungsmasken sowie Messungen des linken und rechten OB-Volumens liefert. Es kann sowohl über eine Befehlszeilenschnittstelle als auch über eine grafische Benutzeroberfläche verwendet werden. Für die Segmentierung des OB werden T1-gewichtete MRT-Aufnahmen des gesamten Gehirns sowie hochaufgelöste T2-gewichtete Aufnahmen der vorderen Schädelbasis verwendet.

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Les figures de neuroanatomie de ce mémoire peuvent être téléchargées en haute résolution. / Une voie neuronale sous-tendant la locomotion induite par la détection d’odorants a été découverte chez la lamproie (Derjean et al., 2010). Le signal olfactif est relayé du bulbe olfactif médian au tubercule postérieur, puis à la région locomotrice mésencéphalique et enfin aux cellules réticulospinales qui activent les réseaux locomoteurs spinaux. Des études récentes démontrent que le bulbe olfactif médian est sous l’influence d’une inhibition GABAergique tonique qui régule les réponses des cellules réticulospinales à la stimulation du nerf olfactif (Daghfous et al., 2013). Des mécanismes de modulation supplémentaires pourraient exister dans le bulbe olfactif de Petromyzon marinus puisqu’il contient aussi des fibres dopaminergiques. Chez tous les vertébrés étudiés, la dopamine joue un rôle important dans le traitement olfactif. Des techniques anatomiques (traçage et immunofluorescence) et physiologiques (enregistrements intracellulaires) ont été utilisées pour étudier la modulation dopaminergique de la voie olfacto-motrice. L’immunofluorescence ciblant la dopamine a révélé des fibres plus nombreuses dans la partie médiane du BO et à proximité de neurones de projection et de fibres olfactives. De plus, aucun corps cellulaire immunopositif n’a été détecté dans le bulbe olfactif. L’enregistrement des réponses synaptiques des cellules réticulospinales à la stimulation du nerf olfactif a été réalisé dans le cerveau isolé in vitro. L’injection locale de dopamine dans le bulbe olfactif médian diminue de moitié l’amplitude de réponse. Sous l’effet d’un antagoniste des récepteurs GABAA dans le bain ou localement dans le bulbe olfactif médian, les dépolarisations soutenues enregistrées sont supprimées par l’injection de dopamine. Cependant, l’injection individuelle ou combinée dans le bulbe olfactif médian d’antagonistes sélectifs des récepteurs D1 ou D2, soit le SCH 23390 et l’éticlopride, demeure sans effet significatif sur les réponses olfacto-motrices, indiquant l’absence d’activité dopaminergique tonique. Pour localiser les neurones responsables de cette modulation, des injections de traceur axonal ont été combinées avec l’immunofluorescence ciblant la dopamine. Des cellules dopaminergiques projetant au BO médian ont été observées dans les noyaux dopaminergiques du tubercule postérieur et de l’hypothalamus périventriculaire. Dans l’ensemble, nos résultats montrent anatomiquement et physiologiquement la présence d’une innervation dopaminergique dans le bulbe olfactif médian qui a une action inhibitrice sur le traitement olfacto-moteur. / A neural substrate underlying odor-evoked locomotion was revealed in lampreys (Derjean et al., 2010), involving a neural pathway extending from the medial part of the olfactory bulb to the posterior tuberculum. The signal is then relayed to the mesencephalic locomotor region and eventually reaches reticulospinal cells that activate the spinal locomotor networks. Recent research in the lab (Daghfous et al., 2013) shows that the medial olfactory bulb, is under a tonic GABAergic inhibition gating reticulospinal cell responses to olfactory nerve stimulation. Additional modulatory mechanisms might exist in the olfactory bulb of Petromyzon marinus as it also contains dopaminergic fibers. In every vertebrate studied to date, dopamine plays an important role in olfactory processing. Anatomical (axonal tracers and immunofluorescence) and physiological (intracellular recordings) techniques were used to investigate the dopaminergic modulation of the olfacto-motor pathway. Dopamine immunofluorescence showed scarce innervation of the olfactory bulb that was most abundant in the medial part and in close vicinity to projection neurons and olfactory nerve fibers. Additionally, no dopamine-immunoreactive cell bodies were detected in the olfactory bulb. Synaptic responses of reticulospinal cells to olfactory nerve stimulation were recorded in the isolated brain. Local injection of dopamine in the medial olfactory bulb induces an almost two-fold decrease of the synaptic responses. When GABAA receptor antagonist GABAzine was also injected in the medial olfactory bulb, the effect of dopamine was much more evident and could suppress large bursts of action potentials. However, D1 (SCH 23390) and D2 (Eticlopride) receptor antagonists injection in the medial olfactory bulb failed to alter the amplitude of reticulospinal cell responses to olfactory nerve stimulation, indicating that this modulation is not tonic. To locate the neurons responsible for this modulation, tracer injections combined with dopamine immunofluorescence were performed. Dopaminergic cells projecting to the medial olfactory bulb were found in the dopaminergic nuclei of the posterior tuberculum and the periventricular hypothalamus. Altogether, our results show anatomically and physiologically the presence of a dopaminergic innervation within the medial olfactory bulb that mediates inhibitory effects on olfacto-motor signaling.

L’olfaction est importante pour de nombreuses fonctions vitales comme la reproduction, les interactions sociales, la détection des aliments et le comportement alimentaire. Toutefois, l'impact nutritionnel sur le système olfactif n'a pas été précisément décrit. Dans ce contexte, le sujet de cette thèse consistait en l’étude des effets du jeûne sur la représentation spatiotemporelle des odeurs dans le bulbe olfactif principal (BO), une structure assurant la première étape du codage de l'information olfactive dans le cerveau.Dans le BO, les caractéristiques des molécules odorantes sont représentées sous forme d’activitéspatiale et temporelle respectivement dans la couche glomérulaire et celles des cellules mitrales et granulaires. Pour étudier le codage spatial au niveau glomérulaire, nous avons utilisé l’imagerie optique du signal intrinsèque qui permet de cartographier l’activité évoquée sur la surface du BO en réponse à des odeurs. Pour étudier le codage temporel des odeurs, nous avons enregistré les variations spécifiques de l'activité oscillatoire du potentiel de champ local (LFP) dans les couches profondes.Nous avons testé les réponses aux odeurs chez des rats mis à jeun pendant 17 heures par rapport aux rats nourris ad libitum. Nous avons utilisé deux stimuli olfactifs à des concentrations différentes: la première (odeur commerciale d’arôme d'amande) est associée à la nourriture car elle est préalablement incorporée dans une pâte sucrée présentée aux rats quotidiennement ; le second (hexanal), est une molécule odorante pure, nouvelle et neutre pour eux. L'utilisation de ces odeurs dans une gamme de concentrations faibles nous a permis d’étudier les modifications de seuil d’activation du BO. Nous avons analysé les deux types de représentation spatiale et temporelle chez des rats anesthésiés, à jeun versus nourris. Nous avons observé que les cartes spatiales et les changements des profils oscillatoires évoqués dans le BO sont présents pour les deux types de stimuli à de faibles concentrations chez tous les rats à jeun mais pas chez tous les animaux nourris. Par contre, pour les fortes concentrations d'odeurs, nous avons observé plus de réponses chez les animaux nourris. Nous avons conclu que le jeûne affecte profondément le seuil d’activation spatiotemporelle du BO.Nous avons alors cherché à identifier les candidats moléculaires qui pourraient déclencher cetteplasticité olfactive à jeun. Nous avons analysé dans le BO la variation de l'expression des récepteurs à deux hormones satiétogènes, la leptine et l'insuline, mais n'avons pas trouvé de changement significatif entre les deux groupes de rats. En outre, l'injection intrapéritonéale de leptine n'a pas inversé le profil oscillatoire induit chez des rats à jeun. Nous avons conclu que la leptine n'agit pas à elle seule dans la signalisation de l'état nutritionnel qui induit la plasticité bulbaire. Nous avons également cherché des modifications spécifiques des circuits du BO pendant le jeûne et avons obtenu des données préliminaires intéressantes sur la plasticité astrocytaire. Enfin, nous avons mené un nouveau projet sur le rôle des endocannabinoïdes dans la prise alimentaire. Le THC est un agoniste des récepteurs CB1 aux endocannabinoïdes qui induit une hyperphagie. Les CB1 étant présents dans le BO, nous avons testé ses effets sur l'activité oscillatoire chez des souris à jeun. Nous avons trouvé que le THC inhibe la désensibilisation olfactive qui est déclenchée chez les souris contrôle par la présentation d'odeurs répétées. / Olfactory cues are important for many vital functions as reproduction, social interactions, fooddetection and feeding behavior. However, the nutritional impact on the olfactory system has not been precisely described. Here we studied the effects of fasting on the spatiotemporal activities in the main olfactory bulb (OB), a structure supporting the first step of odor coding in the brain.Odorant signals undergo a complex processing that starts in the Main Olfactory Epithelium where the olfactory sensitive neurons (OSN) are located. OSN project into the OB where odorant features (among them identity and concentration) evoke spatiotemporal patterns of activities located respectively at the glomerular and mitral/granule cells levels. The spatial coding at the glomerular level is classically studied by optical imaging of odor-evoked activities on the surface of the MOB in response to different odors at different concentrations. The temporal coding is characterized by specific variations in the oscillatory activity of the Local Field Potential (LFP) in deeper layers.We tested odor responses in the OB in 17 hours-fasted rats compared to ad libitum-fed rats. We used two olfactory stimuli at different concentrations: the first one (almond aroma odor) is associated to food since it is incorporated into a homemade cake that rats love to eat; the second is the pure odorant hexanal which is new and neutral for them. Using these odorants at low concentrations to probe threshold modifications, we analyzed both types of OB coding (spatial and temporal) at the levels where they occur (glomerular layer and mitral/granule cell layers respectively) in anesthetized rats.Using intrinsic optical signals imaging and local field potential recording, we observed that odor maps and changes in oscillatory patterns of activity in the OB are present for both types of stimuli at low concentrations in all fasted rats but not in all fed animals. For higher odor concentrations, further fed animals responded. We conclude that fasting deeply impacts the overall odor threshold detection in the OB.Then, we sought to identify putative molecular candidates that could trigger this olfactory plasticity in fasted conditions. We have checked the variation of receptor expression for leptin and insulin, two anorexigen hormones, in the OB but did not find any significant changes between the two groups. In addition, i.p. injection of leptin did not reverse the oscillatory profile induced in fasted rats. We concluded that leptin does not act solely in signalling the nutritional state that induces the OB plasticity. We are still looking for specific modifications of OB circuits during fasting and we present interesting preliminary data about astrocytic plasticity in this manuscript. Finally, we have also run a new and exciting project dealing with the role of endocannabinoids in food intake: since THC, a potent agonist of endocannabinoids CB1 receptors which are expressed in the OB, selectively increases food intake when injected at low doses, we tested its effects on the OB oscillatory activity in fasted mice. We found that THC inhibits olfactory desensitization that is triggered in control mice by repeated odor presentation.

<p>The blood-brain barrier restricts the access of many compounds, including therapeutic agents, to the brain. Several human studies indicate that nasal administration of hydrophilic compounds, such as peptides, can bypass the blood-brain barrier. The aims of this thesis were to develop and refine models for this direct nose-to-brain transfer.</p><p>In a mouse model, [³H]-dopamine was given as a unilateral nasal dose. The resulting radioactivity in the ipsilateral olfactory bulb was significantly higher than that in the contralateral bulb and peaked at 4 h. Tape section autoradiography showed that the radioactivity was concentrated in the olfactory nerve layer and the glomerular layer of the olfactory bulb. The olfactory transfer of dopamine was also studied <i>in vitro</i>. At a lower donor concentration, the mucosal-to-serosal dopamine permeability was higher than the serosal-to-mucosal permeability, but at a higher concentration, the permeability coefficients were similar. Together, these results suggest that the olfactory transfer of dopamine has an active component.</p><p>Olfactory transfer of fluorescein-labeled dextran through the epithelium and deeper tissues was studied in a rat model, which enabled visualization of the transfer using fluorescence microscopy. Although the epithelial transfer appeared to be mainly intracellular, transfer in the following deeper tissues was extracellular. Without altering the route of uptake, a gellan gum formulation enhanced the uptake of fluorescein dextran. The enhancing effect was considered likely to be the result of an increased residence time in the nasal cavity.</p><p>In conclusion, dopamine and fluorescein-labeled dextran were identified as suitable model compounds for the study of olfactory drug transfer mechanisms and the influence of drug formulation. Two new <i>in vitro</i> models of olfactory transfer were compared. Also, a rat model, which enabled the visualization of the entire nose-to-brain transfer, was developed.</p>

The blood-brain barrier restricts the access of many compounds, including therapeutic agents, to the brain. Several human studies indicate that nasal administration of hydrophilic compounds, such as peptides, can bypass the blood-brain barrier. The aims of this thesis were to develop and refine models for this direct nose-to-brain transfer. In a mouse model, [3H]-dopamine was given as a unilateral nasal dose. The resulting radioactivity in the ipsilateral olfactory bulb was significantly higher than that in the contralateral bulb and peaked at 4 h. Tape section autoradiography showed that the radioactivity was concentrated in the olfactory nerve layer and the glomerular layer of the olfactory bulb. The olfactory transfer of dopamine was also studied in vitro. At a lower donor concentration, the mucosal-to-serosal dopamine permeability was higher than the serosal-to-mucosal permeability, but at a higher concentration, the permeability coefficients were similar. Together, these results suggest that the olfactory transfer of dopamine has an active component. Olfactory transfer of fluorescein-labeled dextran through the epithelium and deeper tissues was studied in a rat model, which enabled visualization of the transfer using fluorescence microscopy. Although the epithelial transfer appeared to be mainly intracellular, transfer in the following deeper tissues was extracellular. Without altering the route of uptake, a gellan gum formulation enhanced the uptake of fluorescein dextran. The enhancing effect was considered likely to be the result of an increased residence time in the nasal cavity. In conclusion, dopamine and fluorescein-labeled dextran were identified as suitable model compounds for the study of olfactory drug transfer mechanisms and the influence of drug formulation. Two new in vitro models of olfactory transfer were compared. Also, a rat model, which enabled the visualization of the entire nose-to-brain transfer, was developed.

Nasal administration of analgesics for achieving rapid pain relief is currently a topic of great interest. The blood-brain barrier (BBB) restricts access to the central nervous system (CNS) for several central-acting drugs, such as morphine and dihydroergotamine, which results in a substantial effect delay. Evidence for the olfactory transfer of drugs from the nasal cavity to the CNS after nasal administration, bypassing the BBB, is available for both animals and humans. The aims of this thesis were to study the olfactory transfer of morphine to the CNS after nasal administration, and to compare the nasal transport of analgesic drugs across nasal respiratory and olfactory mucosa. In vivo studies in rodents demonstrated that morphine is transferred via olfactory pathways to the olfactory bulbs and the longitudinal fissure of the brain after nasal administration. Further, olfactory transfer of morphine significantly contributed to the early high morphine brain hemisphere concentrations seen after nasal administration to rats. Olfactory transfer was tracked by collecting and analysing brain tissue and blood samples after right-sided nasal administration and comparing the results to the situation after i.v. administration. The olfactory transfer was also visualised by brain autoradiography. In vitro studies indicated that the olfactory mucosa should not be a major barrier to the olfactory transfer of dihydroergotamine or morphine, since transport of these drugs was no more restricted across the olfactory mucosa than across the nasal respiratory mucosa. The in vitro studies were performed using the horizontal Ussing chamber method. This method was further developed to enable comparison of drug transport across nasal respiratory and olfactory mucosa which cannot be achieved in vivo. In conclusion, these analgesic drugs showed potential for olfactory transfer, and access to the CNS by this route should be further investigated in humans, especially for the drugs with central effects that are currently under development for nasal administration.