Chez les mammifères, le système olfactif principal est fonctionnel dans le dernier tiers du stade gestationnel. Le fœtus est donc capable de détecter avec sensibilité, discriminer, et mémoriser les odorants présents dans le liquide amniotique dans lequel il baigne. Chez le rongeur, ces odorants mémorisés in utero sont fondamentaux pour la survie du nouveau-né à la naissance en lui permettant de s’orienter vers la mamelle et de déclencher la tétée. Par la suite, ces odorants vont guider le nouveau-né dans ses choix olfactifs et alimentaires et favoriser ses apprentissages ultérieurs. Or, on sait que l’alimentation de la mère fait varier les clés olfactives des fluides biologiques (liquide amniotique, lait) et donc modifie la nature des sources olfactives rencontrées par le fœtus, puis le nouveau-né dans la période périnatale. Dans le but d’évaluer l’impact d’une exposition odorante périnatale sur le fonctionnement et la maturation du système olfactif en relation avec le développement de préférences médiées par l’olfaction et la modulation du stress au moment du sevrage, nous avons mis en place un modèle d’exposition odorante périnatale via l’alimentation maternelle dans une lignée transgénique murine exprimant le récepteur olfactif I7 couplé à une protéine fluorescente, dont l’odorant préférentiel est l’heptanal. Après validation de la présence d’heptanal dans le liquide amniotique et le lait de ces souris par GC-MS-MS, nos résultats montrent que l’exposition périnatale à l’heptanal entraine une augmentation significative du nombre de glomérules I7 présents au niveau du bulbe olfactif à PN12 par rapport aux animaux contrôles sans modification notable de l’homéostasie tissulaire ou de la transcription du gène I7 au niveau de la muqueuse olfactive. Ce changement structural important au niveau des projections axonales du bulbe olfactif s’accompagne d’un faible effet sur le comportement olfactif des souriceaux dont les capacités de discrimination ne sont que très faiblement améliorées par rapport aux souriceaux non exposés. A PN21, l’effet de l’exposition odorante sur le nombre de glomérules I7 est atténué, mais reste significatif. A ce stade, les souriceaux odorisés montrent une attraction olfactive pour l’heptanal par rapport au groupe contrôle non exposé, bien que l’effet sur un choix entre aliment odorisé ou pas soit plus contrasté. D’un point de vue moléculaire, ces effets sont associés à une diminution de l’expression du récepteur I7, et de gènes de la signalisation neuronale pouvant traduire une modification de la dynamique cellulaire. Et comme le montrent les résultats obtenus en électro-olfactogramme à cet âge, la sensibilité de la muqueuse olfactive vis-à-vis de l’heptanal est diminuée alors qu’elle ne l’est pas pour d’autres composés odorants. Ces travaux montrent que l’exposition périnatale à un odorant s’accompagne d’effets précoces sur le système olfactif qui impactent son organisation et d’effets sur les choix olfactifs qui se renforcent au cours du développement. Enfin, l’effet d’une exposition périnatale à l’heptanal sur la réponse à des conditions stressantes après séparation maternelle au moment du sevrage a été évaluée en enregistrant des souriceaux CD1 élevés dans les mêmes conditions d’odorisation que les souriceaux mI7-GFP adoptés, en open-field odorisé ou non. Nous avons montré que la réaction de stress des souriceaux à PN21, exposés en périnatal à l’heptanal, dans l’open field, est atténuée lorsque l’heptanal est présent dans l’environnement, comparé à la réaction des souriceaux non exposés qui affichent un comportement d’anxiété. Dans l’ensemble, cette étude a donc permis de mettre en évidence les conséquences en terme d’effets comportementaux (préférences médiées par l’olfaction et diminution du stress), structuraux et moléculaires, d’une exposition odorante périnatale chez le jeune, à l’aide d’une lignée transgénique pour laquelle nous disposions de peu de données. / In mammals, the main olfactory system displays all the structural and functional characteristics at the last third of the gestational stage. Thus, the fetus is able to detect, to discriminate, but also to memorize the odorants present in the amniotic fluid in which it bathes. In the rodent, these odors memorized in utero are fundamental for the survival of the newborn at birth by allowing it to trend itself towards food sources. Afterwards, odorants are guiding the newborn to olfactory and food choices and are promoting subsequent learning. It is known that the mother's diet varies the olfactory keys of the biological fluids (amniotic fluid, milk) and thus modifies the nature of the olfactory sources encountered by the fetus and then the newborn in the perinatal period. The neuroanatomic and functional consequences of this impregnation are the subject of recent studies. The objective of this thesis was to characterize the effects of perinatal odor exposure on the maturation and functioning of the olfactory system in relation to the development of olfactory preferences and to a stressing challenge at weaning. For that, we set up a model of perinatal odor exposure through maternal feeding in the mI7-GFP murine transgenic strain expressing the olfactory receptor I7 coupled with the Green Fluorescent Protein (GFP). We evaluated the neuroanatomic, molecular and behavioral consequences on the pups before weaning, and their evolution over time by focusing our efforts on the postnatal stages 3 (PND3), PND12-14 and PND21. Due to the fragility of the transgenic strain, we worked on mI7-GFP mice pups crossfostered by CD1 mice mothers raised under the same conditions after having validated the presence of heptanal in the amniotic fluid of mI7-GFP mice and the milk of CD1 mice by GC-MSMS. We characterized the effects of perinatal odor exposure on the maturation and functioning of the olfactory system in relation to the olfactory preference until weaning (mI7-GFP mice pups under CD1 adoptive mothers) and on the stress reaction to maternal separation at weaning (CD1 mice pups under biological mother). Our results show that perinatal exposure to heptanal leads to a significant increase in the number of I7 glomeruli in the olfactory bulb (OB) associated to a slight modification of the tissue homeostasis in the olfactory mucosa (OM) and to subtle differencies in heptanal sensitivity and preferences, that are amplified at PND21. From a molecular point of view, these effects are associated to a down-regulation of the expression of the I7 receptor and genes of neuronal signaling and an odorantspecific decrease in EOG response which may highlight a modification of the cellular dynamics. Finally, the effect of perinatal exposure to heptanal on the response to stressing conditions after maternal separation was assessed by recording CD1 mice pups grown under the same conditions than fostered mi7 mice on odorized and non odorized open-field. We showed that the reaction of odorized mice in the open field at PND21 is attenuated when the odorant is present in the environment, compared to non odorized mice that display anxiety-like behavior. Overall, this study demonstrates the consequences of a perinatal odorant exposure in the young, in terms of behavior (olfactory preference and anxiety), structural and molecular plasticity of the olfactory system, on a transgenic strain for which we had little available data.

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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.

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

Les modalités sensorielles ont un rôle essentiel dans la collecte des informations en provenance de l’environnement. En olfaction, l’échantillonnage actif des odeurs se fait via le flairage chez le rat (2-10 Hz). Chez l’animal qui se comporte, le flairage est un acte très dynamique, il varie en particulier en fréquence et en débit. Le flairage peut être modulé par des facteurs liés au stimulus, comme les propriétés physico-chimiques des odeurs ou leur concentration, ou par des facteurs plus « internes » comme l’attention, les émotions ou la motivation. Plusieurs auteurs ont également suggéré l’importance de la fréquence de flairage dans la performance. Dans une première partie de ma thèse, j’ai voulu caractériser l’impact d’un apprentissage olfactif sur la mise en place d’un pattern de flairage adapté à la discrimination. Pour cela, j’ai utilisé un système d’enregistrement de la respiration non invasif chez le rat (pléthysmographe) pendant que l’animal effectue une tâche de discrimination olfactive à double choix. Dans une seconde partie, j’ai cherché les corrélats neuronaux de l’acquisition de ce pattern de flairage en enregistrant simultanément l’activité respiratoire et les signaux neuronaux (potentiels de champ locaux) dans des aires olfactives, motrices et limbiques chez l’animal en comportement. J’ai cherché à caractériser les activités oscillatoires dans la bande bêta (15-30 Hz) et thêta (2-10 Hz). J’ai enfin discuté dans quelle mesure celles-ci pouvaient être reliées à l’apprentissage et/ou aux variations de l’activité respiratoire / Sensory modalities actively take part in collecting relevant information from the environment. In olfaction, active sampling amounts to sniffing in rodents (2-10 Hz). In behaving animals, sniffing is highly dynamic, notably in frequency and flow rate. Sniffing can be modulated by parameters related to the odorant stimulus, such as the physicochemical properties of the molecule or its concentration. It can also vary depending on “internal” parameters such as attention, emotions or motivation. Several studies highlighted the importance of the sniffing frequency in performance. First, I looked at the impact of olfactory learning on the acquisition of a specific sniffing pattern. For that purpose, I monitored sniffing activity in a non-invasive way, using a whole-body plethysmograph, on rats performing a two-alternative choice odor discrimination task. Second, I looked for neuronal correlates of the acquisition of such a sniffing pattern by simultaneously recording sniffing and neuronal activities (local field potentials) in olfactory, motor and limbic areas in behaving animals. I sought to characterize oscillatory activities in beta (15-30 Hz) and theta (2-10 Hz) ranges. I finally discussed to what extent they were related to learning and/or sniffing modulations

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Comment le cerveau intègre-t-il toutes les informations sensorielles qu'il reçoit en une perception cohérente de l'environnement ? Cette intrigante et importante question en neuroscience n’est pas élucidée et a inspiré ce travail de thèse. Plus précisément, mon objectif a été d’étudier les modifications cérébrales induites par l’apprentissage d’une association entre un son et une odeur. Inhabituelle chez l’homme, hormis dans l’alimentation, cette association est pourtant fréquente chez l’animal, pour la détection de prédateurs par exemple. Mais sons et odeurs permettent surtout d'étudier les mécanismes cérébraux nécessaires à l'association entre deux sens très différents : le système auditif traite l’information en temps réel tandis que le système olfactif est lent et rythmé par la respiration. Ce travail de thèse était centré autour de la question suivante : comment le cerveau traite-t-il les interactions multisensorielles audio-olfactives ? En enregistrant l’activité de potentiel de champs local de plusieurs structures cérébrales chez des rats en train d’apprendre cette association, nous avons pu mettre en évidence un potentiel rôle des oscillations neuronales béta (15-35 Hz), dans le traitement et la mise en mémoire des différentes informations sensorielles. Ces oscillations représenteraient un lien fonctionnel entre aires cérébrales distantes, permettant l’intégration et l’association d'informations de natures très différentes. / Multisensory interactions are constantly present in our everyday life and allow a unified representation of environment. Cross modal integration is often studied in multisensory associative brain regions, but recent findings suggest that most of the brain could be multisensory. But at this time, we still don’t know how the brain deals with information from different sensory systems. In this project, we want to understand whether the establishment of neuronal oscillations can functionally connect sensory regions and take part of the multisensory integration, and how this connection is built up by learning. For this, we examine changes in the cortical network involved in the acquisition of a multisensory association between a sound and an odor in rats through the analysis of the local field potentials’ oscillations The originality of the project is to sample a large network of brain structures including primary sensory cortex (primary auditory cortex, olfactory bulb) and multimodal areas towards which converge these two senses: the piriform and perirhinal cortices. We have developed a behavioral GO/NO GO test in which the rat must combine simultaneous auditory and olfactory informations to succeed. Data and brain signals obtained in this task suggest that the power of oscillations in beta frequency band within the olfactory areas and the coherences of oscillations between these areas are modified by the multisensory learning.

Chez la souris, la puberté de la femelle est accélérée par des phéromones urinaires émises par le mâle (effet Vandenbergh). Les mécanismes neuroendocriniens sous-Jacents et les conséquences comportementales restent peu connus. Par une approche multidisciplinaire alliant immunohistochimie, chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse et chirurgie expérimentale, mon travail de thèse montre que les neurones synthétisant la kisspeptine, un neuropeptide hypothalamique jouant un rôle essentiel dans le contrôle de la puberté, sont régulés positivement par les phéromones accélératrices de la puberté. Les neurones à kisspeptine reçoivent le signal phéromonal via le système olfactif accessoire et le transmettent aux neurones à GnRH. De plus, des analyses comportementales montrent qu’outre leur effet physiologique connu, les phéromones accélératrices de la puberté modifient à long terme le comportement sexuel de la souris femelle. En effet, la préférence de la femelle pour l’odeur du mâle s’exprime plus tôt à l’âge adulte après l’exposition péripubère aux phéromones émises par la souris mâle. / In the mouse, female puberty onset is accelerated by male urinary pheromones (Vandenbergh effect). The neuroendocrine mechanisms underlining this effect and the behavioral consequences are poorly understood. Through a multidisciplinary approach using immunohistochemistry, gas chromatography coupled to mass spectrometry and experimental surgery, my thesis research show that neurons that synthesize kisspeptin, a hypothalamic neuropeptide which plays a master role in the control of puberty onset, are positively regulated by puberty-Accelerating pheromones. Kisspeptin neurons receive pheromone signal via the accessory olfactory system and transmit it to GnRH neurons. Moreover, behavioral analyses show that besides their known physiological effect, puberty-Accelerating pheromones also have long-Term effects on sexual behavior of the female mouse. Indeed, puberty-Accelerating pheromones induce a precocious expression of male-Directed odor preference in adult female mice.

Chez l'homme comme chez l'animal, les odeurs guident le comportement et motivent à agir. La valeur hédonique (le caractère plus ou moins plaisant) est la dimension olfactive principale et est généralement utilisée pour décider d'approcher ou fuir la source odorante. Bien que cette attractivité soit façonnée par l'expérience, certaines odeurs non-familières sont spontanément attractives ou répulsives. Le caractère plus ou moins plaisant d'une odeur serait, du moins en partie, inné. Il existerait ainsi une signature neurale spécifique de la valeur hédonique des odeurs, et c'est ce que cette thèse s'emploie à identifier.Après sélection d'odorants spontanément plus ou moins attractifs (plaisant et déplaisants respectivement), nous avons recherché les bases neurales qui sous-tendent ces comportements. Nous avons tout d'abord cartographié (expression de Zif268) puis manipulé (optogénétique) l'activité neuronale du bulbe olfactif en réponse à ces odorants, et avons révélé une signature neurale bulbaire de la valeur hédonique des odeurs le long de l'axe antéro-postérieur.Puis, afin d'analyser comment le message hédonique était interprété par les aires olfactives et associatives supérieures, nous avons développé une méthode de recalage de l'activité cérébrale dans un atlas de référence, assurant une cartographie rapide, précise et fiable de cette activité. Enfin, en combinant cette méthode à des approches comportementales, électrophysiologiques et pharmacologiques, nous avons montré un rôle du système de la récompense dans le codage de la valeur hédonique des odeurs et qu'une odeur peut être perçue comme une récompense, motivant alors les comportements d'approche et de retrait / In humans and animals, odors guide behavior and motivate action. The hedonic value (that is the pleasantness) is the main olfactory dimension and is generally used to decide to approach the odor source or move away. While this attractiveness is shaped by experience, some unfamiliar odors are spontaneously attractive or repulsive. The pleasantness of an odor would be, at least in part, innate, and suggest a specific neural signature of the hedonic value of odors. The global aim of this thesis is to decipher neuronal mechanisms underlying the hedonic value of odors.After having selected odorants with various level of attraction (pleasant and unpleasant), we have deciphered the neural bases that underlie these behaviors.We first mapped (expression of Zif268) and then manipulated (optogenetic) the neuronal activity of the olfactory bulb in response to these odors, and have revealed a bulbar neural signature of the hedonic value of odors along the antero-posterior axis.Then, in order to analyze how the hedonic information was interpreted by the higher olfactory and associative areas, we developed a method allowing the registration of brain activity in a reference atlas, that ensure a fast, accurate and reliable mapping of this activity. Finally, by combining this method with behavioral, electrophysiological and pharmacological approaches, we have shown a role of the reward system in the coding of odor hedonics and that an odor can act as a reward, thus motivating behavior, approach and withdrawal