Représentation neuronale des mélanges odorants dans le bulbe olfactif des mammifères Pascale Giraudet

1. Représentation neuronale des mélanges odorants dans le bulbe olfactif des mammifèresPascale Giraudet

2. Frédéric Berthommier Institut de la Communication Parlée INPG Grenoble Michel Chaput Neurosciences et Systèmes Sensoriels CNRS - UCB Lyon 1 Villeurbanne Représentation neuronale des mélanges odorants dans le bulbe olfactif des mammifèresPascale Giraudet

3. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

4. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

5. Le système olfactif des mammifères Dors. Post. • Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration Vent. Ant. Épithélium olfactif Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

6. Le système olfactif des mammifères Dors. Post. • Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration • Bulbe olfactif : premier relais du système olfactif Bulbe olfactif Vent. Ant. Épithélium olfactif Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

7. Le système olfactif des mammifères Néocortex fronto-orbitaire Dors. Post. • Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration • Bulbe olfactif : premier relais du système olfactif • Tractus olfactif latéral (TOL) • Cortex olfactif et entorhinal • Néocortex fronto-orbitaire Bulbe olfactif Vent. TOL Cortex olfactif Cortex entorhinal Ant. Épithélium olfactif Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

8. Connectivité du bulbe olfactif • Premier relais du système olfactif • Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules Figure adaptée de [Shepherd, 72]

9. Connectivité du bulbe olfactif • Premier relais du système olfactif • Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules • Connectivité horizontale par interneurones inhibiteurs: cellules périglomérulaires et granulaires Figure adaptée de [Shepherd, 72]

10. Connectivité du bulbe olfactif • Premier relais du système olfactif • Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules • Connectivité horizontale par interneurones inhibiteurs: cellules périglomérulaires et granulaires • Rétro-contrôle par fibres centrifuges Figure adaptée de [Shepherd, 72]

11. Représentation spatiale des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères • Visualisation des zones actives dans le bulbe olfactif de rat • Cartes spatiales d'activité moyenne: • différentes d'une odeur à l'autre, • plus ou moins recouvrantes, • croissantes en surface avec la concentration. Lat. Dor. Méd. Figure adaptée de [Stewart, Kauer & Shepherd, 79]

12. Représentation temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères Activité d'une cellule mitrale Débit respiratoire Stimulation 5 s. Figure adaptée de [Chaput & Holley, 80]

13. Représentation temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères Activité d'une cellule mitrale Débit respiratoire Stimulation 5 s. Figure adaptée de [Chaput & Holley, 80] • Étude de la répartition de l'activité cellulaire au cours du cycle respiratoire • Réponse à une odeur et discrimination de deux odeurs par : • changement de fréquence moyenne de décharge, • réorganisation de l'activité au cours du cycle respiratoire.

14. Problématique des mélanges • Les odeurs naturelles sont des mélanges de plusieurs composants • Première étude de la représentation neuronale des mélanges chez un mammifère : • activité unitaire des cellules mitrales du bulbe olfactif de rat • stimulus modulé  prise en compte de l'aspect temporel • mélanges binaires de corps purs • Peut-on exprimer la représentation neuronale d'un mélange en fonction de celles de ses composants ? • en termes de réactivité • en termes de motif temporel d'activité

15. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

16. Choix des odorants Figure adaptée de [Sicard et al., 80] • 1) acétophénone • 2) anisole • 3) n-butanol • 4) camphre • 5) cyclodécanone • 6) 1-8-cinéole • 7) p-cymène • 8) d-citronellol • 9) heptanol • 10) acétate d'isoamyl • 11) acide isovalérique • 12) limonène • 13) méthyl,amyl- • cétone • 14) phénol • 15) thiophénol • 16) pyridine • 17) menthol • 18) thymol • 19) cyclohexanol • 20) cyclohexanone

17. Choix des odorants Figure adaptée de [Sicard et al., 80] • 1) acétophénone • 2) anisole • 3) n-butanol • 4) camphre • 5) cyclodécanone • 6) 1-8-cinéole • 7) p-cymène • 8) d-citronellol • 9) heptanol • 10) acétate d'isoamyl • 11) acide isovalérique • 12) limonène • 13) méthyl,amyl- • cétone • 14) phénol • 15) thiophénol • 16) pyridine • 17) menthol • 18) thymol • 19) cyclohexanol • 20) cyclohexanone

18. Acquisition des données • 31 rats anesthésiés respirant librement • Enregistrement par une microélectrode extracellulaire de l'activité unitaire de 149 cellules mitrales du bulbe • Enregistrement simultané du débit respiratoire • Stimulation • par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et leurs 10 mélanges binaires • concentration identique: Pp=2.9 Pa (soit environ 1.2 10-6 mol.l-1) BULBE OLFACTIF NARINE Rat anesthésié respirant librement CYCLES RESPIRATOIRES TRAIN DE PA temps

19. Acquisition des données • 31 rats anesthésiés respirant librement • Enregistrement par une microélectrode extracellulaire de l'activité unitaire de 149 cellules mitrales du bulbe • Enregistrement simultané du rythme respiratoire • Stimulation • par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et leurs 10 mélanges binaires • concentration identique: Pp=2.9 Pa (soit environ 1.2 10-6 mol.l-1) • Découpage des cycles respiratoires • Représentation des potentiels d'action en fonction de leur position dans le cycle respiratoire BULBE OLFACTIF NARINE Rat anesthésié respirant librement CYCLES RESPIRATOIRES TRAIN DE PA temps RASTER PLOT

20. Représentation des données • Découpage du cycle en 15 intervalles (bins) • précision du découpage des cycles supérieure à la taille des bins • meilleur compromis entre précision et élimination du bruit • Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque bin • maintien du motif temporel de cycle en cycle, aussi bien pour les odeurs pures que pour les mélanges

21. Représentation des données • Découpage du cycle en 15 intervalles (bins) • précision du découpage des cycles supérieure à la taille des bins • meilleur compromis entre précision et élimination du bruit • Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque bin • maintien du motif temporel de cycle en cycle, aussi bien pour les odeurs pures que pour les mélanges 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

22. Exemple

23. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

24. Définition de la réactivité • La réactivité n'est pas définie en termes d'intensité moyenne, mais en termes de motif temporel d'activité • Comparaison du motif spontané et du motif évoqué • motifs significativement différents  réponse de la cellule (R) • motifs non significativement différents  pas de réponse (NR) • Principe du test de comparaison • un motif = une réalisation d'un processus de Poisson non stationnaire • H0 : "les deux motifs sont deux réalisations du même processus de Poisson" • rejet de H0 avec un risque de première espèce p<0.05

25. Exemple de la réactivité d'une cellule

26. Réactivité aux mélanges

27. Réactivité aux mélanges

28. Réactivité aux mélanges Réactivité à XY  réactivité à X ou réactivité à Y

29. Réactivité au mélange en fonction de la réactivité à ses composants

30. Réactivité au mélange en fonction de la réactivité à ses composants

31. Représentation populationnelle des mélanges ISO ISO+CYM CYM Représentation populationnelle Représentation populationnelle des composants isolés de leur mélange MAK ISO ACE+CIN+ISO +CYM+MAK ACE CYM CIN

32. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

33. Comparaison des motifs temporels d'activité

34. Mise en évidence d’un phénomène de dominance Dominance : 78 % Pas de dominance : 22 %

35. Caractérisation du composant dominant • Un composant a d'autant plus de chance de dominer le motif d'activité évoqué par un mélange que : • la cellule est réactive à ce composant, • le taux de réactivité à ce composant est élevé,

36. Caractérisation du composant dominant • Un composant a d'autant plus de chance de dominer le motif d'activité évoqué par un mélange que : • la cellule est réactive à ce composant, • le taux de réactivité à ce composant est élevé, • la synchronisation de son motif évoqué est forte.

37. Principe de projection • Les vecteurs VX et VY, non colinéaires, définissent un plan • Projection orthogonale de VXY sur ce plan R VXY VY VX

38. Principe de projection • Les vecteurs VX et VY, non colinéaires, définissent un plan • Projection orthogonale de VXY sur ce plan • Expression du projeté dans le repère défini par VX et VY R VXY VY aY VX aX

39. Exemple de coefficients (X,Y) 0.1 0.7 0.0 1.0 0.0 0.8 0 0.9 0.1 0.0 0.9 0.0 1.1 0.0 0.7 0.8 0.0 0.0 0.8

40. Loi de composition des motifs dans les mélanges • Coefficients compris entre 0 et 1 • Somme des coefficients égale à 1 • Résidu de projection faible le motif évoqué par le mélange est une moyenne pondérée des motifs évoqués par ses composants • Répartition bimodale des coefficients  dominance

41. Vérification du phénomène de dominance

42. Évolution des coefficients de pondération avec la concentration relative des composants • Le coefficient de pondération d’un composant augmente avec sa concentration relative : • en moyenne • cas par cas : transition de dominance autour d'un seuil variable d'une cellule à l'autre

43. Représentation temporelle des mélanges ISO ISO CYM CYM Représentation temporelle Représentation temporelle des composants isolés de leur mélange MAK ISO MAK ISO ACE ACE CYM CYM CIN CIN

44. Plan I. Introduction 1) Présentation du système olfactif des mammifères 2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif 3) Problématique des mélanges II. Matériels et méthodes 1) Choix des odorants 2) Acquisition et représentation des données III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges 1) Définition de la réactivité cellulaire 2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants 3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges 1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance 2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges 3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges V. Discussion 1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons 2) Parallèle avec la perception des mélanges 3) Conclusion et perspectives

45. Parallèle avec la représentation des mélanges dans le bulbe olfactif du poisson Poisson[Kang & Caprio, 95] Mammifères • Représentation populationnelle • réactivité en fréquence moyenne • Représentation populationnelle • réactivité en motifs temporels

46. Parallèle avec la représentation des mélanges dans le bulbe olfactif du poisson Poisson[Kang & Caprio, 95] Mammifères • Représentation populationnelle • réactivité en fréquence moyenne • Représentation populationnelle • réactivité en fréquence moyenne • Représentation temporelle • motifs de 25 bins de 0.2 s • 71 % de dominance • Représentation temporelle • motifs de 15 bins de 0.05 s • 78 % de dominance

47. Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme Intensité perçue d'un mélange binaire [Berglund et al., 73] [Laing et al., 84] 2XY = 2X + 2Y + 2 X Y cosXY

48. Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme Intensité perçue d'un mélange binaire [Berglund et al., 73] [Laing et al., 84] 2XY = 2X + 2Y + 2 X Y cosXY Taux de réactivité des cellules mitrales à un mélange binaire p(XY) = p(XY) = p(X) + p(Y) - p(XY) p2(XY) = p2(X) + p2(Y) +2 p(X) p(Y) cosXY

49. Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme Intensité perçue d'un mélange binaire [Berglund et al., 73] [Laing et al., 84] 2XY= 2X+ 2Y+ 2 XYcosXY Taux de réactivité des cellules mitrales à un mélange binaire p(XY) = p(XY) = p(X) + p(Y) - p(XY) p2(XY) = p2(X) + p2(Y) +2 p(X)p(Y) cosXY

50. Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme Intensités perçues des composants [Laing et al., 83 & 84] Qualité perçue du mélange binaire Perception de X et Y (perception analytique) Perception de X (masquage de Y)