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QUESTION D'ACTU

Bulbe olfactif

Comment notre cerveau organise les informations sur les odeurs

Des neuroscientifiques sont, pour la première fois, parvenus à décrire comment les relations entre les différentes odeurs sont codées dans le cerveau et comment ce dernier transforme les informations sur la chimie des odeurs en perception de l’odorat. Ce mécanisme permet d’expliquer pourquoi nous avons des expériences communes mais hautement personnalisées avec l’odorat.

Comment notre cerveau organise les informations sur les odeurs YakobchukOlena/iStock

  • Publié le 07.07.2020 à 10h30
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L'ESSENTIEL
  • Les similitudes dans la chimie des odeurs sont reflétées par des similitudes dans l'activité neuronale
  • La plasticité du cortex explique que nous n'avons pas les mêmes perceptions des odeurs en fonction de nos expérences

Les mystères de l’odeur s’évaporent petit à petit. Récemment, des chercheurs américains ont expliqué le mécanisme cérébral qui permet de percevoir et distinguer les odeurs. L’anosmie, la perte d’odorat, chez les patients infectés par la Covid-19 a également été expliquée. Dans une nouvelle étude, réalisée par des neurobiologistes de l'école de médecine de Harvard (HMS) et publiée dans la revue Nature, les relations entre les différentes odeurs codées dans le cortex olfactif, la région du cerveau responsable du traitement des odeurs, ont été expliquées.

Un système neuronal différent que la perception de la lumière et du son

Les chercheurs sont parvenus à montrer que les représentations neuronales de l'odorat dans le cortex reflètent les similitudes chimiques entre les odeurs, permettant aux parfums d'être classés en catégories par le cerveau et pouvant être “recâblées” par des expériences sensorielles. Ces résultats suggèrent un mécanisme neurobiologique qui pourrait expliquer pourquoi les individus ont des expériences communes mais hautement personnalisées avec l’odorat. “Nous partageons tous un cadre de référence commun avec les odeurs, confirme l'auteur principal de l'étude, Sandeep Robert Datta, professeur à la HMS. Vous et moi pensons que le citron et le citron vert ont une odeur similaire et conviennent qu'ils ont une odeur différente de la pizza, mais jusqu'à présent, nous ne savions pas comment le cerveau organise ce type d’informations.”

L'odorat permet aux animaux d'identifier la nature chimique du monde qui les entoure. Les neurones sensoriels du nez détectent les molécules d'odeur et relaient les signaux au bulbe olfactif, une structure du cerveau où se produit le traitement initial des odeurs. Le bulbe olfactif transmet les informations au cortex piriforme, la structure principale du cortex olfactif, pour un traitement plus complet. Contrairement à la lumière ou au son, il est difficile de comprendre comment le cerveau construit des représentations neuronales des petites molécules qui transmettent l'odeur. Souvent, des changements chimiques subtils peuvent entraîner des différences significatives dans la perception des odeurs. Les résultats ouvrent de nouvelles voies d'étude pour mieux comprendre comment le cerveau transforme les informations sur la chimie des odeurs en perception de l’odorat. “Il s'agit de la première démonstration de la façon dont le cortex olfactif code des informations sur la chose dont il est responsable, qui est la chimie des odeurs, les signaux sensoriels fondamentaux de l’olfaction”, se réjouit Sandeep Robert Datta.

Prédire l’identité d’une odeur

Les chercheurs se sont concentrés sur la question de savoir comment le cerveau identifie les odeurs liées mais distinctes. Pour cela, ils ont développé une approche pour comparer quantitativement les odeurs chimiques. Ils ont utilisé l'apprentissage automatique pour examiner des milliers de structures chimiques connues pour avoir des odeurs et analysé des milliers de caractéristiques différentes pour chaque structure, telles que le nombre d'atomes, le poids moléculaire ou encore les propriétés électrochimiques. Ces données ont permis aux chercheurs de calculer systématiquement la similitude ou la différence d'une odeur par rapport à une autre. Cela les a aidés à concevoir trois ensembles d’odeurs : un ensemble avec une grande diversité; un avec une diversité intermédiaire, avec des odeurs divisées en grappes apparentées; et une de faible diversité, où les structures ne variaient que par des augmentations progressives de la longueur de la chaîne carbonée.

Ils ont ensuite délivré des odeurs avec des structures moléculaires soigneusement sélectionnées et provenant des différents ensembles à des souris dont ils ont analysé l'activité neuronale. Les expériences ont révélé que les similitudes dans la chimie des odeurs sont reflétées par des similitudes dans l'activité neuronale. Les senteurs associées ont produit des profils neuronaux corrélés dans le cortex piriforme et le bulbe olfactif, mesurés par les chevauchements de l'activité neuronale. Les odeurs faiblement liées ont produit des schémas d'activité faiblement liés. Dans le cortex, les parfums associés ont conduit à des schémas d'activité neuronale plus fortement groupés par rapport aux schémas du bulbe olfactif. Les représentations corticales des relations d'odeurs étaient si bien corrélées qu'elles pouvaient être utilisées pour prédire l'identité d'une odeur retenue chez une souris sur la base de mesures effectuées dans une autre souris.

La plasticité du cortex, clé de nos différences

Les chercheurs ont également constaté que ces représentations neuronales sont flexibles. Les souris ont reçu à plusieurs reprises un mélange de deux odeurs et, au fil du temps, les schémas neuronaux correspondants de ces senteurs dans le cortex sont devenus plus fortement corrélés. Cela s'est produit même lorsque les deux parfums avaient des structures chimiques différentes. La capacité du cortex à s'adapter a été engendrée en partie par des réseaux de neurones qui remodèlent sélectivement les relations d'odeurs. Lorsque l'activité normale de ces réseaux a été bloquée, le cortex codé sent plus comme le bulbe olfactif. “Nous avons présenté deux odeurs comme si elles provenaient de la même source et avons observé que le cerveau peut se réorganiser pour refléter les expériences olfactives passives, a observé le chercheur. Une partie de la raison pour laquelle des choses comme le citron et le citron vert sentent pareillement est probablement due au fait que les animaux de la même espèce ont des génomes similaires et donc des similitudes dans la perception des odeurs.”

La plasticité du cortex explique que malgré toutes les similitudes, chaque individu a une perception différente d’une même odeur. “La plasticité du cortex peut aider à expliquer pourquoi l'odeur est d'une part invariante entre les individus, et pourtant personnalisable en fonction de nos expériences uniques”, confirme Sandeep Robert Datta. D’autres recherches doivent être menées pour identifier plus précisément ces mécanismes. “Nous ne comprenons pas encore complètement comment les chimies se traduisent en perception, poursuit le chercheur. Il n'y a pas d'algorithme ou de machine informatique qui prendra une structure chimique et nous dira à quoi ressemblera ce produit chimique. Pour réellement construire cette machine et pouvoir un jour créer un monde olfactif contrôlable et virtuel pour une personne, nous devons comprendre comment le cerveau code les informations sur les odeurs. Nous espérons que nos résultats sont un pas dans cette direction”, conclut-il.

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