Une nouvelle étude révèle comment le cerveau organise les informations sur les odeurs

Une nouvelle étude révèle comment le cerveau organise les informations sur les odeurs

odeur

Crédit: Petr Kratochvil / domaine public

La première du film Scent of Mystery en 1960 a marqué un événement singulier dans les annales du cinéma: le premier et le dernier premier film « dans la glorieuse Smell-O-Vision ». Dans l’espoir de surprendre les cinéphiles avec une expérience olfactive dynamique aux côtés des spectacles familiers de la vue et du son, certains théâtres ont été équipés d’un appareil Rube Goldberg-esque qui canalisait différents parfums directement aux sièges.

Le public et les critiques ont rapidement conclu que l’expérience puait. Rempli de problèmes techniques, Smell-O-Vision a été balayé et est devenu un bâillon de course qui occupe une place unique dans l’histoire du divertissement. Le flop de Smell-O-Vision, cependant, n’a pas dissuadé les entrepreneurs de continuer à poursuivre le rêve de livrer des odeurs aux consommateurs, en particulier ces dernières années, grâce aux technologies de parfum numérique.

De tels efforts ont généré des gros titres mais un succès limité, en partie en raison d’une compréhension limitée de la façon dont le cerveau traduit la chimie des odeurs en perceptions de l’odorat – un phénomène qui à bien des égards reste opaque pour les scientifiques.

Une étude réalisée par des neurobiologistes de la Harvard Medical School offre désormais de nouvelles perspectives sur le mystère de l’odeur. Rapports en La nature le 1er juillet, les chercheurs décrivent pour la première fois comment les relations entre les différentes odeurs sont codées dans le cortex olfactif, la région du cerveau responsable du traitement des odeurs.

En délivrant des odeurs avec des structures moléculaires soigneusement sélectionnées et en analysant l’activité neuronale chez des souris éveillées, l’équipe a montré que les représentations neuronales de l’odorat dans le cortex reflètent les similitudes chimiques entre les odeurs, permettant ainsi aux parfums d’être classés en catégories par le cerveau. De plus, ces représentations peuvent être recâblées par des expériences sensorielles.

Les résultats suggèrent un mécanisme neurobiologique qui peut 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. 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 genre d’informations, « , a déclaré l’auteur principal de l’étude, Sandeep Robert Datta, professeur agrégé de neurobiologie à l’Institut Blavatnik du HMS.

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 même dont il est responsable, qui est la chimie des odeurs, les signaux sensoriels fondamentaux de l’olfaction », a déclaré Datta.

Calcul des odeurs

L’odorat permet aux animaux d’identifier la nature chimique du monde qui les entoure. Les neurones sensoriels du nez détectent les molécules odorantes et relaient les signaux au bulbe olfactif, une structure du cerveau antérieur où se produit le traitement initial des odeurs. Le bulbe olfactif transmet principalement des informations au cortex piriforme, la structure principale du cortex olfactif, pour un traitement plus complet.

Contrairement à la lumière ou au son, des stimuli facilement contrôlés par des caractéristiques de réglage telles que la fréquence et la longueur d’onde, il est difficile de sonder comment le cerveau construit des représentations neuronales des petites molécules qui transmettent l’odeur. Souvent, des changements chimiques subtils – quelques atomes de carbone ici ou des atomes d’oxygène là-bas – peuvent entraîner des différences importantes dans la perception des odeurs.

Datta, ainsi que le premier auteur de l’étude, Stan Pashkovski, chercheur en neurobiologie au HMS, et ses collègues ont abordé ce défi en se concentrant sur la question de savoir comment le cerveau identifie les odeurs liées mais distinctes.

« Le fait que nous pensons tous qu’une odeur de citron et de lime signifie que leur composition chimique doit d’une manière ou d’une autre évoquer des représentations neuronales similaires ou apparentées dans notre cerveau », a déclaré Datta.

Pour enquêter, les chercheurs ont développé une approche pour comparer quantitativement les substances chimiques odorantes, analogue à la façon dont les différences de longueur d’onde, par exemple, peuvent être utilisées pour comparer quantitativement les couleurs de la lumière.

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, les propriétés électrochimiques et plus encore. Ensemble, ces données ont permis aux chercheurs de calculer systématiquement la similitude ou la différence d’une odeur par rapport à une autre.

À partir de cette bibliothèque, l’équipe a conçu 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 exposé des souris à diverses combinaisons d’odeurs provenant des différents ensembles et ont utilisé la microscopie multiphotonique pour imager des modèles d’activité neuronale dans le cortex piriforme et le bulbe olfactif.

Prédiction d’odeur

Les expériences ont révélé que les similitudes dans la chimie des odeurs étaient reflétées par des similitudes dans l’activité neuronale. Les odeurs 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, en revanche, ont produit des schémas d’activité faiblement liés.

Dans le cortex, les odeurs liées ont conduit à des schémas d’activité neuronale plus fortement groupés par rapport aux schémas du bulbe olfactif. Cette observation s’est vérifiée sur des souris individuelles. 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 souris différente.

Des analyses supplémentaires ont identifié un éventail diversifié de caractéristiques chimiques, telles que le poids moléculaire et certaines propriétés électrochimiques, qui étaient liées aux modèles d’activité neuronale. Les informations tirées de ces caractéristiques étaient suffisamment robustes pour prédire les réponses corticales à une odeur chez un animal sur la base d’expériences avec un ensemble distinct d’odeurs chez un animal différent.

Les chercheurs ont également constaté que ces représentations neuronales étaient flexibles. Les souris ont reçu à plusieurs reprises un mélange de deux odeurs et, au fil du temps, les schémas neuronaux correspondants de ces odeurs dans le cortex sont devenus plus fortement corrélés. Cela s’est produit même lorsque les deux odeurs avaient des structures chimiques différentes.

La capacité du cortex à s’adapter a été générée 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 déclaré Datta.

Une partie de la raison pour laquelle des choses comme le citron et le citron vert sentent pareillement, a-t-il ajouté, 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. Mais chaque individu a également des perceptions personnalisées.

« 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 », a déclaré Datta.

Ensemble, les résultats de l’étude démontrent pour la première fois comment le cerveau code pour les relations entre les odeurs. En comparaison avec les cortex visuels et auditifs relativement bien compris, on ne sait toujours pas comment le cortex olfactif convertit les informations sur la chimie des odeurs en perception de l’odorat.

Selon les auteurs, l’identification de la façon dont le cortex olfactif cartographie des odeurs similaires fournit désormais de nouvelles informations qui éclairent les efforts pour comprendre et potentiellement contrôler le sens de l’odorat.

« Nous ne comprenons pas encore complètement comment les chimies se traduisent en perception », a déclaré Datta. « 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 », a déclaré Datta. « Nous espérons que nos résultats sont un pas dans cette direction. »


Les scientifiques décodent la façon dont le cerveau détecte l’odeur


Plus d’information:
Stan L. Pashkovski et al, Structure et flexibilité dans les représentations corticales de l’espace des odeurs, La nature (2020). DOI: 10.1038 / s41586-020-2451-1

Fourni par la Harvard Medical School

Citation: Une nouvelle étude révèle comment le cerveau organise les informations sur les odeurs (2020, 2 juillet) récupéré le 2 juillet 2020 sur https://medicalxpress.com/news/2020-07-reveals-brain-odors.html

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