Comment le cerveau des mammifères a évolué pour distinguer les odeurs n'a rien à voir
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Comment le cerveau des mammifères a évolué pour distinguer les odeurs n'est rien à renifler

L'étude de Salk révèle la relation entre les échelles des composants du "circuit distribué" entre les espèces

LA JOLLA—Le monde est rempli de millions et de millions d'odeurs distinctes, mais la façon dont le cerveau des mammifères a évolué pour les différencier est un mystère.

Aujourd'hui, deux neuroscientifiques du Salk Institute et de l'UC San Diego ont découvert qu'au moins six types de mammifères, des souris aux chats, distinguent les odeurs à peu près de la même manière, en utilisant des circuits dans le cerveau qui sont préservés de manière évolutive à travers les espèces.

"L'étude donne un aperçu des principes organisationnels qui sous-tendent les circuits cérébraux pour l'olfaction chez les mammifères qui peuvent être appliqués à d'autres parties du cerveau et à d'autres espèces", déclare Charles Steven, professeur émérite distingué du laboratoire de neurobiologie de Salk et coauteur de la recherche publiée dans le numéro du 18 juillet 2019 de Current Biology.

En bref, l'étude révèle que la taille de chacun des trois composants du réseau neuronal pour l'olfaction est à peu près la même pour chaque espèce, à commencer par les récepteurs dans le nez qui transmettent des signaux à un groupe de neurones à l'avant du cerveau appelé le bulbe olfactif qui, à son tour, relaie les signaux vers une région « à fonctionnement supérieur » pour l'identification des odeurs appelée le cortex piriforme.

"Ces trois étapes évoluent les unes avec les autres, la relation entre le nombre de neurones dans chaque étape étant la même pour toutes les espèces", explique Shyam Srinivasan, scientifique adjoint du projet à l'Institut Kavli pour le cerveau et l'esprit de l'UC San Diego, et co-auteur de l'article. "Donc, si vous me disiez le nombre de neurones dans le nez, je pourrais prédire le nombre dans le cortex piriforme ou le bulbe."

L'étude actuelle s'appuie sur les recherches du même duo, publié dans 2018, qui décrit comment le cerveau des souris traite et distingue les odeurs à l'aide de ce que l'on appelle des "circuits distribués". Contrairement au système visuel, par exemple, où les informations sont transmises de manière ordonnée à des parties spécifiques du cortex visuel, les chercheurs ont découvert que le système olfactif chez la souris repose sur une combinaison de connexions réparties dans le cortex piriforme.

Suite à cet article, Stevens et Srinivasan ont cherché à déterminer si les circuits neuronaux distribués révélés chez les souris sont similaires chez d'autres mammifères. Pour les travaux en cours, les chercheurs ont analysé des cerveaux de mammifères de différentes tailles et types. Leurs calculs, ainsi que des études antérieures au cours des dernières années, ont été utilisés pour estimer les volumes cérébraux. Stevens et Srinivasan ont utilisé une variété de techniques de microscopie qui leur ont permis de visualiser différents types de neurones qui forment des synapses (connexions) dans les circuits olfactifs.

"Nous ne pouvions pas compter chaque neurone, nous avons donc fait une enquête", explique Srinivasan. "L'idée est que vous prélevez des échantillons de différentes zones représentées, afin que toute irrégularité soit détectée."

La nouvelle étude a révélé que le nombre moyen de synapses reliant chaque unité fonctionnelle du bulbe olfactif (un glomérule) aux neurones du cortex piriforme est invariant d'une espèce à l'autre.

"C'était remarquable de voir comment ceux-ci étaient conservés", déclare Stevens.

Plus précisément, l'identification des odeurs individuelles est liée à la force et à la combinaison des neurones de déclenchement dans le circuit qui peuvent être comparés à la musique d'un piano, dont les notes jaillissent de la dépression de plusieurs touches pour créer des accords, ou à l'arrangement des lettres qui forment le mots sur cette page.

"La discrimination des odeurs est basée sur le taux de déclenchement, l'impulsion électrique qui se déplace le long de l'axone du neurone", explique Srinivasan. "Une odeur, disons pour le café, peut provoquer une réponse lente dans un neurone tandis que le même neurone peut répondre au chocolat à un rythme plus rapide."

Ce code utilisé pour l'olfaction est différent des autres parties du cerveau.

"Nous avons montré que les paramètres de connectivité et la relation entre les différentes étapes du circuit olfactif sont conservées chez les mammifères, ce qui suggère que l'évolution a utilisé la même conception pour le circuit entre les espèces, mais a juste changé la taille pour s'adapter à la niche environnementale des animaux", dit Stevens.

À l'avenir, Stevens prévoit d'examiner d'autres régions du cerveau à la recherche d'autres circuits distribués dont la fonction est basée sur un codage similaire trouvé dans cette étude.

Srinivasan dit qu'il se concentrera sur la façon dont le bruit ou la variabilité du codage des odeurs détermine l'équilibre entre la discrimination et l'apprentissage, expliquant que la variabilité que le duo trouve dans leur travail pourrait être un mécanisme pour distinguer les odeurs, qui pourrait être appliqué pour améliorer l'apprentissage automatique ou Systèmes d'IA.

Cette recherche a été soutenue par le Kavli Institute for Brain and Mind de l'UC San Diego et la National Science Foundation (NSF-1444273). La théorie et la modélisation ont été réalisées avec l'aide de Jorge Aldana et Terrence Sejnowski du laboratoire de neurobiologie computationnelle de Salk.

DOI: 10.1016 / j.cub.2019.06.046