Unité: Perception et Mémoire olfactive

Responsable: LLEDO Pierre-Marie

Notre projet a pour objectif de développer les connaissances fondamentales en matière de traitement des informations sensorielles. En particulier, il vise à explorer les conséquences d'une production de nouvelles cellules sur l'activité des réseaux neuronaux impliqués dans la perception et la mémoire des odeurs. Ces travaux apportent non seulement de nouvelles données concernant les relais centraux de l'information sensorielle, mais offrent aussi, sur le plan thérapeutique, de nouvelles stratégies visant à transplanter ou détourner, depuis leur zone germinative, les neurones néoformés du cerveau adulte.

Nos travaux sur le traitement et la conservation de l'information sensorielle visent à préciser les bases cellulaires et moléculaires de la perception olfactive, de l'apprentissage et de la mémoire. Nos recherches ont été orientées aussi vers l'analyse des conséquences fonctionnelles de la neurogenèse adulte sur les fonctions cognitives. Rappelons que l'étude du système olfactif permet d'évaluer les conséquences de cette neurogenèse puisque tant l'organe sensoriel de l'odorat (l'épithélium olfactif), que le premier relais cérébral de l'information olfactive (le bulbe olfactif), renouvellent leurs neurones. En combinant des approches moléculaires, neuro-anatomiques, électrophysiologiques et comportementales, nous cherchons à préciser comment l'acquisition et la rétention de traces mnésiques prennent place dans un système dynamique soumis à une réorganisation permanente. Dans ce contexte, nous avons montré au cours de l'année 2004 comment les remaniements morphologiques et fonctionnels des réseaux de neurones sont particulièrement adaptés aux taches d'apprentissage qui persistent chez l'adulte. Les résultats obtenus ont porté sur : 1) les propriétés électrophysiologiques du réseau bulbaire qui traite puis conserve temporairement l'information sensorielle ; 2) les remaniements de l'organisation anatomique et fonctionnelle du bulbe olfactif, induits par le degré des entrées sensorielles ; 3) les conséquences du renouvellement des neurones bulbaires, tant sur le traitement de l'information qu'au niveau comportemental ; 4) la fonction d'une protéine de la matrice extracellulaire sur la régulation de la neurogenèse chez l'adulte ; 5) les modalités de migration des neuroblastes observés in vivo et, 6) la mise en place précoce des fonctions olfactives chez la souris.

1) Encodage de l'information sensorielle dans le bulbe (Lagier).

En examinant les variations temporelles d'activité électrique déclenchée par les stimuli sensoriels, nous avons montré l'importance des interactions entre les cellules principales (cellules mitrales) et les interneurones GABAergiques du bulbe olfactif (J. Neurosci. 24, 4382-92, 2004). Fondée sur différentes approches expérimentales, l'analyse des différents constituants bulbaires a permis de dresser une description morpho-fonctionnelle détaillée des éléments participant à la formation d'assemblées synchroniques. L'exploration électrophysiologique des activités rythmiques bulbaires (30-80 Hz) montre que les interneurones GABAergiques suffisent pour produire et maintenir les rythmes du bulbe olfactif. Fait notable, la libération de GABA responsable des rythmes gamma s'effectue au niveau des épines dendritiques des cellules granulaires et ne nécessite pas la participation des potentiels d'action.

2) Modulation du nombre d'interneurones selon le degré d'activité bulbaire (Alonso, Gabellec, Murray, Saghatelyan, Viollet).

Afin de mieux comprendre les mécanismes qui participent à la neurogenèse de l'adulte, ce travail avait pour objectif de rendre compte du rôle d'un certain nombre de facteurs susceptibles d'influencer le renouvellement des neurones. Différents modèles et situations, pouvant conduire à une réduction ou une élévation des processus de neurogenèse bulbaire, ont été étudiés. À ce titre, nous avons étudié les effets d'une privation unilatérale des entrées sensorielles sur la production de néo-neurones bulbaires. Nous avons montré que le degré d'activité électrophysiologique contrôlait les capacités d'auto-organisation bulbaire (Neuron, soumis). Nous montrons que le nombre d'interneurones bulbaires nouvellement générés diminue fortement (40%) lorsque le niveau d'activité bulbaire est réduit. De façon remarquable, la diminution du nombre d'interneurones GABAergiques ne se traduit pas par un défaut d'inhibition. En effet, les interneurones bulbaires déjà présents ont une excitabilité plus importante que ceux des bulbes dont l'activité reste constante. Cette propriété permet aux interneurones GABAergiques de compenser ainsi la réduction de leur nombre. La modélisation de ces résultats (électrophysiologiques et morphologiques) montre que l'élévation de l'excitabilité est une des conséquences de la diminution de la taille de l'arborisation dendritique. Ces variations du nombre de neurones permettent d'adapter le traitement de l'information sensorielle en fonction de l'histoire et de l'environnement d'un sujet, et ceci dés le premier relais central.

3) Visualisation de la migration des neuroblastes in vivo (Davenne et Saghatelyan).

Pour la première fois chez l'animal vivant anesthésié, nous venons de visualiser le mouvement des neuroblastes se dirigeant vers le bulbe olfactif. À l'aide de fibres optiques, nous avons enregistré la migration des neuroblastes marqués par la GFP (injection d'un vecteur retroviral dans la ZSV pour transduire les neuroblastes). Ces cellules en migration ont été observées alors qu'elles se trouvaient à plus de 3 mm de profondeur (Chem. Senses, sous presse) ( Photo 1). De façon surprenante, nous avons relevé que la vitesse de déplacement des neuroblastes n'était pas homogène. Elle varie de 30 à 80 µm/hr selon la cellule considérée et pour une même cellule, elle n'est pas constante. Lors d'enregistrements "en temps réel" effectués durant plus de 6 heures, nous avons observé que les cellules en migration marquaient souvent des pauses. Cette migration que nous qualifions de "saltatoire" révèle probablement des processus intégratifs que la cellule effectue durant son déplacement.

4) La migration radiaire des précurseurs neuronaux (Saghatelyan, de Chevigny).

Alors que les mécanismes qui régissent la prolifération, la migration tangentielle et la survie des néo-neurones ont été bien étudiés, on ne savait pas jusqu'à présent quels dispositifs sous-tendent le brusque passage à la migration radiaire, dés l'entrée des neuroblastes dans le bulbe olfactif. Comme la glie radiaire est absente chez l'adulte, nous avons pensé qu'il pouvait exister un mécanisme particulier dans le bulbe olfactif. Nous avons observé que l'expression de la Ténascine-R, une glycoprotéine de la matrice extracellulaire, était restreinte à la couche de neurones qui recouvre le CMR présent dans le bulbe olfactif des souris adultes (Nat Neurosci. 7 : 347-56, 2004). Or, cette couche cellulaire est précisément le lieu où s'opère la réorientation des cellules migrantes. Ce patron d'expression faisait de la Ténascine-R un candidat de choix dans notre recherche d'un facteur assurant la migration radiaire. L'ensemble de ce travail prouve que la Ténascine-R est un médiateur important qui relie l'activité des réseaux neuronaux au recrutement des neurones nouvellement générés (Photo 2 ). Nous cherchons actuellement les implications possibles de l'expression plus ou moins importante de cette molécule pour certaines formes d'apprentissage et mémoire olfactive. Reste à comprendre comment un neurone juvénile peut, en fonction de la composition de son microenvironnement, se détourner de son chemin de migration, comment choisit-il son destin cellulaire et, surtout, combien de temps ce néo-neurone détourné pourra t-il survivre ?

5) Sélection ou survie des neuroblastes par l'acétylcholine (Saghatelyan, Gabellec).

La plasticité neuronale induite lors d'apprentissages est placée sous le contrôle d'un certain nombre de systèmes neurochimiques à projection diffuse, en particulier, le système cholinergique. Le bulbe olfactif, comme l'ensemble du cortex, reçoit une forte innervation cholinergique dont le rôle dans les processus d'apprentissage et de mémoire est très bien documenté. À titre d'exemple, on notera le rôle crucial de l'acétylcholine comme médiateur des apprentissages olfactifs du jeune par la brebis. Chez le rat, l'amélioration des performances de discrimination après apprentissage dépend aussi de l'intégrité du système cholinergique. La dégénérescence du système cholinergique se corrèle bien avec le niveau des déficits cognitifs chez le rat vieillissant. L'ensemble de ces données nous a conduit à formuler l'hypothèse selon laquelle le déficit cholinergique pourrait altérer la neurogenèse et à terme les fonctions olfactives. Pour répondre à cette interrogation, nous avons analysé les souris dépourvues de récepteurs nicotiniques (ß2-/-). Cette étude visait aussi à corréler le niveau de neurogenèse bulbaire à certaines fonctions olfactives (Proc. Natl. Acad. Sci. 101, 9822-9826, 2004). Nous avons montré que l'activation des récepteurs nicotiniques exprimés par les neurones néoformés jouait un rôle important dans leur sélection. Ce travail démontre pour la première fois que l'activation des récepteurs nicotiniques de type ß2, exprimés par les interneurones GABAergiques, permet d'éliminer l'excèdent de nèo-neurones.

6) Mise en place précoce des fonctions olfactives (Gheusi, Lemasson,Saghatelyan).

Chez les jeunes mammifères d'espèces nidicoles, l'odorat joue un rôle essentiel durant les périodes périnatales. Une privation olfactive induite expérimentalement représente un moyen d'évaluer l'importance de ce canal sensoriel chez les jeunes rongeurs. La pertinence des études centrées sur les capacités olfactives nécessite, au plan comportemental, la mise au point de mesures sensibles et reproductibles. Pour cela, nous avons cherché à utiliser les vocalisations ultrasoniques émises par les jeunes souris comme indicateur comportemental permettant de révéler leurs facultés olfactives. Nous avons montré qu'entre 2 et 12 jours, les nouveau-nés répondaient spécifiquement à l'odeur de souris mâles par une diminution significative (environ 40%) d'émission d'ultrasons. Sur la base de ces résultats, nous avons étudié les effets d'une olfactotoxine, le 3-méthylindole, sur la perception olfactive de souriceaux âgés de 6 à 10 jours. Les données obtenues confirment la capacité de cette substance à induire une altération de la perception olfactive et témoignent du rôle critique de l'olfaction pour la survie des jeunes souris. L'ensemble de ce travail démontre l'efficacité de l'analyse de l'émission d'ultrasons pour explorer les processus olfactifs dans différentes conditions, et ce dès le 2ème jour postnatal. De plus, en cherchant à établir des corrélats entre, d'une part, les capacités précoces des nouveau-nés à former un lien d'attachement sélectif avec la mère ou un contexte social particulier et, d'autre part, la neurogenèse périnatale des interneurones bulbaires, ces travaux permettent d'évaluer l'impact de l'épigenèse sur les remaniements morpho-fonctionnels du réseau bulbaire en cours de développement (The Neuroscientist 10, 292-303, 2004;. Behavioral Processes, sous presse).

Photo 1: Utilisation in vivo de la microendoscopie à fluorescence dans le cerveau antérieur. A: Schéma d'une coupe sagittale de cerveau montrant le site d'injection des lentivirus, la zone sous-ventriculaire (SVZ), les neuroblastes (points rouges) migrant vers le bulbe olfactif le long du courant de migration rostral (RMS) et le site d'observation où la sonde pour la microendoscopie est placée. B: Cellules marquées par la GFP dans le RMS. Toutes les images ont été acquises à partir du même site d'enregistrement et prises aux temps indiqués. Pénétration de la sonde : 3 mm. Le temps "0" indique la position initiale des cellules, les têtes de flèches marquent les cellules immobiles. Les cellules en mouvement sont indiquées par les flèches. Échelle = 60 µm.

Photo 2 : Rôle clé de la Ténascine-R (TN-R) dans la migration radiaire des néo-neurones du bulbe olfactif adulte. (a) La Ténascine-R (bleu) est restreinte au bulbe olfactif chez l'adulte. Elle est absente dans la zone sous-ventriculaire (SVZ) des ventricules latéraux (LV) et tout le long du CMR indiqué ici en vert. (b) Les neurones néoformés (vert) sont détournés de leur chemin de migration pour coloniser le striatum dans lequel des cellules exprimant la TN-R ont été placées. (c) Coupe frontale du bulbe olfactif montrant l'expression de TN-R chez l'adulte et l'arrivée de nouveaux neurones (vert). Échelles : b = 100 µm and c = 400 µm.

Mots-clés: Cellules souches neuronales, Olfaction, Parkinson, Neuroscience


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