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Posté par Adrien le Lundi 18/08/2014 à 12:00
Pister la perception des odeurs dans le cerveau avec les ultrasons
Une nouvelle technique d'imagerie par ultrasons a permis de visualiser pour la première fois, in vivo chez le rat, l'activité dans le cortex piriforme lors de la perception d'une odeur. Cette structure cérébrale profonde joue un rôle important dans l'olfaction et restait jusqu'à présent inaccessible par imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a...). Ces travaux apportent également de nouvelles données sur le fonctionnement, encore mal connu, du système olfactif, notamment sur la façon dont sont traitées les informations au niveau cérébral.

Cette étude est le résultat d'une collaboration entre l'équipe de Mickaël Tanter de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Langevin (CNRS/Inserm/ESPCI ParisTech/UPMC/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...) Diderot) et celle de Hirac Gurden du laboratoire Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie (CNRS/Université Paris-Sud/Université Paris Diderot). Elle est publiée dans la revue NeuroImage du 15 juillet 2014.


Sur ces images, l'activation cérébrale détectée par imagerie ultrasonore est visualisée en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). A la présentation d'une odeur donnée, des territoires spécifiques sont sollicités dans le bulbe (Un bulbe est une pousse souterraine verticale disposant de feuilles modifiées utilisées comme organe de stockage de nourriture par une plante à dormance.) olfactif mais pas dans le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.) piriforme.
© Michaël Tanter / Hirac Gurden

Comment aboutir à une représentation de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) extérieur à partir de la perception des sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement,...) ? Comment, par exemple, les informations olfactives liées à la nourriture ou aux parfums sont-elles traitées par le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue...) ? Si l'organisation (Une organisation est) du système olfactif est bien connue – elle est semblable des insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur...) jusqu'aux mammifères – son fonctionnement est encore peu compris. Pour répondre à ces questions, les chercheurs se sont donc intéressés à deux structures cérébrales qui constituent des relais majeurs pour l'olfaction: le bulbe olfactif et le cortex piriforme. Chez le rat (Le mot « rat » désigne en français, dans le langage vernaculaire certains mammifères rongeurs, le plus souvent du genre Rattus ou...), le bulbe olfactif se situe entre les deux yeux, juste derrière l'os du nez (Le nez (du latin nasus) est chez l'homme la saillie médiane du visage située au-dessus de la lèvre supérieure et qui, en le surplombant, recouvre l'orifice des fosses nasales, qui constituent le segment...). Le cortex piriforme est par contre une structure beaucoup plus profonde du cerveau des rongeurs dont aucune image fonctionnelle n'avait pu être enregistrée chez un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances organiques. On réserve...) vivant jusqu'à présent.

La technique d'imagerie neurofonctionnelle par ultrasons développée par l'équipe de Mickaël Tanter, baptisée fUS (functional Ultrasound), a permis de suivre l'activité neuronale du cortex piriforme. Elle est basée sur l'envoi d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) planes ultrasonores dans les tissus cérébraux. Les échos renvoyés par les structures traversées par ces ondes permettent, après traitement des données, d'obtenir des images ayant une résolution spatiotemporelle inégalée: 80 micromètres et quelques dizaines de millisecondes.

Le contraste obtenu sur ces images est lié aux variations du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) sanguin dans le cerveau. En effet, l'activité des cellules nerveuses nécessite un apport en énergie: elle est donc couplée à un afflux de sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux. Un humain...) dans la zone concernée. En enregistrant les variations de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) dans les vaisseaux sanguins qui alimentent les différentes structures cérébrales, il est ainsi possible de connaître la localisation des neurones activés.

Plusieurs techniques d'imagerie, comme l'IRM, s'appuient déjà sur le lien entre volume sanguin et activité neuronale. Mais fUS est avantageuse en terme de coût, de maniabilité et de résolution. De plus, elle donne un accès facilité aux structures les plus profondes, situées plusieurs centimètres sous la boîte crânienne.

Les enregistrements effectués par cette technique dans l'équipe de Hirac Gurden ont permis d'observer la répartition spatiale de l'activité dans le bulbe olfactif. Lorsqu'une odeur est perçue, on observe une augmentation du volume sanguin dans des zones bien définies: à chaque odeur correspond une carte spécifique de neurones sollicités. Au-delà de ce résultat, les images révèlent aussi, pour la première fois, l'absence de cette répartition spatiale dans le cortex piriforme. A ce niveau, deux odeurs différentes entraînent la même activation de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de la zone.

Les mécanismes cellulaires responsables de la disparition de la signature spatiale ne sont pas encore bien définis mais ce résultat permet déjà de formuler plusieurs hypothèses. Le cortex piriforme pourrait être une structure qui ne sert pas seulement à traiter les stimuli olfactifs mais plutôt à intégrer plusieurs types d'informations et à les mémoriser. Se détacher des cartographies strictes associées à chaque odeur permettrait de faire des associations et d'aboutir à un concept global. Par exemple, à partir de la perception de centaines de molécules odorantes contenues dans le café, le cortex piriforme permettrait de reconnaître une unique odeur: celle du café.

Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l'imagerie et pour la neurobiologie. Les chercheurs vont maintenant s'intéresser à l'effet de l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par l'observation, l'imitation,...) sur l'activité du cortex afin de mieux comprendre son rôle et les spécificités du système olfactif.

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Source: CNRS