représentation neuronale des mélanges odorants dans le bulbe olfactif des mammifères pascale...

Représentation neuronale des mélanges odorants

dans le bulbe olfactif des mammifères

Pascale Giraudet

Représentation neuronale des mélanges odorants

dans le bulbe olfactif des mammifères

Pascale Giraudet

• Frédéric Berthommier• Institut de la Communication

Parlée

INPG

Grenoble

• Michel Chaput• Neurosciences et Systèmes

Sensoriels

CNRS - UCB Lyon 1

Villeurbanne

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration

Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

Épithélium olfactif

Post.

Ant.

Dors.

Vent.

Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration

• Bulbe olfactif : premier relais du système olfactif

Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

Épithélium olfactif

Bulbe olfactif

Post.

Ant.

Dors.

Vent.

Le système olfactif des mammifères

• Épithélium olfactif situé dans la cavité nasale : réception des molécules rythmée par la respiration

• Bulbe olfactif : premier relais du système olfactif

• Tractus olfactif latéral (TOL)

• Cortex olfactif et entorhinal

• Néocortex fronto-orbitaire

Figure adaptée de [Holley & Sicard, 94]

Épithélium olfactif

TOL Cortex olfactif

Cortex entorhinal

Bulbe olfactif

Néocortex fronto-orbitaire

Post.

Ant.

Dors.

Vent.

Connectivité du bulbe olfactif

Premier relais du système olfactif

• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules

Figure adaptée de [Shepherd, 72]

Connectivité du bulbe olfactif

Premier relais du système olfactif

• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules

• Connectivité horizontale par interneurones inhibiteurs: cellules périglomérulaires et granulaires

Figure adaptée de [Shepherd, 72]

Connectivité du bulbe olfactif

Premier relais du système olfactif

• Convergence cellulaire de 1000 neurorécepteurs vers 1 cellule mitrale au niveau des glomérules

• Connectivité horizontale par interneurones inhibiteurs: cellules périglomérulaires et granulaires

• Rétro-contrôle par fibres centrifuges

Figure adaptée de [Shepherd, 72]

• Visualisation des zones actives dans le bulbe olfactif de rat

• Cartes spatiales d'activité moyenne:– différentes d'une odeur à l'autre,– plus ou moins recouvrantes,– croissantes en surface avec la concentration.

Figure adaptée de [Stewart, Kauer & Shepherd, 79]

Représentation spatiale des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères

Lat. Méd.Dor.

Représentation temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères

Activité d'une cellule mitrale

Débit respiratoire

Stimulation5 s. Figure adaptée de [Chaput & Holley, 80]

Représentation temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif des mammifères

Activité d'une cellule mitrale

Débitrespiratoire

Stimulation5 s. Figure adaptée de [Chaput & Holley, 80]

• Étude de la répartition de l'activité cellulaire au cours du cycle respiratoire

• Réponse à une odeur et discrimination de deux odeurs par :– changement de fréquence moyenne de décharge,– réorganisation de l'activité au cours du cycle respiratoire.

Problématique des mélanges

• Les odeurs naturelles sont des mélanges de plusieurs composants

• Première étude de la représentation neuronale des mélanges chez un mammifère :

– activité unitaire des cellules mitrales du bulbe olfactif de rat

– stimulus modulé prise en compte de l'aspect temporel

– mélanges binaires de corps purs

• Peut-on exprimer la représentation neuronale d'un mélange en fonction de celles de ses composants ?

– en termes de réactivité

– en termes de motif temporel d'activité

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Choix des odorants

1) acétophénone2) anisole3) n-butanol4) camphre5) cyclodécanone6) 1-8-cinéole7) p-cymène8) d-citronellol9) heptanol10) acétate d'isoamyl11) acide isovalérique12) limonène13) méthyl,amyl-

cétone14) phénol15) thiophénol16) pyridine17) menthol18) thymol19) cyclohexanol20) cyclohexanone

Figure adaptée de[Sicard et al., 80]

Choix des odorants

1) acétophénone2) anisole3) n-butanol4) camphre5) cyclodécanone6) 1-8-cinéole7) p-cymène8) d-citronellol9) heptanol10) acétate d'isoamyl11) acide isovalérique12) limonène13) méthyl,amyl-

cétone14) phénol15) thiophénol16) pyridine17) menthol18) thymol19) cyclohexanol20) cyclohexanone

Figure adaptée de[Sicard et al., 80]

Acquisition des données

temps

CYCLES RESPIRATOIRES

TRAIN DE PA

NARINE

BULBE OLFACTIF

Rat anesthésiérespirant librement

• 31 rats anesthésiés respirant librement• Enregistrement par une microélectrode extracellulaire de l'activité unitaire de 149 cellules mitrales du bulbe• Enregistrement simultané du débit respiratoire• Stimulation

– par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et leurs 10 mélanges binaires– concentration identique: Pp=2.9 Pa (soit environ 1.2 10-6 mol.l-1)

Acquisition des données

temps

CYCLES RESPIRATOIRES

TRAIN DE PA

NARINE

BULBE OLFACTIF

Rat anesthésiérespirant librement

RASTER PLOT

• 31 rats anesthésiés respirant librement• Enregistrement par une microélectrode extracellulaire de l'activité unitaire de 149 cellules mitrales du bulbe• Enregistrement simultané du rythme respiratoire• Stimulation

– par 5 molécules (ACE, CIN, ISO, CYM, MAK) et leurs 10 mélanges binaires– concentration identique: Pp=2.9 Pa (soit environ 1.2 10-6 mol.l-1)

• Découpage des cycles respiratoires • Représentation des potentiels d'action en fonction de leur position dans le cycle respiratoire

Représentation des données

• Découpage du cycle en 15 intervalles (bins)– précision du découpage des cycles supérieure à la taille des bins– meilleur compromis entre précision et élimination du bruit• Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque bin– maintien du motif temporel de cycle en cycle, aussi bien pour les odeurs pures que pour les mélanges

Représentation des données

• Découpage du cycle en 15 intervalles (bins)– précision du découpage des cycles supérieure à la taille des bins– meilleur compromis entre précision et élimination du bruit• Sommation des PA sur tous les cycles dans chaque bin– maintien du motif temporel de cycle en cycle, aussi bien pour les odeurs pures que pour les mélanges

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Exemple

Motif spontané

ACE ACE+CIN ACE+ISO ACE+CYM ACE+MAK

CIN CIN+ISO CIN+CYM CIN+MAK

ISO ISO+CYM ISO+MAK

CYM CYM+MAK

MAK

ACE=AcétophénoneCIN=CinéoleISO=Acétate d'isoamylCYM=p-CymèneMAK=Méthyl-amyl-cétone

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Définition de la réactivité

• La réactivité n'est pas définie en termes d'intensité moyenne, mais en termes de motif temporel d'activité

• Comparaison du motif spontané et du motif évoqué – motifs significativement différents réponse de la cellule (R)– motifs non significativement différents pas de réponse (NR)

• Principe du test de comparaison– un motif = une réalisation d'un processus de Poisson non

stationnaire– H0 : "les deux motifs sont deux réalisations du même processus de

Poisson"– rejet de H0 avec un risque de première espèce p<0.05

Exemple de la réactivité d'une cellule

Motif spontané

ACE ACE+CIN ACE+ISO ACE+CYM ACE+MAK

CIN CIN+ISO CIN+CYM CIN+MAK

ISO ISO+CYM ISO+MAK

CYM CYM+MAK

MAK

ACE=AcétophénoneCIN=CinéoleISO=Acétate d'isoamylCYM=p-CymèneMAK=Méthyl-amyl-cétone

NR R R R R

R R R R

R R R

R R

R

Réactivité aux mélanges

0102030405060708090

100

Pou

rcen

tage

de

réac

tivi

té

AC

E+

CIN

ISO

+C

YM

AC

E+

MA

K

CIN

+IS

O

CY

M+

MA

K

AC

E+

ISO

CIN

+C

YM

ISO

+M

AK

AC

E+

CY

M

CIN

+M

AK

Odeur 1Odeur 2MélangePrédiction

Réactivité aux mélanges

0102030405060708090

100

Pou

rcen

tage

de

réac

tivi

té

AC

E+

CIN

ISO

+C

YM

AC

E+

MA

K

CIN

+IS

O

CY

M+

MA

K

AC

E+

ISO

CIN

+C

YM

ISO

+M

AK

AC

E+

CY

M

CIN

+M

AK

Odeur 1Odeur 2MélangePrédiction

Réactivité aux mélanges

** *

0102030405060708090

100

Pou

rcen

tage

de

réac

tivi

té

AC

E+

CIN

ISO

+C

YM

AC

E+

MA

K

CIN

+IS

O

CY

M+

MA

K

AC

E+

ISO

CIN

+C

YM

ISO

+M

AK

AC

E+

CY

M

CIN

+M

AK

Odeur 1Odeur 2MélangePrédiction

Réactivité à XY réactivité à Xou réactivité à Y

Réactivité au mélange en fonction de la réactivité à ses composants

Réactivité aux odeurs pures X et Y Réactivité au mélangecorrespondant XY

Odeur X Odeur Y Nombre depaires

NR R

NR NR 204 82 % 18 %

NR R 277 22 % 78 %

R R 664 2 % 98 %

Réactivité à XY réactivité à X ou réactivité à Y 90 %

Réactivité au mélange en fonction de la réactivité à ses composants

Réactivité aux odeurs pures X et Y Réactivité au mélangecorrespondant XY

Odeur X Odeur Y Nombre depaires

NR R

NR NR 204 82 % 18 %

NR R+RoR-

5213788

8 %19 %34 %

92 %81 %66 %

R R 664 2 % 98 %

Réactivité à XY réactivité à X ou réactivité à Y 90 %

Représentation populationnelle des mélanges

MAK

ISO

CYMISO+CYM

ISO

CYMCINACE

ACE+CIN+ISO+CYM+MAK

Représentation populationnelledes composants isolés

Représentation populationnellede leur mélange

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Comparaison des motifs temporels d'activité

Motif spontané

ACE ACE+CIN ACE+ISO ACE+CYM ACE+MAK

CIN CIN+ISO CIN+CYM CIN+MAK

ISO ISO+CYM ISO+MAK

CYM CYM+MAK

MAK

ACE=AcétophénoneCIN=CinéoleISO=Acétate d'isoamylCYM=p-CymèneMAK=Méthyl-amyl-cétone

NR R1 R2 R3 R4

R1 R2 R3 R4

R2 R2 R4

R3 R4

R4

Mise en évidence d’un phénomène de dominance

Comparaison des odeurs puresX et Y

Comparaison des mélangescorrespondants XY

Odeur X Odeur Y Nombre depaires

NR R1 ou R2 R3

NR NR 204 82 % - 18 %

NR R1 277 22 % 62 % 16 %

R1 R1 319 4 % 72 % 24 %

R1 R2 345 1 % 75 % 23 %

Dominance : 78 % Pas de dominance : 22 %

Caractérisation du composant dominant

Un composant a d'autant plus de chance de dominer le motif d'activité évoqué par un mélange que :• la cellule est réactive à ce composant,• le taux de réactivité à ce composant est élevé,

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Pou

rcen

tage

DominanceR/R

Réactivité

ACECINCYMMAKISO

Caractérisation du composant dominant

Un composant a d'autant plus de chance de dominer le motif d'activité évoqué par un mélange que :• la cellule est réactive à ce composant,• le taux de réactivité à ce composant est élevé,• la synchronisation de son motif évoqué est forte.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Pou

rcen

tage

DominanceR/R

Réactivité Réactivité(sauf R-)

ACECINCYMMAKISO

Principe de projection

• Les vecteurs VX et VY, non

colinéaires, définissent un plan

• Projection orthogonale de VXY

sur ce plan

VX

VY

VXYR

Principe de projection

• Les vecteurs VX et VY, non

colinéaires, définissent un plan

• Projection orthogonale de VXY

sur ce plan

• Expression du projeté dans le

repère défini par VX et VY

• Y

X

RVVV YYXXXY VX

VY

VXYR

Exemple de coefficients (X,Y)

Motif spontané

ACE

CIN

ISO

CYM

MAK

ACE=AcétophénoneCIN=CinéoleISO=Acétate d'isoamylCYM=p-CymèneMAK=Méthyl-amyl-cétone

0.70.0

0 0.90.7

0.1

0.0

0.0

0.0

0.8

0.00.8

0.9 1.1

1.0 0.80.1

0.0

0.0

Loi de composition des motifs dans les mélanges

• Coefficients compris entre 0 et 1• Somme des coefficients égale à 1• Résidu de projection faible

le motif évoqué par le mélange est une moyenne pondérée des motifs évoqués par ses composants

• Répartition bimodale des coefficients dominance

Vérification du phénomène de dominance

2 0

1

0

0.5

1

0

10

20

30

1 = min ( , ) X Y

Indépendance

6 %

Somme8 %

Dominance

Moyenne18 %

68 %

0.5

Nom

bre

de p

aire

s

= max ( , ) X Y

Évolution des coefficients de pondération avec la concentration relative des composants

Le coefficient de pondération d’un composant augmente avec sa concentration relative :

• en moyenne

• cas par cas : transition de dominance autour d'un seuil variable d'une cellule à l'autre

Représentation temporelle des mélanges

MAK

ISOCYM

ISO

CYMCINACE

ISO

CYM

MAKISO

CYMCIN

ACE

Représentation temporelledes composants isolés

Représentation temporellede leur mélange

Plan

I. Introduction1) Présentation du système olfactif des mammifères2) Représentation spatio-temporelle des odeurs dans le bulbe olfactif3) Problématique des mélanges

II. Matériels et méthodes1) Choix des odorants2) Acquisition et représentation des données

III. Résultats en termes de réactivité cellulaire aux mélanges1) Définition de la réactivité cellulaire2) Réactivité au mélange en fonction de la réactivité aux composants3) Discussion sur la représentation spatiale des mélanges

IV. Résultats en termes de motifs temporels évoqués par les mélanges1) Mise en évidence d'un phénomène de dominance2) Loi de composition des motifs temporels dans les mélanges3) Discussion sur la représentation temporelle des mélanges

V. Discussion1) Parallèle avec la représentation des mélanges dans le BO des poissons2) Parallèle avec la perception des mélanges3) Conclusion et perspectives

Parallèle avec la représentation des mélanges dans le bulbe olfactif du poisson

NR

R

NR

R

NR

R

0

20

40

60

80

100

NR / NR NR / R R / R

NR

R

Poisson [Kang & Caprio, 95]

Représentation populationnelle• réactivité en fréquence moyenne

NR

RNR

R

NR

R

0

20

40

60

80

100

NR / NR NR / R R / R

Représentation populationnelle• réactivité en motifs temporels

Mammifères

Parallèle avec la représentation des mélanges dans le bulbe olfactif du poisson

NR

R

NR

R

NR

R

0

20

40

60

80

100

NR / NR NR / R R / R

NR

R

Poisson [Kang & Caprio, 95]

Représentation populationnelle• réactivité en fréquence moyenne

Représentation temporelle• motifs de 25 bins de 0.2 s• 71 % de dominance

NR

R

NRR

NR

R

0

20

40

60

80

100

NR / NR NR / R R / R

Représentation populationnelle• réactivité en fréquence moyenne

Représentation temporelle• motifs de 15 bins de 0.05 s• 78 % de dominance

Mammifères

Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme

[Berglund et al., 73] [Laing et al., 84]

1cos2

1 XY

Intensité perçue d'un mélange binaire

2XY = 2

X + 2Y + 2 X Y cosXY

Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme

[Berglund et al., 73] [Laing et al., 84]

1cos2

1 XY

1,

2

1)()()()(

2

11cos XYpYXpXYpYXpXY

Taux de réactivité des cellules mitrales à un mélange binaire

Intensité perçue d'un mélange binaire

2XY = 2

X + 2Y + 2 X Y cosXY

p(XY) = p(XY) = p(X) + p(Y) - p(XY)

p2(XY) = p2(X) + p2(Y) +2 p(X) p(Y) cosXY

Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme

[Berglund et al., 73] [Laing et al., 84]

1cos2

1 XY

1,

2

1)()()()(

2

11cos XYpYXpXYpYXpXY

Taux de réactivité des cellules mitrales à un mélange binaire

Intensité perçue d'un mélange binaire

2XY = 2

X + 2Y + 2 X Y cosXY

p(XY) = p(XY) = p(X) + p(Y) - p(XY)

p2(XY) = p2(X) + p2(Y) +2 p(X) p(Y) cosXY

Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme

Qualité perçue du mélange binaire

YX YX

Perception de X et Y(perception analytique)

Perception de X(masquage de Y)

Intensités perçuesdes composants

[Lai

ng e

t al.,

83

& 8

4]

Parallèle avec la perception des mélanges chez l'homme

Taux de dominance des composants du mélange binaire

Qualité perçue du mélange binaire

YX YX

Perception de X et Y(perception analytique)

Perception de X(masquage de Y)

)()( YpXp )()( YpXp

Une partie des motifs est dominée par X et une partie des motifs est dominée par Y

Tous les motifs sont dominés par X

Intensités perçuesdes composants

Taux de réactivitéaux composants

[Lai

ng e

t al.,

83

& 8

4]

Conclusion

• Première étude de la représentation temporelle des mélanges

• La population mitrale réactive à un mélange binaire est l'union des populations réactives à chacun de ses composants

– nécessité de prendre en compte l'aspect temporel

– corrélation entre taille de la carte d'activation et intensité perçue ?

– représentation ambiguë pour mélanges complexes

• La dimension temporelle de l'activité cellulaire permet de représenter en parallèle chacun des composants du mélange, et leurs concentrations relatives

– permet de lever l'ambiguïté dans le cas de mélanges complexes

– adéquation avec la qualité perçue ?

• Première proposition de représentation spatio-temporelle des mélanges

Perspectives

• Niveau d'apparition du phénomène de dominance ?– étude des mélanges au niveau des neurorécepteurs des mammifères

• La dominance : un effet unitaire ou coopératif ?– étude des relations spatiales de dominance

• Caractérisation des seuils d'inversion de la dominance– compléter l'étude sur l'évolution de la dominance avec la concentration– relation entre seuils d'inversion de dominance et seuils de réactivité ?

• Observations généralisables à tous les mélanges ?– étude de mélanges ternaires, et plus complexes

• Modélisation des résultats expérimentaux– confrontation des résultats expérimentaux avec différents modèles du bulbe

olfactif– mise au point d'un modèle du bulbe olfactif compatible avec nos observations