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