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Le rôle des stimuli olfactifs dans le circuit neuronal et l'évaluation cognitive

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Les voies neuronales importantes pour le traitement olfactif se chevauchent largement avec les voies importantes pour le fonctionnement cognitif.

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Le cerveau animal reçoit en permanence de riches stimuli sensoriels, tels que des odeurs, des sons, de la lumière et du toucher, provenant du milieu environnant. Parmi ces entrées, seul un petit sous-ensemble est significatif du point de vue comportemental. Dans un environnement complexe et dynamique, il est crucial pour les animaux d'allouer efficacement les ressources limitées de leur cerveau pour traiter les stimuli pertinents sur le plan comportemental. Pour atteindre cet objectif, le cerveau ajuste ses circuits de manière flexible afin de traiter de préférence les informations pertinentes sur le plan comportemental. Comme nous le savons tous, une analyse comportementale efficace est une partie importante de la recherche en sciences du cerveau, en particulier pour comprendre les mécanismes neuronaux des comportements appris. Le cerveau a évolué pour utiliser des mécanismes plastiques dépendant de l'expérience afin d'affiner les circuits neuronaux dans les systèmes sensoriels. Ces dernières années, l'importance de l'odorat pour l'homme a été progressivement reconnue. L'olfaction est l'entrée sensorielle primaire qui permet aux souris d'explorer leur environnement et constitue l'un des modes sensoriels importants du comportement cognitif. La recherche a montré que les rongeurs sont très doués pour la discrimination olfactive, la mémoire, la prise de décision, l'impulsivité et d'autres tests comportementaux liés à la cognition. Les voies neuronales importantes pour le traitement olfactif se recoupent largement avec les voies importantes pour le fonctionnement cognitif.

Les tests comportementaux olfactifs sur les rongeurs ont été utilisés dans de nombreuses études et facilitent grandement la compréhension des circuits neuronaux qui sous-tendent l'olfaction et la cognition basée sur les odeurs. Dans l'étude des circuits olfactifs, les chercheurs ont découvert que les neurones nés à l'âge adulte affinent efficacement l'accord des cellules mitrales et améliorent le pouvoir de discrimination entre les odeurs[1]. En outre, il a été démontré que les neurones nés à l'âge adulte affectent de nombreux phénomènes comportementaux liés à l'olfaction, tels que la mémoire de travail[2], l'apprentissage perceptif olfactif[3], les associations odeur-récompense[4] et les comportements innés[5]. Dans une autre étude, les chercheurs ont découvert que la voie cortex entorhinal-hippocampe est un circuit clé pour l'encodage de l'apprentissage de l'association récompense grâce à l'expérience de la stimulation olfactive associée au retour de récompense du léchage de l'eau[6]. De nombreux troubles neuropsychiatriques présentent un dysfonctionnement cognitif, tel que l'inflexibilité cognitive, définie comme l'incapacité à adapter de manière flexible le comportement aux exigences d'un environnement changeant. Dans l'étude des troubles obsessionnels compulsifs, les chercheurs ont utilisé la tâche classique d'apprentissage par inversion d'odeur combinée à la photométrie par fibre et à l'optogénétique pour découvrir une dynamique d'activité spécifique au type de cellule dans le circuit cortex orbitofrontal-striatal qui sous-tend l'apprentissage normal par inversion d'odeur. Ils ont identifié les interneurones GABAergiques du cortex orbitofrontal comme la cible thérapeutique clé pour traiter l'inflexibilité cognitive dans les troubles obsessionnels compulsifs[7]. La flexibilité comportementale, qui est l'un des phénotypes de l'évaluation des fonctions cognitives, est une capacité importante à réagir de manière appropriée à des événements inattendus dans un environnement changeant. Des études sur la flexibilité comportementale dans des modèles de vieillissement montrent que la BLA pourrait être une zone cérébrale critique pour l'intégration d'informations antérieures avec de nouveaux changements dans les indices olfactifs ou le délai pour modifier le comportement de manière appropriée[8].

Comme nous le savons tous, l'entraînement comportemental aux stimuli olfactifs est largement utilisé dans la recherche, mais la plupart des entraînements comportementaux olfactifs exigent que les chercheurs construisent leur propre plateforme olfactive. La construction de la plateforme expérimentale prend beaucoup de temps et d'énergie. C'est pourquoi nous avons développé un système d'entraînement entièrement automatique avec une intervention manuelle minimale pour les comportements cognitifs des souris basés sur les odeurs. Le système associe la stimulation olfactive au retour de récompense de l'eau potable et construit une tâche d'apprentissage pour aider rapidement les utilisateurs à réaliser des expériences d'évaluation cognitive des souris. Le système prend en charge l'entraînement de 8 souris en même temps, peut être étendu pour être combiné avec l'optogénétique, l'électrophysiologie et d'autres équipements, et comprend une cabine sonore, la fixation de la tête de la souris, des récompenses par léchage, le contrôle des odeurs, la transmission des signaux, une caméra infrarouge et un logiciel de bureau. Le système permet d'effectuer des recherches sur les maladies neurologiques, les mécanismes d'apprentissage cognitif et les circuits neuronaux olfactifs, améliorant ainsi considérablement l'efficacité expérimentale.

[1] Grelat, A. ; Benoit, L. ; Wagner, S. ; Moigneu, C. ; Lledo, P. M. ; Alonso, M. Adult-Born Neurons Boost Odor-Reward Association. Proc Natl Acad Sci U S A 2018, 115 (10), 2514-2519.

[2] Liu, D. ; Gu, X. ; Zhu, J. ; Zhang, X. ; Han, Z. ; Yan, W., et al. Medial Prefrontal Activity During Delay Period Contributes to Learning of a Working Memory Task. Science 2014, 346 (6208), 458-63.

[3] Lee, J. Y. ; Jun, H. ; Soma, S. ; Nakazono, T. ; Shiraiwa, K. ; Dasgupta, A., et al. La dopamine facilite l'encodage de la mémoire associative dans le cortex entorhinal. Nature 2021, 598 (7880), 321-326.

[4] Moreno, M. M. ; Linster, C. ; Escanilla, O. ; Sacquet, J. ; Didier, A. ; Mandairon, N. Olfactory Perceptual Learning Requires Adult Neurogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A 2009, 106 (42), 17980-5.

[5] Sakamoto, M. ; Imayoshi, I. ; Ohtsuka, T. ; Yamaguchi, M. ; Mori, K. ; Kageyama, R. Continuous Neurogenesis in the Adult Forebrain Is Required for Innate Olfactory Responses. Proc Natl Acad Sci U S A 2011, 108 (20), 8479-84.

[6] Shani-Narkiss, H. ; Vinograd, A. ; Landau, I. D. ; Tasaka, G. ; Yayon, N. ; Terletsky, S., et al. Young Adult-Born Neurons Improve Odor Coding by Mitral Cells. Nat Commun 2020, 11 (1), 5867.

[7] Yang, Z. ; Wu, G. ; Liu, M. ; Sun, X. ; Xu, Q. ; Zhang, C., et al. Dysfonctionnement des interneurones gabaergiques orbitofrontaux conduisant à une altération de l'apprentissage inversé dans un modèle de souris du trouble obsessionnel-compulsif. Curr Biol 2021, 31 (2), 381-393 e4.

[8] Zhang, J. ; Liu, D. ; Fu, P. ; Liu, Z. Q. ; Lai, C. ; Yang, C. Q., et al. L'isolement social renforce l'inflexibilité comportementale liée au vieillissement en favorisant la nécroptose neuronale dans l'amygdale basolatérale. Mol Psychiatry 2022, 27 (10), 4050-4063.