L’odorat a le pouvoir de nous transporter à travers le temps et l’espace. Il peut s’agir du doux parfum du jasmin ou du moisi des algues. Soudain, vous êtes de retour dans votre maison d’enfance, ou sous le soleil brûlant d’un rivage lointain.
Cette association entre les odeurs et les lieux semble être un aspect profondément ancré de la cognition humaine. Mais comment les deux sont-ils liés dans le cerveau ? Une étude publiée aujourd’hui (22 décembre 2021) dans la revue scientifique La nature présente une explication potentielle.
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Un lien neuronal entre l’odorat et l’espace
« Les molécules odorantes ne transportent pas intrinsèquement d’informations spatiales. Cependant, les animaux dans la nature utilisent des odeurs pour la navigation spatiale et la mémoire, ce qui leur permet de localiser des ressources précieuses telles que la nourriture », a déclaré Cindy Poo, premier auteur de l’étude. “Nous voulions comprendre la base neuronale de ces comportements, et nous avons donc décidé d’étudier comment le cerveau combine les informations olfactives et spatiales.”
Les chercheurs se sont concentrés sur le cortex olfactif primaire. “Le système olfactif est unique parmi les sens”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Zachary Mainen, chercheur principal au Centre Champalimaud pour l’inconnu au Portugal. “Seule l’olfaction a des connexions réciproques directes avec le système hippocampique, qui est impliqué dans la mémoire et la navigation.”
Les neurones du cortex olfactif primaire créent une carte spatiale des odeurs. Crédit : Diogo Matias, Fondation Champalimaud
Les neurones de l’hippocampe sont connus pour fonctionner comme des « cellules de lieu ». En effet, chaque cellule devient active à un emplacement spécifique dans un environnement. Ensemble, ces neurones codent l’ensemble de la zone, créant ainsi une carte neuronale de l’espace. Les cellules de lieu de l’hippocampe, dont la découverte chez le rat a conduit au prix Nobel de physiologie ou de médecine en 2014, sont si fiables que les scientifiques peuvent dire où se trouve un animal simplement en observant son activité.
“Nous savons que le système hippocampique envoie des signaux au cortex olfactif primaire”, a déclaré Poo. « Nous avons donc soupçonné que cette région du cerveau pouvait faire plus que simplement identifier différentes odeurs. »
Mettre les neurones olfactifs à l’épreuve
Pour tester cette idée, les chercheurs ont développé un puzzle sur mesure pour les rats, très doués pour l’olfaction. Les rats ont échantillonné les odeurs aux quatre extrémités d’un labyrinthe en forme de plus. Ensuite, en fonction de l’odeur, ils devaient découvrir où la récompense était cachée. “Dans cette tâche, les rats devaient apprendre et se souvenir des associations exactes d’odeurs et d’emplacements”, a expliqué Poo.
Pendant que les animaux résolvaient le puzzle, les chercheurs ont surveillé l’activité des neurones dans une partie du cortex olfactif primaire appelé cortex piriforme postérieur. “Les neurones communiquent entre eux en émettant des impulsions électriques”, a expliqué Mainen. «En enregistrant les signaux électriques émis par des centaines de neurones individuels dans cette zone du cerveau, nous avons pu décoder ce qui importait à des neurones spécifiques. Par exemple, s’ils sont devenus actifs lorsque l’animal sentait une odeur spécifique ou lorsqu’il se trouvait à un certain endroit dans le labyrinthe.
“Nos résultats ont dépassé nos attentes”, a déclaré Poo. «Nous avions prédit que certains neurones ici pourraient se soucier de la localisation dans une certaine mesure. “Cependant, en étudiant attentivement l’activité des neurones du cortex olfactif pendant que l’animal naviguait dans le labyrinthe, nous avons découvert que ces neurones avaient appris une carte complète de l’environnement.”
Les neurones olfactifs encodent les cartes spatiales
Les chercheurs ont découvert une grande population de neurones qui, de la même manière que les cellules de l’hippocampe, sont devenus actifs à un endroit spécifique du labyrinthe. Fait intéressant, la carte ne couvrait pas tout l’environnement de la même manière. Au lieu de cela, il était largement limité à des endroits importants du labyrinthe sur le plan comportemental : où les animaux ressentaient les odeurs et recevaient des récompenses.
« Il semble que les lieux importants aient été appris par l’expérience et codés sur une carte. Il était remarquable que ces cellules du système olfactif commencent à répondre à un endroit donné en l’absence d’odeurs, même lorsque le rat se promenait sans être engagé dans la tâche », a ajouté Mainen.
Un parfum d’espace
Est-ce ainsi que l’on en vient à former des souvenirs qui lient certaines odeurs à des lieux précis ? « Nous avons découvert que certains neurones répondaient à l’odeur, d’autres à la localisation et d’autres encore aux deux types d’informations à des degrés divers. Tous ces différents neurones sont mélangés entre eux, et sont probablement interconnectés. Par conséquent, on peut supposer que l’activation des associations odeur-espace peut se produire via l’activité au sein de ce réseau », a suggéré Poo.
“Cette étude ouvre également une nouvelle fenêtre pour comprendre comment les sens sont utilisés pour la navigation et la mémoire”, a ajouté Mainen. « Les humains se fient plus aux repères visuels qu’aux odeurs, mais il est probable que les principes de la façon dont nous nous souvenons d’où nous sommes allés et d’arriver là où nous allons sont très similaires », a-t-il conclu.
Référence : « Spatial maps in piriform cortex during olfactif navigation » par Cindy Poo, Gautam Agarwal, Niccolò Bonacchi et Zachary F. Mainen, 22 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04242-3
