De l’odeur à l’action : comment les odeurs sont traitées dans le cerveau et influencent le comportement

Par John Crimaldi, Professor of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado Boulder, USA
Brian H. Smith, rustees of ASU Professor, Arizona State University, USA
Elizabeth Hong, Assistant Professor of Neuroscience, California Institute of Technology, USA
Nathan Urban, Provost and Senior Vice President, Lehigh University

Un chien lève son museau en l’air avant de poursuivre une odeur. Un moustique zigzague d’avant en arrière avant de se poser sur votre bras pour son prochain repas. Ces comportements ont en commun d’aider ces animaux à « voir » leur monde à travers leur museau.

Alors que les humains utilisent principalement leur vision pour naviguer dans leur environnement, la grande majorité des organismes sur Terre communiquent et découvrent le monde grâce à l’olfaction – leur sens de l’odorat.

Le système olfactif compact offre un moyen plus accessible d’étudier le cerveau dans son ensemble.

Nous sommes membres de Odor2Action, un réseau international de plus de 50 scientifiques et étudiants qui utilisent l’olfaction pour étudier le fonctionnement du cerveau chez les animaux. Notre objectif est de comprendre une question fondamentale en neurosciences : Comment le cerveau des animaux traduit-il les informations provenant de leur environnement pour modifier leur comportement ?

Nous évoquons dans cet article les interconnexions entre les odeurs et les comportements – en examinant comment le comportement influence la détection des odeurs, comment le cerveau traite les informations sensorielles des odeurs et comment ces informations déclenchent de nouveaux comportements.

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Détecter les odeurs dans l’environnement

Lorsque l’odeur d’une fleur est libérée dans l’air, elle prend la forme d’un nuage de molécules transporté par le vent, appelé panache. Il rencontre des obstacles physiques et des différences de température en traversant l’espace. Ces interactions créent des turbulences qui divisent le panache odorant en fins filaments qui s’étendent au fur et à mesure que l’odeur s’éloigne de sa source. Ces filaments finissent par atteindre le museau d’un animal ou l’antenne d’un insecte.

Les odeurs qui se fragmentent en filaments sont sources de problèmes pour les animaux qui les utilisent pour trouver de la nourriture ou des compagnons, ou pour éviter les menaces. Il devient difficile d’anticiper précisément d’où vient l’odeur. La source est-elle directement devant, à gauche ou à droite, au-dessus ou en dessous ?

Cette vidéo du laboratoire Crimaldi de l’université du Colorado à Boulder, États-Unis, montre un panache d’odeurs se développant derrière une source en mouvement au fil du temps. La source se déplace de haut en bas depuis le côté gauche, et l’odeur s’écoule de gauche à droite.

Pour contourner ce problème, les animaux ont développé ce que l’on appelle des comportements de détection active qui améliorent leur capacité à détecter et à trouver des odeurs dans l’environnement.

Lorsque par exemple, une mouche détecte l’odeur d’un fruit ou qu’un moustique détecte le dioxyde de carbone d’un hôte potentiel, les deux insectes se déplacent d’abord dans le sens du vent pour se rapprocher de l’odeur de la source de nourriture. Ils se déplacent ensuite dans un mouvement de méandre et de va-et-vient appelé « coulée » (« casting ») pour trouver d’autres fils odorants avant de remonter au vent. S’ils perdent l’odeur, ils recommencent à lancer jusqu’à ce qu’ils retrouvent l’odeur. Les animaux plus gros, comme les souris et les chiens, alternent également entre des mouvements plus directifs et des actions de recherche plus exploratoires.

Les animaux déplacent également leur museau et leurs antennes pour augmenter leurs chances de trouver une odeur. C’est pourquoi les chiens lèvent leur museau en l’air pour augmenter la quantité d’odeur qu’ils peuvent renifler, et pourquoi les insectes déplacent leurs antennes pour remuer et pénétrer l’air afin d’établir un meilleur contact avec les molécules odorantes.

Lorsque les informations fournies par les odeurs indiquent à l’animal qu’il est proche de la source, la recherche visuelle entre alors en jeu.

Donner du sens aux odeurs

Lorsqu’un animal entre en contact avec un panache odorant, il détecte la présence de ces molécules odorantes grâce à de minuscules protéines appelées récepteurs de l’odorat. Ces récepteurs sont intégrés dans les neurones sensoriels qui tapissent sa cavité nasale ou ses antennes.

Chaque neurone sensoriel ne contient qu’un seul type de récepteur d’odeur. Chaque type de récepteur d’odorat présente une forme différente et un ensemble de propriétés chimiques qui déterminent quelles odeurs peuvent se lier à lui et l’activer. La plupart de ces récepteurs reconnaissent plusieurs odeurs, et la plupart des odeurs peuvent se lier à plusieurs récepteurs différents. Ce qui code l’identité d’une odeur spécifique dans le cerveau est déterminé par la combinaison de récepteurs qui sont activés, et leur force relative d’activation.

Cette vidéo du laboratoire Wachowiak de l’université de l’Utah, États-Unis, montre l’activité du bulbe olfactif dans le cerveau d’une souris lorsque celle-ci est exposée à différentes odeurs. Les différentes odeurs font s’activer différentes combinaisons de neurones dans le bulbe olfactif.

Un animal comme une souris possède environ mille types de récepteurs d’odorat. Le fait de disposer d’un grand nombre de ces récepteurs aux formes diverses permet au système de détecter et de distinguer un très grand nombre d’odeurs uniques d’un point de vue chimique, notamment celles que l’animal n’a jamais rencontrées auparavant. La plupart des odeurs présentes dans l’environnement sont souvent un mélange de plusieurs types de molécules différentes. L’odeur de certaines fleurs peut être un mélange de plus de 100 composés chimiques différents.

Lorsqu’une molécule odorante se lie à un récepteur, les neurones sensoriels envoient des signaux électriques spécifiques dans des compartiments du cerveau appelés glomérules olfactifs. Différentes odeurs provoquent des schémas distincts d’activité électrique dans ces régions, ce qui génère une représentation neuronale spécifique de l’odeur dans le cerveau.

Une étape importante dans la compréhension de l’olfaction consiste à comprendre comment différentes classes d’odeurs correspondent à différents schémas de signaux électriques dans le cerveau.

Les experts en neuroscience supposent que, lorsque ces signaux subissent des étapes successives de traitement dans le cerveau, les représentations sensorielles des odeurs sont reformatées de manière à extraire les informations les plus utiles à la survie. Il peut s’agir de savoir si l’odeur provient d’un élément nutritif, indiquant une source potentielle de nourriture, ou d’aider l’animal à identifier si l’odeur provient d’un concurrent ou d’un prédateur potentiel.

Ces représentations sensorielles reformatées constituent la base de la perception des odeurs par les animaux et déterminent les actions qu’ils entreprennent en réponse à ces informations.

De l’odeur à l’action

Une fois que les informations concernant une odeur particulière atteigent le cerveau, elles suscitent souvent des comportements à la fois instinctifs et acquis. Les odeurs qui signalent un danger peuvent inciter l’animal à se figer ou à s’enfuir, tandis que les odeurs d’un membre de la même espèce peuvent inciter l’animal à marquer son territoire ou à se faire la cour.

Dans de nombreux cas, les animaux accomplissent ces tâches avec une précision et une efficacité incroyables. Il est encore courant d’utiliser des chiens/sauvetage de recherche pour retrouver des personnes égarées et des cochons pour trouver des truffes, car les technologies disponibles ne sont pas capables d’être aussi performantes.

Les animaux atteignent ce niveau de performance non seulement parce qu’ils sont capables de détecter et d’identifier une odeur. Ils sont également capables d’intégrer les caractéristiques de l’odeur, comme son intensité, avec des indices environnementaux, comme la direction du vent, et des indices internes, comme la faim. Toutes ces informations sont réunies pour générer des séquences spécifiques de comportements, comme « faire face au vent et avancer ».

Les chiens se fient aux odeurs pour fournir des informations à longue distance. Les humains, quant à eux, utilisent les odeurs pour des informations à courte distance.

Pour comprendre comment l’odeur guide ces comportements, les scientifiques mesurent ou manipulent l’activité cérébrale d’un animal pendant qu’il effectue des actions spécifiques. Pour ce faire, ils utilisent l’imagerie, l’électrophysiologie ou l’optogénétique, qui consiste à activer sélectivement des neurones spécifiques en les éclairant. Ces approches permettent aux chercheurs de comprendre comment les schémas d’activité cérébrale changent lorsqu’un animal modifie son comportement pour poursuivre une odeur, ou comment les indices environnementaux et internes se combinent pour produire une meilleure estimation de l’emplacement de son prochain repas.

Mener la science et la technologie par le bout du nez

Le système olfactif offre une occasion unique de comprendre comment le cerveau traite les informations environnementales et les traduit en comportement. Comparé à d’autres zones du cerveau, le circuit olfactif est plus simple dans sa structure et utilise moins d’étapes de traitement. C’est cette simplicité relative qui permet aux scientifiques comme nous de l’étudier de bout en bout et d’apprendre comment le cerveau fonctionne dans son ensemble.

Les robots pourraient un jour être en mesure de remplacer les chiens dans les situations de recherche et de sauvetage.

La compréhension du fonctionnement du cerveau à travers le prisme de l’olfaction pourrait également ouvrir la voie à des développements transformateurs dans les domaines de l’ingénierie, des neurosciences et de la santé publique. Nos recherches devraient accélérer le développement de robots dotés de nez électroniques capables d’utiliser les odeurs pour rechercher des armes chimiques, des marées noires sous-marines et des fuites de gaz naturel dans des pipelines, dans des environnements où il peut être fastidieux ou dangereux pour les humains ou les animaux de se rendre. Les robots pourraient également être capables de rechercher des personnes disparues ou des victimes de catastrophes, ce qui est généralement fait par des chiens dressés.

Article traduit par la Rédaction de Science Infuse, article original paru dans The Conversation

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