Le bulbe olfactif (BO) de mammifère constitue la principale structure relais de la voie olfactive au sein du système nerveux central. Son activité repose sur divers contrôles : périphérique, central et intrinsèque aux BO, associés à une activité électrophysiologique dans les bandes de fréquence θ (2-10 Hz), β (15-30 Hz) et γ (30-90 Hz). L'olfaction forme l'avant-garde de la sensorialité du sujet - odoror ergo sum. Sentir se manifeste avec les premiers mouvements respiratoires du nouveau-né. Les voies de l’odorat dans le cerveau sont en effet les plus précocement ouvertes lors de l’ontogenèse et offrent au nourrisson l’occasion de sa confrontation inaugurale avec le monde.
Architecture Anatomique et Organisation du Bulbe Olfactif
Le bulbe olfactif est une structure appariée, située dans la fosse crânienne antérieure, directement inférieure à la région orbitaire du lobe frontal. Il est situé latéralement par rapport à la crista galli et supérieurement à la lame criblée de l'os ethmoïde. Le bulbe olfactif, qui contient les neurones de deuxième ordre, est une structure organisée en couches concentriques, remarquablement conservée d’une espèce à l’autre. La couche la plus externe est formée par les prolongements (axones) des cellules réceptrices. Ceux-ci se terminent dans des sphérules d’un diamètre de 100 µm, les glomérules, qui forment la deuxième couche du bulbe olfactif. La convergence des informations olfactives, au niveau des glomérules, est importante (environ 25 000 neurones sensoriels pour 1 glomérule).
La troisième couche est la couche plexiforme externe, dans laquelle s’étendent les dendrites secondaires des cellules mitrales et celles d’une catégorie d’interneurones, les cellules granulaires, dont les corps sont situés plus en profondeur. La quatrième couche est principalement formée par les corps cellulaires des cellules mitrales qui sont les cellules de sortie du bulbe olfactif. Ces derniers semblent jouer un rôle important dans les processus de discrimination des odeurs. Il est possible de voir dans chaque glomérule l’existence d’un micromodule, sorte de colonne primitive ou protocolonne, comme il en existe dans le cortex cérébral, constitué par l’ensemble des neurones innervant ce glomérule ainsi que par les interneurones qui réalisent des contacts avec les neurones principaux.
La Synapse Dendro-Dendritique : Un Mécanisme de Régulation Unique
Dans le système nerveux, la plupart des synapses sont axo-dendritiques ou axo-somatiques. Enfin, les synapses dendro-dendritiques (situées entre deux dendrites) ou dendro-somatiques (entre dendrite et corps cellulaire), rares, ont un rôle encore méconnu. L’implication des synapses dendro-dendritiques entre cellules mitrales (CMs, les neurones de projection du BO) et cellules granulaires (CGs, les interneurones locaux) dans ces rythmicités nous a conduits à explorer de façon extensive les différentes propriétés de ces interactions dans la dynamique cellulaire et bulbaire.
L'approche computationnelle s'est révélé un outil efficace pour l'étude des mécanismes à ces différents niveaux. Nous avons d'abord montré que l'inhibition shuntante sur les dendrites latérales des CMs pouvait contrôler la stabilité de décharge des CMs. Un tel processus contrôle la synchronisation de l'activité dans le BO, une propriété majeure pour la transmission de l'information aux structures corticales. Ensuite, nous avons montré dans un réseau de CMs et CGs que le mode d'activation et les interactions synaptiques contrôlaient la dynamique oscillatoire. Dans le cas d'interactions fortes, l'activité des CMs peut se synchroniser sur chaque cycle d'oscillations qui couvrent plutôt la bande de fréquence β.
Modulation par la Somatostatine et Oscillations Gamma
Le neuropeptide somatostatine est largement exprimé dans le cerveau et son rôle modulateur via ses six récepteurs est bien établi dans les fonctions neuroendocriniennes et cognitives. Notre travail démontre que, dans le bulbe olfactif de souris, la somatostatine est exprimée par des interneurones de van Gehuchten précisément situés dans la partie interne de la couche plexiforme externe. Ces interneurones sans axone établissent des synapses dendrodendritiques réciproques avec les dendrites latérales des cellules de projection du bulbe, les cellules mitrales.
En agissant sur les récepteurs sst2 exprimés par leurs dendrites, la somatostatine influence la transmission synaptique dendrodendritique entre cellules principales et cellules granulaires qui est l’origine d’oscillations gamma dans le réseau neuronal bulbaire (40-100 Hz). Les variations de la puissance de ces oscillations induites par le blocage ou l’activation du récepteur sst2 sont associées à des modifications du seuil de discrimination olfactive. Ainsi, nos résultats démontrent que la libération endogène de somatostatine participe à la modulation des oscillations gamma bulbaires et à la discrimination olfactive.
Comment sent-on ?
Dynamique Cellulaire et Stabilité des Phases
En s'appuyant sur des données expérimentales issues du rat anesthésié, nous avons montré que pendant les oscillations γ du potentiel de champ local, l'activité des CMs pouvaient se phaser par rapport à l'oscillation conduisant à une stabilité des phases et du taux de décharge. Le mécanisme sous-jacent fondé sur des entrées synaptiques faibles oscillantes à la fréquence γ pourrait conduire à un mécanisme d'auto-synchronisation et ainsi expliquer l'émergence de bouffées d'oscillations γ.
Le système olfactif détecte des signaux extrêmement faibles et on peut s’attendre à ce que le premier relais synaptique soit particulièrement fiable et solide. Cette hypothèse est vérifiée par l’étude des réponses synaptiques à la stimulation du nerf olfactif grâce à l’enregistrement des potentiels de champs et des courants synaptiques dans la cellule mitrale analysée en configuration « cellule-entière ». Cette dernière réponse est particulièrement prolongée et pourrait jouer un rôle majeur dans la sortie du bulbe olfactif en entretenant une décharge soutenue des cellules mitrales. La seule modulation présente au niveau de cette synapse excitatrice consiste en une inhibition.
Adaptations et Plasticité du Système Olfactif
Les neurones sensoriels primaires détectent les molécules odorantes dans le cadre du sens de l’odorat et projettent à travers la lame criblée pour faire synapse avec les cellules mitrales et les cellules en touffes (tuft) dans le bulbe olfactif. L’étude des récepteurs des odeurs a connu un développement considérable depuis que plusieurs équipes ont contribué à la description, dans l’épithélium olfactif du rat, d’une superfamille de gènes codant pour des récepteurs à sept domaines transmembranaires et associés à des protéines G.
Le nombre relativement important (3 % des gènes exprimés dans le cerveau) des types de récepteurs correspond à une stratégie différente de celle suivie par les autres systèmes sensoriels. Le système olfactif opère différemment, car non seulement le stimulus olfactif n’a pas de dimension spatiale, mais ses paramètres sont trop nombreux pour être correctement transposés, ou codés, dans les deux dimensions d’une surface sensorielle. La grande diversité moléculaire des récepteurs conduit à l’hypothèse selon laquelle un odorant serait reconnu par un type particulier ou prédominant de récepteurs.
Implications Fonctionnelles et Pathologies Associées
Les corrélats dynamiques et comportementaux associés aux oscillations γ et β suggèrent que ces activités pourraient être associées à la perception d'ensemble et la segmentation des odeurs, deux des fonctions principales du système olfactif. L’organe olfactif, loin de jouer un rôle accessoire parmi les appareils sensoriels, apparaît donc comme essentiel dans l’adaptation du sujet à son environnement. Une meilleure connaissance des connexions synaptiques et des neuromédiateurs impliqués aux différents niveaux devrait faciliter la compréhension des mécanismes de l’odorat, ce sens mal aimé, plus important chez l’homme que ne le veut sa réputation.
Les pathologies les plus courantes affectant le bulbe olfactif sont les dysfonctions olfactives telles que l’anosmie (perte de l’odorat), l’hyposmie (diminution de l’odorat), la parosmie (perception erronée) et la phantosmie (perception d’odeurs absentes). Ces troubles proviennent souvent d’une grande variété de causes, notamment des infections, des traumatismes ou des maladies neurodégénératives. Des tumeurs peuvent affecter le bulbe olfactif, le plus souvent par compression. La présence de la somatostatine et de ses récepteurs dans le système olfactif, et leur déclin dans plusieurs maladies neurodégénératives associées à des troubles précoces du sens de l’odorat, suggèrent que ce peptide participe au traitement de l’information olfactive.