Tesi sul tema "Apprentissage perceptif olfactif"

L'objectif de ce travail est d'apporter une meilleure connaissance de la plasticite du comportement de l'ouvriere d'abeille domestique vis-a-vis des signaux olfactifs de son environnement naturel. En particulier, les processus d'apprentissage olfactif qui representent une phase critique du comportement de butinage, ont ete etudies par des methodes comportementales et sensorielles en conditions controlees. Nous avons evalue : - la duree et la stabilite de la memoire olfactive de l'abeille, grace a un essai biologique base sur le conditionnement du reflexe d'extension du proboscis, ou une odeur (stimulus conditionnel) est associee a de la nourriture sucree (stimulus inconditionnel). Apres une seule association odeur-nourriture, les abeilles retiennent une odeur florale toute leur vie. Cependant, une extinction des reponses apparait lors de presentations repetees de l'odeur sans renforcement. Celle-ci ne provient pas d'une destruction de la memoire, car une recuperation spontanee des reponses est possible apres une periode de repos. - les capacites d'apprentissage, de discrimination et de generalisation des abeilles, en les conditionnant avec plusieurs produits odorants d'origine florale ou pheromonale. Les abeilles peuvent apprendre durablement ces deux types de signaux, mais montrent des performances de generalisation qualitative asymetriques entre les produits floraux et pheromonaux etudies. - les capacites des abeilles de transposer la signification d'une information olfactive apprise, d'un contexte experimental a un autre. Ainsi, une exposition olfactive passive au cours des premiers jours de la vie adulte entraine une plus forte orientation vers l'odeur d'exposition en olfactometre, mais de plus faibles performances d'apprentissage associatif, par rapport a des abeilles temoins. - l'existence de modulations de la sensibilite antennaire au cours de processus d'apprentissage olfactif, grace a des enregistrements simultanes d'electroantennogrammes et de reponses d'extension du proboscis. Aucune modification des reponses sensorielles n'a ete observee apres un conditionnement olfactif. Nous discutons de l'influence de la plasticite de l'apprentissage olfactif sur l'adaptation du comportement de butinage de l'abeille dans un environnement naturel en permanente transformation.

Le bulbe olfactif est le siège d'une neurogenèse adulte pouvant jouer un rôle dans les apprentissages olfactifs. Nous nous sommes intéressés à son rôle dans un type d'apprentissage olfactif : l'apprentissage perceptif. Tout d'abord, l'enrichissement permet d'améliorer la discrimination d'odeurs proches : c'est l'apprentissage perceptif. En étudiant les effets de la suppression de la neurogenèse pendant l'enrichissement nous avons montré que la neurogenèse était nécessaire à l'apprentissage perceptif en modulant l'inhibition des cellules mitrales par les cellules granulaires. Ensuite, nous avons étudié le rôle de la noradrénaline dans cet apprentissage. La noradrénaline est nécessaire à l'apprentissage perceptif et suffisante pour en mimer les effets. De plus, nous avons montré que la neurogenèse bulbaire était essentielle à l'action de la noradrénaline pour permettre l'apprentissage perceptif. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'effet du vieillissement sur l'apprentissage perceptif. Nous avons trouvé qu'il existait un défaut d'apprentissage perceptif chez la souris âgée en lien avec une diminution de la neurogenèse. En revanche, une stimulation noradrénergique permet de restaurer l'apprentissage perceptif sans modulation de la neurogenèse bulbaire suggérant l'existence de mécanismes compensatoires. L'apprentissage perceptif est sous-tendu par la neurogenèse bulbaire, via le système noradrénergique, pour permettre une hausse d'inhibition des cellules mitrales par les cellules granulaires améliorant la discrimination des odeurs proches. Avec l'âge, l'apprentissage perceptif peut être restauré suggérant une plasticité toujours présente dans un système olfactif vieillissant
The olfactory bulb is the target of a well described adult neurogenesis which has been involved in different kinds of learning. We focused on the role of adult neurogenesis on olfactory perceptual learning which consists on an improvement of olfactory discrimination after odor enrichment. We found that experience-driven improvement in olfactory discrimination (perceptual learning) requires the addition of newborn neurons in the olfactory bulb. More specifically, we showed that adult-born neurons are required for perceptual learning by modulating the inhibition of mitral cells by granule cells. Then, we studied the role of noradrenaline on perceptual learning. Direct manipulation of noradrenergic transmission significantly effect on adult-born neuron survival and perceptual learning. Finally, we investigated the effect of aging on perceptual learning. We found that perceptual learning was impaired by aging in line with an alteration of neurogenesis. However, noradrenergic stimulation restores perceptual learning without modulating neurogenesis suggesting compensatory mechanisms. Neural mechanisms underlying perceptual learning involve neurogenesis and noradrenergic system to allow an increase of mitral cell inhibition thanks to the granule cells leading to an improvement of odor discrimination. During aging, perceptual learning can be restored suggesting that the olfactory system is still plastic

Le champ des neurosciences connaît depuis quelques décades un développement très important dans la compréhension des corrélats neuronaux de la perception. Le cerveau adulte répond aux variations de l'environnement et à l'expérience par des modifications fonctionnelles et structurales, regroupées sous le terme générique de plasticité, plasticité qui sous-tend l'apprentissage. Cette plasticité affecte la perception sensorielle, olfactive puisque c'est cette modalité qui va nous intéresser, mais également la perception de stimuli dans d'autres modalités sensorielles. Contrairement à des convictions longtemps érigées en dogme mais maintenant dépassées sur la nature fixe du cerveau, il est établi désormais que le cerveau adulte est capable de générer tout au long de la vie de nouveaux neurones qui s'intègrent dans la circuiterie cérébrale complexe, en particulier dans le bulbe olfactif et pourraient jouer un rôle dans l'apprentissage. Des travaux antérieurs de l'équipe ont démontré que l'acquisition de l'apprentissage perceptif dépend de la présence des neurones formés chez l'adulte. Par ailleurs, les systèmes neuromodulateurs comme les systèmes noradrénergique et cholinergique innervent massivement le bulbe olfactif et en particulier les neurInhibiting noradrenergic fibers duroing post learning discrimination testing lblmocked ones cibles de la neurogenèse adulte, les interneurones granulaires. Ils sont depuis longtemps connus pour leur implication dans les processus d'apprentissage en général et olfactif en particulier. Un objectif de la thèse était de déterminer le pattern temporal et spatial de l'innervation des neurones formés chez l'adulte dans le bulbe olfactif et sa modification potentielle par l'apprentissage, par des approches comportementales combinées à des approches neuro-anatomiques. Un autre objectif était d'évaluer le rôle fonctionnel des contacts noradrénergiques mis en place par l'apprentissage en utilisant l'outil optogénétique. Les résultats indiquent que l'innervation des neurones formés chez l'adulte s'installent dès le huitième jour après la naissance des neurones pour le système cholinergique, comme pour le système noradrénergique. L'apprentissage induit une augmentation massive des contacts noradrénergiques sur les neurones formés chez l'adulte qui n'est pas retrouvée pour les fibres cholinergiques, pointant le système noradrénergique comme un acteur majeur de la plasticité induite par l'apprentissage perceptif
The field of neuroscience has experienced explosive growth over the past decade toward understanding the neural correlates of perception. More specifically, the adult brain responds to environmental experience by significant functional and structural modifications, called "neural plasticity" which underlies learning. A main issue in neuroscience is to understand the cellular basis of perceptive plasticity and subsequent behavioral adaptations. Contrary to previously held beliefs about its static nature, the adult brain is in fact capable of generating new neurons that can integrate into its complex circuitry. The birth of new neurons constitutively occurs in two specific regions of the adult mammalian brain (OB and hippocampal dentate gyrus). Adult neurogenesis is a sophisticated biological process whose function has remained a mystery to neuroscience researchers but a role in learning and memory has been proposed. Previous work in our group have shown that perceptive olfactory learning depends on adult neurogenesis. In addition, neuromodulatory systems, including noradrenergic and cholinergic systems massively innervate the olfactory bulb and more specifically the inhibitory interneurons targeted by adult neurogenesis and are long-known for their role in learning and memory. One objective of the present work was to determine the spatial and temporal pattern of the innervation by noradrenergic and cholinergic inputs of developing adult-born neurons and to investigate its modulation by learning. For that purpose, we used behavioral and neuro-anatomical approaches. Another objective was to assess the functional role of centrifugal contacts using an optogenetic approach. Results indicate that the noradrenergic innervation is selectively increased on adult born neurons following perceptual olfactory learning, a phenomenon that was not observed for cholinergic innervation, pointing the noradrenergic system as a key mechanisms involved in perceptual learning. Interestingly, noradrenergic contacts on neurons born during ontogenesis were not affected by learning, suggesting a very specific part played by adult-born neuron in learning associated plasticity. In the same brains, we have analyzed the structural plasticity induced by learning in adult-born and pre-existing neurons. The major finding is that mirroring the increased number of noradrenergic contacts, learning induced an increase in dendritic spines on adult-born, but not on pre-existing neurons

Ma thèse a porté sur la plasticité liée à l'entrée sensorielle dans le bulbe olfactif (BO) de souris adulte et plus particulièrement sur le rôle de la neurogenèse dans cette plasticité. Le BO est le premier relais central du traitement de l'information sensorielle en provenance des neurones récepteurs sensoriels situés dans la cavité nasale. Il est le siège d'une neurogenèse permanente à partir de progéniteurs situés au niveau des ventricules latéraux. J'ai tout d'abord montré que l'entrée sensorielle était nécessaire à la survie des progéniteurs neuronaux. Une déafférentation du BO par axotomie des neurorécepteurs olfactifs induit une augmentation unilatérale de la mort cellulaire parmi les progéniteurs et une induction bilatérale de la prolifération dans la zone subventriculaire et le flux rostral migratoire. Une augmentation importante de la prolifération apparaît dans la zone périventriculaire du BO mettant en évidence une population de progéniteurs locaux mitotiquement actifs et stimulés après axotomie. Je me suis ensuite intéressée à la survie des neurones nouvellement générés dans le BO adulte dans des conditions normales ou après privation olfactive unilatérale (par insertion d'un bouchon dans une des deux narines). Un pic de cellules nouvellement générées est observé dans le BO 30 jours après leur naissance. Suit une diminution significative du nombre de cellules néoformées entre 30 et 180 jours après leur naissance qui est accélérée par la privation sensorielle pendant une période critique (entre 15 et 45 jours). Enfin, grâce au développement d'une plateforme d'évaluation des performances olfactives, j'ai pu étudier l'effet d'un apprentissage de discrimination olfactive sur la distribution spatiale des neurones néoformés. Je montre que la distribution des cellules granulaires nouvellement formées dans le BO est topographiquement régulée par l'exposition à une paire d'odeurs. L'apprentissage de discrimination olfactive réorganise le pattern des cellules granulaires néoformées et participent au renforcement et à l'amélioration de la définition du pattern d'expression du Zif268 en réponse à l'odeur apprise

L’olfaction est un sens essentiel chez les rongeurs. Lors d’un apprentissage olfactif, des valeurs peuvent être attribuées aux odeurs ; de multiples formes de plasticité sont impliquées pour permettre cet apprentissage. Dans le bulbe olfactif, des nouveaux neurones, majoritairement des cellules en grain, sont produits chaque jour à l’âge adulte. Le but de cette thèse a été de déterminer les propriétés spécifiques de ces néo-neurones adultes, tant d’un point de vue structural que fonctionnel. Dans une première étude, nous avons montré que l’exposition aux odeurs associées à une récompense augmente spécifiquement l’activité des cellules en grain formées à l’âge adulte. De plus, leur activation lors de la présentation des stimuli récompensés accélère l’apprentissage associatif, et facilite l’attribution de nouvelles valeurs aux odeurs lors d’une réversion de cet apprentissage. Ces résultats démontrent l’implication spécifique des néo-neurones adultes dans l’association odeur-récompense. Dans une deuxième étude, nous avons cherché à déterminer si ce rôle fonctionnel pouvait résulter d’une connectivité particulière. Nous avons utilisé une technique de traçage rétrograde pour marquer les partenaires présynaptiques des cellules en grain néoformées. Nous avons ainsi découvert que les fibres centrifuges contactant les cellules en grain adultes sont beaucoup plus nombreuses que celles contactant leurs homologues formées au cours du développement. Ensemble, ces travaux démontrent que les néo-neurones bulbaires adultes confèrent au système olfactif des propriétés remarquables : ils permettent de faciliter l’apprentissage associatif, probablement grâce à une connectivité unique
Olfaction is an important sensory modality in rodents. During odor-dependent learning, a positive value is commonly assigned to an odorant, and multiple forms of plasticity are involved when such odor–reward associations are formed. In the olfactory bulb, one of the mechanisms underlying plasticity consists in recruiting new neurons daily throughout life. The aim of this thesis was to determine the specific properties of these adult-born neurons, structurally and functionally. In a first study, we demonstrated that exposure to reward-associated odors specifically increases activity of adult-born neurons. Moreover, adult-born neuron activation during rewarded odor presentation heightens discrimination learning and enhances the ability to update the odor value during reversal association. Together, these results show the specific involvement of adult-born neurons in odor-reward association. In a second study, we investigated whether this functional role could result from a particular connectivity. We used a retrograde tracing technique to label the presynaptic partners of adult-born granule cells. Thus, we showed that centrifugal fibers contacting the adult-born granule cells are more numerous than those contacting their counterparts born during development. Collectively, these results demonstrate that adult neurogenesis endows the olfactory system with the capacity to facilitate associative learning, probably due to a unique connectivity

Le bulbe olfactif est le siège d’une neurogenèse adulte permanente. Le nombre de nouveaux neurones issus de cette neurogenèse adulte est modulé par l’apprentissage, ce qui suggère un rôle des néoneurones dans la mémoire olfactive. Au cours de ce travail, nous avons montré que l’apprentissage olfactif associatif recrute des nouveaux neurones granulaires dans des régions de la couche granulaire du bulbe olfactif spécifiques à l’odeur apprise. Nous avons également mis en évidence un lien entre la force de l’apprentissage olfactif, sa rétention et la modulation de la neurogenèse qui en résulte. En bloquant la neurogenèse bulbaire à l’aide d’un agent antimitotique nous avons montré que les nouveaux interneurones ne sont pas indispensables à l’acquisition d’une tâche olfactive associative, mais le sont pour sa rétention à long terme. Puis, en utilisant une approche comportementale, nous avons aboli l’association olfactive acquise lors d’un apprentissage et nous avons observé que les nouveaux neurones initialement sauvés dans le bulbe olfactif par cet apprentissage disparaissaient prématurément, confirmant ainsi leur rôle dans le support de la mémoire olfactive. Enfin, nous avons montré que suite à un apprentissage olfactif, une régulation locale de la mort cellulaire est mise en jeu qui pourrait être à l’origine de la sélection des néoneurones dans les régions traitant l’odeur apprise. Dans l’ensemble nos données indiquent un rôle crucial des neurones formés à l’âge adulte dans le bulbe olfactif dans la mémoire olfactive
Adult-born neurons are added to the mammalian olfactory bulb, and their number is modulated by learning suggesting that they could play a role in olfactory memory. In this work, we demonstrate that retrieval of an associative olfactory task recruits newborn neurons in odor-specific areas of the olfactory bulb and in a manner that depends on the strength of learning. By blocking neurogenesis during this olfactory task, we then demonstrate that acquisition is not dependent on neurogenesis while long-term retention of the task is abolished by neurogenesis blockade. In a second part, using an ecological approach, we show that behaviorally breaking a previously learned odor-reward association prematurely suppresses newborn neurons selected to survive during initial learning. Our results indicate that the newborn neurons saved by olfactory learning die when the odor looses its associative value, thus confirming that these newborn neurons support the memory trace. Finally, during and after learning, cell death and BrdU positive cells were mapped in the granule cell layer. We find that regions showing high BrdU-positive cell density exhibit the lowest rate of cell death indicating local regulation of cell death shaping the spatial distribution of newborn neurons in the granule cell layer of the olfactory bulb. Taken together, our findings reveal the crucial role of bulbar adult born neurons in olfactory memory

L’agrément d’un vin dépend du jugement de ses qualités organoleptiques par un jury de professionnels. Les performances olfactives et gustatives nécessaires des dégustateurs y jouent un rôle déterminant. Pourtant jusqu’ici, ces aptitudes sensorielles fondamentales n'étaient pas directement prises en compte par les professionnels. Même si l’on peut donner une définition de l'expert, en préciser les capacités nécessaires, de multiples études ont mis en relief l’hétérogénéité des appréciations individuelles de dégustation et le manque de consensus forts. La littérature illustre les différences d’expertises entre professionnels et novices, mais aucune étude ne s’intéresse à l’amplitude des différences sensorielles interindividuelles chez les experts.Nos recherches nous ont conduit à caractériser les capacités olfactives de la population des professionnels du vin et à mesurer leur influence sur l’appréciation d’un vin. Nos mesures ont montré la variété interindividuelle des capacités perceptives, des appréciations hédoniques et des capacités cognitives recrutées par le traitement de l’information olfactive chez les professionnels du vin. Nos expériences ont suggéré que ces différences interindividuelles, relatives notamment à la sensibilité et l’appréciation hédonique, influencent la perception et le jugement d’un même vin par les experts. Cependant les résultats confirment aussi la possible influence de la dimension cognitive liée au vécu du sujet sur la perception olfactive plus ou moins complexe et l’apprentissage olfactif. Finalement, ce travail permet de déterminer des besoins en formation. Nous proposons en conséquence des outils pratiques d’évaluation des capacités sensorielles et des pédagogies d’entraînement adaptées. C'est l'occasion de souligner la pertinence de certains facteurs cognitifs dans l’amélioration des performances olfactives, tels que ceux impliquant l’attention ou l'imagerie mentale olfactives
The quality of a wine is measured primarily by experts who evaluate its organoleptic features. Their olfactory and gustatory capacities are decisive, but these experts do not appreciate their own sensory abilities. Moreover, although we can give a clear definition of the expertise, several studies have shown that professionals are often confronted with disparities in their wine assessment. Several studies have also shown the differences between experts and novices, but no attention was paid to the diversity of the chemosensory abilities of the experts.At the Oenology Faculty in Bordeaux, with voluntary participation of the professionals, we characterized the olfactory performances of wine professionals and measured their impact on the wine assessment.The results showed significant inter-individual variation in olfactory sensitivities, hedonic ratings and cognitive abilities among the wine professionals. Further, our experiments have suggested that these inter-individual differences, especially concerning the sensitivity and the hedonic appreciation, influence perceptions and judgments of a same wine by the experts. However, the results confirm the possible influence of the cognitive dimensions related to the experience of the subject on their perception and their olfactory training. Finally, this work identifies training needs. We therefore propose and test practical tools for assessment of sensory performances and appropriate sensorial training. This has been an opportunity to highlight the potential role of attention or olfactory mental imagery in the improvement of the olfactory performance

Les comportements sont codés par des circuits neuronaux, englobant le cerveau, qui changent avec l'âge et l'expérience. L'immunodétection du gène c-Fos est utilisée depuis des décennies pour révéler les circuits neuronaux activés lors de tâches ou de conditions spécifiques. La méthode c-Fos présente cependant deux limites : 1) L'expression du c-Fos est limitée dans le temps. 2) Les quantifications sont chronophages et souvent limitées à une seule région cérébrale. Le premier objectif de ma thèse consistait à relever les défis actuels liés à l’étude de l'activité neuronale impliquée dans différents comportements à l’échelle du cerveau entier. Ainsi, j'ai développé un workflow contournant les limitations temporelles et spatiales associées à c-Fos. La combinaison de l’expression c-Fos avec celle de tdTomato, Cre-dépendante du c-Fos (souris TRAP2), m’a permis de visualiser et d'effectuer une comparaison directe des circuits neuronaux activés à différents moments ou au cours de différentes tâches. En utilisant des logiciels libres d’acces (QuPath et ABBA), j'ai établi un workflow qui optimise et automatise la détection des cellules, leur classification (c-Fos vs. c-Fos/tdTomato) et l'enregistrement du cerveau entier. Ce workflow automatique, basé sur des scripts entièrement automatisés, permet une quantification précise du nombre de cellules avec une variabilité interindividuelle minimale. De plus, l'interrogation d’atlas cérébraux à différentes échelles (de simplifiée à détaillée) a été réalisée, permettant un zoom progressif sur des régions cérébrales définies afin d'explorer la distribution spatiale des cellules activées. Enfin, j'ai illustré le potentiel de cette approche en comparant les schémas d'activation neuronale dans divers contextes (états de vigilance, comportement social) dans des groupes d'animaux distincts ainsi qu'au sein des mêmes animaux. Enfin, BrainRender a été utilisé pour la représentation intuitive des résultats obtenus. Ainsi ce workflow automatisé et accessible à tous les laboratoires ayant une expérience en histologie permet une analyse impartiale, rapide et précise de l'ensemble du modèle d'activité cérébrale au niveau cellulaire, dans différents contextes. Mon deuxième objectif consistait à étudier l'interdépendance de comportements spécifiques par l’étude des effets de la privation de sommeil paradoxal sur l'apprentissage perceptif olfactif. Cette tâche d'apprentissage est définie comme une capacité à discriminer entre deux odorants perceptivement similaires après une exposition passive à celles-ci pendant 10 jours, un processus partiellement dépendant de la neurogenèse adulte. c-Fos, en combinaison avec l’expression de tdTomato (souris TRAP2), m’a permis de visualiser l'activité neuronale avant et après l'apprentissage perceptif. Une privation de sommeil paradoxal automatisée pendant 4 heures par jour après cet apprentissage à permis d’observer une absence de discrimination olfactive. Ainsi sont posées des bases solides pour de futures études, impliquant notre workflow automatisé pour évaluer l'activité neuronale dans le bulbe olfactif et les centres olfactifs supérieurs du cerveau. En outre, le rôle des nouveaux neurones et l'impact de la privation de sommeil paradoxal sur leurs schémas d'activité seront explorés ultérieurement. En conclusion, le travail présenté dans ma thèse apporte des avancées méthodologiques significatives en développant un workflow automatisé sur l'ensemble du cerveau pour visualiser et comparer les circuits neuronaux activés dans différents comportements. Ainsi, l'exploration de l'impact de la privation de sommeil paradoxal sur l’apprentissage perceptif olfactif met en évidence la relation complexe entre le sommeil et le traitement sensoriel, posant les bases de futures recherches sur les mécanismes neuronaux qui sous-tendent ces processus
Behaviors are encoded by widespread neural circuits within the brain which change with age and experience. Immunodetection of the immediate early gene c-Fos has been used for decades to reveal neural circuits activated during specific tasks or conditions. While successful, c-Fos method presents two limitations: 1) c-Fos expression is restricted in time, and cannot be used to follow up the same neurons activation over time or in response to different stimuli. 2) Quantifications are time consuming and often performed for a single brain region which restricts spatial information. A first objective of my thesis consisted in addressing challenges associated with whole brain probing of neuronal activity involved in higher sensory information processing. To this end, I developed and benchmarked a workflow that circumvents temporal and spatial limitations associated with c-Fos quantification. I combined c-Fos with c-Fos driven Cre-dependent tdTomato expression (i.e. TRAP2 mice), to perform a direct comparison of neural circuits activated at different times or during different tasks. Using open-source softwares (i.e. QuPath and ABBA), I established a workflow that optimize and automate cell detection, cell classification (e.g. c-Fos vs. c-Fos/tdTomato) and whole brain registration. This automatic workflow, based on fully automatic scripts, allows accurate quantification with minimal interindividual variability. Further, interrogation of brain atlases at different scales (from simplified to detailed) was performed, allowing a gradual zoom on defined brain regions to explore the spatial distribution of activated cells. I finally illustrated the potential of this approach by comparing patterns of neuronal activation in various contexts, i.e. wakefulness, paradoxical sleep and social interaction tasks, in distinct animal groups as well as within the same animals. Finally, BrainRender was used for intuitive representation of obtained results. Altogether, this automated workflow accessible to all labs with some experience in histology, allows an unbiased, fast and accurate analysis of the whole brain activity pattern at the cellular level, in various contexts. As an extension of this work, the second objective of my PhD focused on investigating the interdependence of specific behaviours. To this end, I studied effects of paradoxical sleep deprivation on olfactory perceptual learning. This learning task is defined as an enhanced ability to discriminate between two perceptually similar odorants following passive exposure to these 2 odorants for 10 days, a process partially reliant on adult neurogenesis. I used c-Fos immunohistochemistry in combination with tdTomato expression (TRAP2 mice), to visualize neuronal activity before and after perceptual learning. I have implemented a chronic automated paradoxical sleep deprivation for 4 hours per days following the olfactory perceptual learning protocol. Our behavioural data revealed that paradoxical sleep deprivation altered the improvement of odour discrimination. This work lays a solid foundation for future studies, which will extend the automated workflow I developed to evaluate neuronal activity within the olfactory bulb, as well as in higher olfactory centres in the brain. Additionally, the role of adult-born neurons and the potential impact of paradoxical sleep deprivation on their activity patterns will be explored further. In conclusion, the work presented in my thesis provides significant advancements in addressing the limitations of traditional c-Fos quantification methods by developing an automated, whole-brain workflow to visualize and compare neural circuits activated under different conditions. Furthermore, the exploration of the impact of paradoxical sleep deprivation on perceptual learning highlights the intricate relationship between sleep and sensory processing, laying the groundwork for future investigations into the neural mechanisms underlying these processes

Comment le cerveau intègre-t-il toutes les informations sensorielles qu'il reçoit en une perception cohérente de l'environnement ? Cette intrigante et importante question en neuroscience n’est pas élucidée et a inspiré ce travail de thèse. Plus précisément, mon objectif a été d’étudier les modifications cérébrales induites par l’apprentissage d’une association entre un son et une odeur. Inhabituelle chez l’homme, hormis dans l’alimentation, cette association est pourtant fréquente chez l’animal, pour la détection de prédateurs par exemple. Mais sons et odeurs permettent surtout d'étudier les mécanismes cérébraux nécessaires à l'association entre deux sens très différents : le système auditif traite l’information en temps réel tandis que le système olfactif est lent et rythmé par la respiration. Ce travail de thèse était centré autour de la question suivante : comment le cerveau traite-t-il les interactions multisensorielles audio-olfactives ? En enregistrant l’activité de potentiel de champs local de plusieurs structures cérébrales chez des rats en train d’apprendre cette association, nous avons pu mettre en évidence un potentiel rôle des oscillations neuronales béta (15-35 Hz), dans le traitement et la mise en mémoire des différentes informations sensorielles. Ces oscillations représenteraient un lien fonctionnel entre aires cérébrales distantes, permettant l’intégration et l’association d'informations de natures très différentes
Multisensory interactions are constantly present in our everyday life and allow a unified representation of environment. Cross modal integration is often studied in multisensory associative brain regions, but recent findings suggest that most of the brain could be multisensory. But at this time, we still don’t know how the brain deals with information from different sensory systems. In this project, we want to understand whether the establishment of neuronal oscillations can functionally connect sensory regions and take part of the multisensory integration, and how this connection is built up by learning. For this, we examine changes in the cortical network involved in the acquisition of a multisensory association between a sound and an odor in rats through the analysis of the local field potentials’ oscillations The originality of the project is to sample a large network of brain structures including primary sensory cortex (primary auditory cortex, olfactory bulb) and multimodal areas towards which converge these two senses: the piriform and perirhinal cortices. We have developed a behavioral GO/NO GO test in which the rat must combine simultaneous auditory and olfactory informations to succeed. Data and brain signals obtained in this task suggest that the power of oscillations in beta frequency band within the olfactory areas and the coherences of oscillations between these areas are modified by the multisensory learning

Le succès écologique de la souris domestique, Mus musculus domesticus, repose en partie par sa capacité à adapter son régime alimentaire aux ressources disponibles. La transmission sociale des préférences alimentaires (TSPA) est un apprentissage observé chez les rongeurs, leur permettant d’élargir leur répertoire alimentaire à moindre risque en obtenant des informations olfactives surde nouveaux aliments à partir des congénères. Cet apprentissage social s’observe directement,lors d’une rencontre avec un congénère ou indirectement, via des marques odorantes. Ce travail a pour but de déterminer comment les souris utilisent leur environnement socio-olfactif pour réaliser des choix alimentaires. Nos résultats ont révélé que l’absence du congénère lors de laTSPA indirecte réduit les contraintes sociales associées à une rencontre et permet l’acquisition de la TSPA entre femelles inconnues. Cependant, certaines contraintes physiques associées à la perception des informations dans les fèces peuvent réduire la disponibilité des informations alimentaires. Enfin, nous avons montré que les différentes préoccupations sexuelles des individus affectent la hiérarchisation des informations présentes dans les fèces et limitent, chez les mâles,l’acquisition de la TSPA. Nos résultats suggèrent que l’utilisation d’informations alimentaires chez les souris varie selon leur contexte social et écologique et implique différents processus tels que l’émotion et l’attention. En conditions naturelles, les voies directe et indirecte de la TSPA pourraient être complémentaires, chacune élargissant les conditions de transmission de l’information alimentaire chez les rongeurs
The ecological success of the house mouse, Mus musculus domesticus, implies a great capacity to adapt its diet to available food resources. The social transmission of food preference (STFP) is an adaptive type of learning observed in rodents allowing them to enlarge their food repertoire at lower risk by getting olfactory information on novel food sources from conspecifics. This social learning takes place directly, during an encounter with a conspecific or indirectly, via olfactory marks. The objective of this thesis work was to determine how mice use their socio-olfactory environment to make food choices. Our results revealed that the absence of the conspecific during the indirect STFP reduces the social constraints associated with an encounter and allows the acquisition of STFP between unfamiliar conspecifics. However, some physical constraints associated with the perception of information in feces may reduce the availability of food information. We also showed that different sex concerns of individuals may affect the prioritization of information present in feces and limit, in males, the acquisition of STFP. Our results suggest that the use of food information in mice varies according to their social and ecological context and involves different processes such as emotion and attention. Under natural conditions, the direct and indirect STFP could be complementary, each of them extending the conditions for the transmission of food information in rodents

Les interactions entre individus sont un socle vital pour l’organisation des colonies d’abeilles, en particulier lors du recrutement pour le butinage. Outre la communication de la localisation d’une source de nourriture par la fameuse danse, les abeilles recrutées apprennent les caractéristiques de l’odeur des fleurs butinées au cours de transferts de nectar (trophallaxie). Les mécanismes de cet apprentissage ne sont pas encore éclaircis car il est parfois effectif sans aucun transfert de nectar, suggérant que d’autres mécanismes, comme par exemple d’apprentissage social, sont impliqués. Nous avons reproduit cette interaction en laboratoire, suivant un protocole basé sur le conditionnement olfactif appétitif de la réponse d’extension du proboscis (REP). Ici, un composé odorant initialement neutre (Stimulus conditionnel) était associé à un contact avec une congénère (Stimulus Inconditionnel social), sans récompense sucrée. Nos expériences montrent que ce simple contact social entre congénères peut constituer un renforcement pour les abeilles. A la suite de cette association, celles-ci montrent donc des REP à l’odeur préalablement associée au contact social. Nos expériences montrent de plus que des contacts antennaires entre les abeilles sont indispensables à l’efficacité de cet apprentissage social, représentant un indice social tactile. Nous avons alors développé un dispositif permettant d’enregistrer les mouvements des antennes de manière précise et à haute vitesse (90 hz) et étudié les différents facteurs modulant les mouvements antennaires des abeilles. Les abeilles montrent des réponses contrastées et reproductibles à des odeurs de valeurs biologiques différentes. De plus, le couplage de ces enregistrements à des expériences de conditionnement associatif montre que ces réponses antennaires sont plastiques et modifiées par l’expérience des individus. Ce travail a permis de mettre en lumière un nouveau type d’apprentissage social chez les insectes et d’approfondir l’étude des mouvements antennaires comme indicateurs de l’état motivationnel, attentionnel et physiologique des abeilles ainsi que de la valence des stimuli perçus
In honeybees, interactions between individuals are cornerstones for the organization of the colony, especially during recruitment for foraging. Besides learning the location of a food source thanks to the well-known dance, the recruited bees learn the characteristics of odors of foraged flowers through nectar transfer (trophallaxis). The underlying mechanisms are still unclear because this learning can occur without any nectar transfer, suggesting that other, probably social, learning mechanisms are involved. We reproduced this interaction in the lab, using a protocol based on the appetitive olfactory conditioning of the proboscis extension response (PER). Here, an initially neutral odorant (conditioned stimulus) was associated with a contact with a nestmate (social unconditioned stimulus), without any sugar reward. Our experiments show that this simple social contact between workers can act as a reinforcement for bees. As a result, they show PER to the odor previously associated with a social contact. We further demonstrate that antenna contacts are essential for the effectiveness of this social learning, representing a tactile social cue. We thus developed a system allowing to record bees’ antennal movements accurately and at high frequency (90 hz). We then determined the factors modulating bees’ antennal movements. First, we show that bees display contrasted and reproducible responses to odors of different biological values. Second, the coupling of these recordings with associative conditioning experiments shows that these antennal responses are plastic and modified by individual experience. This work has shed light on a new type of social learning in insects and has furthered our understanding of antennal movements as indicators of the motivational, attentional and physiological state of bees and of the valence of perceived stimuli

Le but de ce travail a ete d'etudier 1) l'implication du cortex piriforme (olfactif) lors de l'apprentissage et de la memorisation d'un test olfactif associatif, 2) ses relations anatomo-fonctionnelles avec la formation hippocampique, une structure impliquee dans les processus mnesiques. Pour cela, nous avons combine des techniques comportementales et electrophysiologiques chroniques chez le rat. Une premiere serie d'experiences a permis de definir les parametres duree de l'intervalle inter-essai, nombre d'essais, paires d'odeurs necessaires pour obtenir le meilleur apprentissage possible chez ces animaux. Par la suite, nous avons montre que des trains de stimulations electriques a haute frequence ou stimulation olfacto-mimetique (som) appliques sur le faisceau olfactif lateral peuvent etre utilises comme un indice discriminatif artificiel en lieu et place d'une odeur naturelle, des la premiere seance d'apprentissage, dans notre test olfactif. Enfin, les enregistrements electrophysiologiques au niveau du cortex piriforme revelent l'apparition progressive d'un phenomene de potentialisation a long terme (plt) correle avec l'apprentissage et la memorisation de la signification de l'indice discriminatif artificiel. La seule application des som entraine une depression a long terme au niveau du cortex piriforme. Une deuxieme serie d'experiences nous a permis de confirmer de facon directe l'implication de l'hippocampe dans l'apprentissage et la memorisation de l'association stimulus-renforcement. Des rats, dont le circuit hippocampique est irreversiblement interrompu par irradiation neonatale aux rayons , presentent un important retard d'apprentissage et sont incapables de se souvenir de la signification des odeurs. Par ailleurs, lors de l'apprentissage et de la memorisation de l'association som-renforcement, des enregistrements electrophysiologiques au niveau du gyrus dentatus montrent l'apparition rapide d'une plt. Celle-ci se developpe sur une reponse evoquee par une boucle de reactivation hippocampique. Cette plt est correlee aux performances comportementales uniquement lors des premieres seances d'apprentissage. Nos resultats montrent l'activation precoce de l'hippocampe lors d'un apprentissage et le stockage mnesique consecutif de l'information au niveau d'un territoire cortical, le cortex piriforme

Nous avons étudié l'olfaction chez l'abeille, sur les plans comportemental et neurobiologique, selon quatre axes : 1) l'établissement d'un espace perceptif, caractérisant la similarité des odeurs selon la longueur de la chaîne carbonée et le groupement chimique des molécules ; 2) la démonstration que le blocking (baisse de l'apprentissage d'une odeur après celui d'une première odeur) n'est ni stable, ni lié à la similarité entre odeurs, contrairement à ce qui avait été avancé ; 3) la caractérisation des effets de l'exposition aux deux principaux composants de la phéromone d'alarme sur deux réponses réflexes, appétitive et aversive, qui dépendent du composant, de la dose et de la réponse étudiée; 4) la recherche d'éventuels corrélats nerveux d'un conditionnement olfactif absolu, en imagerie calcique. Cette étude intégrée permet de mieux comprendre les mécanismes comportementaux et nerveux de l'olfaction
We studied olfaction in the honey bee, behaviourally and neurobiologically, according to four mainlines: 1) establishing a perceptual space, characterising the odour similarity by the carbon chain length and functional group of each molecule; 2) the demonstration that blocking (impair of learning an odour after learning of a previous one) is neither stable nor dependent on odour similarity, as it was proposed; 3) the characterisation of the effects of pre-exposition to two main components of the alarm pheromones, on two reflexive responses, appetitive and aversive; effects that depend on the component, its dose and the studied response; 4) the research on eventual neural correlate of absolute conditioning, using calcium imaging. This integrative study help us to better understand the behavioural and neural mechanisms of olfaction

L'olfaction est un sens clé dans l'adaptation du comportement. Pour permettre des actions appropriées le système olfactif doit effectuer des discriminations fines entre stimuli. Les performances de discrimination peuvent être améliorées via l'apprentissage perceptif et une structure cérébrale clé : le bulbe olfactif. Cette structure est cible d'une forme de plasticité particulière qui est la neurogenèse adulte. C'est là que des nouveaux neurones, majoritairement des cellules granulaires, régulent l'activité des cellules relais. Il a été montré que ces neurones sont requis pour un apprentissage perceptif.La question centrale de cette thèse est d'élucider le rôle et la spécificité des nouveaux neurones dans l'apprentissage olfactif complexe et changeant.Nous avons d'abord étudié l'effet d'un apprentissage perceptif complexe sur la neurogenèse adulte. Cette étude à démontré la nécessité et suffisance des nouveaux neurones dans l'apprentissage perceptif simple. Elle a aussi montré que lorsque l'apprentissage devient complexe, un réseau plus large est recruté, requérant les neurones préexistant.L'environnement olfactif est aussi changeant. Dans une seconde étude nous avons investigué comment la mémoire olfactive est altérée par nouvelle mémoire et le rôle de la neurogenèse adulte dans ce processus. Elle a montré le rôle des nouveaux neurones à sous tendre la mémoire olfactive et l'importance du délai entre apprentissages dans la stabilisation mnésique.Finalement, le recours aux neurosciences computationnelles a eu pour but de définir le rôle des nouveaux neurones granulaire au niveau du premier niveau de transformation de l'information et comment le raffinement des représentations sensorielles émerge par décorrelation.Pour conclure, la perception olfactive est changeante en fonction des modifications environnementales et cette plasticité est sous tendu par une plasticité du circuit du bulbe olfactif, due en grande partie à la neurogenèse adulte
Olfaction is a key player in behavioral adaptation. To perform tasks accurately, the olfactory system has to perform fine discrimination between very close stimuli. The discrimination performances can be enhanced through perceptual learning and a key cerebral structure in this is the olfactory bulb. This structure is the target of a specific form of plasticity that is adult neurogenesis. In this structure, adult-born neurons differentiate mostly in granule cells that regulate the activity of the relay cells. It has previously been shown that these neurons are required to perform perceptual learning. The central question of this thesis work is to elucidate both the role and the specificity of adult born neurons during complex or changing olfactory learning.We first studied the effect of complex perceptual learning on adult neurogenesis. This study demonstrated the necessity and sufficiency of adult-born neurons for simple olfactory learning. It also showed that when learning becomes complex, a larger neural network is involved requiring preexisting neurons.The olfactory environment is also changing. In a second study we investigated how the memory of an olfactory information is altered by the acquisition of a new one and what is the role of adult neurogenesis in this process. This second study highlighted the role of adult-born neurons in underlying olfactory memory and the importance of delay between learning for memory stabilization.Lastly, an approach relying on computational neurosciences aimed at outlining a computational framework explaining the role of adult-born granule cells in early olfactory transformations and how sharpened sensory representations emerge from decorrelation.To conclude, olfactory perception is changing according to environmental modifications and this plasticity is underlain by an important plasticity of the olfactory bulb circuitry due in large part to adult neurogenesis

Les fourmis forment des sociétés complexes où les individus sont spécialisés dans des tâches spécifiques (e.g., reproduction, soin au couvain, fourragement) et leur comportement naturel repose principalement sur l’olfaction. L’objet de ce travail était d’améliorer nos connaissances sur la division du travail, l’apprentissage et la mémoire olfactifs chez la fourmi Camponotus aethiops, qui fourrage en partie des nectars extra-floraux. Nous avons montré que la sensibilité au sucre différait entre les castes reproductrices et ouvrières, illustrant le modèle des seuils de réponse, qui postule que la division du travail émerge des différences dans la sensibilité à des stimuli biologiquement pertinents pour la réalisation des tâches. La sensibilité au sucre sous-tend les performances d’apprentissage olfactif appétitif : plus la fourmi est sensible au sucre, mieux elle apprend l’association appétitive. Ainsi, les fourrageuses, plus sensibles au sucre que les nourrices, apprenaient mieux l’association odeur-sucre. Les dimensions chimiques des odeurs (e.g. longueur de chaîne carbonée, groupe fonctionnel) et l’expérience olfactive jouent un rôle central dans la perception des odeurs. La similarité perceptuelle entre des odeurs d’un même groupe fonctionnel (aldéhyde) était inversement proportionnelle à la différence de chaîne carbonée entre les odeurs. De plus, la discrimination olfactive était améliorée par un apprentissage différentiel. Enfin, nous avons montré que la perception des mélanges d’odeurs dépendait de la combinaison du groupe fonctionnel et de la longueur de chaîne carbonée, avec généralement une plus grande saillance des alcools sur les aldéhydes et des chaînes longues sur les courtes. Notre étude apporte une meilleure compréhension de la division du travail, la perception et l’apprentissage olfactifs chez la fourmi
Ants in compex societies where different individuals are specialized in particular tasks. In their natural environnement, the majority of ants species rely on olfactory cues. We aimed at understanding division of labour, olfactory perception and learning in the ant C. aetiops. The species forages partly on extra-floral nectaries, therefore uncovering the mechanisms underlying olfactory learning and perception of floral volatiles, is biologically relevant. We reveal interindividual variability in sucrose responsiveness among reproductive and behavioural castes, arguing in favour of models positing that division of labour emerges from differences in sensitivity to task-related stimuli. Sucrose mediates olfactory appetive learning success : the more sensitive to sucrose is an ant, the better it learns the appetive association. Accordingly, foragers, more sensitive to sucrose than nurses, learned better the odour-sucrose association. We show that odour's chemical dimensions (carton-chain lenght ; functional group) and olfactury experience play a significant role in olfactury perception in this ant species. Perceptual similarity between odours belonging to the same functional group was inversely related to the difference in carbon-chain lenght between odours and could be affected by the conditioning procedure. Finally, we demonstrated that binary mixtureperception relies on the combination of functional group and carbon-chain lenght, with generally a larger salience for alcohol over aldehydes and of long carbon-chain lenght over shorter ones. Our study contributes to a better understanding of division of labour, olfactory perception and olfactory learning in ants

Ce travail avait pour but de comprendre comment le cerveau différencie, traite et stocke des informations provenant d'expériences positives et négatives. Nous avons travaillé sur l'abeille Apis mellifera. L'étude de l'apprentissage et de la mémoire chez l'abeille a été auparavant essentiellement réalisée grâce à un conditionnement olfactif appétitif. Nous avons donc développé un conditionnement olfactif aversif qui consiste à associer une odeur et un choc électrique induisant le réflexe d'extension du dard. Les abeilles apprennent à étendre leur dard à l'odeur (I). Ce conditionnement est aversif car il produit un évitement de l'odeur renforcée quand l'animal est placé dans un labyrinthe suite au conditionnement (II). La voie de renforcement aversive dépend de la dopamine, alors que le conditionnement appétitif dépend de l'octopamine. Les abeilles peuvent ainsi gérer simultanément des associations appétitives et aversives au cours du même conditionnement (I). La sensibilité des abeilles aux stimuli inconditionnels appétitifs et aversifs est indépendante chez les mêmes abeilles. Plus une abeille est sensible au choc, mieux elle apprend l'association aversive, de même les butineuses, plus sensibles au choc que les gardiennes, apprennent mieux l'association aversive (III). Nous avons montré l'existence d'un codage olfactif dans la corne latérale (IV). Dans le lobe antennaire et la corne latérale, nous n'avons pas vu de modification induite par l'apprentissage de la représentation des odeurs pendant un conditionnement olfactif aversif (V). Notre étude contribue à une meilleure compréhension des capacités du cerveau à différencier et traiter des expériences positives et négatives
This work aimed at understanding how the brain differentiates, processes and stores information acquired from positive and negative experiences. We have worked on the honeybee Apis mellifera. Learning and memory studies in the honeybee mostly rely on an appetitive conditioning protocol. We have thus developed an olfactory aversive conditioning, which consists in pairing odorant and electric shock eliciting the sting extension reflex. Bees learn to extend their sting to the odorant (I). This conditioning is indeed aversive because it produces an avoidance of the odorant previously punished when the animal is placed in a Y-maze after conditioning (II). The aversive reinforcement pathway depends on dopaminergic signalling, whereas appetitive conditioning depends on octopaminergic signalling. Bees could master simultaneously appetitive and aversive associations during the same conditioning experiment (I). Responsiveness of bees towards unconditioned appetitive and aversive stimuli are independent in the same bees. The more sensitive to shocks is a bee, the better it learns the aversive association as seen for the foragers, more sensitive to shocks than guards, learn better aversive associations (III). We described an olfactory coding in the lateral horn (IV). In the antennal lobe and lateral horn, we did not found any learning-induced modifications of odour-induced activation during olfactory aversive conditioning (V). Our study contributes to a better understanding of how the brain differentiates and processes positive and negative experiences

Chez l'abeille, le reflexe d'extension du proboscis, provoque par la stimulation sucree de l'antenne peut etre conditionne a la presentation d'une odeur initialement neutre. A l'issue de l'apprentissage, l'odeur seule evoque la reponse motrice d'extension du proboscis. Au plan anatomique, trois structures principales sont mises en jeu dans ce conditionnement: les lobes antennaires (relais sensoriels), les corps en champignons (zones d'integration cerebrale) et le ganglion sous-sophagien qui represente la sortie motrice. Nous nous sommes donc, dans un premier temps, appliques a caracteriser les circuits nerveux impliques dans ces processus. Ainsi, nous avons en particulier identifie les voies nerveuses qui relient les corps en champignons au lobe antennaire, ainsi que le lobe antennaire au ganglion sous-sophagien. Par ailleurs aucune connexion directe entre les corps en champignons et le ganglion sous-sophagien n'a pu etre mise en evidence. Au plan neurochimique, nous avons examine dans un premier temps les modifications de l'activite de l'acetylcholinesterase (enzyme de degradation de l'acetylcholine) liees aux processus d'apprentissage et de memorisation. Ainsi, une baisse significative de l'activite cholinesterasique a ete notee immediatement apres le conditionnement. De plus, cette chute d'activite est amplifiee apres une semaine. Dans un second temps, l'effet de la scopolamine (antagoniste des recepteurs cholinergiques muscariniques) sur les differentes etapes de la memorisation a ete recherche. Les resultats ont montre que cette molecule a un effet selectif qui touche la restitution de la trace memorisee, plutot que l'acquisition et la consolidation de cette race

La cognition se réfère aux mécanismes par lequel l'animal perçoit, apprend, mémorise et agit selon les informations auquel il est confronte dans son environnement. Les animaux on chacun leur propre monde sensoriel et il est primordial qu'ils s'y adaptent en développant des compétences spécialisées en fonction des informations sensorielles qui lui sont le plus utile. Il en est de même des informations qu'il est utile de stocker afin de pouvoir les utiliser ultérieurement. Les mécanismes sous-jacents à ces processus d'adaptation comportementale sont lies à la plasticité du système. Comment cette plasticité permet la mise en place de modules adaptatif reste actuellement une question sans complète explication. Le thème de cette thèse porte sur la plasticité et la modularité des capacités d'apprentissage et de mémoire olfactive chez Drosophila melanogaster. Dans la nature, la drosophile est confrontée à des environnements sensoriels complexes comprenant plusieurs stimuli sensoriels qu'elle doit associées à des renforcements négatifs ou positifs selon les conditions. En laboratoire il est possible de reproduire ce genre d'événement et j'ai ainsi pu tester le niveau d'adaptation des drosophiles à différent niveaux de traitement de l'information. Je démontre dans ce manuscrit que l'adaptation se produit à différents niveaux que ce soit la perception de l'information, les mécanismes de stockage des informations pertinentes et aussi la mise a jour de mémoires qui ne sont plus utiles. Ces processus ont révèle l'existence de modules cognitifs plus ou moins spécialisés qui permettent a l'animal de s'adapter spécifiquement a son milieu. De plus, la réalisation d'une sélection artificielle sur les compétences à stocker les informations révèle l'implication de l'évolution dans la mise en place de ces modules.

L’homme possède ~400 gènes codant pour des récepteurs aux odorants (ROs) qui sont différentiellement activés par un espace virtuellement infini de molécules. Le code combinatoire qui résulte de cette activation permettrait au nez humain de discriminer plus de mille milliards de stimuli olfactifs différents. Mais comment le percept est-il encodé dans la structure d’une molécule ? Pour comprendre comment notre nez décrypte la structure des molécules odorantes, des modèles numériques ont été utilisés pour étudier les principaux protagonistes de l’olfaction : les ROs et les odorants. Ici, l’apprentissage automatique est utilisé pour explorer et exploiter les données déjà existantes sur les ROs. D’autre part, la modélisation moléculaire est employée pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent la reconnaissance moléculaire. Dans cette thèse j’ai passé en revue les relations structure-odeur du point de vue d’un chimiste. J’ai ensuite développé un protocole d’apprentissage automatique, qui a été validé pour prédire de nouveaux ligands pour quatre ROs. La modélisation moléculaire a été utilisée pour comprendre la reconnaissance moléculaire des ROs. Notamment, l’existence d’un site vestibulaire conservé dans une classe de ROs a été mis en évidence et le rôle de la cavité de liaison orthostérique dans les ROs a été étudiée. L’application de ces techniques permet de moderniser la déorphanisation guidée par ordinateur. Dans sa globalité, mes travaux ont aussi permis de préparer le terrain pour tester de façon virtuelle le code combinatoire des odeurs, et pour prédire la réponse physiologique déclenchée par ces molécules. Dans son ensemble, ce travail ancre la relation structure-odeur dans l’ère post-génomique, et souligne la possibilité de combiner différentes approches computationnelles pour étudier l’olfaction
Humans have ~400 genes encoding odorant receptors (ORs) that get differentially activated by a virtually infinite space of small organic molecules. The combinatorial code resulting from this activation could allow the human nose to discriminate more than one trillion different olfactory stimuli. But how is the percept encoded in the structure of a molecule? To understand how our nose decrypts the structure of molecules, numerical models were used to study the main protagonists of olfaction: ORs and odorants. These approaches included machine-learning methods to explore and exploit existing data on ORs, and molecular modeling to understand the mechanisms behind molecular recognition. In this thesis I first review the structure-odor relationships from a chemist's point of view. Then, I explain how I developed a machine learning protocol which was validated by predicting new ligands for four ORs. In addition, molecular modeling was used to understand how molecular recognition takes place in ORs. In particular, a conserved vestibular binding site in a class of human ORs was discovered, and the role of the orthosteric binding cavity was studied. The application of these techniques allows upgrading computer aided deorphanization of ORs. My thesis also establishes the basis for testing computationally the combinatorial code of smell perception. Finally, it lays the groundwork for predicting the physiological response triggered upon odorant stimulation. Altogether, this work anchors the structure-odor relationship in the post-genomic era, and highlights the possibility to combine different computational approaches to study smell

A chaque inspiration, une grande variété de molécules volatiles présentes dans l’environnement stimulent nos récepteurs olfactifs. Pourtant, malgré la complexité chimique du milieu naturel, les organismes arrivent à se représenter leur univers en détectant des odorants seuls ou de mélanges d’odorants. Le traitement repose alors majoritairement sur deux modes : le mode analytique, qui permet d’extraire d’un mélange la qualité odorante de tout ou partie des composés, ou le mode synthétique qui permet la représentation du mélange de manière holistique. Dans ce travail de thèse, nous avons évalué l’influence de certaines caractéristiques physicochimiques des mélanges, du nombre d’éléments en mélange et du stade développemental de l’organisme dans la perception des mélanges chez le lapin et l’Homme. Les résultats confirment que la perception de configurations est commune aux deux modèles testés bien que les modalités de leur émergence soient en partie distinctes. Nos observations supportent l’idée que dans les mélanges, des odorants ou associations d’odorants pourraient porter des poids perceptifs induisant le traitement analytique, ou synthétique, respectivement. Ces poids peuvent être influencés par certaines caractéristiques physicochimiques des mélanges, notamment leur complexité, mais peuvent aussi être en partie modifiés par l’expérience et par le développement. Au final, ces travaux apportent des résultats originaux permettant de comprendre comment les organismes, à différentes périodes de leurs histoires individuelles, arrivent à extraire de l’environnement hautement complexe des odorants ou mélanges d’odorants biologiquement pertinents
Within each breath, a large diversity of volatiles molecules of the surrounding reaches our olfactory receptors. Despite the chemical complexity of the natural environment, the organisms succeed to represent their world using single odorants or mixtures. The treatment is then based on two processes: the elemental mode, which allows extracting the odor quality of all or some of the elements, or the configural mode which allows the holistic representation of the mixture. In this doctoral thesis, we evaluated the influence of some physicochemical parameters, the number of odorants included in a mixture and the developmental stage of an organism in the perception of mixtures in the rabbit and the Human. The results confirm that the perception of configurations is shared by the two models even if the modality of their emergence can be distinct, at least in part. Our findings support the idea that in mixture, several elements or association of elements can carry a perceptual weight leading to the elemental, or configural perception, respectively. These weights can be influenced by several mixture physicochemical parameters, especially their complexity, but can also be partially modified by experience and development. Finally, these works brings original results allowing to better understand how an organism, at different period of its individual life, achieves the extraction of biologically relevant odorants or mixtures of odorants from the highly chemical environment

La pollinisation dite 'trompeuse' consiste en l'attrait des pollinisateurs par des espèces florales qui présentent des attributs attirants tels que la couleur ou le parfum mais qui n'offrent pas de récompense en échange des services de pollinisation. Cette stratégie, fréquemment observée chez les orchidées (Orchidaceae), a été analysée par Heinrich en 1975 qui a proposé l'idée que la variabilité des fleurs d'une espèce trompeuse contribue à maintenir les visites des pollinisateurs en les empêchant d'apprendre des traits floraux réguliers associables à l'absence de récompense. La variabilité des signaux floraux empêcherait ainsi la généralisation entre expériences négatives. Dans cette thèse, nous avons testé cette hypothèse à partir de l'étude de l'interaction entre une orchidée tropicale (Ionopsis utricularioides) et ses pollinisateurs. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la variation intraspécifique de la couleur des orchidées. Par la suite, des abeilles Meliponini (Scaptotrigona aff. depilis) ont été entraînées à visiter des fleurs artificielles de couleur variable en présence ou absence de récompense sucrée simulant ainsi des fleurs polymorphes trompeuses. Nous avons constaté qu'en l'absence de récompense, la variabilité de couleur a empêché le processus d'apprentissage, se traduisant par une augmentation du nombre de fleurs visitées. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé la variabilité intraspécifique du parfum des orchidées. A partir des informations obtenues dans ce domaine, nous avons mis en place des expériences de conditionnement olfactif de l'extension du proboscis chez l'abeille Apis mellifera, un insecte modèle pour l'étude de l'apprentissage et la mémoire. Nous avons ainsi étudié la capacité des abeilles à discriminer des isomères fréquents dans le bouquet floral de nombreuses orchidées. Nos résultats ont montré que les abeilles sont capables de discriminer certains de ces isomères dans certaines conditions, mais que dans la plupart des cas elles généralisent entre eux. Ces signaux olfactifs seraient donc difficilement utilisables en tant que prédicteurs spécifiques de la présence ou de l'absence de récompense chez les orchidées trompeuses. Par ailleurs, nous avons également étudié si les odeurs abondantes d'un bouquet floral dominent les odeurs mineures, phénomène perceptif connu sous le nom d'overshadowing. Si ceci était le cas, les odeurs abondantes du parfum de l'orchidée pourraient servir en tant qu'indicatifs saillants anticipant la présence ou absence de récompense. Nous avons constaté que la composante plus abondante du parfum d'orchidée, commune à la plupart des fleurs des individus, était masquée par des composantes mineures qui varient d'une fleur à l'autre. Ce masquage est maintenu en dépit de l'augmentation de la concentration de la composante abondante en relation à celle des autres composantes du mélange. Les abeilles ne peuvent donc pas apprendre à discriminer des fleurs à partir de la composante majoritaire du parfum de l'orchidée, fait qui pourrait servir au maintien de la pollinisation trompeuse. Les résultats de cette thèse montrent que la variabilité des signaux visuels et olfactifs des orchidées trompeuses rend difficile l'apprentissage associatif de l'absence de récompense, favorisant ainsi la pollinisation trompeuse. Plus généralement, les résultats obtenus montrent que l'étude de la pollinisation à partir de la perspective de la cognition des pollinisateurs permet une compréhension intégrale des interactions insecte-fleur et facilite l'analyse de problèmes complexes dans le domaine de la pollinisation
Deceptive pollination, a strategy common among orchids (Orchidaceae) occurs when flowers offer no reward to pollinators and draw them, nevertheless, by means of conspicuous and attractive signals, such as color and fragrance. Having variable attracting signals may improve the efficiency of deception by hindering the establishment of predictions about the absence of reward. This idea was developed by Heinrich (1975), who argued that the more dissimilar are the non-rewarding flowers of a given species, the longer it should take pollinators to learn avoiding that species. Signal variability would thus impair generalization between non-rewarding experiences. In this thesis, we tested this hypothesis by focusing on the interaction between a tropical orchid species (Ionopsis utricularioides) and its floral visitors. We designed a series of cognitive experiments to address the question of what do pollinators perceive and learn when they face variable floral signals. First, we focused on visual information and characterized the intraspecific flower color variation of the orchid. We then trained stingless bees Scaptotrigona aff. depilis (Meliponini) to visit a setup of artificial flowers that were manipulated in color and presence of sugar reward to simulate the deceptive polymorphic flowers. We found that color variability disrupted the learning process, thus resulting in an increase of the number of flowers visited until learning that all flowers lacked reward. We also focused on olfactory information and characterized the intraspecific variation of flower fragrance in the orchid. We used components of the flower odorant profile and performed olfactory conditioning experiments with the honey bee Apis mellifera, a model for the study of learning and memory. Taking advantage of the olfactory conditioning of the Proboscis Extension Response (PER), we studied if bees discriminate between floral fragrance isomers, which are common in the fragrance of many food deceptive orchids. We found that honey bees discriminate isomers under specific conditions but tend to generalize between them in most of the cases. Thus, in a pollination context, these odor signals could seldom be used as predictive cues for the presence or absence of food. We also studied if abundant components within a floral bouquet dominate minor components, a cognitive phenomenon called overshadowing. If this were the case, the more abundant odors within an orchid fragrance could be used as salient cues to be learned in association with reward or absence of reward. We found that the major component of the orchid fragrance, was overshadowed by minor components that vary between individual flowers. Overshadowing was maintained even when the concentration of the abundant component was increased relative to those of the other odorants in the mixture. Thus, bees cannot learn the predictive value of the most abundant component of the orchid fragrance, a fact that could help maintaining deceptive pollination. Taken together, our findings show that olfactory and visual variability in deceptive orchids contributes to deceptive pollination by impairing associative learning of the absence of reward. Moreover, they indicate that evaluating pollination from the perspective of pollinator cognition can lead us to a more complete understanding of insect-flower interactions, and to comprehensive analyses of complex problems in pollination studies

L'abeille en contention peut associer une récompense sucrée au scan antennaire d'une plaque métallique. Pour étudier le rôle des récepteurs nicotiniques dans cet apprentissage, des antagonistes nicotiniques (mécamylamine, MLA ou α-bungarotoxine) ou un inhibiteur de la NO-synthase (le L-NAME) ont été injectés dans l'hémolymphe à des doses sans effet sur la perception ou la motricité. La mécamylamine a bloqué le rappel de la trace mnésique et l'apprentissage en un essai sans affecter la formation de la mémoire à long terme (MLT) qui se produit spécifiquement durant l'apprentissage en plusieurs essais. Par contre, le L-NAME, l'α- bungarotoxine et le MLA ne bloquent que la formation de la MLT. Cette dissociation pharmacologique indique l'existence de plusieurs types fonctionnels de récepteurs nicotiniques. Ceux qui sont sensibles au MLA et à l'α-bungarotoxine seraient couplés à la NO-synthase.