Le neuropsychologue Javier Esteban Libiano explore dans cet article tous les détails sur la manière dont notre cerveau encode les odeurs.
L’odorat est, avec le goût, un sens chimique : les stimuli reçus par les deux sens interagissent chimiquement avec leurs récepteurs.
L’odorat aide à identifier les aliments et à éviter ceux qui sont avariés ou impropres à la consommation. Il permet à de nombreuses espèces de suivre des pistes, de détecter des prédateurs et de distinguer les amis des ennemis, ainsi que d’identifier des partenaires réceptifs.
Pour les humains, les odeurs ont cette capacité particulière d’évoquer des souvenirs. L’odorat active des régions cérébrales liées aux émotions, à l’apprentissage et à la mémoire.
Pourrait-on utiliser ces informations pour exercer un effet neuro-réhabilitateur sur diverses capacités cognitives de sujets présentant des lésions cérébrales ou une détérioration cognitive associée à différentes pathologies ?
Stimulus, nature et caractéristiques
Les preuves se multiplient pour montrer que la stimulation sensorielle a un effet sur le maintien et l’amélioration des capacités cognitives — telles que la perception, le langage, les praxies, les gnosies, l’attention, la mémoire, les fonctions exécutives, l’orientation, le raisonnement et la motivation — chez les personnes souffrant de détérioration cognitive, d’accidents vasculaires cérébraux (AVC) ou d’autres facteurs ayant provoqué des lésions cérébrales.
Le stimulus olfactif, ou « odorant » en anglais, est constitué de substances volatiles ayant une masse moléculaire comprise entre 15 et 300 g/mol (grammes par mole). La majorité des composés odorants sont solubles dans les lipides et d’origine organique, bien que de nombreuses substances respectant ces critères soient inodores.
Les substances odorantes doivent également être hydrosolubles pour se dissoudre dans la couche muqueuse et atteindre les cils olfactifs. C’est là qu’elles se lient à des récepteurs spécifiques et, à des concentrations suffisamment élevées, provoquent une dépolarisation de la membrane cellulaire qui se transmet le long de l’axone sous forme d’un potentiel d’action.
On suppose que certaines qualités de base de l’odorat seraient enregistrées par des récepteurs spécifiques. Les substances appartenant à un même groupe olfactif ont des tailles moléculaires similaires, ce qui laisse penser que la membrane d’un cil olfactif — les prolongements des cellules réceptrices qui pénètrent dans la muqueuse et reçoivent le stimulus — réagit uniquement à une certaine taille moléculaire.
Des recherches récentes suggèrent qu’une cellule sensorielle n’exprimerait qu’un seul type de récepteur.
Des recherches menées par l’université de Californie ont montré que certaines odeurs pouvaient augmenter les capacités cognitives des individus. Une expérience a été menée au cours de laquelle un échantillon d’individus a été exposé à l’odeur d’un parfum pendant qu’ils dormaient. Cette recherche ouvre la voie à des traitements neuro-réhabilitatifs non invasifs pour lutter contre les maladies neurodégénératives ou divers types de lésions cérébrales.
Les récepteurs
Nous possédons six millions de cellules réceptrices olfactives (neurones bipolaires), situées dans deux portions de la membrane muqueuse (l’épithélium olfactif).
Chez l’humain, l’épithélium olfactif couvre une petite zone dans les deux cavités nasales, se trouvant dans la partie supérieure de la cavité nasale, sur le bord des cornets supérieurs et sur la surface opposée du septum nasal.
Les récepteurs de l’odorat se trouvent dans l’épithélium sensoriel, constitué de cellules de soutien (ou de support) et de cellules sensorielles (ou cellules réceptrices olfactives).
Les cellules réceptrices olfactives sont des neurones bipolaires, dont les corps cellulaires se trouvent dans la muqueuse olfactive qui recouvre la lame criblée, une cavité à la base, dans la partie rostrale du cerveau.
Entre les cellules réceptrices olfactives se trouvent des cellules de soutien, contenant des enzymes qui détruisent les molécules odorantes, contribuant ainsi à empêcher que les récepteurs olfactifs ne soient altérés.
La région olfactive contient également de nombreuses petites glandes muqueuses, les glandes de Bowman, dont les sécrétions forment un mince film terminal qui recouvre la muqueuse olfactive.
Le segment distal de la cellule sensorielle s’amincit pour former une tige fine qui dépasse légèrement la surface de l’épithélium olfactif. Cette protubérance olfactive est recouverte de nombreux cils olfactifs. En direction proximale, le corps cellulaire ovale se prolonge par une extension fine qui, avec d’autres prolongements, est enveloppée par les cellules de Schwann.
Interaction stimulus-récepteur
Les chercheurs reconnaissent que les cils olfactifs contiennent des récepteurs moléculaires qui sont stimulés par les molécules odorantes.
Jones et Reed ont identifié une protéine G spécifique, appelée Golf. Cette protéine peut activer une enzyme qui catalyse la synthèse d’AMP cyclique (adénosine monophosphate cyclique, un nucléotide qui agit comme second messager dans différents processus biologiques), lequel peut ensuite ouvrir les canaux sodiques et dépolariser la membrane de la cellule olfactive.
Les protéines G jouent le rôle de lien entre les récepteurs métabotropes et les canaux ioniques : lorsqu’un ligand se lie à un récepteur métabotrope (mécanisme de transduction de signaux, souvent impliquant des protéines G pour activer une série d’événements intracellulaires via des seconds messagers chimiques), la protéine G ouvre les canaux ioniques, soit directement, soit indirectement, en activant la production d’un second messager. La découverte de la protéine Golf a suggéré que les cils olfactifs contenaient des récepteurs olfactifs associés à cette protéine G.
Buck et Axel ont découvert une famille de gènes qui code une famille de protéines réceptrices olfactives. Chez les humains, il semble y avoir entre 500 et 1 000 récepteurs différents, chacun sensible à une odeur distincte. Les molécules odorantes se lient à ces récepteurs et les protéines G associées provoquent l’ouverture des canaux sodiques, produisant des potentiels d’action dépolarisants.
La stimulation cognitive olfactive ouvre un champ d’intervention dans le domaine de la neuroplasticité, cette capacité qu’a le cerveau de se rétablir, se restructurer, se recomposer, se remodeler, se réformer, se réorganiser et s’adapter à de nouvelles situations.
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Les nerfs olfactifs
Les cellules réceptrices olfactives envoient à travers la surface de la muqueuse une extension qui se divise en 10 à 20 cils, lesquels pénètrent dans la couche de mucus.
Ces prolongements se regroupent pour former les nerfs olfactifs qui traversent les orifices de la lame criblée pour atteindre le bulbe olfactif. Environ trente-cinq faisceaux d’axones, entourés de cellules gliales, traversent l’os par de petits trous dans la lame criblée.
Les prolongements se terminent dans les glomérules olfactifs du bulbe olfactif, où ils établissent des synapses avec les dendrites des cellules mitrales.
Deux autres paires de nerfs accompagnent le nerf olfactif de la cavité nasale jusqu’au cerveau : le nerf terminal et le nerf voméronasal.
Le nerf terminal est constitué d’un faisceau de fibres nerveuses fines qui vont du septum nasal à travers la lame criblée jusqu’à la lame terminale, pénétrant dans le cerveau en dessous de la commissure antérieure. Ce faisceau contient de nombreuses cellules nerveuses et est considéré comme un nerf végétatif.
Le nerf voméronasal, qui va de l’organe voméronasal au bulbe olfactif accessoire, est développé chez les vertébrés inférieurs et n’est présent chez l’homme que durant le développement embryonnaire.
La muqueuse olfactive contient également des terminaisons nerveuses libres des axones du nerf trijumeau. Ces terminaisons nerveuses véhiculent les sensations de douleur qui peuvent survenir lors de l’inhalation de certains irritants chimiques comme l’ammoniac.
Les bulbes olfactifs
Les bulbes olfactifs sont des régions épaissies situées à l’extrémité du tractus olfactif, recevant des afférences des récepteurs olfactifs. Ils se trouvent à la base de l’encéphale, à l’extrémité des longs tractus olfactifs.
Chaque cellule réceptrice envoie un unique axone vers le bulbe olfactif, où il forme une synapse avec les dendrites des cellules mitrales. Ces synapses ont lieu dans le complexe axonal et les arborisations dendritiques appelées glomérules olfactifs.
Il existe environ 10 000 glomérules, chacun recevant des afférences d’un faisceau d’environ 2000 axones.
Voies nerveuses
Parcours du stimulus
En résumé, les récepteurs olfactifs sont constitués de neurones bipolaires localisés dans l’épithélium olfactif, qui tapisse le toit des sinus nasaux, dans l’os situé sous les lobes frontaux.
Les récepteurs envoient des terminaisons à travers la surface de la muqueuse, se divisant en cils. Les membranes de ces cils contiennent des récepteurs qui détectent les molécules odorantes dissoutes dans l’air, lesquelles atteignent la muqueuse olfactive. Les axones des récepteurs olfactifs passent par les orifices de la lame criblée jusqu’aux bulbes olfactifs, où ils forment des synapses dans les glomérules avec les dendrites des cellules mitrales. Ces neurones envoient des axones, via les tractus olfactifs, vers le cerveau, principalement vers l’amygdale (liée aux émotions), le cortex piriforme (traitement de l’information) et le cortex entorhinal (mémoire, orientation et apprentissage). L’hippocampe (apprentissage et mémoire), l’hypothalamus et le cortex orbitofrontal (prise de décision) reçoivent indirectement l’information olfactive.
Organe voméronasal
La plupart des mammifères possèdent un autre organe sensible aux substances chimiques environnementales : l’organe voméronasal. Cet épithélium sensoriel, situé dans un sac muqueux du septum nasal, est crucial pour les reptiles dans la recherche de nourriture. Il joue également un rôle important dans la réponse des animaux aux phéromones (substances chimiques produites par les animaux qui influencent la physiologie reproductive et le comportement).
Différentes régions impliquées
Les axones du tractus olfactif projettent directement vers l’amygdale et deux régions du cortex limbique : le cortex piriforme et le cortex entorhinal.
- L’amygdale, liée à l’émotion, envoie les informations olfactives vers l’hypothalamus, qui régule l’alimentation et les émotions.
- Le cortex entorhinal, lié à l’apprentissage et à la mémoire, transmet les informations olfactives à l’hippocampe, également impliqué dans l’apprentissage et la mémoire.
- Le cortex piriforme, associé à la mémoire et à l’apprentissage, envoie des informations olfactives à l’hypothalamus et au cortex orbitofrontal, lié à la mémoire et aux émotions, via le noyau dorsomédian du thalamus, également lié à la mémoire et à l’apprentissage.
- Le cortex orbitofrontal, en plus des informations olfactives, reçoit aussi des informations gustatives. Il pourrait donc participer à la combinaison du goût et de l’odorat pour former les saveurs.
- L’hypothalamus reçoit une quantité considérable d’informations olfactives, ce qui est probablement essentiel pour l’acceptation ou le rejet des aliments et pour le contrôle olfactif des processus reproductifs.
Ainsi, grâce à la stimulation cognitive en utilisant l’odorat et les différents parfums auxquels nous pouvons être exposés, nous activons des régions cérébrales liées à la mémoire, l’apprentissage, les émotions, la prise de décision et le traitement de l’information. De cette façon, une activité aussi simple que la reconnaissance de différents stimuli olfactifs peut contribuer à améliorer ou ralentir divers processus de déclin cognitif. Cela ouvre un champ d’intervention qui peut être combiné avec d’autres techniques de stimulation cognitive.
Perception des odeurs spécifiques
Les individus sont capables de reconnaître plus de 10 000 odeurs différentes. Même si nous disposions de plusieurs centaines, voire un millier, de récepteurs olfactifs différents, il resterait encore de nombreuses odeurs non expliquées.
Comment pouvons-nous utiliser un nombre relativement limité de récepteurs pour détecter autant d’odeurs différentes ?
La reconnaissance d’une odeur spécifique repose sur la capacité à identifier une configuration particulière d’activité dans les glomérules. La tâche de reconnaissance chimique se transforme en une tâche de reconnaissance spatiale.
Les schémas spatiaux d’information olfactotopique sont préservés dans le cortex olfactif. Il est probable que le cerveau reconnaisse des odeurs spécifiques en identifiant les différents schémas d’activation qui surviennent.
Bien que la plupart des odeurs soient produites par des mélanges de nombreuses substances chimiques différentes, nous les identifions comme appartenant à un objet précis, comme l’odeur de café ou la fumée d’une cigarette.
Bibliographie
- N. Carlson. (2006). Fisiología de la conducta. Editorial Pearson, Madrid
- W. Kahle. (2003). Atlas de Anatomía. Tomo 3. Sistema nervioso y órganos de los sentidos. Editorial Omega, Barcelona
- Woo, C; Miranda, B; Sathishkumar, M; Dehkordi-Vakil, F; Yassa, M y Leon, M. (2023). Overnight olfactory enrichment using an odorant diffuser improves memory and modifies the uncinate fasciculus in older adults. Frontiers in Neuroscience.