Soutenance de thèse de Mathieu LOIZEAU

L’olfaction est un système sensoriel connu pour jouer un rôle essentiel dans l’intégration des signaux environnementaux. Le traitement olfactif débute à l’intérieur de la cavité nasale, où des molécules odorantes viennent se fixer aux récepteurs olfactifs (ORs) présents à la surface des neurones sensoriels olfactifs (OSNs). Chaque OSN n'exprime qu'un seul type d’OR (parmi ~1000 ORs chez les rongeurs) et transmet l’information sensorielle vers des structures spécifiques du bulbe olfactif (OB), que l’on appelle des glomérules. Les glomérules sont des structures sphériques très complexes où convergent à la fois les fibres axonales des OSNs, les dendrites d'une variété d'interneurones et les dendrites apicales des neurones de projection du BO. Ensemble, ils forment un réseau synaptique dense qui va être à la base de l'intégration de l'information olfactive dans le cerveau. De nombreuses études in vitro et in vivo ont révélé que chaque odeur génère une carte d’activité glomérulaire spécifique, à l’intérieur du BO, qui va être le reflet de l’identité et de la concentration olfactive perçue. Au sein de cette carte d’activité glomérulaire, chaque glomérule répondant présente une activité globale homogène. Pourtant, il s’avère que l’activité des neurones de projection devient hétérogène en réponse à des stimulations olfactives. Alors que la communauté scientifique s’accorde à dire que cette décorrélation de l’activité semble essentielle à la représentation de l’identité et de la concentration des odeurs, les mécanismes cellulaires qui sont responsables de ce codage à l’intérieur du réseau intraglomérulaire restent encore très méconnus. Ceci est particulièrement dû à une importante diversité et densité d’interneurones présents autour des glomérules qui, combiné à une absence de marqueurs génétiques spécifiques, nous empêche de les associer individuellement à leur glomérule respectif. Afin de mieux comprendre comment le réseau intraglomérulaire représente les informations olfactives, je me suis intéressé à une population spécifique d’interneurones glutamatergiques du BO, les external tufted cells (ETCs). Pour cela, j’ai utilisé un modèle de souris transgénique ND6-Cre couplé à un rapporteur fluorescent TdTomato et une sonde d’activité calcique GCaMP6s. En combinant des approches d’imagerie structurale de haute résolution avec des enregistrements biphotoniques d’activité calcique in vivo, j’ai pu à la fois reconstruire la morphologie dendritique des ETCs et étudier leur activité cellulaire au sein de leur glomérule respectif. Alors qu’aucune étude in vivo n’avait été réalisé sur les ETCs, j’ai pu observer pour la première fois que ces neurones affichent des réponses excitatrices, inhibitrices ou complexes en réponse à des stimulations olfactives. Les ETCs répondantes, projetant à l’intérieur du même glomérule, ont des réponses significativement corrélées. L’application d’une odeur au travers d’une gamme de concentration croissante m’a permis d’observer une augmentation du pourcentage d’ETCs répondants au sein d’un même glomérule, suggérant que ces neurones sont progressivement recrutés. Ce mécanisme crée alors une carte de recrutement cellulaire spécifique à l’intérieur de chaque glomérule. Ces cartes de recrutement cellulaire restent stables dans le temps, sur un mois. De manière inattendue, j’ai également pu observer que la stimulation d’une autre odeur avec la même gamme de concentration entraîne l’apparition d’une nouvelle carte de recrutement cellulaire au sein du même glomérule répondant. Ainsi, mon travail de thèse a permis de mettre en évidence, pour la première fois, l’émergence de cartes d’activités cellulaires dynamiques, à l’intérieur des glomérules, qui sont spécifiques de l’identité et de la concentration des odeurs perçues. Il pourrait s’agir de la première étape d’une décorrélation des entrées sensorielles qui permettrait au BO de mieux discriminer les informations olfactives provenant de la périphérie.

Olfaction is a sensory system known to play an essential role in the integration of environmental signals. Olfactory processing starts inside the nasal cavity, where odorant molecules bind to olfactory receptors (ORs) present on the surface of olfactory sensory neurons (OSNs). Each OSN expresses only one type of OR (among ~1000 ORs in rodents) and transmits the sensory information to specific structures of the olfactory bulb (OB), which are called glomeruli. These Glomeruli are very complex spherical structures where axon fibers of OSNs, apical dendrites of a variety of interneurons and OB output neurons converge. Together, they form a dense synaptic network that is the basis for the integration of olfactory information in the brain. Numerous in vitro and in vivo studies have revealed that each odor generates a specific glomerular activity map, within OB, which will reflect the odor identity and concentration perceived. Within this glomerular activity map, each responding glomerulus presents a homogeneous global activity. However, it appears that the activity of projection neurons becomes heterogeneous in response to olfactory stimuli. While the scientific community agrees that this activity decorrelation would seem to be essential for odor identity and concentration representation, the cellular mechanisms that are responsible for this coding within the intraglomerular network remain largely unknown. This is particularly due to the high diversity and density of interneurons present around the glomeruli which, combined with a lack of specific genetic markers, prevents us from associating them individually with their respective glomeruli. In order to better understand how the intraglomerular network represents olfactory information, I focused on a specific population of OB glutamatergic interneurons, the external tufted cells (ETCs). I used the ND6-Cre transgenic mouse line crossed with a fluorescent reporter line and a calcium genetic sensor line to study this population. We combine high resolution two-photon structural imaging to reconstruct the dendritic morphology of ETCs and assign them to a specific glomerulus, with in vivo calcium imaging. By using this approach, we show that ETCs can be activated by olfactory stimulation and surprisingly, they can also be inhibited or generate complex responses. Interestingly, I showed that responding ETCs connected to the same glomerulus have significantly correlated responses. Then, I stimulated with different odor concentrations and I observed an increase of the percentage of responding ETCs within the same glomerulus meaning that ETCs are progressively recruited. This process creates a specific ETCs recruitment map in each glomerulus to discriminate odor concentration. These cell recruitment maps remain stable over time, over a month. Unexpectedly, I was able to observe that the stimulation of another odor through the same concentration range results in the emergence of a new cell recruitment map within the same responding glomerulus. Thus, my PhD work has allowed to demonstrate, for the first time, the emergence of dynamic cellular activity maps, within glomeruli, which are specific to odor identity and concentration. This could be the first step in a decorrelation of sensory inputs that would allow the OB to better discriminate olfactory information from the periphery.