Le cerveau peut décoder les odeurs en quelques millisecondes

Cet article a été initialement publié dans le Northwestern University Feinberg School of Medicine News Center.

L’utilisation d’enregistrements EEG intracrâniens chez des patients atteints d’épilepsie médicalement résistante a permis à Jay Gottfried, MD, PhD, professeur de neurologie, et à son équipe de caractériser, pour la première fois, la dynamique temps-fréquence du traitement des odeurs dans le cortex piriforme humain, un région du cerveau importante pour l’odorat.

Selon une nouvelle étude récemment publiée dans Neuron, les oscillations thêta, un type d’activité électrique rythmique qui croît et décroît quatre à huit fois par seconde, pourraient jouer un rôle fondamental dans le traitement de l’odeur dans le cerveau humain.

« L’étude que nous avons faite ici visait à comprendre ce qui se passe au niveau microstructural du cerveau humain lorsque vous sentez une odeur », a déclaré Gottfried. « L’avantage de l’approche est que nous pouvons enregistrer les rythmes physiologiques du cerveau à l’aide de ces électrodes dans cette population de patients unique et rare. »

Ils ont découvert que les odeurs pouvaient être décodées dès 110 millisecondes à partir du premier reniflement d’une personne.

« Beaucoup de gens pensent que l’odorat est un sens très lent, donc cette étude met en évidence la vitesse de l’odorat et la relie à ses fondements biologiques », a déclaré Gottfried.

L’étude sur la stimulation des odeurs

Heidi Jiang, étudiante diplômée et première auteure de l’étude, a obtenu des enregistrements électrophysiologiques pendant que les patients participaient à une tâche de détection d’odeurs.

Jiang et Gottfried ont découvert que la stimulation des odeurs augmentait les ondes thêta dans le cortex piriforme, chez chacun des sept patients. Dans des conditions où les patients sentaient l’air inodore, les scientifiques n’ont observé aucun changement dans les ondes thêta. Mais dans des conditions où les patients sentaient l’air parfumé, il y avait un changement. À travers quatre odeurs différentes, les caractéristiques physiologiques des ondes thêta pourraient être utilisées pour distinguer chaque odeur.

« Sur la base de cette activité rythmique, nous pouvons décoder l’odeur rencontrée par le patient », a déclaré Gottfried. « Ces oscillations contiennent des informations critiques indiquant si l’odeur est celle de la fraise, du beurre de cacahuète, du chocolat ou de l’ail, et cette information est déjà disponible pour le cerveau dans un délai très court. »

De plus, avec des électrodes dans le cortex piriforme et l’hippocampe, ils ont découvert que la présence d’odeurs faisait tomber les deux régions dans un rythme synchronisé, suggérant que les oscillations thêta facilitent la coordination et l’échange d’informations entre ces deux zones.

« Ce qui est intéressant dans cette découverte, c’est que l’hippocampe est une plaque tournante centrale à travers laquelle les souvenirs peuvent être réactivés et récupérés – comme la glace que vous avez mangée, quand vous l’avez mangée et où vous l’avez mangée. Il est possible que l’hippocampe soit capable de télégraphier certaines de ces informations au cortex piriforme pour faciliter le traitement olfactif », a déclaré Gottfried.

Comme indiqué ci-dessus, les sujets de l’étude étaient des patients atteints d’épilepsie médicalement résistante qui avaient des implants d’électrodes existants placés pour des considérations purement cliniques, mais ont donné aux scientifiques l’occasion de recueillir des données électrophysiologiques détaillées.

«Une grande partie de notre travail a utilisé des techniques d’IRMf pour relier les modèles d’activité cérébrale dans le cerveau humain à différents états de perception des odeurs tels que la mémoire, mais le travail d’IRMf fournit une compréhension très limitée des mécanismes et du calendrier qui soutiennent le sens de l’odorat. Cela a donc été une opportunité spéciale de travailler avec ces rares patients épileptiques à Northwestern », a déclaré Gottfried.

Des recherches antérieures ont montré que les oscillations thêta sont un rythme dominant dans le cerveau des rongeurs, en ligne avec le rythme respiratoire rapide des rats et des souris. Gottfried a découvert que si le cerveau humain oscille à cette même échelle de temps thêta, les humains respirent à un rythme beaucoup plus lent.

« Cela pose une question dans mon esprit que, pour les humains, le thêta n’est pas simplement quelque chose qui correspond au cycle respiratoire, mais pourrait plutôt être un rythme plus fondamental pour le traitement des odeurs dans le cerveau », a déclaré Gottfried.

Un type de mécanisme de chronométrage

En termes de signification fonctionnelle, Gottfried pense que ces oscillations pourraient servir d’horloge interne dans le cerveau.

Le cerveau n’a pas vraiment accès à une référence de temps externe, et à travers de nombreuses études, il y a de plus en plus de preuves suggérant que ce sont les oscillations dans le cerveau qui sont des mécanismes de chronométrage », a déclaré Gottfried. « Le cerveau peut utiliser ces oscillations pour segmenter les informations en paquets d’informations malléables.

Gottfried a déclaré que dans de futures études, il souhaitait mieux comprendre l’importance des oscillations thêta dans la contribution à la perception des odeurs et tester l’hypothèse selon laquelle les rythmes thêta pourraient servir d’horloge pour réguler la dynamique cérébrale.