Comment l’odorat nous aide à comprendre l’origine et l’évolution de notre cerveau

Source: The Conversation – France in French (2) – By Anton Crombach, Chercheur, Inria

L’odorat est notre lien le plus direct avec le monde extérieur. Richárd Ecsedi/Unsplash, CC BY

L’ESSENTIEL

L’odorat est un sens tout à fait particulier du point de vue cérébral : c’est notre lien le plus direct avec le monde extérieur.
Les zones cérébrales qui contrôlent l’odorat semblent avoir très peu changé au cours de l’évolution.
Certains neurones du cortex olfactif de la souris ressemblent davantage à ceux des lézards ou des salamandres qu’à ceux du néocortex de la souris.

Saviez-vous que, parmi nos cinq sens, l’odorat est notre lien le plus direct avec le monde extérieur ? Les signaux liés au toucher, à la vue, à l’ouïe et au goût transitent d’abord par une région cérébrale intermédiaire (appelée le thalamus) avant d’atteindre leurs zones spécifiques dans le cortex.

En revanche, lorsque vous sentez une odeur agréable, comme celle de croissants tout juste sortis du four, ou une mauvaise odeur, comme celle d’un toast brûlé tôt le matin, les signaux provenant des molécules odorantes n’ont pas besoin de passer par le thalamus pour atteindre le cortex olfactif du cerveau. Non seulement l’odorat bénéficie de cette connexion particulière, mais, quand on y réfléchit, l’olfaction n’est rien d’autre que la détection des molécules qui nous entourent, ce qui, d’un point de vue évolutif, constitue un moyen très ancien d’apprendre à connaître son environnement. En effet, l’odorat est très répandu chez les animaux, ce qui signifie que nous pouvons comparer les cerveaux des animaux pour en savoir plus sur les origines de notre propre cerveau.

Schéma simplifié du néocortex et du cortex olfactif chez l’être humain.
Modifié à partir d’Explorebiology, Wikipedia, CC BY

Prenons un peu de recul. Lorsque l’on parle du cerveau, on pense généralement à ce qu’on appelle le néocortex. C’est la partie du cerveau qui s’est considérablement développée chez les humains et les autres primates ; il est considéré comme un élément essentiel pour comprendre des caractéristiques « avancées », telles que la conscience, l’intelligence ou le langage.

On retrouve le néocortex chez tous les mammifères, comme les souris, les chiens ou les humains, mais pas au-delà. Par exemple, les reptiles, tels que les lézards, et les amphibiens, comme les salamandres, n’en possèdent pas. Alors, d’où vient le néocortex ? Comment a-t-il évolué ?

Pour les scientifiques, cette question s’apparente à un casse-tête, comportant de nombreuses pièces connues et de nombreuses pièces manquantes. L’une des pièces manquantes réside dans le fait que le néocortex présente une apparence très différente de celle des cerveaux des lézards et des salamandres, ce qui rend difficile leur comparaison directe.

Heureusement, les humains et les souris possèdent d’autres parties du cerveau qui sont plus faciles à comparer avec les lézards et les salamandres. L’une d’entre elles est le cortex olfactif, la zone du cerveau consacrée à l’interprétation de l’odorat.

En collaboration avec Sara Zeppilli, Alexander Fleischmann (Université Brown, États-Unis) et d’autres chercheurs, nous avons entrepris d’ajouter une pièce au puzzle : une comparaison entre les neurones du cortex olfactif d’une souris, ceux de son néocortex et ceux des cerveaux des reptiles et des amphibiens.

L’analyse des neurones au niveau moléculaire constitue un moyen puissant de mieux comprendre le cerveau. Les technologies expérimentales ont énormément progressé au cours de la dernière décennie, à tel point que nous pouvons désormais déterminer systématiquement les niveaux d’expression de tous les gènes pour chaque cellule d’un tissu donné. Le niveau d’expression d’un gène indique dans quelle mesure ce dernier est nécessaire dans une cellule donnée.

Chez un animal tel que la souris, chaque cellule dispose de l’ensemble des gènes (le génome complet), mais, pour que la cellule remplisse sa fonction dans l’organisme (par exemple, un neurone doit être capable d’envoyer et de recevoir des signaux électriques), elle n’a besoin que d’un sous-ensemble de gènes. Ces informations sont précieuses pour nous, car en observant quels gènes sont exprimés, nous pouvons en apprendre beaucoup sur l’état de la cellule, sur les décisions qu’elle a prises par le passé ou sur les fonctions moléculaires qu’elle exécute. Par exemple, nous pouvons étudier l’ensemble des neurones du cortex olfactif et observer en quoi ils diffèrent des neurones du néocortex et de ceux d’autres espèces.

Décrire les gènes exprimés dans chaque type de neurones

C’est ainsi que nous avons entrepris de décrire d’abord minutieusement le cortex olfactif au niveau moléculaire. Dans l’ensemble, nous avons tiré deux conclusions principales. La première est que, à bien des égards, le cortex olfactif ressemblait à n’importe quelle autre zone corticale, mais présentait toutefois quelques différences marquantes. En nous concentrant sur les neurones, nous avons identifié les types cellulaires habituels du cortex de souris, tels que différents types de neurones excitateurs et inhibiteurs (respectivement, les neurones glutamatergiques et GABAergiques).

En examinant les différents types de neurones excitateurs, nous avons découvert qu’ils changent plus progressivement d’un type de neurone à l’autre dans le cortex olfactif que dans le néocortex. En effet, les types de cellules neuronales olfactives semblent former des gradients d’expression génique assez lisses, tandis que les types de neurones néocorticaux étaient plus nettement distincts et présentaient des changements d’expression plus brusques entre eux.

Bien que ces observations semblent assez simples, elles nous permettent d’approfondir notre compréhension du fonctionnement interne d’une cellule. D’après la théorie mathématique des systèmes dynamiques, nous savons que les modèles de changement « progressifs », par opposition aux modèles « brusques », sont susceptibles d’être générés par des mécanismes de régulation différents, c’est-à-dire par des façons différentes pour un neurone de décider quels gènes lui sont nécessaires ou non.

L’application de ces connaissances mathématiques aux données biologiques n’est pas anodine, et les réponses apportées à ce stade ne sont peut-être pas définitives, mais nous avons finalement conclu que, malgré des similitudes superficielles entre les neurones activateurs du système olfactif et ceux du néocortex, leur organisation interne est assez différente. Les neurones olfactifs de la souris décident quels gènes exprimer d’une manière assez différente de celle des neurones néocorticaux voisins – et nous avons également retrouvé certains de ces schémas olfactifs de prise de décision chez le lézard et la salamandre.

Certains neurones de souris sont plus proches de ceux des lézards que des autres neurones de souris

Cette dernière découverte, valable pour plusieurs espèces, nous a amenés à poser une question évolutive cruciale : les neurones du cortex olfactif sont-ils plus proches des autres régions cérébrales de la souris ou ressemblent-ils davantage aux neurones d’autres espèces non mammifères ?

La réponse s’est avérée surprenante. Les types de neurones du cortex olfactif de la souris ressemblent davantage à ceux des lézards ou des salamandres qu’à ceux du néocortex de la souris. C’est tout à fait remarquable, car depuis 200 millions d’années, les neurones du cortex olfactif de la souris ont évolué au côté de ceux du néocortex de la souris.

Notre deuxième découverte intéressante a été la présence d’un grand nombre de neurones de type immature (c’est-à-dire similaires aux cellules de jeunes souris) dans le cortex olfactif de souris adultes. Nous avons utilisé l’apprentissage automatique pour prédire que, au cours de la vie d’une souris, ces neurones immatures sont destinés à devenir des neurones activateurs. Nous avons émis l’hypothèse qu’ils jouaient un rôle dans la plasticité cérébrale, par exemple pour aider les souris à adapter rapidement leurs circuits neuronaux aux changements de leur environnement. Par exemple, pour détecter de nouvelles odeurs. En effet, en comparant les résultats obtenus chez nos souris de laboratoire, évoluant dans un environnement monotone, à ceux de souris d’origine sauvage vivant dans un milieu plus dynamique, nous avons pu établir que les principales différences entre les cortex olfactifs de laboratoire et sauvages se situaient au niveau des neurones activateurs.

En combinant ces deux résultats, le cortex olfactif de la souris semble avoir conservé trois caractéristiques moléculaires ancestrales, à savoir des changements progressifs dans l’expression génique entre les neurones activateurs, une similitude marquée avec des espèces éloignées sur le plan évolutif, et une plasticité cellulaire accrue grâce à la présence d’un pool de neurones immatures.

En résumé, nous avons créé une ressource sur le cortex olfactif qui profite à nos collègues intéressés par l’olfaction, l’évolution (du cerveau) et la prise de décision cellulaire. Pour nous, il s’agit d’une étude fondamentale sur laquelle nous construisons de nouveaux projets. Actuellement, par exemple, nous l’utilisons dans le cadre d’une étude visant à comprendre comment les cellules du cortex olfactif modifient leur expression génique en réponse à l’apprentissage d’une nouvelle odeur.

Cette étude comparative nous a permis de mieux comprendre à quel point la nature peut faire preuve de souplesse dans la création des types cellulaires. Grâce à l’odorat, nous avons ajouté une pièce au puzzle que constitue l’évolution du cerveau.

Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (qui a lieu du 2 au 12 octobre 2026), dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition porte sur la thématique « Saveurs savantes ». Retrouvez tous les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.

Anton Crombach a reçu des financements de l’ANR, l’INCa, l’Inria et les NIH (États-Unis).

– ref. Comment l’odorat nous aide à comprendre l’origine et l’évolution de notre cerveau – https://theconversation.com/comment-lodorat-nous-aide-a-comprendre-lorigine-et-levolution-de-notre-cerveau-290886