Apprentissage olfactif - Laboratoire de Neurosciences Cognitives

0 Academic des sciences / Elsevier. Paris
Apprentissage olfactif :
les systsmes de mbmoire chez le rat
Memory systems in olfdctory ledrning in rats
Franck A. Chaillan*, Franqois S. Roman, Bernard Soumireu-Mourat
Laboratoire de neurobiologie integrative et adaptative, UMR 6562 CNRS, iquipe neurobiologie des comportements,
universite de Provence i CNRS, IBHOP, traverse Charles-Susini, 13388 Marseille cedex 13, France
RbumC - Les processus d’apprentissage et de memorisation reposent sur des change-
ments a long terme, au niveau synaptique, au sein de larges reseaux de neurones cere-
braux. Le lobe temporal median, dont la formation hippocampique, semble implique
lors de la specification et de la stabilisation de ces reseaux. Le role de ces structures peut
etre different en fonction du type de memoire (declaratif ou non declaratif) dans lequel
elles sont impliquees. Les candidats les plus probables permettant de realiser les chan-
gements synaptiques sont la potentialisation a long terme et la depression a long terme.
L’utilisation d’un apprentissage olfactif associatif chez le rat couple a une etude electro-
physiologique permet de suivre I’implication des differentes structures cerebrales. Ainsi,
I/activation prkoce du gyrus dentele, et probablement de I/ensemble de la formation
hippocampique, va permettre de realiser I’association stimulus-renforcement. La
formation hippocampique va participer au marquage et a la stabilisation d’un reseau
cortical specifique de neurones, support a long terme de I’information a memoriser. Les
boucles de reac:tivation hippocampiques sont impliquees dans le marquage et la stabi-
lisation du reseau neuronal. (0 Academic des sciences / Elsevier, Paris.)
apprentissage olfactif / mbmoire / potentialisation i long terme / depression i long terme / cortex piri-
forme / hippocampe
1. Introduction
Dans un article recent, L. Squire [l I, dont le travail
s’attache 5 distinguer differents systemes de memoire,
conclut que le lobe temporal median est necessaire a la
formation de la memoire declarative (explicite) 2 long
terme. Cette aire cerebrale recouvre plusieurs entites ana-
tomiques, dont la formation hippocampique. C’est princi-
palement la memoire declarative qui est perturbee lors
des amnesies. Elle englobe les faits et les evenements
prealablement rencontres et accessibles de facon cons-
ciente. Dans une analyse dichotomique, la memoire
declarative s’oppose .?r la memoire non declarative qui est
epargnee lors des amnesies. Cette derniere recouvre
differentes capacites cognitives, perceptive-matrices ainsi
que des effets de facilitation conceptuels et perceptuels.
Selon Squire, Ie lobe temporal median intervient au
moment de I’apprentissage et pendant un certain temps
apres ceiui-ci. Durant cette periode, il permettrait la
consolidation dans le cortex en associant progressive-
ment les territoires impliques. Ainsi, le neocortex serait le
depositaire durable de la memoire.
Une grande partie des donnees sur lesquelles s’appuie
cette analyse est ha&e sur les effets de lesions cerebrales
chez des patients humains ou en experimentation ani-
male. Le present article vise a conforter cette analyse grace
3 d’autres donnees provenant principalement d’une dou-
ble approche comportementale et electrophysiologique.
L’hypothese la plus communement admire concernant
la mkmoire est basee sur des changements durables de
I’efficacite de la transmission synaptique dans des reseaux
de neurones distribues, actives durant I’apprentissage,
impliquant en particulier les aires corticales 121. Au tours
de la stabilisation de ces reseaux, certaines structures
sous-cortrcales, et en particulier la formation hippocam-
pique, semblent impliquees. Ces structures pourraient
participer differentiellement selon le type de memoire.
Les mecanismes de potentialisation a long terme (PLT)
*Correspondance et tires ;1 part
C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences
1998. 321. 157-161

F. A. Chaillan et al.
13, 41 et de depression a long terme (DLT) 151 sont souvent
invoques comme pouvant etre 2 la base de tels change-
ments. II s’agit d’une augmentation (PLT) ou d’une dimi-
nution (DLT) de I’efficacite de la transmission synaptique
dont on peut trouver une description plus detail16 dans cc
num&o spkcial dans les articles d’Andersen, Laroche,
Crepe1 et Miles.
Afin d’ktudier ces hypothkes, nous avons d&elopp@
une tiche de discrimination olfactive chez le rat, qui per-
met d’ktudier les modifications d’efficacitt de la transmis-
sion monosynaptiques au niveau du cortex piriforme
(cortex olfactif primaire), et polysynaptiques au niveau de
la formation hippocampique pendant I’apprentissage et la
m&morisation d’une information olfactive associative.
2. Apprentissage olfactif
Dans cette t&he en w Go-NoGo )), les animaux priv&
hydriquement ktaient entrain& 2 discriminer deux odeurs
naturelles, l’une &ant arbitrairement associee 2 de l’eau
(0’) et I’autre a une iumikre peu aversive (0-j. Durant les
10 s de prksentation de 0’, les animaux devaient appren-
dre ZI rkpondre au stimulus en se rendant dans I’angle de
la cage oti se trouvait I’abreuvoir afin d’@tre detect& par
la cellule photo4lectrique et recevoir la rkompense
hydrique. Durant les 10 s de prksentation de O-, les ani-
maux devaient apprendre i s’abstenir de se d&placer prks
de I’abreuvoir. L’intervalle inter-essai IIIE) utilise c?tait de
15 s. Afin de realiser une etude electrophysiologique de
la ciktique d’intervention du cortex piriforme et de la for-
mation hippocampique, nous avons remplace I’odeur
naturelle associge a l’eau par des trains de stimulation
electrique 2 haute frequence (trains de 100 Hz distribuk
j 5 Hz) appliquk sur le tractus olfactif lateral (Toll grdce
a une klectrode de stimulation (Electrode active). Ces sti-
mulations olfaco-mimetiques (Sam) prkentent deux
avantages. Elles peuvent etre utilisges comme indice dis-
criminatif artificiel et elles permettent d’activer spkifi-
quement un reseau de neurones dans le cortex piriforme.
Des animaux entrain& 2 discriminerentre des Som et une
odeur naturelle ne prkentent pas de performances com-
portementales statistiquement diffkrentes de celles d’ani-
maux entrain& 2 discriminer entre deux odeurs naturelles
au tours de cinq s&ances successives d’apprentissage 161
(figure 7). Le codage et I’intkgration corticale de I’infor-
mation olfactive naturelle, 5 partir de laquelle il est diffi-
tile de g&+rer des stimuli ponctuels nkessaires i la
sotlicitation de rkseaux de neurones spkifiques au
niveau du cortex piriforme, implique une utilisation des
Som. Ainsi, en enregistrant les potentiels de champs &o-
q&s dans ce cortex olfactif avant et apr& chaque seance,
par des stimulations en simple choc appliqkes sur le Tol,
iI est done possible de suivre I/&at de I’efficacite synapti-
quc au niveau du rkseau de neurone active par les Som.
Une deuxi+me electrode de stimulation (electrode de
contrBle), qui n’etait pas utiliske pour appliquer les Som
durant I’apprentissage, servait 2 appliquer de simples
158
io
.o- m m WiL
1 2 3 4 5
SEANCE
Figure 1. Comparaison des pertormances com~portemcnt,rles d’un
groupe de contrAle tcontr8lc) de rats entrain& j discriminer entre
dew odeurs naturelles et un groupe d’anrmaux entrain& 5 disrr-i-
miner entre une odeur naturrlle ct des stimuhtbn olfacto-mime-t-
que (Soml.
Les perlormances comportementales des deux gyoupes ne sont pds
statistiyuement dififirentes JU tours dcs cinq stiances d’apprentis-
sage.
chocs !sur le Tol avant et aprPs chaque sknce. Cette @let-
trode de contr6le permettait d’evoquer un potentiel de
champ qui refktait I’ktat de I’efficacite !synaptique d’un
rkeau de neurone non active par les Som.
3. Apprentissage
et plasticit synaptique
3.1. Le cortex piriforme
Chez les animaux entrain& avec les !iom, les poten-
tiels de champ monosynaptiques enregistrk dans le
cortex piriforme montrent qu’une PLT etait induite pro-
gressivement 161. Le potentiel de champ Pvoqu& par
I’klectrode active prkentait une augmentation progres-
sive et statis-tiquement significative au fur et h mesure de
I’apprentissage de la signification des associations sti-
mulus-renforcement par It’s animaux (figure 2A). Le
potentiel de champ &oqu@ par I’c!lectrode de contr6le
ne presentaient pas de PLT mais une leg&e DLT. Cela
suggkit que la PLT progressive observk dans le cortex
piriforme etait spkifique de I’apprentissage et de la
m@morisation de I’association Som-renforcement hydri-
que. Dans le cas d’animaux pseud(D-conditionn&,
auxquels les diff&ents stimuli (Som, odeur naturelle,
lumike, eau) etaient p&sent& sans aucune association
entre eux, c’est-i-dire en dehors de tout contexte
d’apprentissage associatif, une forte DLT citait enregistree
(figure 2B) aussi bien pour les potentilels de champ
&oqu& par I’klectrode active que par I’electrode de
contr&?.
3.2. Le gyrus denteE
Le cortex piriforme et la formation hippocampique sont
connecrk par la voie perforante issue du cortex ento-
C. R. Acad. SCI. Paris, Sciences de la b’ie / Life Sciences
1998. 321. 157-161

Apprentissage olfactif et systemes de mkmoire
I SEANCE
1 2 3 4 5 6 I
SEANCE
Figure 2. Potentialisation j long terme ~PLT’I dans Ic cortex piri-forme.
A. Animaux entrain&
Pourcentage de changement de la pente du potentiel des champs
enregistres avant et aprPs cinq stances d’apprentissagc. Les poten-
ticls 6voquCs par I’blectrode active (EA) prCsentcnt une PLT progres-
sive. Les potentiels boquks par I’Glectrode de contrdle (ECI
dCveloppcnt une l+$re mais slgnificative d@pression.
B. Animaux pseudoconditionnk.
Les potrntiels Pvoqub par EA dbveloppent rapidement une impor-
tante d6prcssion B long terme (DLT). Lcs poteniiels &oqu& par EC
pr&entrnt une DLT plus faihle.
rhinal 17, 81. L’information olfactive transite spkifique-
ment par la voie perforante latkale pour parvenir a la
formation hippocampique au niveau du gyrus dentele
(GD) 191. Nous avons entrain6 d’autres animaux 5 discri-
miner entre les Som et une odeur naturelle (figure AA).
Avant et aprPs chaque seance d’apprentissage, nous avons
enregistrk au niveau de la couche mokulaire du CD
ipsilat&al les &ponses polysynaptiques kvoqu6es par un
choc 6lectrique isok delivre sur le Tol. Un ph6nomitne de
potentialisation polysynaptique ktait observk sur le poten-
tiel de champ &oq& par I’Plectrode servant B appliquer
les Som durant I’apprentissage. Cette potentialisation
polysynaptique citait observk aussit6t qu’une discrimina-
tion comportementale significative &ait observee 1101.
Cette potentialisation B longue latence d’apparition (40 2
100 III
A
&I
9 zg 80
1g 7o
nw HO
9
0 90 Liil 60 3 5o T
10
0 1 2 3 4 s
I
SEANCE
u
B
-*,EC
T -
o*oo;- 5
I SEANCE
0.00 0 1 2 3 4 5
/
SEANCE
Figure 3. Animaux enregistrbs dans le gyrus dentel6
A. Augmentation et stahilisation dcs performances comportemen-
tales sur cinq seances d’apprentissage.
B. Animaux entrain&.
ivolution de la pente des potentiels &oqu& polysynaptiqucment
par I’klectrode active (EA) et contrAle (EC), avant et aprPs chaque
sbance d’apprentissage. Clne potentialisation apparait. imm@diate-
ment apt& la deuxieme seance d’apprentissage, sur les potentiels
&oqu& par EA.
C. Animaux pseudoconditionnks.
ivolution de la pente des potentiels 6voquk polysynaptiquement
par EA et EC, avant et aprk chaque Gance d’apprentissage. Aucun
changement statistiquement significatif n’apparait sur ces potentiels
de Lhamp.
C. R. Acad. SCI. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences
1998 321. 157-161
159

F. A. Chuillan et al.
50 ms) &ait corr@Ee avec le gain de performances com-
portementales, c’est-a-dire uniquement lors des premi&
res Gances d’apprentissage durant lesquelles les rats
amkliorent leur pourcentage de reponses correctes.
Aucune corrPlation’ n’existe avec la potentialisation lors
des deux derniPres seances d’apprentissage au tours des-
quelles les animaux stabilisent leurs performances com-
portementales. Le potentiel de champ 6voqu6 par
I’6lectrode de contrsle, qui ne servait pas 2 appliquer les
Som, ne pr&entait aucun changement statistiquement
significatif (iigure 36). De m&me, les potentiels de champ
&oqu& par I’Glectrode active et I’electrode de contrAle
d’animaux pseudocondition& ne prksentaient aucune
variation statistiquement significative (figure 3C). La
potentialisation polysynaptique enregistree dans le GD
etait spPcifique de I’apprentissage de la discrimination
entre les deux stimuli, done- de I’association stimulus-ren-
forcemw7t.
.enscmble de ces r&ultats sug@rent une activation
dynamique pr&oce du CD pendant I’apprentissage des
indices discriminatifs et de leur signification (figure 4~).
Cette structure participerait ainsi, d+s les premikres &an-
ces d’apprentissage, 2 la r6alisation de I’association entre
le stimulus (Sam) et son renforcement ieau). Le potentiel
de champ polysynaptique potentialis? serait le reflet Plec-
trophysiologique de cette activation pr&oce car il appa-
rait dPs la fin de la deuxiPme s6ance d’apprentissage.
L’existence d’une corr@lation entre I’augmentation du
signal electrophysiologique et I’amGlioration des perfor-
mances comportementales, lors de la sdance 2 mais pas
lors des suivantes, indique que le GD est implique dans
I’apprentissage de I’association mais qu’il n’est pas le site
de stockage de cettc information. La latence tardive d’ap-
parition du potentiel de champ polysynaptique suggibre
une boucle possible de r&activation hippocampique,
c’est-a-dire une boucle cortex entorhinal-CD-CA3-CAl-
subiculum-cortex entorhinal-GD. L’activation de cette
derniere structure confirme I’implication de la formation
hippocampique lors de I’apprentissage. Cependant, il est
probable que les differents champs ammoniens, qui ont
des proprGt6s cle plasticit synaptiques et des connections
anatomiques propres, participent aussi de fafon spPcifi-
que 5 I’apprentissage. Au tours des essais successifs ou
iterations, le CD, et probablement plus largement la for-
mation hippocampique, va participer au marquage et B la
stabilisation d’un r&eau cortical de neurones sp&ifique
de l’information 2 m&moriser. Ainsi, le ph@nom&te de PLT
enregistrk au niveau du cortex piriforme correspond au r@-
seau de neurones marqu6 et stabilisc!, spPcifique de I’in-
formation B memoriser dans le cortex olfactif(f&wre 15).
4. Stabilisation d’un reseau
de neurones cortical
La longue latence de la reponse &oq&e potentialiske
enregistree dans le CD suggPre I’existence de boucles de
rPactivation entre I’hippocampe et le cortex intervenant
160
pendant le traitement et la mise en memoire des informa-
tions olfactives. D’autres don&es suggPrent I’importance
de ces boucles de @activation. Dans certaines conditions
temporelles de protocole, une I&ion de la bandelette dia-
gonale de Broca dans sa partie horizontale entraine un
dkficit cle performance dans ce type de discrimination
olfactive [l 11. Or, cette structure sert de relais aux aff&en-
ces du cortex piriforme en provenance de I’hippocampe
qui pourraient servir 5 moduler la transmission synapti-
que et I’induction d’une PLT associative dans ce cortex
olfactif [12, 131. Nous avons done fait I’hypothGse que ce
deficit d’apprentissage etait d6 2 I’interruption de ces
boucles longues. Diffkrentes donnees 6lectrophysiologi-
ques suggPrent et soulignent I’importance #de ces boucles
de &activation. De Curtis et al. 1141 ont montr6 I’exis-
avant avant
._._ .___-_
Sl t------------- Sl
_. . . __ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ .
SPtiS
‘11
,.’ aptis
11
Ii _ _ _ _
EZ s3 I
“\.r ,.’ /
.,. _I’
‘k/
\ ,.I’
.\ /
Ii-- _/
SS ss
[I/ .!’ ,,.’
‘i< /
Lr’ \
-\., ,!’
. .
Figure 4. Exemple de potentiels de champs enregisrrks
A. Cyrus dentek.
Potentiel de champ polysynaptique enregistre au niveau de In cou-
the mokkulaire du gyrus dent&, avant et apt& les seances d’ap-
prentissagcl 1, 2 et 5 ISl, S2, S5).
B. Cortex pirtforme
Potentiel de champ monosynaptique enregistrb au niveau de la
couche I du cortex piriforme, avant ct aprk les seances d’apprentis-
sage 1, J et 5 (Sl, 53, SSJ. Le tracf? en trait plein reprkente Ie
potentiel de r@f&ence. Le traci. en poin!illC montre la poientialisa-
tion a long terme qui se dbeloppe.
C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences
lW8. 321. 157-161

Apprentissage olfactif et syst&nes de mgmoire
tence electrophysiologique d’une boucle de @activation
entorhino-hippocampo-entorhinale suite 2 une stimula-
tion unique du tractus olfactif lateral. De plus, DoyGre et
al. I1 51 ont mis en evidence des changements d’efficacitc!
synaptique, ayant des d&ours temporels differents, au
niveau du gyrus dentelk et du cortex prefrontal lors d’un
conditionnement classique chez le rat. Ces auteurs met-
tent I’accent sur I’importance des boucles de r&activation
de I’hippocampe lors des processus d’apprentissage et de
m4morisation. Des don&es rkcentes obtenues lors d’un
test de discrimination olfactive avec des rats porteurs de
I&ions du cortex prefrontal [16] indiquent que cette
structure sous-tend une memoire non-cl&larative tout en
interagissant avec la mkmoire declarative lors de la forma-
tion B long terme des associations entre un stimulus olfac-
tif et une rPponse particuliPre. Cette structure pourrait
done aussi faire partie, lors d’un test olfactif, des boucles
de reactivation hippocampique.
6. Rkfkrences
[ 1 l Squire L.R., Lola S.M. 1996. Structure and function of declarative and
non declarative memory systems. Proc. Nat/. ;Icatl. Sci. Usn 93, 135 I 5-
13522.
121 Bloth V.. Laroche 5. 1984. Facts and hypotheses related to search tar
engram. In : Neu~ob~olo~yoilearni~~gand Memory (Lynch C., MrCaugh
J.l.., Wrinberger N.M., bds.), Cuilford, New York, 249-260.
131 Bliss T.V.P., Lomo T. 1973. Long-lasting potentiation of synaptic tranc-
mission 111 the dcnt.~te area of unanaesthetized rabbit following stlmula-
tion oi thca perforani path. I. Physiol. 232, 331 -356.
141 Klis, T.V.P., Gardner-Medwin A.R. 1973. Long-lasting potentiation ot
synaptic transmission in the dentat? area of unanaesthctlred rahblt fo-
lowing stlmulatlon of the perforant path. 1. Ph~Gol. 232, 357-374.
151 Itn M., Sakurai M.. Tongroach P. 1982. Climbing fihres induced
deprra\slon of both rnosiy fihre re<ponsivrnrs$ am-l glutamate sensitivity
ot terrbellar Purkinlr ~11s. / Phy~oi. land 324, I 1 i-1 14.
lhl Roman F.S., Chaillan F.A., Soumireu-Moura: 8. 1993. Long-term
potentiation in rat pirlform cortex followlngdlscrimlnatitrn learning. Hfd/ll
Rf?. 601, 265%272.
171 Hlorth-Simonscn A. 1972. Prqc(.tlon of the lateral part of thr ento-
rhinal dre‘, to the hippocampus and fascia dentata. 1. Camp Neuroi. 146,
317-438.
IHI Wit&r M.P., Croenewegen H.J., Lope\ Da Stha F.H.. Lohman A.M.H.
1991. Functional organlratlon oftheextrinslc ,and Intrinsic-circuitry ot the
parahippocampal region. frog. Nrurohioi. 3 <, 161.--25 I.
5. Conclusion
L’ensemble de nos donnees montre que la formation
hippocampique interviendrait p&cocement dans la Gali-
sation de l’association entre I’odeur et sa signification (sti-
mulus-renforcement). Elle aurait de plus sous son
contrcile le transfert de cette association vers les territoires
corticaux specifiques concern&, au niveau desquels se
ferait progressivement le stockage sous forme de mar-
quage de r&eaux neuronaux sp&ifi&. Cela serait refl&@
par le cl&eloppement progressif de la PLT enregistree
dans le cortex piriforme.
Ainsi Ices rPsultats tendent B confirmer, par une appro-
the dynamique, le schkma fonctionnel expose? par
L. Squire dans le cas de la m@moire d&larntive, distin-
guant le lobe temporal mGdian, incluant I’hippocampe, et
les territoires corticaux.
191 Wilson R.C.. Steward 0. 1978. Polysynaptic activation of the dentate
gyrus of the hippocampal formatlon: an olfactory input via the entorhinal
cortex. Exp Urain Rrs. 31. 523-514.
1101 Chaillan F.A., Roman F.S.. Soumlreu-Mourat B. lc1Y6. Modulation of
synaptic plasticity in the hippocampus and piriform cortex by physiologi-
tally meaningtul olfactory cues in an olfnrtory association task. / Physd
Rlni 90, 343-347.
I1 11 Roman F.S., Simon&to I, Soumlreu-hlourat B. lYY3. Learning and
memory of odor-reward assoctatlon: selective impairment following hori-
zontal diagonal band lesions. Behav. Neurosri. 107, 72-111
1121 Hasselmo M.E., Bower I.M. 1991. Selective suppression oi atferent
but not intrinsic fiber synaptic transmission by 2.amino-4.phosphonobu-
tyric acid (API) in piriform cortex. Brain &as. 548, 2411-255.
[l 31 Barkai E., Hasselmo M.E. 1994. Modulation oi input/output function
of rat plriform cortex pyramidal cells. 1. Neurophys/o/. 72, 644-658.
I1 41 De Curtis M.. Pare D.. Llinas R.R. 1991. The electrophysiology of the
olfactory-hyppocampal clrcult in the Isolated and perfused adult marnm-
lian brain in vitro. H~ppocampuc 1, 341-554.
1151 Doyere V.. Burette F.. RPdini-Del Negro C., Laroc he 5. 1993. Long-
term potentiation of hippocampal afferent\ andefferenis to prefrontal car-
tex: implltation~ tar as~oc iative learning. Nruropsychn/ogia 31, lO<l-
1053.
I1 61 Chaillan F.A., Marchetti E., Delfosse F., Roman F.5., Soumireu-Mou-
rat B. 1907. Opposite eifccts depending on learning and memory
demands in dorsomedial prefrontal cortex lesioned rats performing an
olfactory task. Bchar~. Bra/n Rec. 82, ?O<-212.
C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences
1998. 321. 157-161
161