Anosmia: What we know and don’t know about it

There are many cases of smelling disorders, which can impact an individual’s ability to smell. In addition, it’s important to understand there is a whole population among us who cannot smell (anosmia), who may have grown up never smelling (congenital anosmia), or who have reduced smell (hyposmia). Because the sense of smell is not as severe, life-threatening, or well-known, it is not widely studied. With the lack of research in this field, people with smell disorders have few treatment options. While there is some research on anosmia, the understanding of anosmia has plateaued, with many articles re-visiting known causes and common evaluation methods. More in-depth knowledge, however, is known only to a handful of researchers or specialized doctors. This literature review will discuss the research on anosmia, covering causes and effects of anosmia, with some discussion of physiology. This paper will also analyze relevant research that may point to potential treatments, touching on olfactory dysfunctions that may help us to understand anosmia

Platelet-Rich Plasma (PRP) in the Treatment of Long COVID Olfactory Disorders: A Comprehensive Review

Background: Long COVID has brought numerous challenges to healthcare, with olfactory dysfunction (OD) being a particularly distressing outcome for many patients. The persistent loss of smell significantly diminishes the affected individual's quality of life. Recent attention has been drawn to the potential of platelet-rich plasma (PRP) therapy as a treatment for OD. This comprehensive review aims to evaluate the effectiveness of PRP therapy in ameliorating OD, especially when associated with long-term COVID-19. Methods: We executed a comprehensive search of the literature, encompassing clinical trials and observational studies that utilized PRP in treating OD limited to COVID-19. We retrieved and comprehensively discussed data such as design, participant demographics, and reported outcomes, focusing on the efficacy and safety of PRP therapy for OD in COVID-19 patients. Results: Our comprehensive analysis interestingly found promising perspectives for PRP in OD following COVID-19 infection. The collective data indicate that PRP therapy contributed to a significant improvement in olfactory function after COVID-19 infection. Conclusions: The evidence amassed suggests that PRP is a promising and safe therapeutic option for OD, including cases attributable to Long COVID-19. The observed uniform enhancement of olfactory function in patients receiving PRP highlights the necessity for well-designed, controlled trials. Such studies would help to refine treatment protocols and more definitively ascertain the efficacy of PRP in a broader, more varied patient cohort

Investigating morphological changes in the brain in relation to etiology and duration of olfactory dysfunction with voxel-based morphometry

Olfactory loss (OL) affects up to 20% of the general population and is related to changes in olfaction-related brain regions. This study investigated the effect of etiology and duration of OL on gray matter volume (GMV) of these regions in 257 patients. Voxel-based morphometry was applied to measure GMV in brain regions of interest to test the effects of etiology and duration on regional GMV and the relation between olfactory function and regional GMV. Etiology of OL had a significant effect on GMV in clusters representing the gyrus rectus and orbitofrontal cortex (OFC), bilaterally. Patients with congenital anosmia had reduced GMV in the gyrus rectus and an increased OFC volume compared to patients with acquired OL. There was a significant association between volume of the left OFC and olfactory function. This implies that changes in GMV in patients with acquired OL are mainly reflected in the OFC and depend on olfactory function. Morphology of olfactory areas in the brain therefore seems to relate to olfactory function and the subsequent degree of exposure to olfactory input in patients with acquired OL. Differences in GMV in congenital anosmia are most likely due to the fact that patients were never able to smell

Cortical thickness analysis – The methods

Over the course of the last century, the cerebral cortex has been of interest for neuroscientists, and the work with mapping and measuring the cortex started in the early 1900s (Brodmann 1909). The advances in medical imaging over the recent decades has given the opportunity to measure the cortex in vivo, and several algorithms and types of software applications has been developed for this purpose. These software applications can be used to execute complex analysis to determine both cortex thickness and density. The algorithms and software applications presented in this paper are the ones most utilized to measure cortical thickness today, and include four software applications and two algorithms. The basic principles of these tools will be outlined, as well as their strengths and weaknesses

Severity of olfactory deficits is reflected in functional brain networks-An fMRI study

Even though deficits in olfactory function affect a considerable part of the population, the neuronal basis of olfactory deficits remains scarcely investigated. To achieve a better understanding of how smell loss affects neural activation patterns and functional networks, we set out to investigate patients with olfactory dysfunction using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and olfactory stimulation. We used patients' scores on a standardized olfactory test as continuous measure of olfactory function. 48 patients (mean olfactory threshold discrimination identification (TDI) score=16.33, SD=6.4, range 6 - 28.5) were investigated. Overall, patients showed piriform cortex activation during odor stimulation compared to pure sniffing. Group independent component analysis indicated that the recruitment of three networks during odor stimulation was correlated with olfactory function: a sensory processing network (including regions such as insula, thalamus and piriform cortex), a cerebellar network and an occipital network. Interestingly, recruitment of these networks during pure sniffing was related to olfactory function as well. Our results support previous findings that sniffing alone can activate olfactory regions. Extending this, we found that the severity of olfactory deficits is related to the extent to which neural networks are recruited both during olfactory stimulation and pure sniffing. This indicates that olfactory deficits are not only reflected in changes in specific olfactory areas but also in the recruitment of occipital and cerebellar networks. These findings pave the way for future investigations on whether characteristics of these networks might be of use for the prediction of disease prognosis or of treatment success

Investigation of olfactory function and its plasticity

Hintergrund: Der Geruchssinn spielt eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben, während sein Fehlen erhebliche Auswirkungen auf das Leben von Menschen mit Geruchsstörungen hat, einschließlich Veränderungen in ihrer geistigen, sozialen und körperlichen Gesundheit. Der Verlust des Geruchssinns kann eine Vorstufe zu schweren neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sein, und kann mit depressiven Symptomen einhergehen. Daher sollten Menschen mit Riechverlust adäquat untersucht und behandelt werden. In den drei zu einer Arbeit zusammengefassten Veröffentlichungen wurde die MRT zur Untersuchung der Riechfunktion und ihrer Plastizität eingesetzt, vor allem bei Patienten mit Riechstörungen. Publikation 1 befasste sich mit der Verbesserung bestehender Methoden zur Bewertung des Volumens des Bulbus olfactorius (OB) hinsichtlich der strukturellen Bewertung der Riechfunktion. Publikation 2 befasste sich mit der funktionellen Plastizität des olfaktorischen Systems bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie, wenn der olfaktorische Input fehlt. Publikation 3 befasste sich mit der Plastizität des chemosensorischen Systems am Beispiel der gewohnheitsmäßigen Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Methoden: In Publikation 1 wurden 52 Probanden einer 3-T-MRT Untersuchung des Gehirns unterzogen. Alle Probanden wurden mit der 'Sniffin' Sticks'-Testbatterie auf ihre orthonasale Riechfunktion hin getestet. Mit Hilfe der AMIRA®-Software berechneten zwei geschulte Beobachter das OB-Volumen mit einem manuellen Segmentierungsverfahren, der planimetrischen manuellen Konturierung (PMC) (Fläche in mm3). Mit ITK-SNAP®-Software verwendeten die gleichen Beobachter die neue Methode 'box-frame' zur Berechnung des OB-Volumens. Zunächst wurde die Anzahl der Schichten (Länge) mit deutlicher Erkennbarkeit des OB notiert. Bei der Box-Methode wurde angenommen, dass Höhe und Breite der Markierungen in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Das Volumen wurde als Vielfaches von L x B x H (Scheibendicke in mm3) berechnet. Bei divergenten Befunden wurde ein dritter Beobachter herangezogen, und die zwei am nächsten liegenden Volumina mit weniger als 10 % Unterschied zur weiteren Betrachtung ausgewählt. In Publikation 2 wurden 40 Probanden mit 3-T-fMRT untersucht. Davon waren 18 gesunde Probanden, 14 waren Probanden mit kongenitaler Anosmie und 8 hatten eine idiopathische Anosmie. Den Probanden wurden 36 Wörter mit starker olfaktorischer Assoziation (OW) und 36 Kontrollwörter mit geringer oder keiner olfaktorischen Assoziation (CW) präsentiert. Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Anweisungen und Wörter zu lesen. Vor den Wortblöcken wurden die Teilnehmer darauf hingewiesen, sich auf die olfaktorischen Aspekte der angezeigten Wörter zu konzentrieren, um eine Erwartung für im Folgenden gezeigten Wörter zu wecken und um die OW- von den CW-Blöcken klar zu trennen. Geruchsbezogene semantische Unterschiede wurden als Kriterium für die Unterscheidung zwischen den Aktivierungen gewählt. Wir verglichen vor allem Aktivierungsphasen, in denen OW erwartet wurden mit denjenigen, in denen OW gelesen wurden. In Publikation 3 nahmen 40 gesunde Probanden an einer fMRT-Untersuchung teil. Ein Teil der Probanden kaute regelmäßig Kaugummi mit Minzegeschmack (GC, n = 20), ein anderer Teil verwendete nie bzw. sehr selten Kaugummi oder andere Lebensmittel mit Minzgerüchen, z.B. Pfefferminztee (N'GC, n = 20). Mit Hilfe eines computergesteuerten Olfaktometers wurden den Probanden in vier separaten Sitzungen zwei „trigeminale Gerüche“ (Pfefferminze und Minze) und zwei „olfaktorische Gerüche“ (Kirsche und Erdbeere) verabreicht. Nach jeder Sitzung bewerteten die Probanden die Intensität und die Angenehmheit der angebotenen Gerüche. Ergebnisse: In Publikation 1 berechneten wir die OB-Volumina mit beiden Techniken und fanden vergleichbare Ergebnisse. Für die von beiden Beobachtern berechneten Volumina wurde eine hohe Korrelation festgestellt. Für die manuelle Segmentierung betrug Cronbachs α 0,91 bzw. 0,93 für das rechte bzw. linke OB-Volumen, während für die Box-Frame-Methode α 0,94 bzw. 0,90 für das rechte bzw. linke OB-Volumen betrug. In Publikation 2 zeigten die Teilnehmer mit idiopathischer und congenitaler Anosmie während der Erwartung der OW eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die sich bis zur rechten Insula, dem Caudatum und dem fronto-medialen OFC erstreckte. Während des Lesens der OW zeigten Teilnehmer mit congenitaler Anosmie eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die bis zur Insula reichte. In Publikation 3 zeigte die GC-Gruppe eine höhere trigeminale Empfindlichkeit im Vergleich zur N'GC-Gruppe. Olfaktorische Gerüche aktivierten den bilateralen insulären Kortex und die Amygdala. Neben den olfaktorischen Bereichen (Amygdala, insulärer Kortex) führten trigeminale Gerüche auch zu Aktivierungen im rechten Thalamus und der rechten Substantia nigra. In der GC-Gruppe führten olfaktorische Gerüche zu einer stärkeren bilateralen Aktivierung des insularen Kortex als in der N‘GC-Gruppe, während für trigeminale Gerüche keine derartigen Unterschiede beobachtet wurden. GC-Probanden schienen auf trigeminale chemosensorische Reize empfindlicher zu reagieren. Schlussfolgerungen: Mit der Veröffentlichung 1 konnten wir eine neue zuverlässige Methode vorstellen, die plastische Veränderungen auf der Ebene des OB auf effiziente Weise messbar macht. Die Methode ist zeitsparend und erfordert nur einen geringen technologischen Aufwand, was in die klinische Routine bedeutsam ist. Damit können strukturelle plastische Veränderungen des zentralnervösen Riechsystems zu diagnostischen Zwecken effektiv genutzt werden. In Publikation 2 fanden wir funktionelle Plastizität bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie. Dieser Ansatz zeigte eine Aktivierung in den sekundären Geruchsregionen wie dem posterioren OFC, die sich bei Menschen mit angeborener Anosmie im Vergleich zu Riechgesunden bis zur Insula ausdehnte. Diese Aktivität ist am ehesten im Zusammenhang mit multisensorischer Integration zu sehen, was wiederum auf kompensatorische Mechanismus für die Verarbeitung semantischer Geruchsinformationen bei fehlendem Riechvermögen schließen lässt. In Publikation 3 untersuchten wir die Plastizität des chemosensorischen Systems bei gewohnheitsmäßiger Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Gegenüber selektiv olfaktorischen Aktivierungen gibt es Überlappungen aber auch deutliche Unterschiede in der Peripherie und im ZNS, wie trigeminale Gerüche verarbeitet werden. Erwartungsgemäß schienen Teilnehmer mit habituellem Minzgebrauch empfindlicher auf trigeminale chemosensorische Reize zu reagieren. Dies führte jedoch nicht zu Unterschieden in der zentralnervösen Aktivierung für trigeminale Reize. Vielmehr erschienen trigeminale Gerüche für die Gruppe mit geringem Minzkonsum bedeutungsvoller und erregender. In der Summe zeigen die Arbeiten, dass das chemosensorische System außerordentlich plastisch ist, auf stuktureller und funktioneller Ebene und wir uns ständig an unsere Umwelt anpassen.:List of Abbreviations 1 List of figures 1 List of Tables 3 Introduction 4 Olfactory system 4 Olfactory dysfunction 5 Anatomy of olfactory system 6 Chemosensory assessment 8 Psychophysical olfactory tests 8 Psychophysical Trigeminal tests 9 Electrophysiological tests - olfactory event related potentials (OERP) 10 Functional magnetic resonance imaging (fMRI) 10 Publication 1: Assessment of structural plasticity by measuring OB volume 11 Publication 2: Assessing functional plasticity using bottom- up and top- down olfactory processing 12 Publication 3: Assessing plasticity of chemosensory system 12 Methods 13 Method 1 13 Publication 1- A novel technique for olfactory bulb measurements 13 Method 2 18 Publication 3- Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 18 Contributions in publications 20 Publication 1: 20 Publication 2: 20 Publication 3: 20 Abstract of publication 1 21 Publication 2 (Second study): Neural processing of olfactory‑related words in subjects with congenital and acquired olfactory dysfunction 31 Abstract of publication 2 31 Publication 3 (Third study) Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 40 Abstract of publication 3 40 Discussion and Outlook 49 Summary in German 55 Hintergrund 55 Methoden 55 Ergebnisse 56 Schlussfolgerungen 56 Summary in English 58 Background 58 Hypothesis 58 Methods 59 Results 59 Conclusions 60 References 61 Curriculum vitae 80 List of scientific publications 82 Anlage 1 84 Anlage 2 8

Neural and behavioral plasticity in olfactory sensory deprivation

The human brain has a remarkable ability to reorganize as a consequence of altered demands. This ability is particularly noticeable when studying the neural effects of complete sensory deprivation. Both structural and functional cerebral reorganization have repeatedly been demonstrated in individuals with sensory deprivation, most evident in cortical regions associated with the processing of the absent sensory modality. Furthermore, sensory deprivation has been linked to altered abilities in remaining sensory modalities, often of a compensatory character. Although anosmia, complete olfactory sensory deprivation, is our most common sensory deprivation, estimated to affect around 5 % of the population, the effects of anosmia on brain and behavior are still poorly understood. The overall aim of this thesis was to investigate how the human brain and behavior are affected by anosmia, with a focus on individuals with congenital (lifelong) sensory deprivation. Specifically, Study I and Study IV assessed potential behavioral and neural multisensory compensatory abilities whereas Study II and Study III assessed potential reorganization beyond the processing of specific stimuli; the latter by determining morphological and resting-state functional connectivity alterations. Integration of information from different sensory modalities leads to a more accurate perception of the world around us, given that our senses provide complementary information. Although an improved ability to extract multisensory information would be of particular relevance to individuals deprived of one sensory modality, multisensory integration has been sparsely studied in relation to sensory deprivation. In Study I, multisensory integration of audio-visual stimuli was assessed in individuals with anosmia using two different experimental tasks. First, individuals with anosmia were better than matched controls in detecting multisensory temporal asynchronies in a simultaneity judgement task. Second, individuals with congenital, but not acquired, anosmia demonstrated indications of an enhanced ability to utilize multisensory information in an object identification task with degraded stimuli. Based on these results, the neural correlates of audio-visual processing and integration were assessed in individuals with congenital anosmia in Study IV. Relative to matched normosmic individuals, individuals with congenital anosmia demonstrated increased activity in established multisensory regions when integrating degraded audio-visual stimuli; however, no compensatory cross-modal processing in olfactory regions was demonstrated. Together, Study I and IV suggest that complete olfactory sensory deprivation is linked to enhanced audio-visual integration performance that might be facilitated by increased processing in multisensory regions. In Study II, whole-brain gray matter morphology was assessed in individuals with congenital anosmia. Both increases and decreases in the orbitofrontal cortex, a region associated with olfaction and sometimes referred to as secondary olfactory cortex, were observed in individuals with congenital anosmia in relation to matched controls. However, in contrast to our expectations, no sensory deprivation-dependent effects were demonstrated in piriform cortex, a region commonly referred to as primary olfactory cortex. Furthermore, Study III revealed an absence of differences in resting-state functional connectivity between individuals withcongenital anosmia and normosmic individuals within the primary olfactory cortex (including piriform cortex) as well as between core olfactory processing regions. In conclusion, the studies presented within this thesis suggest the existence of a potential multisensory compensatory mechanism in individuals with anosmia, but demonstrate a striking lack of morphological and functional alterations in piriform (primary olfactory) cortex. These results demonstrate that complete olfactory deprivation is associated with a distinct neural and behavioral reorganization in some regions but also a clear lack of effects in other regions; the latter underline the clear differences between our senses and suggest that extrapolating from individual senses should be done cautiously

L’effet de l’entraînement olfactif sur les capacités olfactives et l’épaisseur corticale de patients avec un trouble de l’odorat post-viral

L’infection virale des voies respiratoires supérieures est la cause la plus fréquente des troubles de l’odorat. L’entraînement olfactif permet un rétablissement des fonctions olfactives chez une bonne proportion des patients avec une perte olfactive post-virale. Aussi, les fonctions olfactives sont corrélées avec différentes mesures neuroanatomiques du cortex olfactif. L’objectif de ce mémoire est donc de reproduire les résultats bénéfiques de l’entraînement olfactif chez des patients avec un trouble de l’odorat post-viral et d’observer si le rétablissement des performances olfactives modifie l’épaisseur corticale des régions olfactives. Trente-neuf patients ayant un trouble de l’odorat post-viral ont complété un entraînement olfactif d’une durée de 12 semaines. L’entraînement olfactif consistait à sentir des contenants avec une odeur de rose, de citron, d’eucalyptus et de clou de girofle, deux fois par jour. Les capacités olfactives ont été mesurées avec les tests Sniffin’Sticks au début et à la fin de l’étude. L’entraînement olfactif a permis l’amélioration clinique (≥6 points SDI) des fonctions olfactives chez 59% des patients. Ces patients avaient une épaisseur corticale plus importante au niveau du cortex orbitofrontal latéral gauche à p<0,0001 non corrigé. Les patients avec une amélioration du score SDI (≥0,25 points) ont une augmentation de l’épaisseur du cortex orbitofrontal médial gauche, du cortex entorhinal droit et du cortex cingulaire postérieur gauche (p<0,0001, non corrigé). Ces résultats démontrent l’efficacité de l’entraînement olfactif chez les patients avec un trouble de l’odorat post-viral et que la rémission des fonctions olfactives semble modifier l’épaisseur corticale de certaines régions du cortex olfactif.Viral infection of the upper respiratory tract is the most common cause of disturbances in smell. Olfactory training allows a reestablishment of olfactory functions in a good proportion of patients with post-viral olfactory loss. Also, olfactory functions are correlated with different neuroanatomic measures of the olfactory cortex. The objective of this dissertation is therefore to reproduce the beneficial results of olfactory training in patients with post-viral olfactory dysfunction and to observe whether the restoration of olfactory performances changes the cortical thickness of the olfactory cortex. Thirty-nine patients with post-viral olfactory dysfunction completed a twelve-week olfactory training. The olfactory training consisted of smelling containers with the scent of roses, lemon, eucalyptus and cloves, twice a day. Olfactory functions were measured with the Sniffin'Sticks tests at the start and end of the study. Olfactory training resulted in clinical improvement (≥6 SDI points) of olfactory functions in 59% of patients. These patients had greater cortical thickness in the left lateral orbitofrontal cortex at p <0,0001 uncorrected. Patients with improved SDI score (≥0,25 points) had an increase in the thickness of the left medial orbitofrontal cortex, right entorhinal cortex and left posterior cingulate cortex (p <0,0001, uncorrected). These results demonstrate the effectiveness of olfactory training in patients with post-viral olfactory loss and that remission of olfactory functions appears to alter the cortical thickness of certain regions of the olfactory cortex

Altération spécifique de l’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal dans la maladie de Parkinson

Le trouble de l’odorat est un symptôme fréquent bien connu de la Maladie de Parkinson (MP). Il apparaît plusieurs années avant la possibilité d’un diagnostic de la maladie et son étude est ainsi d’intérêt particulier pour aider au développement d’outils de dépistage précoces et la sélection de candidats pouvant participer à des essais cliniques visant le développement de traitements potentiellement curateurs. Pour ce faire, il est important de différencier un trouble de l’odorat associé à la MP d’autres troubles de l’odorat non reliés à une maladie neurodégénérative (trouble de l’odorat non-parkinsonien : TONP), tels que des troubles de l’odorat liés à une infection virale, à un traumatisme craniocérébral ou des troubles sinu-nasaux. Le système olfactif est plus complexe qu’il ne le semble et est intimement lié au système trigéminal, un système moins bien connu, qui permet, entre autres, la perception de sensations de fraicheur, chaleur et picotement des odeurs. L’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal est complexe et peu connue. La sensibilité trigéminale est typiquement réduite dans le cas d’un système olfactif altéré dans les TONP, mais il n’est pas bien compris comment les deux systèmes interagissent ensemble dans le cas d’un trouble de l’odorat associé à la MP. L’objectif principal de cette thèse visait donc la caractérisation du trouble de l’odorat associé à la MP lorsque spécifiquement comparé à des patients atteints de TONP. Par conséquent, cette thèse avait aussi pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel et d’un système olfactif altéré dans la MP et d’autres TONP. Nous avons donc d’abord évalué la sensibilité olfactive et trigéminale, sur le plan comportemental (étude 1). Cette première étude a permis d’identifier un patron de réponse spécifique dans la MP avec un système olfactif altéré et un système trigéminal intact,en comparaison à des contrôles, en contraste à une sensibilité trigéminale réduite dans les TONP. Dans le même ordre d’idée, nous avons ensuite évalué la perception des dimensions trigéminales et olfactives de différentes odeurs (étude 2). Nos résultats suggèrent que la perception de sensations trigéminales est intacte chez les patients avec la MP en contraste à la perception de dimensions olfactives qui est réduite, comparativement à des contrôles. Pour mieux comprendre l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel, nous avons ensuite évalué l’impact d’un stimulus olfactif sur la capacité à latéraliser un stimulus trigéminal chez des participants contrôles (étude 3). Cette étude a démontré un effet d’amplification de la réponse trigéminale lors d’une co-stimulation olfactive ipsilatérale suggérant ainsi une interaction au niveau de l’épithélium nasal. Afin de mieux comprendre la réponse trigéminale dans la MP, nous avons évalué la sensibilité trigéminale périphérique et centrale en réponse à un stimulus trigéminal pur via des mesures électrophysiologiques (étude 4). Nous avons ainsi démontré une altération spécifique de la réponse trigéminale dans la MP comparativement à d’autres TONP et à des contrôles. Puisque le bulbe olfactif est l’une des premières régions affectées dans la MP, nous avons ensuite mesuré le volume du bulbe olfactif sur des images IRM (étude 5). Nos résultats ont démontré un volume réduit dans la MP et les TONP comparativement à des contrôles, mais aucune différence entre les patients atteints de la MP et de TONP. Néanmoins, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond sur les images IRM du bulbe olfactif a permis de différencier les patients avec la MP des TONP avec une exactitude considérable. Enfin, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle au sein du réseau chimiosensoriel (étude 6). Nous avons ainsi identifié des altérations spécifiques de la connectivité et la modularité des réseaux entre des régions de traitement olfactif et trigéminal au repos et lors de la réalisation d’une tâche olfactive et d’une tâche trigéminale chez des patients atteints de la MP en comparaison avec des TONP et des contrôles. En conclusion, la série d’études présentée dans cette thèse contribue à une meilleure compréhension du trouble de l’odorat associé à la MP et propose de potentielles pistes pour le différencier d’autres TONP, notamment par la mesure du système trigéminal. Cette thèse apporte une meilleure compréhension de l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans un système olfactif fonctionnel et de son altération dans les troubles olfactifs associés à la MP ou à d’autres TONP. La caractérisation de ce symptôme non-moteur pourra éventuellement aider au développement d’outils de dépistage précoce de la MP.Olfactory dysfunction is a highly reliable non-motor symptom of Parkinson’s disease (PD) that appears several years before the possibility of a diagnosis of the disease. Hence, its study is of particular interest to help the development of early diagnosis tools and the selection of ideal candidates to participate in clinical trials that aims to test potential neuroprotective treatments. To do so, it is important to differentiate PD-related olfactory dysfunction from other non-neurodegenerative forms of olfactory dysfunctions that can be related to infections, head trauma or sinonasal disease (non-parkinsonian olfactory dysfunction: NPOD). The olfactory system is more complex than it seems and is intimately connected to the trigeminal system, a less well-known system, that allows, amongst others, the perception of sensation of freshness, warmth, and piquancy of odors. The interaction between the olfactory and trigeminal system is complex and not well understood. Trigeminal sensitivity is typically reduced in cases of an impaired olfactory system related to NPOD; however, this is not clear how both systems interact together in PD-related olfactory dysfunction. The main objective of this thesis was to principally characterize PD-related olfactory dysfunction when specifically compared to patients with NPOD. Consequently, this thesis also aimed to bring a better understanding of the interaction between the olfactory and trigeminal system in a fully functional olfactory system as well as in alterations of the olfactory system associated with PD and other NPOD. We have thus first assessed the olfactory and trigeminal sensitivity using behavioral measures (study 1). This study allowed the identification of a specific response pattern in PD patients with an altered olfactory system and an intact trigeminal system, when compared to controls, in contrast to the reduced trigeminal sensitivity observed in NPOD. We then evaluated the perception of trigeminal and olfactory dimensions of different odors (study 2). Our results suggest that the perception of trigeminal sensations is intact in patients with PD in contrast to the perception of olfactory dimensions which is reduced when compared to control participants. To better understand the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functioning olfactory system, we evaluated the impact of an olfactory stimulus on the capacity to lateralize a trigeminal stimulus in healthy participants (study 3). This study has demonstrated an amplification effect of the olfactory system on the trigeminal system particularly during ipsilateral co-stimulation, suggesting an interaction at the level of the olfactory mucosa. To better understand the trigeminal response in PD patients, we further investigated the peripheral and central trigeminal sensitivity in response to a pure trigeminal stimulus by means of electrophysiological measurements (study 4). We thus demonstrated a specific alteration of the trigeminal response in PD patients when specifically compared to patients with NPOD and healthy control participants. As the olfactory bulb is one of the first regions to be affected in PD, we then measured the olfactory bulb volume on MRI scans (study 5). Our results showed reduced olfactory bulb volume in PD patients as well as in NPOD, when compared to controls, but no difference between PD and NPOD patients. Interestingly, the use of deep learning techniques on MRI scans of the olfactory bulb allowed the discrimination between PD patients and NPOD patients with considerable accuracy. Finally, we investigated the functional connectivity within the chemosensory network (study 6). We identified a specific pattern of functional connectivity and chemosensory network modularity in PD patients at resting-state and while performing an olfactory or a trigeminal task, when specifically compared to patients with NPOD and controls. In conclusion, all taken together, the studies presented in this thesis contributes to a better understanding of the PD-related olfactory dysfunction and suggest potential avenues to differentiate it from NPOD, notably through the measurement of the trigeminal system. This thesis brings further knowledge regarding the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functional olfactory system and its alteration in cases of an impaired olfactory system related to PD or NPOD. The characterization of this non-motor symptom of the disease will eventually help the development of early diagnostic tools for PD

Plasticité cérébrale dans le système olfactif : étude du modèle des sommeliers

Cette thèse s’intéresse à la capacité du cerveau à s’adapter à un environnement changeant. Plus spécifiquement, elle s’intéresse à la plasticité cérébrale dans le système olfactif. Les sommeliers, experts dans le domaine de l’olfaction, ont constitué notre modèle. Une première étude nous a permis d’établir un protocole afin de tester la performance olfactive des sommeliers. Dans une deuxième étude, nous avons testé des étudiants en sommellerie au début de leur formation d’un an et demi qui mène à la profession de sommelier. Nous avons observé que ces futurs experts de l’olfaction présentaient déjà, au cours des deux premiers mois, des capacités olfactives supérieures. Dans une troisième étude, nous avons de nouveau testé les étudiants à la fin de leur formation, afin d’examiner les effets d’un entraînement olfactif à long terme sur la performance olfactive et sur le cerveau : en plus de mesurer les capacités olfactives avec le test des Sniffin’ Sticks, nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour évaluer l’évolution du cerveau au cours de la formation en sommellerie. Nos principales observations concernent des changements au niveau de la structure cérébrale. Premièrement, le volume du bulbe olfactif a augmenté au cours de la formation, ce qui est en accord avec la littérature disponible à propos de cette structure. Deuxièmement, nous avons observé un épaississement au niveau du cortex entorhinal mais aussi un amincissement au niveau d’autres régions du cortex. Mises en relation avec les résultats d’études antérieures, ces observations soutiennent le récent modèle de surproduction-élagage selon lequel les changements dus à la plasticité liée à l’entraînement ne sont pas linéaires mais font intervenir différents processus en plusieurs phases. Ce modèle constitue une avancée importante dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la plasticité cérébrale et devrait être pris en compte dans les futures études sur la plasticité. Bien que les résultats sur le plan neuroimagerie soient intéressants, les résultats de l’étude longitudinale relatifs à la performance olfactive n’étaient pas concluants sur le plan comportemental. Nous avons donc mis en place dans une quatrième étude une tâche d’identification d’odorants au sein de mélanges plus complexe et plus adaptée aux sommeliers qui a confirmé la supériorité de leurs capacités olfactives. Nous avons aussi entraîné des novices sur cette tâche pendant cinq jours pour tester les effets d’un court entraînement olfactif. Cette thèse est organisée sous forme de thèse par articles. Le premier chapitre correspond à l’introduction générale, qui est elle-même organisée en plusieurs grandes parties. Ces différentes parties définissent les concepts-clés de cette thèse : l’olfaction, les corrélations neuroanatomiques dans le système olfactif, la plasticité cérébrale, la plasticité liée à l’entraînement dans le système olfactif, la neuroimagerie. La dernière partie conclut l’introduction en présentant les objectifs et hypothèses de recherche. Les chapitres suivants correspondent aux articles rédigés au cours du doctorat et présentant les résultats des recherches. Le dernier chapitre constitue une discussion générale. Enfin, en annexes se trouvent deux articles publiés lors du doctorat, un chapitre à paraître dans un livre ainsi que des résultats non publiés.This thesis is about the brain’s ability to adapt to an ever-changing environment. More specifically, it is about brain plasticity in the olfactory system. We used sommeliers, who are experts in olfaction, as our model. A first study allowed us to instate a protocol to assess sommeliers’ olfactory function. In a second study, we tested sommelier students at the start of their year-and-a-half-long training which is the prerequisite to become a professional sommelier. We observed that these future experts in olfaction already had, during the first two months of training, superior olfactory abilities. In a third study, we tested sommelier students again at the end of their training to examine the effects of a long-term olfactory training on olfactory performance and on the brain: beside assessing olfactory performance with the Sniffin’ Sticks test, we used magnetic resonance imaging (MRI) to examine the evolution of brain structure and function during sommelier training. Changes in brain structure constituted our main results. Firstly, olfactory bulb volume increased during sommelier training, which is in line with previous reports about this structure. Secondly, we observed a cortical thickness increase in the entorhinal cortex but also cortical thinning in other brain areas. Put together with findings from previous studies, these results support the recent overproduction-pruning model of plasticity according to which changes due to training-related brain plasticity are nonlinear but involve different processes and different phases. This model constitutes a great advance in the understanding of brain plasticity and its underlying mechanisms and should be considered in future studies about plasticity. Though neuroimaging results were interesting, results from olfactory tests in our longitudinal study were not conclusive so we conducted a fourth study to test the ability to identify odorants within mixtures, a task which is more complex and suitable for sommeliers than the Sniffin’ Sticks test. Sommeliers performed better. We also tested novices that we had trained on this task for five days to evaluate the effects of a short-term olfactory training. This thesis is organized by articles. The first chapter is a general introduction, itself organized in several parts. These different parts define the major concepts of this thesis: olfaction, neuroanatomical correlations in the olfactory system, brain plasticity, plasticity in the olfactory system, neuroimaging. The last part concludes the introduction with aims and hypotheses. The following chapters are articles written during PhD that present the results of our research. The last chapter is a general discussion of all the results. Finally, two articles published during PhD, a chapter that is to be published in a book and unpublished results are presented as appendices