Traitement cérébral d'odeurs biologiquement signifiantes, révélé chez le rat par imagerie RMN fonctionnelle du manganèse

The aim of this thesis was to use MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) for studying the processing of behaviorally significant odors in the rat primary olfactory cortex, under conditions close to natural perception in awake animals. MEMRI is a method based on the detection of o functional and remanent contrast agent, manganese, which has proved to be valuable dor studying odor processing in the olfactory bulb. However , this method has mainly been used to trace neuronal pathways, but seldom to explore sensory functions. Here, we have conducted two studies to define the conditions of application of manganese and to optimize processing of MEMRI images. Based on these methodological developments, we have then used MEMRI to investigate the activation of central olfactory structures following exposure of awake rats to biologically relevant odors (food and predator odors compared to a control situation). MEMRI revealed that a predator is processed differently from the control situation in the primary olfactory cortex. Fos immunolabeling in the anterior piriform cortex corroborated this result. Altogether, MEMRI and Fos results suggest that olfactory processing may rely on both the intensity of activation and the size of neuronal populations recruited. Finally, MEMRI revealed that the olfactory message, crucial for survival, is asymmetrically processed in the brain. Methodological and scientific advances brought by this thesis will be useful for better understanding brain olfactory processing.L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs

Central processing of behaviorally relevant odors in the awake rat, as revealed by Manganese-enhanced MRI

L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs.The aim of this thesis was to use MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) for studying the processing of behaviorally significant odors in the rat primary olfactory cortex, under conditions close to natural perception in awake animals. MEMRI is a method based on the detection of o functional and remanent contrast agent, manganese, which has proved to be valuable dor studying odor processing in the olfactory bulb. However , this method has mainly been used to trace neuronal pathways, but seldom to explore sensory functions. Here, we have conducted two studies to define the conditions of application of manganese and to optimize processing of MEMRI images. Based on these methodological developments, we have then used MEMRI to investigate the activation of central olfactory structures following exposure of awake rats to biologically relevant odors (food and predator odors compared to a control situation). MEMRI revealed that a predator is processed differently from the control situation in the primary olfactory cortex. Fos immunolabeling in the anterior piriform cortex corroborated this result. Altogether, MEMRI and Fos results suggest that olfactory processing may rely on both the intensity of activation and the size of neuronal populations recruited. Finally, MEMRI revealed that the olfactory message, crucial for survival, is asymmetrically processed in the brain. Methodological and scientific advances brought by this thesis will be useful for better understanding brain olfactory processing

Traitement cérébral d'odeurs biologiquement signifiantes, révélé chez le rat par imagerie RMN fonctionnelle du manganèse

L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs.The aim of this thesis was to use MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) for studying the processing of behaviorally significant odors in the rat primary olfactory cortex, under conditions close to natural perception in awake animals. MEMRI is a method based on the detection of o functional and remanent contrast agent, manganese, which has proved to be valuable dor studying odor processing in the olfactory bulb. However , this method has mainly been used to trace neuronal pathways, but seldom to explore sensory functions. Here, we have conducted two studies to define the conditions of application of manganese and to optimize processing of MEMRI images. Based on these methodological developments, we have then used MEMRI to investigate the activation of central olfactory structures following exposure of awake rats to biologically relevant odors (food and predator odors compared to a control situation). MEMRI revealed that a predator is processed differently from the control situation in the primary olfactory cortex. Fos immunolabeling in the anterior piriform cortex corroborated this result. Altogether, MEMRI and Fos results suggest that olfactory processing may rely on both the intensity of activation and the size of neuronal populations recruited. Finally, MEMRI revealed that the olfactory message, crucial for survival, is asymmetrically processed in the brain. Methodological and scientific advances brought by this thesis will be useful for better understanding brain olfactory processing.CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Effects of manganese injected into rat nostrils: implications for in vivo functional study of olfaction using MEMRI.

WOS: 000298212500007International audienceManganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) is a powerful tool for visualizing neuronal pathways and mapping brain activity modulation. A potential drawback of MEMRI lies in the toxic effects of manganese (Mn), which also depend on its administration route. The aim of this study was to analyze the effects of Mn doses injected into the nostrils of rats on both olfactory perception and MRI contrast enhancement. For this purpose, doses in the range 0-8 μmol MnCl(2) were tested. Behavioral items were quantified with and without odor stimulation during the first 2 h following Mn injection. The MRI study was performed after 16 h of intermittent olfactory stimulations. Behavioral results showed that, during the early period following Mn administration, spontaneous motor activity was not affected, while odor-related behaviors were dose-dependently reduced. MRI results showed that, in the primary olfactory cortex, contrast was rapidly enhanced for Mn doses up to 0.3 μmol and very slowly above. This dose of 0.3 μmol Mn can thus be taken as the optimal dose for injection into rat nostrils to ensure a reproducible contrast in MRI studies while sparing olfactory perception

Functional manganese enhanced MRI reveals deep brain regions activations in response to odorant stimuli in rats

absen

MEMRI contrast enhancement and c-Fos immunodetection in the anterior piriform cortex.

<p>A, C & E: photomicrographs of the right (C) and left (A, E) sides of the brain. MEMRI images of the corresponding slices are shown in inserts with the ROI encompassing the piriform cortex in red. B, D & F: enlargements of the regions delimited by the black rectangles in A, C & E, respectively. A, B: anterior region of the anterior piriform cortex; stimulation: chocolate flavored cereals C, D: medial region of the anterior piriform cortex; stimulation: empty container E, F: posterior region of the anterior piriform cortex; stimulation: fox feces Abbreviations (1), (2), (3): layers 1, 2 and 3 of the piriform cortex, (aca) anterior part of the anterior commissure, (lot) lateral olfactory tract, (rf) rhinal fissure, (Tu) olfactory tubercle. Scale bars (only for Fos images): 1 mm.</p

Effect of odorous stimulation on Mn enhancement along the olfactory pathways.

<p>(A) 3D views of the t-map shown in the right column of <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0048491#pone-0048491-g001" target="_blank">Figure 1</a>. The intersection of this t-map and coronal planes at 22 rostro-caudal levels, (3 levels are shown: 1, 9 and 22) defined a region of interest (ROI) in which Mn enhancement was averaged to assess the effect of odorous stimulation. (B) Rostro-caudal distribution of the mean Mn enhancement in the 3 stimulated groups. At each level, the mean (± sem) Mn enhancement was calculated and compared using a one-way ANOVA. As indicated in the text, fox feces induced enhancement was always significantly different from deodorized air enhancement. Chocolate enhancement significantly differed from that of deodorized air only in slices 6 to 15 and in slice 17.</p

Figure

<p><b>1. Mn accumulation along olfactory pathways in the absence of olfactory stimulation.</b> T1-weighted MEMRI images were obtained from the 9 rats that did not receive any Mn and were not submitted to any odorous stimulation and from the 7 rats that received 0.3 µmol Mn intranasally and were exposed to a continuous flow of deodorized air. The 16 MEMRI images were normalized both spatially and in intensity as described in the text. The mean intensity values of homologous voxels in the 2 groups were then compared using a Student’s two-tailed t-test. Left column: a parasagittal view of the rat brain intersected by vertical red lines indicating the position, along the rostro-caudal axis, of the coronal sections shown in the three other columns. Center columns: coronal sections through the T1-weighted normalized MEMRI images of the 9 Mn-free unstimulated rats (left) and the 7 Mn-injected rats exposed to deodorized air (right). Right column: statistical t-map overlaid on T1-weighted MEMRI image showing Mn enhancement. T-values in red represent voxels whose mean intensity in the Mn group was higher than that of their homologues in the Mn-free group (p<0.001). Abbreviations: ac anterior commissure, Amyg Amygdaloid nuclei, Ent entorhinal cortex, Fr frontal cortex, Hi hippocampus, OB olfactory bulb, Pir piriform cortex, Tu olfactory tubercle, VS ventral striatum.</p