Interactions olfacto-alimentaires : étude fonctionnelle de la plasticité du système olfactif chez deux modèles murins de l’obésité

Olfaction makes possible both the detection and the processing of odors related to food location and palatability. Interestingly, receptors to anorexigen and orexigen hormones and neuropeptides found in the hypothalamus are also expressed in the main olfactory bulb (MOB), suggesting that feeding state has an impact on odor representation. However, neuronal mechanisms linking olfaction, food intake and metabolic disorders are still unclear. In this PhD thesis, we wanted to further understand mechanisms of the olfactory-feeding crosstalk and tested the effects of obesity on olfactory activity in the MOB. Leptin, a peptidergic hormone produced by adipocytes, is a major regulator of the energy balance and inhibits food intake. Ob/ob mice are deficient in leptin from birth and are widely used as a murine model of obesity. We used a functional neuroimaging technique, Manganese Enhanced Magnetic Resonance Imaging (MEMRI), in association with statistical parametric mapping (SPM) to monitor food odor-evoked spatial activity in the MOB of these mice. Using MEMRI, we found that odor-evoked signal is different, both in terms of intensity and localization between lean and ob/ob mice for the spontaneous activity and in response to food odor. However, this is not the case for a neutral odor. Moreover, leptin impacts both spontaneous activity and food odor-evoked signal intensity in both groups. Interestingly leptin strongly activates deep layers (mitral cell layer and mainly granule cell layer) of the MOB. To pinpoint what cellular/molecular mechanisms can be responsible for these changes in the spatial distribution of activity, we analyzed the effects of the lack of leptin on the composition and activity of the MOB cellular network.We quantified bulbar adult neurogenesis and found that 21 days after BrdU injections, a cell birth marker, ob/ob mice showed an increased number of both new periglomerular and granular cells as compared to control, suggesting that leptin regulates new neuron elimination. We also tested whether an inflammation could be occurring in the MOB. Using RTPCR of different neuronal and glial markers we did not observe strong signs of inflammation. Then we probed changes in local network activity in the deep layers of the MOB by recording local field potentials during a Go/NoGo odor discrimination task. We observed that the power of beta oscillations, the functional marker of the olfactory network between the MOB and the olfactory cortex, is way higher in the MOB of ob/ob mice compared to control mice.La compréhension des mécanismes cérébraux régulant la prise alimentaire est devenue cruciale face à la pandémie mondiale d’obésité. L’ingestion d’aliments est sous le contrôle d’un large réseau de structures cérébrales qui régulent la balance énergétique en régulant l’apport de nourriture et la dépense énergétique. Etant donné l’importance de l’olfaction dans l’appréciation des aliments, il est primordial d’identifier des mécanismes précis liant olfaction et nutrition.Nous avons choisi d’étudier l’activité dans le Bulbe Olfactif principal (BO), la première structure cérébrale qui permet la représentation spatiotemporelle des odeurs. De façon intéressante, des récepteurs aux hormones anorexigènes et orexigènes sont exprimés à la fois dans l’hypothalamus et le BO. Toutefois, l’impact de la leptine (et de l’obésité) sur l’activité du BO in vivo demeure inconnu.Pour évaluer l’action de la leptine et de l’obésité sur la plasticité olfactive, nous avons choisi le modèle murin ob/ob. Nous avons d’abord décrit la répartition spatiale de l’activité dans le BO en réponse à une odeur alimentaire et à une odeur neutre chez ces souris en les comparant à des souris témoins grâce une technique de neuroimagerie fonctionnelle, l’Imagerie par Résonance Magnétique renforcée au Manganèse (MEMRI). Par le développement d’une méthode de comparaison statistique indépendant de l’utilisateur, le SPM (Statistical Parametric Mapping), nous avons mis en évidence une augmentation de l’activité spontanée et de l’activité induite par odeur alimentaire dans le BO des ob/ob. Cependant, l’activité induite par une odeur neutre n’était pas plus élevée. L’injection de leptine a pour résultat d’augmenter le signal MEMRI dans les couches profondes du BO et ne restaure que partiellement l’activité des ob/ob. En quantifiant la neurogenèse dans le BO par injections de BrdU, nous avons mis en évidence une survie accrue des cellules granulaires et périglomerulaires chez les ob/ob.Pour évaluer la dynamique temporelle de l’activité du BO, nous avons enregistré par électrophysiologie les variations de l’activité oscillatoire du potentiel de champ local dans les couches profondes du BO pendant l’apprentissage d’une tâche de discrimination olfactive, le Go/NoGo. L’apparition d’une oscillation lente dite bêta (15-40 Hz) pendant cet apprentissage est un marqueur fonctionnel de l’état du réseau olfactif. Elle est dépendante des retours centrifuges provenant du cortex olfactif, majoritairement du cortex piriforme. Si nous n’avons pas observé de différence importante dans la discrimination olfactive, nous avons en revanche mis en évidence un problème motivationnel chez les animaux ob/ob, qui n’effectuaient la tâche que si la récompense hydrique contenait du sucre. Nos enregistrements montrent une forte augmentation des oscillations bêta chez les souris obèses après apprentissage comparé aux souris témoins

Odor-Induced Neuronal Rhythms in the Olfactory Bulb Are Profoundly Modified in ob/ob Obese Mice

Leptin, the product of the Ob(Lep) gene, is a peptide hormone that plays a major role in maintaining the balance between food intake and energy expenditure. In the brain, leptin receptors are expressed by hypothalamic cells but also in the olfactory bulb, the first central structure coding for odors, suggesting a precise function of this hormone in odor-evoked activities. Although olfaction plays a key role in feeding behavior, the ability of the olfactory bulb to integrate the energy-related signal leptin is still missing. Therefore, we studied the fate of odor-induced activity in the olfactory bulb in the genetic context of leptin deficiency using the obese ob/ob mice. By means of an odor discrimination task with concomitant local field potential recordings, we showed that ob/ob mice perform better than wild-type (WT) mice in the early stage of the task. This behavioral gain of function was associated in parallel with profound changes in neuronal oscillations in the olfactory bulb. The distribution of the peaks in the gamma frequency range was shifted toward higher frequencies in ob/ob mice compared to WT mice before learning. More notably, beta oscillatory activity, which has been shown previously to be correlated with olfactory discrimination learning, was longer and stronger in expert ob/ob mice after learning. Since oscillations in the olfactory bulb emerge from mitral to granule cell interactions, our results suggest that cellular dynamics in the olfactory bulb are deeply modified in ob/ob mice in the context of olfactory learning

Olfactory-Feeding Crosstalk : Describing The Profound Changes In The Spatiotemporal Representation Of Odors In The Main Olfactory Bulb Of Obese Mice

La compréhension des mécanismes cérébraux régulant la prise alimentaire est devenue cruciale face à la pandémie mondiale d’obésité. L’ingestion d’aliments est sous le contrôle d’un large réseau de structures cérébrales qui régulent la balance énergétique en régulant l’apport de nourriture et la dépense énergétique. Etant donné l’importance de l’olfaction dans l’appréciation des aliments, il est primordial d’identifier des mécanismes précis liant olfaction et nutrition.Nous avons choisi d’étudier l’activité dans le Bulbe Olfactif principal (BO), la première structure cérébrale qui permet la représentation spatiotemporelle des odeurs. De façon intéressante, des récepteurs aux hormones anorexigènes et orexigènes sont exprimés à la fois dans l’hypothalamus et le BO. Toutefois, l’impact de la leptine (et de l’obésité) sur l’activité du BO in vivo demeure inconnu.Pour évaluer l’action de la leptine et de l’obésité sur la plasticité olfactive, nous avons choisi le modèle murin ob/ob. Nous avons d’abord décrit la répartition spatiale de l’activité dans le BO en réponse à une odeur alimentaire et à une odeur neutre chez ces souris en les comparant à des souris témoins grâce une technique de neuroimagerie fonctionnelle, l’Imagerie par Résonance Magnétique renforcée au Manganèse (MEMRI). Par le développement d’une méthode de comparaison statistique indépendant de l’utilisateur, le SPM (Statistical Parametric Mapping), nous avons mis en évidence une augmentation de l’activité spontanée et de l’activité induite par odeur alimentaire dans le BO des ob/ob. Cependant, l’activité induite par une odeur neutre n’était pas plus élevée. L’injection de leptine a pour résultat d’augmenter le signal MEMRI dans les couches profondes du BO et ne restaure que partiellement l’activité des ob/ob. En quantifiant la neurogenèse dans le BO par injections de BrdU, nous avons mis en évidence une survie accrue des cellules granulaires et périglomerulaires chez les ob/ob.Pour évaluer la dynamique temporelle de l’activité du BO, nous avons enregistré par électrophysiologie les variations de l’activité oscillatoire du potentiel de champ local dans les couches profondes du BO pendant l’apprentissage d’une tâche de discrimination olfactive, le Go/NoGo. L’apparition d’une oscillation lente dite bêta (15-40 Hz) pendant cet apprentissage est un marqueur fonctionnel de l’état du réseau olfactif. Elle est dépendante des retours centrifuges provenant du cortex olfactif, majoritairement du cortex piriforme. Si nous n’avons pas observé de différence importante dans la discrimination olfactive, nous avons en revanche mis en évidence un problème motivationnel chez les animaux ob/ob, qui n’effectuaient la tâche que si la récompense hydrique contenait du sucre. Nos enregistrements montrent une forte augmentation des oscillations bêta chez les souris obèses après apprentissage comparé aux souris témoins.Olfaction makes possible both the detection and the processing of odors related to food location and palatability. Interestingly, receptors to anorexigen and orexigen hormones and neuropeptides found in the hypothalamus are also expressed in the main olfactory bulb (MOB), suggesting that feeding state has an impact on odor representation. However, neuronal mechanisms linking olfaction, food intake and metabolic disorders are still unclear. In this PhD thesis, we wanted to further understand mechanisms of the olfactory-feeding crosstalk and tested the effects of obesity on olfactory activity in the MOB. Leptin, a peptidergic hormone produced by adipocytes, is a major regulator of the energy balance and inhibits food intake. Ob/ob mice are deficient in leptin from birth and are widely used as a murine model of obesity. We used a functional neuroimaging technique, Manganese Enhanced Magnetic Resonance Imaging (MEMRI), in association with statistical parametric mapping (SPM) to monitor food odor-evoked spatial activity in the MOB of these mice. Using MEMRI, we found that odor-evoked signal is different, both in terms of intensity and localization between lean and ob/ob mice for the spontaneous activity and in response to food odor. However, this is not the case for a neutral odor. Moreover, leptin impacts both spontaneous activity and food odor-evoked signal intensity in both groups. Interestingly leptin strongly activates deep layers (mitral cell layer and mainly granule cell layer) of the MOB. To pinpoint what cellular/molecular mechanisms can be responsible for these changes in the spatial distribution of activity, we analyzed the effects of the lack of leptin on the composition and activity of the MOB cellular network.We quantified bulbar adult neurogenesis and found that 21 days after BrdU injections, a cell birth marker, ob/ob mice showed an increased number of both new periglomerular and granular cells as compared to control, suggesting that leptin regulates new neuron elimination. We also tested whether an inflammation could be occurring in the MOB. Using RTPCR of different neuronal and glial markers we did not observe strong signs of inflammation. Then we probed changes in local network activity in the deep layers of the MOB by recording local field potentials during a Go/NoGo odor discrimination task. We observed that the power of beta oscillations, the functional marker of the olfactory network between the MOB and the olfactory cortex, is way higher in the MOB of ob/ob mice compared to control mice