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

L’odorat est le seul de nos cinq sens à ne pas transiter par le thalamus, une région intermédiaire du cerveau, avant d’atteindre le cortex olfactif. Contrairement à la vue, l’ouïe, le toucher ou le goût, qui passent d’abord par le thalamus, les signaux olfactifs vont directement vers leur zone de traitement. Cette particularité en fait un sens très ancien sur le plan évolutif : détecter des molécules dans l’environnement était déjà crucial pour les premiers animaux il y a des centaines de millions d’années. Par exemple, sentir une odeur agréable comme celle des croissants chauds ou une odeur désagréable comme celle d’un toast brûlé active instantanément des circuits cérébraux sans étape intermédiaire. Cette connexion directe explique pourquoi l’odorat est si répandu chez les animaux, des insectes aux mammifères, et pourquoi il offre une fenêtre unique pour étudier l’évolution du cerveau.

Le néocortex est la partie du cerveau associée à des fonctions complexes comme la conscience, le langage ou la pensée abstraite. Il est présent chez tous les mammifères, des souris aux humains, mais absent chez les reptiles (lézards) ou les amphibiens (salamandres). Cette absence pose une question majeure aux scientifiques : d’où vient le néocortex ? Comment a-t-il évolué ? Les chercheurs tentent de reconstituer son histoire en comparant les cerveaux d’espèces différentes. Cependant, son apparence très distincte de celle des cerveaux reptiliens rend cette comparaison difficile. C’est ici que l’odorat devient un outil précieux : le cortex olfactif, la zone du cerveau dédiée à l’interprétation des odeurs, est bien plus facile à comparer entre espèces.

Pour étudier l’évolution du cerveau, les scientifiques analysent les neurones, ces cellules spécialisées qui transmettent des signaux électriques. Anton Crombach, chercheur à l’Inria, et son équipe ont comparé les neurones du cortex olfactif de la souris avec ceux de son néocortex, ainsi qu’avec ceux des lézards et des salamandres. Ils ont utilisé des technologies avancées pour mesurer l’expression génique, c’est-à-dire quels gènes sont actifs dans chaque cellule. En effet, chaque cellule contient l’ensemble du génome, mais n’utilise qu’un sous-ensemble de gènes pour remplir sa fonction. Par exemple, un neurone olfactif n’exprimera pas les mêmes gènes qu’un neurone du néocortex. Cette méthode permet de comprendre comment les cellules prennent des décisions moléculaires et comment elles évoluent.

L’étude a révélé deux résultats surprenants. D’abord, les neurones du cortex olfactif de la souris changent progressivement d’un type à l’autre, avec des gradients d’expression génique lisses, contrairement aux neurones du néocortex qui présentent des transitions plus brusques. Cette différence suggère que les mécanismes de régulation génique diffèrent entre ces deux zones. Ensuite, les chercheurs ont observé que les neurones du cortex olfactif de la souris ressemblent davantage à ceux des lézards ou des salamandres qu’à ceux de son propre néocortex. Cela indique que cette région cérébrale a conservé des caractéristiques ancestrales, datant d’avant la séparation entre mammifères et reptiles, il y a environ 200 millions d’années.

Une autre découverte concerne la présence de neurones immatures dans le cortex olfactif des souris adultes. Ces cellules, similaires à celles des jeunes souris, pourraient jouer un rôle dans la plasticité cérébrale, c’est-à-dire la capacité du cerveau à s’adapter. Par exemple, elles pourraient aider les souris à détecter de nouvelles odeurs en ajustant rapidement leurs circuits neuronaux. Les chercheurs ont utilisé l’apprentissage automatique pour prédire que ces neurones deviendraient des neurones activateurs au fil du temps. En comparant des souris de laboratoire, vivant dans un environnement stable, à des souris sauvages, exposées à un milieu plus dynamique, ils ont noté que les différences les plus marquées se situaient au niveau des neurones activateurs.