Chaque fois que vous ouvrez le pot de sel aromatique, le parfum intense de menthe, sarriette, sauge et mélisse qui s’en échappe vous replonge dans cette randonnée au cours de laquelle vous avez cueilli ces herbes. Les odeurs ont ce pouvoir presque magique : elles évoquent des émotions et des souvenirs de manière bien plus vive que les images ou les sons. Pourtant, l’odorat est un sens sous-estimé.

« Lorsque je demande aux gens de quel sens ils pourraient se passer, plus de la moitié répondent : l’odorat ! », confie Valentina Parma, chercheuse à l’université Temple, à Philadelphie, aux États-Unis. Valentina Parma étudie les liens entre ce sens et la sphère émotionnelle. « Les personnes qui perdent l’odorat voient souvent leur qualité de vie diminuer : les aliments ne sont plus agréables, l’odeur des proches perd sa valeur et le risque d’empoisonnement augmente, de même que celui de ne pas percevoir une fuite de gaz », explique-t-elle.

Cela peut surprendre, mais nous connaissons mal les processus cérébraux qui régulent ce sens, et le retard en matière d’intelligence artificielle dans le domaine est significatif : il n’existe toujours pas de dispositif olfactif comparable à ceux désormais courants dans d’autres domaines sensoriels, comme les systèmes de vision artificielle ou de reconnaissance vocale de nos téléphones et nos ordinateurs. Mais ces dernières années, des découvertes ont commencé à changer la donne.

Peu d’entre nous connaissent le marché des arômes alimentaires, un secteur industriel qui a un impact important sur la consommation. Des multinationales telles que Givaudan et Firmenich (dont le chiffre d’affaires est de plusieurs milliards de dollars par an) comptent parmi les leaders mondiaux de la production de parfums utilisés dans l’industrie alimentaire et ailleurs. C’est à ce secteur industriel que l’on doit une forte accélération de la recherche scientifique, même si, en réalité, l’odorat a été l’un des premiers sens étudiés par les neuroscientifiques.

Laborantin dans usine laboratoire de la parfumerie Fragonard à Èze

Inaugurée en 1968, l’usine laboratoire d’Èze, près de Nice, est l’une des trois usines de la parfumerie Fragonard, fondée en 1926 à Grasse. L’industrie des parfums a donné une forte impulsion à la recherche scientifique dans le domaine de l’olfaction.

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« La neurophysiologie est plus ou moins née avec l’étude de l’odorat », explique Giuliano Iurilli, chercheur au Centre des neurosciences et des systèmes cognitifs de l’Institut italien de technologie, à Rovereto. Dès le début du xxe siècle, le Britannique Edgar Adrian, Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1932, a mené d’importantes recherches sur ce sens. « Toutefois, ces études se sont vite arrêtées, précise Giuliano Iurilli. La raison est simple : c’est un sens extrêmement compliqué. Bien plus que la vision. »

Malgré ces difficultés, après la Seconde Guerre mondiale, développer des instruments pour l’industrie des parfums est devenu une nécessité. Il fallait notamment comprendre quelle est l’odeur d’une molécule dont on ne connaît que la structure chimique. La science n’a pas encore répondu à cette question. Mais elle a avancé sur la description de l’olfaction.

Des millions de milliards d’odeurs décodées

« Lorsque nous sentons quelque chose, nous respirons des molécules volatiles, explique Valentina Parma. Ces molécules stimulent les neurones sensoriels disposés aléatoirement sur l’épithélium olfactif, dans la partie supérieure du nez. Cet organe abrite ainsi des millions de ces cellules, chacune étant associée à un type de récepteur olfactif. »

Imaginez que ces récepteurs soient des briques de construction avec des rainures différentes : chacun ne se lie qu’à certaines molécules volatiles et ne code que certaines odeurs. L’olfaction est fondée sur un système combinatoire : au lieu de dédier un récepteur olfactif à une odeur, c’est la combinaison des activations de plusieurs récepteurs qui détermine ce qui sera perçu. Ainsi, avec « seulement » 400 types différents de récepteurs, nous décodons des millions de milliards d’odeurs. La découverte de ce mécanisme, au début des années 1990, a valu aux biologistes américains Linda Buck et Richard Axel le prix Nobel de physiologie ou médecine en 2004.

Le voyage du signal nerveux olfactif ne s’arrête pas là. Les axones des neurones sensoriels – l’axone est le prolongement qui part du corps du neurone et s’étend vers d’autres cellules – traversent un os perforé de nombreux trous, la lame criblée de l’ethmoïde, et atteignent les bulbes olfactifs dans le cerveau, deux protubérances situées à la base du lobe frontal. Dans les bulbes, des structures nommées « glomérules » regroupent les informations provenant de différents neurones olfactifs et leur donnent une représentation spatiale spécifique – une carte dite « chimique » : des régions différentes du bulbe s’activent selon la molécule sentie.

Chaque odeur active un groupe de glomérules différents et, en fonction du nombre et de la nature des glomérules activés, il est possible de déterminer de quelle odeur il s’agit. De là, l’information olfactive arrive dans le cortex piriforme, une petite région cérébrale située dans le lobe temporal. Dans cette région, la carte olfactive présente dans les bulbes disparaît – une étape cruciale, nous le verrons.

Le fonctionnement du cortex piriforme est complexe. Des interconnexions étendues le relient non seulement au bulbe olfactif, mais aussi à des structures olfactives secondaires telles que l’amygdale, qui traite, sans que l’on en ait conscience, l’émotion associée aux odeurs, l’hippocampe, qui permet la formation de souvenirs olfactifs, et le cortex orbitofrontal, qui traite de façon consciente la valeur de chaque odeur.

« L’idée générale, conclut Valentina Parma, est que les transformations spatiales qui se produisent lors du passage des récepteurs aux aires corticales, c’est-à-dire lors du passage des cartes ordonnées des bulbes olfactifs au brassage apparemment aléatoire du cortex piriforme, offrent la possibilité d’encoder à la fois des odeurs que nous reconnaissons de manière innée, sans en avoir fait l’expérience, à l’aide de circuits neuronaux stéréotypés, et des odeurs que nous reconnaissons par l’expérience et qui nécessitent une flexibilité fondée sur l’apprentissage. »

De l’inné et de la flexibilité, mais pas trop

« Pour certaines odeurs, la flexibilité doit être faible, ajoute Giuliano Iurilli. Surtout chez des animaux chassés par des prédateurs. » Une souris, par exemple, ne peut avoir une représentation trop variable des odeurs du renard ou du loup. Cette représentation doit au contraire être stable et activer rapidement des circuits moteurs de défense. Trop de flexibilité entraîne un retard dans la réponse, une incertitude, ce qui, sur le plan évolutif, est suicidaire.

Cependant, même si les processus stéréotypés ont une forte base innée, l’effet de l’expérience n’est pas exclu. Dans le système nerveux, si des fonctions innées se manifestent toujours, d’autres, également innées, nécessitent l’intervention de l’environnement pour se développer.

C’est le cas dans la vision tridimensionnelle binoculaire : dans le cerveau humain adulte, des structures nommées « colonnes de dominance oculaire » perçoivent les légères différences entre les images reçues par chaque œil, ce qui permet au cerveau de « calculer » la distance de l’objet. Ces structures sont innées – les informations sont contenues dans notre génome –, mais elles ne se développent pas toujours. Une période de cécité immédiatement après la naissance, même temporaire, empêche leur formation. Par exemple, il suffit de bander les yeux de chats, une autre espèce présentant des colonnes binoculaires, durant les premiers jours pour provoquer une cécité permanente à la stéréoscopie.

Les aptitudes olfactives innées seraient de ce type. « Même les structures cérébrales importantes pour les comportements innés conservent une certaine plasticité. D’un point de vue énergétique, c’est plus économique, commente Giuliano Iurilli. À quoi servent des neurones représentant le renard si l’on n’en rencontre jamais ? »

Selon lui, cela explique aussi la différence de vitesse d’apprentissage observée entre les réseaux de neurones artificiels et biologiques. « Aujourd’hui, avec les réseaux de neurones profonds, on fait un peu de tout : conduite automatique, reconnaissance vocale, etc. Mais un réseau artificiel nécessite un entraînement avec des millions d’exemples, alors que les cerveaux biologiques partent de quelque chose d’inné. S’ils en ont besoin, ils l’améliorent, sinon, ils ne l’exploitent pas, ce qui évite de consommer de l’énergie inutilement. Chaque système biologique part d’une base innée et ajoute ensuite de la flexibilité. »

Une variabilité d’un individu à l’autre

Revenons aux récepteurs olfactifs. Dans la membrane des cellules sensorielles sont fichées des protéines – chacune correspondant à un gène – qui se fixent sélectivement aux molécules odorantes. Chez l’humain, plus de 900 gènes codent de telles protéines, dont, étonnamment, environ 500 sont des « pseudogènes », qui ne fonctionnent plus. « D’un point de vue évolutif, les gènes olfactifs se sont dupliqués, triplés, quadruplés pour former des grappes dans les chromosomes et ce processus évolutif est probablement encore actif », explique Paolo Gasparini, qui dirige le département de génétique médicale de l’institut pédiatrique Burlo Garofolo, à Trieste, en Italie, et qui a mené de nombreuses recherches sur les bases génétiques du goût et de l’odorat. « Aujourd’hui, nous n’utilisons plus notre odorat pour la reproduction ou pour identifier les proies et les prédateurs, des fonctions importantes dans notre passé évolutif. De nombreux gènes sont donc tombés en désuétude et ne conduisent au développement d’aucun type de récepteur. »

Un autre phénomène, observé récemment, a pu intervenir. « Grâce aux techniques de génomique, le génome de centaines de milliers de personnes dans le monde a été analysé, indique Paolo Gasparini. À Trieste, nous avons séquencé celui de plusieurs milliers d’individus. Les gènes les plus sujets à l’invalidation génique, c’est-à-dire à des mutations touchant les deux copies d’un même gène (ses deux allèles) chez un individu et rendant ce gène inactif, sont essentiellement de deux catégories : ceux qui codent les récepteurs olfactifs et ceux qui codent les kératines, des protéines fibreuses qui constituent les ongles, les cheveux et les poils. C’est une preuve supplémentaire que nous pouvons vivre avec un grand nombre de gènes olfactifs non fonctionnels. » La seule conséquence de ces invalidations géniques est la perte sélective d’une odeur, sans incidence sur la santé.

De tels phénomènes entraînent une variabilité entre les individus d’une même espèce. Certaines études suggèrent même que deux personnes sont susceptibles de percevoir différemment près d’une odeur sur trois. « Un exemple est emblématique, explique Valentina Parma. On perçoit l’androstadiénone, une hormone dérivée de la testostérone, grâce à un récepteur spécifique. Or on a répertorié trois variants alléliques du gène qui code ce récepteur. Selon le variant, on perçoit une forte odeur de sueur ou d’urine, une odeur douce et agréable, presque florale, ou rien du tout. Difficile de trouver un équivalent visuel ! »

Le rôle clé du cortex piriforme

L’odorat d’une personne varie aussi dans le temps. Ce fait, déjà décrit dans la littérature scientifique, est à nouveau apparu dans une étude menée en 2020 chez la souris par Giuliano Iurilli et Stefano Panzeri, de l’Institut italien de technologie, à Rovereto, et des collègues. L’objectif était de comprendre la transformation spatiale, c’est-à-dire le passage de la carte ordonnée des glomérules au chaos du cortex olfactif. « Dans le cortex piriforme, l’organisation chimique disparaît », explique Stefano Panzeri.

« Pour comprendre ce qui se passe, explique Giuliano Iurilli, imaginons les photos de deux personnes d’âge similaire aux cheveux courts et remanions aléatoirement tous les pixels de chaque photo. À ce stade, on peut penser que toutes les informations ont été perdues et que la similitude entre les deux photos n’est plus traçable. Pourtant, si on les compare avec la photo d’une personne plus âgée aux cheveux longs, elle aussi remaniée, on observe qu’il est possible, malgré tout, de détecter que la distance entre la troisième et chacune des deux autres est plus grande que la distance entre ces dernières. » Le chaos du cortex piriforme n’est qu’apparent : grâce à ses connexions internes, non seulement il maintient l’information, mais il la réorganise et l’enrichit.

Et l’encodage de ces informations ne dépend pas que de la localisation des neurones : « Nous avons observé que dans le cortex piriforme, la séquence temporelle de l’expérience joue un rôle clé. Chez les souris familiarisées pendant quelques jours avec une séquence de deux odeurs chimiquement différentes, le cortex piriforme développait des représentations plus semblables des deux odeurs que chez celles qui n’avaient pas eu de période de familiarisation », explique Stefano Panzeri.

« On peut voir les catégorisations dans le bulbe comme des représentations proches des détails chimiques de l’odeur. Dans le cortex, en revanche, on se rapproche de la signification perceptive », conclut-il. Par exemple, nous regroupons sous le terme « agrumes » les odeurs d’orange et de citron, qui ont des structures chimiques différentes. Ce type d’association se produirait dans le cortex piriforme sur la base de l’expérience personnelle.

Des nez artificiels biomimétiques

De telles études permettent de découvrir de nouveaux détails sur les mécanismes en jeu dans le traitement des signaux olfactifs, dont on s’inspire ensuite pour développer des systèmes d’olfaction artificiels. Michael Schmuker, du groupe de bio-informatique de l’université du Hertfordshire, au Royaume-Uni, fait partie des quelques chercheurs dans le monde qui développent des systèmes olfactifs biomimétiques ou, selon sa formulation, « d’olfaction neuromorphique ».

« Nous sommes encore loin de prédire l’odeur que produira une molécule inconnue à partir de ses caractéristiques chimiques », commente-t-il. Actuellement, les systèmes artificiels de l’industrie ont des fonctions très limitées par rapport aux nez biologiques. On utilise des nez artificiels dans l’industrie alimentaire ou pour la sécurité, afin de détecter la présence de gaz explosifs ou toxiques. Assez encombrantes, ces machines réalisent une chromatographie – une analyse chimique des substances présentes dans l’air. Elles ont par ailleurs au moins deux problèmes majeurs : elles sont lentes et très peu flexibles.

Comparaison du fonctionnement du nez biologique et du nez électronique

NEZ BIOLOGIQUE VERSUS NEZ ÉLECTRONIQUE

Dans les systèmes biologiques, l’identification d’une odeur commence par la liaison des molécules volatiles à des récepteurs spécifiques nichés dans la membrane de neurones olfactifs, eux-mêmes situés dans les cavités nasales. Les humains comptent environ 400 types de récepteurs olfactifs. En progressant vers les régions cérébrales plus centrales, les signaux issus de l’activation de ces récepteurs se combinent, ce qui nous permet de percevoir de nombreuses odeurs différentes (au moins 10 000, voire plus de 1 000 milliards selon certaines estimations).

Dans les systèmes artificiels, le nombre d’odeurs perceptibles est limité par le nombre de types de capteurs chimiques qui détectent les substances volatiles. Un processeur électronique analyse l’activation des capteurs selon une méthode plus ou moins d’inspiration biologique. En général, l’industrie préfère une approche d’ingénierie, moins flexible mais plus sûre, pour détecter des substances particulières. Le résultat est alors comparé à une banque de données pour rechercher des similitudes avec des odeurs connues. Contrairement aux nez biologiques, la plupart des nez artificiels sont incapables d’apprendre à reconnaître de nouvelles odeurs.

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« Il est important d’améliorer ces machines en y incorporant les caractéristiques apprises des systèmes biologiques, poursuit Michael Schmuker. En s’inspirant des mécanismes biologiques que nous étudions chez les mammifères, mais aussi chez les insectes, qui sont le produit de millions d’années d’évolution et ont donc déjà résolu de nombreux problèmes en matière d’olfaction, nous disposerions de systèmes rapides et capables de détecter un éventail plus large de molécules odorantes. »

Un domaine d’intérêt de Michael Schmuker est l’olfaction liée à un événement. « Un problème des nez artificiels est qu’il est difficile de localiser avec précision la source d’une substance odorante. Les machines classiques analysent les niveaux absolus de la molécule dans l’air, mais par cette approche il est difficile de localiser une source, comme une fuite de gaz. » En effet, les gaz ont tendance à stagner dans l’air ou, au contraire, à se dilater de manière turbulente et imprévisible.

« Notre nez fonctionne différemment : il est sensible aux variations de la concentration d’une molécule odorante plutôt qu’à ses niveaux absolus. » Par exemple, lorsqu’on entre dans un bar, on est frappé par l’odeur du café, mais au bout d’un moment, on ne la sent plus. On y prête à nouveau attention si la concentration de la molécule odorante dans l’air augmente soudainement. « Nous développons des systèmes artificiels fondés sur la détection des changements d’odeur. Cela permet de repérer beaucoup plus vite à la fois la présence d’une molécule et sa source. »

Imiter l’olfaction des insectes

« Le mot “neuromorphique” signifie “ayant la même forme que les neurones”, explique Michael Schmuker. Notre objectif est de décrire les principes calculatoires des systèmes olfactifs biologiques, puis de les transférer dans des algorithmes et des dispositifs. »

Pour l’atteindre, il faut d’abord des capteurs inspirés des récepteurs biologiques, mais ceux-ci n’existent pas encore. La plupart des capteurs chimiques actuels sont fondés sur la mesure de la résistance électrique d’un matériau sensible exposé à des molécules volatiles. Néanmoins, des récepteurs hybrides existent, constitués de capteurs biologiques – par exemple des cellules olfactives isolées et génétiquement modifiées, ou des cultures de tissu olfactif – reliés à un circuit électronique.

Plusieurs exemples de cette technologie hybride existent, et certains sont très récents. Ainsi, divers dispositifs munis de récepteurs de l’épithélium olfactif de chiens se sont révélés efficaces pour détecter une odeur de beurre due à la molécule de diacétyle dans les boissons alcoolisées. Un autre dispositif mis au point en 2019 à l’Institut de science industrielle et de technologie de Kanagawa, au Japon, utilise le système olfactif du moustique : le capteur est une protéine du moustique qui détecte l’odeur de l’octénol. Cette protéine est insérée dans une membrane cellulaire artificielle. Enfermé dans une chambre spéciale préservant le matériel biologique et introduit dans un robot, ce système, relié à des électrodes détectant et transmettant son activité, a réagi à la présence de la molécule dans l’air.

Ces dispositifs hybrides, cependant, ont souvent la même limite : leur partie biologique est généralement constituée de récepteurs d’un seul type, qui ne détectent qu’une classe très restreinte de molécules odorantes. Mais la technologie se développe et il est probable que, dans un avenir proche, elle devienne capable d’intégrer plusieurs types de récepteurs à la fois.

Bien sûr, disposer de récepteurs efficaces ne suffit pas pour atteindre l’olfaction neuromorphique. Ils ne sont que la première étape. En 2007, Michael Schmuker a décrit un système d’olfaction artificiel complet fondé sur celui des insectes. Le modèle comporte trois étapes. La première imite les récepteurs biologiques et reproduit l’aspect combinatoire de l’analyse effectuée par l’épithélium olfactif. À ce stade, différents types de récepteurs sont accordés à différents groupes d’odeurs. L’activation combinée de ces récepteurs constitue l’entrée dans la deuxième étape. Ce stade s’inspire du lobe antennaire, l’organe de l’insecte qui correspond aux bulbes olfactifs des vertébrés. À cette étape, par le biais de connexions inhibitrices entre les cellules, les informations olfactives sont « canalisées » et renforcées, comme dans les glomérules. Une carte chimique se forme alors, où des glomérules proches se spécialisent pour des odeurs chimiquement similaires.

Dans la troisième étape, un algorithme d’apprentissage automatique est appliqué, c’est-à-dire un système informatique avancé capable d’apprendre par lui-même à catégoriser des stimuli. C’est l’étape qui imite ce qui se passe dans le cortex olfactif. Les performances du système, en cours d’amélioration, sont encore inférieures à celles du système biologique, mais elles sont comparables à celles des méthodes d’apprentissage automatique les plus répandues, comme les classificateurs dits « bayésiens ».

Des nez électroniques, pour quoi faire ?

Les systèmes olfactifs biomimétiques sont donc encore loin d’être disponibles sur le marché. Mais les difficultés techniques ne sont pas le seul obstacle. Certains chercheurs se demandent si nous avons besoin d’appareils qui sentent comme nous. Giuliano Iurilli est sceptique : « Nous avons déjà des systèmes qui détectent les sources de contamination, d’intoxication et les explosifs potentiels. » La seule application vraiment nécessaire, selon lui, serait médicale : « Ils pourraient être utiles pour reconnaître une maladie à l’odeur. On utilise déjà des chiens, mais dresser et garder un chien dans un hôpital est coûteux et peu pratique. »

Michael Schmuker voit les choses différemment : « Une raison de développer des systèmes d’olfaction artificiels biomimétiques est de mieux comprendre les systèmes biologiques. » De plus, grâce aux enseignements des systèmes biologiques, il a bon espoir que les systèmes olfactifs artificiels bio-inspirés gagneront en vitesse et polyvalence et consommeront moins d’énergie. Ils pourraient être exploités en agriculture « pour vérifier la maturation des cultures, identifier leurs maladies et les attaques de parasites ». Et, qui sait, atteindre le graal : servir de prothèses numériques contre les troubles olfactifs, à l’instar de ce qui se fait pour améliorer l’audition et la vision. Plus de la moitié de la population mondiale de plus de 65 ans est concernée.





Source [ Pour la science ]