Flairer des indices pour porter attention : l’olfaction comme un modèle de choix pour explorer les bases neurales de l’attention – SniffAttention

Pour répondre à nos questions scientifiques nous avons fait le choix d’une approche intégrative et de combiner plusieurs méthodes. Tout d’abord, nous avons développé une tâche d’attention soutenue aux odeurs pendant laquelle le rat doit soutenir son attention et attendre l’arrivée imprédictible d’une cible odorante. Combiné à cette tâche comportementale, nous avons utilisé un pléthysmographe corps entier permettant l’enregistrement non invasif de la respiration couplé aux marqueurs comportementaux ; l’enregistrement vidéo des mouvements de la face et de la pupille afin d’avoir accès à l’aspect postural de l’animal mais aussi à son niveau d’éveil grâce à la taille de la pupille ; et enfin l’enregistrement de l’activité électrique de plusieurs régions clés du cerveau grâce aux enregistrements multi-sites des potentiels de champ locaux.

Grâce à cette approche intégrative, nous avons pu corréler des marqueurs physiologiques et neurophysiologiques aux processus attentionnels.

Notre recherche s’intéresse à la manière dont les animaux soutiennent leur attention sur une période prolongée lorsqu’ils doivent détecter la présence ou l'absence d'une odeur.

Dans un premier temps, nous avons étudié si l’attention aux odeurs variait selon un rythme précis, comme c’est le cas pour la vision. Nos résultats ne montrent pas de fluctuations des performances au cours du temps, ce qui pourrait s’expliquer par le fait que les odeurs arrivent déjà naturellement au rythme de la respiration – un rythme déjà suffisant pour guider l’attention. De façon importante, nous avons observé que la respiration joue un rôle central dans cette tâche d'attention. Par exemple, les animaux respirent plus vite quand ils doivent soutenir leur attention sur une période prolongée, et cette accélération semble les aider à mieux détecter la présence ou l’absence d’odeur. Leur respiration est également synchronisée avec les différentes étapes de la tâche, ce qui montre qu’elle sert à se préparer et ce quelle que soit la modalité sensorielle testée (olfactive ou auditive).

Dans un second temps, nous avons combiné plusieurs méthodes pour étudier les substrats physiologiques et neurophysiologiques de l’attention soutenue aux odeurs. Nous mettons en avant l’importance du couplage respiration et activités oscillatoires dans le cortex piriforme et dans le cortex orbitofrontal pour le maintien de l’attention et pour la prise de décision rapide dans cette tâche. Enfin, notre étude montre que l’état interne de l’animal (comme le maintien de sa posture ou son niveau d’éveil) reflète son engagement dans la tâche et influence ses performances.

Ce projet ouvre des perspectives passionnantes dans la compréhension des processus attentionnels.

Nous avons montré qu’il existe un lien étroit entre la respiration et les performances attentionnelles chez le rat. À partir de là, une nouvelle question émerge : si la respiration influence l’attention, peut-on agir sur cette respiration pour aider des individus ayant des déficits attentionnels ? La prochaine étape de notre recherche consistera à tester cette idée chez des rats qui présentent un trouble de l’attention. Nous voulons notamment tester si en modifiant la respiration de ces rats, on peut améliorer leur capacité à rester attentifs.

Une autre perspective est de tester l’implication causale via l’optogénétique des circuits dont nous avons démontré l’implication au cours de ce projet (cortex piriforme-cortex orbitofrontal).

L’attention est une fonction cognitive majeure et les déficits attentionnels se retrouvent dans plusieurs troubles du neurodéveloppement (par exemple Trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité) et neuropsychiatriques (par exemple la schizophrénie). Une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents aux processus attentionnels dans des conditions non pathologiques constitue une étape indispensable pour guider la mise en œuvre d’outils thérapeutiques pour le traitement des déficits attentionnels.
L'attention a plusieurs facettes comprenant l'attention sélective, l'attention soutenue et l'attention divisée. Notamment, l’attention soutenue peut être définie comme la capacité de détecter des stimuli intermittents et imprévisibles sur des périodes de temps prolongées. Il a été proposé qu'elle soit l'une des composantes élémentaires de l'attention, pouvant influencer non seulement les autres processus d'attention mais aussi d'autres performances cognitives.
Au cours des dernières décennies, de nombreux progrès ont été accomplis dans la compréhension des mécanismes neuronaux de l'attention, en particulier chez l'Homme et le Singe. De manière critique, il a été démontré, dans des tâches d'attention visuelle soutenue, que les performances fluctuent au cours du temps, avec une périodicité dans la bande de fréquence du rythme thêta (4-8Hz) et que ce rythme est lié aux oscillations thêta dans le réseau frontopariétal. Cependant, il reste à déterminer si cette attention rythmique, exprimée à la fois au niveau comportemental et neuronal dans la bande de fréquence thêta, est un principe général du traitement attentionnel quelle que soit la modalité sensorielle concernée. Existe-t-il une dynamique des réseaux neuronaux commune régissant les fluctuations des performances pendant l’attention soutenue ? Pour répondre à ces questions, il est nécessaire d'étudier d'autres modalités sensorielles en dehors de la vision et de développer de nouvelles approches, en particulier chez les rongeurs, un modèle offrant un large éventail de possibilités pour enregistrer et manipuler l'activité neuronale et dans lequel les études sur l'aspect temporel de l'attention restent rares.
Dans ce projet SniffAttention, je propose d'utiliser la modalité olfactive, un sens dominant pour les rongeurs, et de ce fait une modalité sensorielle appropriée et écologique pour étudier l'attention chez le rat. Un autre atout important de la modalité olfactive est qu'elle pourrait avoir un substrat naturel aux processus attentionnels rythmiques. En effet, l'échantillonnage olfactif est inextricablement lié à un rythme vital : la respiration, les molécules odorantes pénétrant dans la cavité nasale à chaque inspiration. De plus le rythme respiratoire est dans une bande de fréquence qui recouvre celle du rythme thêta dans l’attention visuelle.
Le projet SniffAttention vise à 1) tester si les performances lors d'une tâche d'attention olfactive soutenue fluctuent, comme cela se passe dans le système visuel, et si ces fluctuations sont liées au mode d'échantillonnage rythmique du système olfactif : la respiration et 2) décrypter la dynamique neuronale de certaines structures impliquées dans une tâche d'attention olfactive soutenue chez le rongeur.
Ce projet SniffAttention abordera ces deux objectifs en combinant différentes approches complémentaires incluant un test comportemental sophistiqué avec un enregistrement simultané de la respiration et des activités oscillatoires cérébrales de l’animal, ainsi que l'utilisation de l'optogénétique pour disséquer les fondements des fluctuations des performances attentionnelles.