Irfan Yilmaz
Nous percevons le monde qui nous entoure à travers les couleurs, les sons, les formes géométriques et les odeurs. Bien que diverses théories et divers modèles aient été proposés pour expliquer comment la vue, l’ouïe et l’odorat sont traités par le cerveau, nous n’en sommes encore qu’aux premiers stades de la compréhension de ces sens extraordinaires que Dieu a accordés aux animaux et aux êtres humains.
Dans nos yeux se trouvent deux types de photorécepteurs : les bâtonnets et les cônes. Ces récepteurs sont dotés de la capacité de percevoir certaines longueurs d’onde des vibrations du monde extérieur sous forme de lumière et de couleur. Ils sont sensibles aux couleurs ainsi qu’aux nuances entre le noir et le blanc. Les centaines de teintes que nous percevons grâce aux cônes résultent de différentes combinaisons des longueurs d’onde de la lumière rouge, verte et bleue.
Les récepteurs auditifs situés dans l’oreille interne sont stimulés selon la fréquence et l’intensité des sons, suivant un principe comparable à celui des cordes vibrantes de différentes longueurs dans un instrument de musique. Ces stimulations sont ensuite perçues comme des sons par le cerveau.
Quant à l’odorat, il repose sur environ 400 types différents de récepteurs olfactifs.
Avant même que l’odeur ne soit perçue par le cerveau, un système de décodage extrêmement complexe entre en action parmi des millions de molécules odorantes. On ignore encore comment les signaux provenant de ces cellules réceptrices sont combinés pour déclencher une sensation olfactive particulière.
Si les codes de l’odorat pouvaient être entièrement déchiffrés, il deviendrait peut-être possible de comprendre comment les animaux retrouvent leurs partenaires, leurs petits ou leur nourriture, et comment la régulation moléculaire intervient dans la compréhension des émotions, le stress, l’appétit ou encore l’humeur.
Un langage olfactif encore énigmatique
L’une des plus grandes difficultés dans l’étude des odeurs est qu’il n’existe pas toujours de relation directe entre la structure chimique d’une molécule et l’odeur perçue.
Deux substances chimiques possédant des structures très similaires peuvent dégager des odeurs totalement différentes, tandis que deux molécules très différentes peuvent être perçues comme ayant presque la même odeur.
De plus, les parfums ne sont généralement pas constitués d’une seule substance, mais d’un mélange de dizaines, voire de centaines de molécules aromatiques.
Par exemple, l’odeur du café ou celle d’un fromage fermenté résulte d’un mélange complexe de protéines, de lipides, de vitamines et de glucides.
Dans une structure aussi complexe, la question demeure : comment une molécule donnée interagit-elle avec d’autres molécules pour produire une signature olfactive commune ?
Lorsque l’on compare trois ou quatre variétés différentes de poires ou de pommes, chacune possède une odeur et une saveur distinctes. Pourtant, si l’on isole individuellement chacun des minéraux ou composés organiques et inorganiques présents dans une pomme, les odeurs qu’ils produisent séparément diffèrent fortement de celle qu’ils génèrent ensemble.
Le fait que chaque variété de pomme présente une odeur particulière est lié aux proportions et aux combinaisons des substances qu’elle contient, mais nous savons encore très peu de choses sur les mécanismes précis de ce phénomène.
À la recherche du code de l’odorat
Le fonctionnement des récepteurs visuels de l’œil humain est relativement bien compris. Nous connaissons assez précisément leur réaction à la lumière ainsi que les processus chimiques impliqués.
En revanche, nous ignorons encore comment les signaux provenant de 400 types différents de récepteurs olfactifs s’assemblent pour produire une sensation olfactive précise.
Par ailleurs, l’étude des protéines situées dans les membranes de ces récepteurs demeure extrêmement difficile. Nous ne connaissons donc leur structure et leur mode de fonctionnement que de manière approximative.
Toutefois, grâce aux progrès de l’informatique, de l’intelligence artificielle et de l’analyse de données, nous pouvons espérer des avancées importantes dans le déchiffrement des odeurs et dans la compréhension de l’architecture fine des structures biologiques.
Une étude publiée dans la revue scientifique Nature a présenté des milliers d’odeurs à un groupe de personnes ainsi qu’à un système d’intelligence artificielle.
Les résultats ont montré que :
En utilisant uniquement la structure des molécules, l’algorithme d’intelligence artificielle s’est révélé performant pour prédire l’odeur des composés, obtenant des résultats comparables à ceux de l’évaluation moyenne des participants humains, et même supérieurs à ceux d’un individu moyen. [1]
L’une des conclusions possibles est que l’odorat comporte une dimension subjective.
L’intelligence artificielle, créée par l’être humain, ne possède ni âme ni vécu personnel. Pourtant, en s’appuyant uniquement sur les codes moléculaires, elle a réussi à classer les odeurs avec une précision remarquable.
Le code secret de l’odorat
Le nez contient des millions de neurones olfactifs. Ceux-ci constituent le matériel biologique permettant la perception des odeurs, et chacun d’eux porte généralement un seul type de récepteur olfactif.
Le groupe de gènes responsable de ces récepteurs fut découvert au début des années 1990, une découverte récompensée par le prix Nobel. [2]
Chaque type de récepteur peut reconnaître une ou plusieurs odeurs, tandis qu’une même odeur peut être détectée par plusieurs récepteurs différents.
Les chercheurs estiment ainsi que les millions de neurones reliés aux 400 types de récepteurs olfactifs peuvent répondre à environ mille milliards de substances odorantes différentes grâce aux combinaisons qu’ils forment.
Selon le biochimiste Aashish Manglik, de l’Université de Californie à San Francisco, ce système est incroyablement souple et parfait ; c’est probablement le seul moyen de comprendre l’extraordinaire diversité chimique de la nature.
Le mystère des récepteurs olfactifs
Une étape essentielle dans le décodage des odeurs consiste à comprendre l’apparence et le fonctionnement de ces récepteurs.
Cependant, selon Manglik, ces protéines membranaires sont extrêmement difficiles à étudier car il n’a pas encore été possible d’en produire et d’en isoler des quantités suffisantes pour des analyses détaillées.
Certains chercheurs travaillant sur les insectes ont réussi à déterminer la structure des récepteurs olfactifs qu’ils utilisent. [3] Bien que ceux-ci soient très différents de ceux des mammifères, leur logique de fonctionnement semble similaire. [4]
Plus récemment, deux nouveaux types de récepteurs olfactifs chez la souris ont été identifiés. Il est apparu qu’ils détectent principalement les odeurs désagréables telles que celles du poisson ou de la putréfaction, composantes majeures des odeurs corporelles de nombreux animaux. [5, 6]
Une équipe de recherche a également réussi pour la première fois à visualiser au microscope électronique la manière dont une protéine d’un récepteur olfactif humain se lie à une molécule odorante. Les chercheurs ont observé comment le propionate, responsable de l’odeur piquante de certains fromages, pénètre dans une cavité du récepteur, s’y fixe, modifie sa forme et transmet ainsi une information.
Cependant, la nature exacte de ce processus demeure encore mal comprise. [7]
Bien que les chercheurs soient très enthousiastes, ils savent également que résoudre un seul des centaines de récepteurs qui détectent les substances odorantes ne permettra pas encore de tirer beaucoup de conclusions.
Les chercheurs ont ensuite observé que deux composés distincts possédant tous deux une odeur mentholée se fixaient sur des zones différentes du même récepteur.
Pourquoi deux molécules semblables sentent-elles différemment ?
Les chercheurs ont également observé que deux composés distincts possédant tous deux une odeur mentholée se fixaient sur des zones différentes du même récepteur.
Ils pensent que différentes odeurs peuvent se lier à un même récepteur en des points distincts et déclencher des réactions différentes.
Cela pourrait expliquer pourquoi :
- deux substances chimiques différentes peuvent produire des odeurs semblables ;
- des composés chimiquement très proches peuvent au contraire dégager des odeurs très différentes.
Un exemple célèbre est celui des deux formes de la molécule de carvone.
Leur structure est identique, mais elles sont l’image miroir l’une de l’autre.
Pourtant :
- l’une est perçue comme une odeur de menthe ;
- l’autre comme une odeur de cumin ou d’aneth.
Le secret de cette différence semble résider précisément dans les récepteurs olfactifs.
Les efforts pour percer ce mystère se poursuivent. Jusqu’à présent, nos découvertes ne représentent que quelques gouttes prélevées dans l’océan infini du savoir divin.
Entre-temps, grâce à des techniques telles que l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle, des molécules odorantes capables de se lier à 20 % des récepteurs olfactifs humains ont été identifiées. Au cours de ces recherches, les scientifiques ont analysé des millions de composés afin de déterminer quelles molécules pourraient se lier à deux de ces récepteurs. Ils ont découvert que l’un de ces récepteurs était spécifiquement sensible à l’odeur de la fleur d’oranger, tandis que l’autre était sensible à l’odeur du miel [8].
La connexion entre le nez et le cerveau
Lorsqu’une molécule odorante se fixe sur un récepteur et que son signal est traité, l’information obtenue est transmise vers une région cérébrale appelée bulbe olfactif, située derrière l’arête du nez.
De là, elle est envoyée vers le cortex olfactif.
Cette région du cerveau demeure encore plus mystérieuse.
Les recherches actuelles cherchent à comprendre :
- comment les informations provenant des récepteurs sont organisées ;
- selon quels principes elles sont traitées ;
- comment naît finalement la perception consciente d’une odeur.
Si ce mystère était résolu, il deviendrait peut-être possible de reproduire artificiellement dans le cerveau les schémas correspondant à une odeur donnée, même en l’absence de toute substance odorante réelle.
Perspectives futures
De nombreuses voies de découverte semblent s’ouvrir devant nous.
Nous pourrions un jour :
- comprendre comment les animaux réagissent à certaines odeurs et s’orientent grâce à elles ;
- développer de nouvelles méthodes de lutte contre les insectes nuisibles ;
- diagnostiquer des maladies telles que la tuberculose, le cancer ou le diabète grâce à l’odorat ;
- découvrir comment le coronavirus détruit les récepteurs olfactifs et supprime le sens de l’odorat ;
- concevoir des dispositifs capables de détecter les explosifs ou les drogues ;
- créer des « nez électroniques » pour identifier des substances présentes dans les eaux usées contaminées ;
- équiper les smartphones de la capacité à détecter et transmettre des odeurs comme ils traitent aujourd’hui les images et les sons.
L’aromathérapie pourrait également progresser considérablement si nous parvenions à identifier les zones cérébrales activées par certaines odeurs et à utiliser ces connaissances dans le traitement de maladies.
Certaines traditions religieuses attribuent les mauvaises odeurs associées à certains troubles psychologiques à des réalités métaphysiques telles que les démons.
À mesure que notre compréhension du système olfactif s’approfondira, il se pourrait que nous découvrions certains des mécanismes sous-jacents à ces troubles.
De même, la sagesse de certaines pratiques cultuelles, comme l’aspiration d’eau par le nez lors des ablutions, pourrait apparaître plus clairement à la lumière des futures découvertes scientifiques concernant les liens entre le nez et le cerveau.
Références
- Smith, K. (2024): The most mysterious sense: Cracking the odour code. Nature, Volume 633, 5 September.
- Buck, L. & Axel, R. (1991): A novel multigene family may encode odorant receptors: A molecular basis for odor recognition. Cell 65, 175–187.
- Butterwick, J. A. et al. (2018): Cryo-EM structure of the insect olfactory receptor Orco. Nature 560, 447–452.
- del Mármol, J., Yedlin, M. A. & Ruta, V. (2021): The structural basis of odorant recognition in insect olfactory receptors. Nature 597, 126–131.
- Guo, L. et al. (2023): Structural basis of amine odorant perception by a mammal olfactory receptor. Nature 618, 193–200.
- Gusach, A., et al. (2023): Molecular recognition of an aversive odorant by the murine trace amine-associated receptor TAAR7f. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2023.07.07.547762
- Billesbølle, C. B., et al. (2023): Structural basis of odorant recognition by a human odorant receptor. Nature 615, 742–749.
- Jabeen, A., de March, C. A., Matsunami, H., & Ranganathan, S. (2021): Machine learning assisted approach for finding novel high activity agonists of human ectopic olfactory receptors. Int. J. Mol. Sci. 22, 11546.
