The spatial representation of chemical structures in the antennal lobe of honeybees: steps towards the olfactory code

Abstract

Odours are represented by speci®c ensembles of activated glomeruli in a combinatorial manner within the olfactory bulb of vertebrates or the antennal lobe (AL) of insects. Here, we optically measured glomerular calcium activities in vivo in the honeybee Apis mellifera during olfactory stimulation with 36 pure chemicals differing systematically in carbon chain length (C-5±10) and functional group (aldehyde, ketone, alcohol, carboxylic acid and alkane). We show their glomerular representations in 38 morphologically identi®ed glomeruli out of the honeybee's 160. We measured the molecular receptive range of identi®ed glomeruli averaging up to 21 individuals. Of the 38 glomeruli measured, 23 show maximal activity in a speci®c range of chain length. Glomeruli preferentially responding to a functional group are also always broadly tuned to particular chain lengths. Furthermore, glomeruli with similar response spectra are often direct neighbours. The results allow conclusions about the interactions between olfactory receptors and odour molecules, and about the AL network.

A metric for odorant comparison

“…Olfactory receptors that respond to odorants with 5 carbons are likely to respond to odorants with 4 or 6 carbons but are less likely to respond to odorants with 7 or more carbons. Similar tuning specificities have been observed in glomeruli 6,7,14,[19][20][21][22][23] . In other words, odorants that have similar CAN and functional groups elicit similar glomerular response patterns.…”

Self-organization in the olfactory system: one shot odor recognition in insects

“…Each receptor cell expresses one receptor type [48], and all cells with the same receptor type project to the same glomeruli [31,46]. As a result, olfactory information seems to be encoded as combinatorial activation patterns of glomeruli in the AL [21,40,11,29]. In locust, these patterns are transformed to spatio-temporal patterns of active projection neurons (PNs) [22,25,50,24,39] which improve the separation of representations of similar odors [42,18,10].…”

Calcium et olfaction chez un insecte modèle : du marqueur d’activité à l’acteur de plasticité

“…La morphologie du lobe antennaire étant particulièrement bien conservée, on peut reconnaître chaque glomérule par sa localisation, sa taille ou sa forme chez des individus différents. Il a donc été possible de cartographier systématiquement les réponses des glomérules à de nombreuses odeurs classées en fonction de leur formule chimique (fonction aldéhyde, alcool ou cétone, longueur de la chaîne aliphatique) [6]. Ainsi, une similitude de structure chimique entre odeurs se traduit par une superposition des motifs d'activité glomérulaire.…”

“…Ainsi, chez le grillon, un traitement induisant une augmentation intracellulaire de Ca 2+ , associé à une seule association odeur-récompense (qui ne produit normalement qu'une mémoire à court terme) est suffisant pour produire une mémoire à long terme [11]. La connaissance de l'origine des flux calciques révélés par l'imagerie in vivo dans le lobe antennaire [4,6,8,9] est déterminante pour comprendre les phénomènes de perception et d'apprentissage olfactifs. Au sein des glomérules, différents types neuronaux s'associent en réseau.…”

“…Le clonage de l'ADNc et des gènes de PEPC kinase (PEPCk) a été réalisé récemment à partir de plantes C 3 , C 4 et CAM [3,4], permettant d'établir la structure primaire de l'enzyme et de révéler des caractéristi-ques originales : (1) sa taille (32 kDa) est celle d'une sous unité catalytique, sans extensions ; (2) son activité est contrô-lée au niveau transcriptionnel (quantité), processus fortement stimulé par les stress salins (NaCl, LiCl) [5], et par des métabo-lites effecteurs (malate et G-6P) ; (3) elle est phylogénétiquement apparentée aux CDPK (calcium dependent protein kinases, superfamille des CDPK/SnRK), bien qu'elle ne possède pas de site de fixation du calcium : (4) enfin, la seule cible physiologique connue de cette enzyme est la PEPC. L'inhibition de la phosphorylation de la PEPC in vivo lors d'un traitement des feuilles par la cycloheximide (CHX : composé bloquant la synthèse de la PEPCk et l'augmentation de son activité catalytique) [6] provoque une perte presque totale de la fixation photosynthétique de CO 2 [7]. Nous avons recherché par quel mécanisme l'activité de la PEPCk est mise en place à la lumière dans le mésophylle.…”