11 juillet 2023

Dans le nez du chat, il y a deux flux d'air qui ne se croisent pas : celui destiné à la respiration, et celui destiné à l'olfaction. C'est ce que viennent de reconstituer des scientifiques, imageurs, physiologistes et anatomistes américains et britannique. Ils ont pour cela reconstruit en modèle tridimensionnel le nez d'un chat à partir de clichés de microCT (scanner) et de coupes histologiques.

Cornets ethmoïdaux

Les auteurs sont partis du constat que la relation structure-fonction a bien été explorée chez les mammifères pour l'ouïe (la cochlée) et la vue (la rétine et le tapetum lucidum chez les félins), mais nettement moins pour l'olfaction. « Il y a des éléments indirects faisant suspecter que les cornets ethmoïdaux représentent une évolution des mammifères vers une olfaction plus performante et un développement cérébral amélioré ». Les auteurs rappellent que la muqueuse olfactive, chez le chat, est essentiellement limitée à ces cornets ethmoïdaux et représente une surface d'environ 20 cm², soit « la moitié de celle d'un chien moyen ». Pour eux, la structure complexe de ces cornets en fait un modèle d'étude idéal. Les auteurs insistent sur une autre contrainte : à la différence de l'ouïe et de la vue, pour l'olfaction, les récepteurs n'ont pas directement accès aux molécules volatiles. Ils en sont séparés par une couche de mucus. Pour qu'olfaction il y ait, il faut qu'un flux d'air passe au-dessus du mucus, et que les molécules transportées, selon leurs propriétés physico-chimiques, traversent cette couche pour parvenir aux récepteurs. Ils ont donc à la fois étudié la structure anatomique du nez du chat, mais aussi modélisé les flux d'air qui la traversent.

Une tête préparée

Pour leurs observations, les auteurs ont utilisé la tête d'un chat dont le cadavre avait été con fié par son maître à une Fondation aux fins d'acquisition de connaissances scientifique. La peu et les muscles en ont été ôtés, et la tête placée une semaine dans un fixateur à base de formol. Pour assurer un niveau élevé de contraste entre les zones où circulait l'air et les tissus, les auteurs ont immergé la pièce anatomique dans une solution diluée de lugol, l'iode améliorant la distinction entre ces zones lors de microCT scanner. Puis une fois ces images acquises, la même pièce anatomique a été préparée pour l'histologie, permettant alors de délimiter les différents types d'épithéliums dans l'ensemble du nez. Ils mesurent ainsi que pour cet animal, la muqueuse olfactive couvre 27,5 cm² et représente 12 % de la totalité de l'épithélium nasal. Elle ne se répartit pas uniformément et peut être présente sur les cornets ethmoïdaux d'un côté mais moins de l'autre (il s'agit alors d'un épithélium respiratoire). Les auteurs observent aussi que les cornets ethmoïdaux peuvent s'étendre dans le sinus frontal, « qui peut servir d'accumulateur d'odeur ».

Un flux dorsomédial plus rapide

À partir de ces éléments, et de la reconstruction tridimensionnelle de l'anatomie du nez du chat, les auteurs ont utilisé un modèle de circulation des flux d'air mis au point pour l'humaine (et les rongeurs). Ils utilisent alors une circulation à un rythme de repos (22 ml/s). Ils observent alors (voir l'illustration principale) que « lors de l'inspiration, de 15 à 20 % du flux d'air se déplace à grande vélocité à travers le passage dorsomédial et pénètre dans la région olfactive ». Le reste du flux d'air est lui ralenti par les cornets nasaux maxillaires. Le flux dorsomédial arrive en zone centrale du cornet olfactif, mais ensuite il ne diffuse plus de l'arrière vers l'avant (pas de couleurs sur la partie b de l'illustration principale) : sa circulation se fait alors latéralement, vers les volutes des cornets ethmoïdaux. Ce qui conduit les auteurs à estimer que les cornets olfactifs du chat fonctionnent comme un chromatographe en phase gazeuse parallèle enroulé : le flux dorsomédial à forte vélocité alimentant, au cours des inspirations, la circulation d'air dans les volutes ethmoïdales, fonctionnant comme des antennes latérales parallèles, chacune servant de colonne de chromatographie gazeuse. Cet enroulement serait un compromis évolutif lié à la contrainte de la forme du crâne, limitant la longueur du “tube” olfactif. De manière remarquable, lorsqu'ils modélisent un reniflement actif (flux d'air à 140 ml/s), la circulation de l'air reste la même, sans mélange des deux flux respiratoire et olfactif.

Soluble dans le mucus

Reste l'histoire du franchissement du mucus : les auteurs ont modélisé, avec un outil différent, l'absorption de deux composés volatils (générés lors de la cuisson de viande), l'un soluble et l'autre moins. Ils observent que le composé le plus soluble est “capté” par la partie antérieure de la région olfactive, tandis que le second continue d'être transporté vers la partie postérieure. Et comme le premier composé n'est presque plus présent dans l'air de cette portion du dispositif olfactif, il y est même mieux absorbé dans le mucus que le premier (malgré sa moindre solubilité). Toujours en modélisant, les auteurs soulignent que si le flux dorsomédial était absent (comme chez l'humain), le chat ne serait pas en mesure d'enregistrer les odeurs de composés moins solubles dans le mucus. Ainsi, « le flux dorsomédial assure une transmission efficace et rapide des odeurs à la muqueuse olfactive ». Enfin, le fait que plusieurs volutes peuvent fonctionner en parallèle a donné aux auteurs l'idée d'appliquer à ce dispositif les calculs d'ingénierie de la chromatographie en phase gazeuse : ils estiment que le chat peut ainsi sentir 100 fois plus de molécules dans l'air qu'une espèce comme les salamandres, dont l'appareil olfactif se résume à un tube rectiligne d'environ la même longueur que celui du chat (mais sans volutes). Enfin, les auteurs notent que leurs modèlent prévoient que l'air exhalé passe aussi mais selon une fraction plus faible, de l'ordre de 9 %) par la zone olfactive – ce qui n'est pas le cas du chien. Pour les auteurs, la compréhension de ce dispositif olfactif « est importante pour expliquer le succès adaptatif du chat dans différents environnements ».