Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Olfactory traces and spatial learning in rats.

We conducted an experiment to assess the use of olfactory traces for spatial orientation in an open environment in rats, Rattus norvegicus. We trained rats to locate a food source at a fixed location from different starting points, in the presence or absence of visual information. A single food source was hidden in an array of 19 petri dishes regularly arranged in an open-field arena. Rats were trained to locate the food source either in white light (with full access to distant visuospatial information) or in darkness (without any visual information). In both cases, the goal was in a fixed location relative to the spatial frame of reference. The results of this experiment revealed that the presence of noncontrolled olfactory traces coherent with the spatial frame of reference enables rats to locate a unique position as accurately in darkness as with full access to visuospatial information. We hypothesize that the olfactory traces complement the use of other orientation mechanisms, such as path integration or the reliance on visuospatial information. This experiment demonstrates that rats can rely on olfactory traces for accurate orientation, and raises questions about the establishment of such traces in the absence of any other orientation mechanism. Copyright 1998 The Association for the Study of Animal Behaviour.

Expression of SCG10 and stathmin proteins in the rat olfactory system during development and axonal regeneration.

The membrane-associated protein SCG10 is expressed specifically by neuronal cells. Recent experiments have suggested that it promotes neurite outgrowth by increasing microtubule dynamics in growth cones. SCG10 is related to the ubiquitous but neuron-enriched cytosolic protein stathmin. To better understand the role played by SCG10 and stathmin in vivo, we have analyzed the expression and localization of these proteins in both the olfactory epithelium and the olfactory bulb in developing and adult rats, as well as in adult bulbectomized rats. The olfactory epithelium is exceptional in that olfactory receptor neurons constantly regenerate and reinnervate the olfactory bulb throughout animal life-span. SCG10 and stathmin expression in the olfactory receptor neurons was found to be regulated during embryonic and postnatal development and to correlate with neuronal maturation. Whereas SCG10 expression was restricted to immature olfactory receptor neurons (GAP-43-positive, olfactory marker protein-negative), stathmin was also expressed by the basal cells. In the olfactory bulb of postnatal and adult rats, a moderate to strong SCG10 immunoreactivity was present in the olfactory nerve layer, whereas no labeling was detected in the glomerular layer. Olfactory glomeruli also showed no apparent immunoreactivity for several cytoskeletal proteins such as tubulin and microtubule-associated proteins. In unilaterally bulbectomized rats, SCG10 and stathmin were seen to be up-regulated in the regenerating olfactory epithelium at postsurgery stages corresponding to olfactory axon regeneration. Our data strongly suggest that, in vivo, both SCG10 and stathmin may play a role in axonal outgrowth during ontogenesis as well as during axonal regeneration.

Influence of local environmental olfactory cues on place learning in rats

The aim of the present study was to assess the influence of local environmental olfactory cues on place learning in rats. We developed a new experimental design allowing the comparison of the use of local olfactory and visual cues in spatial and discrimination learning. We compared the effect of both types of cues on the discrimination of a single food source in an open-field arena. The goal was either in a fixed or in a variable location, and could be indicated by local olfactory and/or visual cues. The local cues enhanced the discrimination of the goal dish, whether it was in a fixed or in a variable location. However, we did not observe any overshadowing of the spatial information by the local olfactory or visual cue. Rats relied primarily on distant visuospatial information to locate the goal, neglecting local information when it was in conflict with the spatial information.

Complementary function and integrated wiring of the evolutionarily distinct Drosophila olfactory subsystems.

To sense myriad environmental odors, animals have evolved multiple, large families of divergent olfactory receptors. How and why distinct receptor repertoires and their associated circuits are functionally and anatomically integrated is essentially unknown. We have addressed these questions through comprehensive comparative analysis of the Drosophila olfactory subsystems that express the ionotropic receptors (IRs) and odorant receptors (ORs). We identify ligands for most IR neuron classes, revealing their specificity for select amines and acids, which complements the broader tuning of ORs for esters and alcohols. IR and OR sensory neurons exhibit glomerular convergence in segregated, although interconnected, zones of the primary olfactory center, but these circuits are extensively interdigitated in higher brain regions. Consistently, behavioral responses to odors arise from an interplay between IR- and OR-dependent pathways. We integrate knowledge on the different phylogenetic and developmental properties of these receptors and circuits to propose models for the functional contributions and evolution of these distinct olfactory subsystems.

Promoter architecture of mouse olfactory receptor genes.

Odorous chemicals are detected by the mouse main olfactory epithelium (MOE) by about 1100 types of olfactory receptors (OR) expressed by olfactory sensory neurons (OSNs). Each mature OSN is thought to express only one allele of a single OR gene. Major impediments to understand the transcriptional control of OR gene expression are the lack of a proper characterization of OR transcription start sites (TSSs) and promoters, and of regulatory transcripts at OR loci. We have applied the nanoCAGE technology to profile the transcriptome and the active promoters in the MOE. nanoCAGE analysis revealed the map and architecture of promoters for 87.5% of the mouse OR genes, as well as the expression of many novel noncoding RNAs including antisense transcripts. We identified candidate transcription factors for OR gene expression and among them confirmed by chromatin immunoprecipitation the binding of TBP, EBF1 (OLF1), and MEF2A to OR promoters. Finally, we showed that a short genomic fragment flanking the major TSS of the OR gene Olfr160 (M72) can drive OSN-specific expression in transgenic mice.

Olfactory and/or visual cues for spatial navigation through ontogeny: olfactory cues enable the use of visual cues

This study analyzed the spatial memory capacities of rats in darkness with visual and/or olfactory cues through ontogeny. Tests were conducted with the homing board, where rats had to find the correct escape hole. Four age groups (24 days, 48 days, 3-6 months, and 12 months) were trained in 3 conditions: (a) 3 identical light cues; (b) 5 different olfactory cues; and (c) both types of cues, followed by removal of the olfactory cues. Results indicate that immature rats first take into account olfactory information but are unable to orient with only the help of discrete visual cues. Olfaction enables the use of visual information by 48-day-old rats. Visual information predominantly supports spatial cognition in adult and 12-month-old rats. Results point out cooperation between vision and olfaction for place navigation during ontogeny in rats.

Acid sensing by the Drosophila olfactory system.

The odour of acids has a distinct quality that is perceived as sharp, pungent and often irritating. How acidity is sensed and translated into an appropriate behavioural response is poorly understood. Here we describe a functionally segregated population of olfactory sensory neurons in the fruitfly, Drosophila melanogaster, that are highly selective for acidity. These olfactory sensory neurons express IR64a, a member of the recently identified ionotropic receptor (IR) family of putative olfactory receptors. In vivo calcium imaging showed that IR64a+ neurons projecting to the DC4 glomerulus in the antennal lobe are specifically activated by acids. Flies in which the function of IR64a+ neurons or the IR64a gene is disrupted had defects in acid-evoked physiological and behavioural responses, but their responses to non-acidic odorants remained unaffected. Furthermore, artificial stimulation of IR64a+ neurons elicited avoidance responses. Taken together, these results identify cellular and molecular substrates for acid detection in the Drosophila olfactory system and support a labelled-line mode of acidity coding at the periphery.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Lateralization of olfactory processing: Differential impact of right and left temporal lobe epilepsies.

Olfactory processes were reported to be lateralized. The purpose of this study was to further explore this phenomenon and investigate the effect of the hemispheric localization of epileptogenic foci on olfactory deficits in patients with temporal lobe epilepsy (TLE). Olfactory functioning was assessed in 61 patients and 60 healthy control (HC) subjects. The patients and HC subjects were asked to rate the intensity, pleasantness, familiarity, and edibility of 12 common odorants and then identify them. Stimulations were delivered monorhinally in the nostril ipsilateral to the epileptogenic focus in TLE and arbitrarily in either the left or the right nostril in the HC subjects. The results demonstrated that regardless of the side of stimulation, patients with TLE had reduced performance in all olfactory tasks compared with the HC subjects. With regard to the side of the epileptogenic focus, patients with left TLE judged odors as less pleasant and had more difficulty with identification than patients with right TLE, underlining a privileged role of the left hemisphere in the emotional and semantic processing of odors. Finally, irrespective of group, a tendency towards a right-nostril advantage for judging odor familiarity was found in agreement with a prominent role of the right hemisphere in odor memory processing.

An olfactory receptor for food-derived odours promotes male courtship in Drosophila.

Many animals attract mating partners through the release of volatile sex pheromones, which can convey information on the species, gender and receptivity of the sender to induce innate courtship and mating behaviours by the receiver. Male Drosophila melanogaster fruitflies display stereotyped reproductive behaviours towards females, and these behaviours are controlled by the neural circuitry expressing male-specific isoforms of the transcription factor Fruitless (FRU(M)). However, the volatile pheromone ligands, receptors and olfactory sensory neurons (OSNs) that promote male courtship have not been identified in this important model organism. Here we describe a novel courtship function of Ionotropic receptor 84a (IR84a), which is a member of the chemosensory ionotropic glutamate receptor family, in a previously uncharacterized population of FRU(M)-positive OSNs. IR84a-expressing neurons are activated not by fly-derived chemicals but by the aromatic odours phenylacetic acid and phenylacetaldehyde, which are widely found in fruit and other plant tissues that serve as food sources and oviposition sites for drosophilid flies. Mutation of Ir84a abolishes both odour-evoked and spontaneous electrophysiological activity in these neurons and markedly reduces male courtship behaviour. Conversely, male courtship is increased--in an IR84a-dependent manner--in the presence of phenylacetic acid but not in the presence of another fruit odour that does not activate IR84a. Interneurons downstream of IR84a-expressing OSNs innervate a pheromone-processing centre in the brain. Whereas IR84a orthologues and phenylacetic-acid-responsive neurons are present in diverse drosophilid species, IR84a is absent from insects that rely on long-range sex pheromones. Our results suggest a model in which IR84a couples food presence to the activation of the fru(M) courtship circuitry in fruitflies. These findings reveal an unusual but effective evolutionary solution to coordinate feeding and oviposition site selection with reproductive behaviours through a specific sensory pathway.

Integration of olfactory information in a spatial representation enabling accurate arm choice in the radial arm maze

The aim of the present study was to determine whether and how rats can use local olfactory cues for spatial orientation. Rats were trained in an eight-arm radial maze under different conditions as defined by the presence or absence of supplementary olfactory cues marking each arm, the availability of distant visuospatial information, and the illumination of the maze (light or darkness). The different visual conditions were designed to dissociate among the effects of light per se and those of visuospatial cues, on the use of olfactory cues for accurate arm choice. Different procedures with modifications of the arrangement of olfactory cues were used to determine if rats formed a representation of the spatial configuration of the olfactory cues and if they could rely on such a representation for accurate arm choice in the radial maze. The present study demonstrated that the use of olfactory cues to direct arm choice in the radial arm maze was critically dependent on the illumination conditions and implied two different modes of processing of olfactory information according to the presence or the absence of light. Olfactory cues were used in an explicit manner and enabled accurate arm choice only in the absence of light. Rats, however, had an implicit memory of the location of the olfactory cues and formed a representation of the spatial position of these cues, whatever the lighting conditions. They did not memorize the spatial configuration of the olfactory cues per se but needed these cues to be linked to the external spatial frame of reference.

Functional architecture of olfactory ionotropic glutamate receptors.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate chemical communication between neurons at synapses. A variant iGluR subfamily, the Ionotropic Receptors (IRs), was recently proposed to detect environmental volatile chemicals in olfactory cilia. Here, we elucidate how these peripheral chemosensors have evolved mechanistically from their iGluR ancestors. Using a Drosophila model, we demonstrate that IRs act in combinations of up to three subunits, comprising individual odor-specific receptors and one or two broadly expressed coreceptors. Heteromeric IR complex formation is necessary and sufficient for trafficking to cilia and mediating odor-evoked electrophysiological responses in vivo and in vitro. IRs display heterogeneous ion conduction specificities related to their variable pore sequences, and divergent ligand-binding domains function in odor recognition and cilia localization. Our results provide insights into the conserved and distinct architecture of these olfactory and synaptic ion channels and offer perspectives into the use of IRs as genetically encoded chemical sensors. VIDEO ABSTRACT: