Le sens de l’odorat s’accomplit grâce au travail du système olfactif. Il commence quand une molécule odorante en suspension dans l’air pénètre dans la cavité nasale et atteint l’épithélium olfactif (EO). L’EO est protégé par une fine couche de mucus, qui sert également à dissoudre des composés plus complexes en molécules odorantes chimiques plus simples. La taille de l’EO et la densité des neurones sensoriels varient d’une espèce à l’autre ; chez l’homme, l’EO n’est que d’environ 9-10 cm².

Les récepteurs olfactifs sont intégrés dans les cils des neurones sensoriels olfactifs. Chaque neurone n’exprime qu’un seul type de récepteur olfactif. Cependant, chaque type de récepteur olfactif est réglé largement et peut se lier à plusieurs molécules odorantes différentes. Par exemple, si le récepteur A se lie aux molécules odorantes 1 et 2, le récepteur B peut se lier aux molécules odorantes 2 et 3, tandis que le récepteur C se lie aux molécules odorantes 1 et 3. Ainsi, la détection et l’identification d’une odeur dépendent de la combinaison de récepteurs olfactifs qui reconnaissent l’odeur ; c’est ce qu’on appelle la diversité combinatoire.

Les neurones sensoriels olfactifs sont des cellules bipolaires avec un seul axone long qui envoie des informations olfactives jusqu’au bulbe olfactif (BO). Le BO est une partie du cerveau qui est séparée de la cavité nasale par la plaque cribriforme. En raison de cette proximité pratique entre le nez et le cerveau, le développement d’applications de médicaments nasaux est largement étudié, en particulier dans les cas où l’accès direct au système nerveux central est préférable.

Dans le BO, les axones des neurones sensoriels se terminent dans une région spécialisée appelée glomérule. Les neurones sensoriels avec le même type de récepteur olfactif envoient leurs axones vers un ou deux glomérules identiques. En conséquence, il peut y avoir des milliers d’axones de neurones sensoriels similaires convergeant dans un seul glomérule. Toutes ces informations sensorielles sont transmises à seulement 20-50 cellules mitrales et cellules tuft par glomérule ; il y a donc une grande convergence d’informations. Les cellules périglomérulaires et granulaires sont des interneurones inhibiteurs qui interviennent entre les cellules mitrales/tuft avant que l’information olfactive ne soit envoyée au cortex.

Du BO, les cellules mitrales/tuft projettent l’information au cortex olfactif. Le cortex olfactif est un complexe de plusieurs zones corticales qui traitent l’information olfactive. Une zone olfactive, l’amygdale corticale, influence les réponses émotionnelles à l’odorat. Le cortex orbitofrontal est impliqué dans l’identification des odeurs et la valeur de récompense des odeurs et des goûts. Le cortex entorhinal, une autre zone corticale olfactive, projette à l’hippocampe, qui est impliqué dans la mémoire olfactive.

La capacité de détecter et d’identifier les odeurs implique des zones corticales de plus haut niveau. Une telle intégration de haut niveau peut être liée au fonctionnement olfactif altéré observé dans de nombreux désordres neurodégénératifs, tels que la maladie de Parkinson et les maladies d’Alzheimer. La capacité réduite à sentir — l’hyposmie — est un symptôme précoce des deux troubles.