Contrôle électrique de la mécano-sensibilité des cellules ciliées de l'oreille de grenouille

Electrical control of hair-cell mechanosensitivity in frog' ear

• Auteur / Autrice : Achille Joliot
• Direction : Pascal Martin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)

Mots clés

Mots clés libres

Audition

Cellule ciliée

Physique hors-d'équilibre

Mécanique cellulaire

Systèmes sensoriels

Amplification

Hearing

Hair cell

Out-of-equilibrium physics

Cell mechanics

Sensory systems

Amplification

Résumé

La détection auditive est initiée par la déflection de la touffe ciliaire, l'antenne mécanoréceptrice des «cellules ciliées» sensorielles de l'oreille interne. Le mouvement ciliaire module la probabilité d'ouverture de canaux ioniques mécanosensibles, ce qui se traduit par un signal électrique qui est ensuite transmis aux fibres nerveuses du nerf auditif. Il a été démontré que la touffe ciliaire fonctionne non seulement comme un mécanorécepteur, mais également comme un amplificateur mécanique sélectif en fréquence. La remarquable sensibilité et sélectivité fréquentielle de l'audition humaine résulte de ce processus d'amplification. L'étude de son mécanisme revêt donc une importance à la fois fondamentale et médicale. Bien que la motilité de la touffe ciliaire soit bien acceptée comme source d'amplification mécanique chez les vertébrés non mammifères, sa pertinence pour l'audition des mammifères constitue toujours une question centrale de la physiologie auditive. Dans ce projet de thèse, nous proposons de déterminer si la touffe ciliaire présente également chez les mammifères des vibrations actives capables de renforcer les faibles vibrations sonores. Ce sujet fait actuellement l'objet d'une controverse importante dans ce domaine. En particulier, comme il a été proposé que le Ca2 + agit sur les mouvements actifs de la touffe ciliaire, nous proposons d'étudier comment les mécanismes actifs et passifs de la touffe ciliaire sont affectés par un changement de Ca2 + et de rechercher si le site de liaison au Ca2+ est intracellulaire ou extracellulaire. Pour atteindre cet objectif, nous allons développer une préparation excisée de la cochlée de rat, en prenant soin de reproduire l'environnement ionique à deux compartiments auquel est exposé l'épithélium sensoriel in vivo. À l'aide d'un micro-jet de fluide ou d'une stimulation magnétique, nous appliquerons des forces calibrées à une touffe ciliaire unique pour sonder sa rigidité en fonction de la concentration en Ca2 + extracellulaire et du potentiel transmembranaire de la cellule ciliée. Nous proposons également de combiner stimulation mécanique et enregistrements électrophysiologiques des courants de transduction, afin d'étudier la réponse électrique de la cellule ciliée aux déflexions contrôlées de sa touffe ciliaire, mais également la transduction inverse, c'est-à-dire les mouvements de la touffe ciliaire évoqués par un courant injecté dans la cellule ou une modification du potentiel transmembranaire. Enfin, nous utiliserons une imagerie rapide et un suivi automatique pour suivre le mouvement des stéréocils individuels au sein de la touffe ciliaire et déterminer la carte spatiale des interactions correspondante. Au final, nous obtiendrons des informations clés qui seront intégrées dans un modèle physique de la motilité active de la touffe ciliaire.

Hearing starts with the deflection of the hair bundle, the mechanoreceptive antenna of the sensory “hair cells” of the inner ear. Hair-bundle deflections change the open probability of mechanosensitive ion channels, resulting in an electrical signal that is then transmitted to nerve fibers of the auditory nerve. Remarkably, the hair bundle has been shown to work not only as a mechanosensor but also as a frequency-selective mechanical amplifier. Amplification is key to the sensitivity and frequency selectivity of hearing. Studying its mechanism is thus of both fundamental and medical importance. Although active hair-bundle motility is well accepted as the source of mechanical amplification in non-mammalian vertebrates, its relevance for mammalian hearing still constitutes a central question of auditory physiology. In this PhD project, we wish to determine whether mammalian hair bundle also shows active vibrations capable of boosting weak sound vibrations. This topic is currently the subject of significant controversy in the field. In particular, because Ca2+ is thought to drive active hair-bundle movements, we propose to study how the passive and active mechanics of the hair bundle is affected by Ca2+ changes and probe whether the binding site for Ca2+ is intracellular or extracellular. To reach this goal, we will develop an excised preparation of the rat cochlea, taking care to reproduce the two-compartment ionic environment that the sensory epithelium experiences in vivo. Using a fluid-jet device or magnetic stimulation, we will apply calibrated forces to single hair bundles to probe its stiffness as a function of the extracellular Ca2+ concentration and the transmembrane potential of the hair cell. We will also combine mechanical stimulation with electrophysiological recordings of the transduction currents, to study the electrical response of the hair cell to controlled hair bundle deflections but also reverse transduction, i.e. the hair bundle movements evoked by a current injected into the cell or a change in membrane potential. Finally, we will use fast imaging and automatic tracking to follow the motion of individual stereocilia within the hair bundle and characterize the corresponding spatial map of interactions. Altogether, we expect to gather key information that will be integrated in a physical model of active hair-bundle motility.