Propriétés mécaniques, actives et passives, de la touffe ciliaire des cellules mécano-sensorielles ciliées le long de l’axe tonotopique de la cochlée des mammifères. – EARMEC
Bases mécanique et moléculaire de la perception sonore par les cellules ciliées de la cochlée.
Notre ouïe est sensible à des fréquences sonores variant d’un facteur 1000 - de 20 Hz à 20 kHz, avec un grand pouvoir discriminatoire entre fréquences (~0.2%). La cochlée renferme des cellules mécano-sensorielles ciliées répondant chacune à une fréquence bien précise de la gamme sonore par un mécanisme que nous proposons de clarifier.
Mécanique active et passive de l’antenne auditive ciliée des cellules sensorielles de la cochlée.
La perception sonore commence par la déflection de la touffe ciliaire, une organelle qui joue le rôle d’antenne mécanique à la surface de chaque cellule auditive de la cochlée. Notre objectif principal est d’identifier le mécanisme mécanique et moléculaire qui fixe la fréquence caractéristique de sensibilité sonore optimale d’une touffe ciliaire. Nous chercherons :<br />1. à déterminer la position du canal ionique qui permet l’apparition d’un courant électrique ionique (en particulier calcique) à travers la touffe ciliaire en réponse à la vibration sonore.<br />2. à mesurer les composantes mécaniques qui contrôlent la vibration de la touffe ciliaire ainsi que les effets de l’ion calcium sur ces composantes.<br />3. à tester l’aptitude d’une touffe ciliaire à vibrer activement pour amplifier le stimulus sonore.<br />4. à déterminer le rôle de deux moteurs moléculaires « myosines » - les myosines 1c et 7a – dans la sensibilité auditive d’une touffe ciliaire.<br />5. à intégrer l’ensemble de nos résultats dans un modèle physique quantitatif de la touffe ciliaire.<br />Plus de 10% de la population des pays industrialisés souffre de problèmes d’audition, depuis les troubles légers de perception qui affectent la compréhension du langage jusqu’à la surdité profonde. Nos recherches devraient permettre d’apporter un éclairage fondamental sur les bases mécaniques de l’audition humaine, permettant ainsi de guider le développement des thérapies de demain, en particulier la conception des implants cochléaires destinés à palier au mauvais fonctionnement des cellules ciliées.
Nous développerons i/ une préparation in vitro de la cochlée de rongeur, ii/ une pince optique permettant la stimulation mécanique rapide des cellules ciliées par la lumière d’un laser, iii/ une méthode permettant de modifier rapidement la concentration en ions calcium près d’une touffe ciliaire, iv/ des souris mutantes permettant d’interférer spécifiquement avec deux moteurs moléculaires « myosines » de la touffe ciliaire, v/ une technique d’imagerie calcique rapide.
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La sensation sonore prend naissance au niveau de cellules mécano-sensorielles « ciliées » qui répondent aux vibrations mécaniques induites par le son en produisant un signal électrique. Les cellules ciliées non seulement fonctionnent comme des microphones cellulaires mais de surcroît produisent un travail mécanique par lequel elles amplifient leur propre réponse. Grâce à ce processus de motilité cellulaire, l’oreille acquiert une sensibilité et une sélectivité fréquentielle remarquables, et répond à des pressions acoustiques qui s’étendent sur 6 ordres de grandeur. De plus, l’homme peut entendre des sons dont la fréquence s’étend sur 3 ordres de grandeur, de 20 Hz à 20 kHz. Ces caractéristiques imposent de fortes contraintes sur les propriétés mécaniques des cellules sensorielles parce que ces propriétés contrôlent la façon dont les cellules vibrent et donc répondent au stimulus sonore. La cochlée, l’organe auditif des mammifères, comportent plusieurs milliers de cellules ciliées qui sont distribuées régulièrement le long d’un axe tonotopique. Le long de cet axe, chaque cellule présente une sensibilité maximale à une fréquence caractéristique qui décroît exponentiellement de la base à l’apex de la cochlée. Les mécanismes cellulaires et moléculaires qui spécifient cette fréquence caractéristique sont très mal compris bien que ceci constitue une question centrale de la physiologie auditive.
La touffe ciliaire, sorte d’antenne mécano-sensible de chaque cellule ciliée, joue, pense-t-on, un rôle essentiel dans les propriétés sus-mentionnées. En effet, la touffe ciliaire, présente des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles qui varient tout le long de l’axe tonotopique de la cochlée. Il a été montré chez les vertébrés inférieurs que la touffe ciliaire produit des mouvements actifs qui peuvent à la fois accroître et filtrer la stimulation que reçoit la cellule. La structure de la touffe ciliaire et ses propriétés motiles doivent être contrôlées de façon très précise par les constituants moléculaires de la touffe ciliaire, en particulier pour rendre compte de leur variation le long de l’axe tonotopique. L’identification des bases moléculaires des surdités héréditaires a fourni au cours des dernières années plusieurs dizaines de points d’entrée pour élucider la composition moléculaire de la cochlée, et tout particulièrement celle des touffes ciliaires. Des réseaux moléculaires sont progressivement reconstitués qu’il faut maintenant pouvoir intégrer dans une compréhension des bases moléculaires de la sensibilité mécanique de la touffe ciliaire.
L’objectif de ce projet est de comprendre l’implication de la touffe ciliaire dans le processus qui définit la fréquence caractéristique de la cellule ciliée. Nous proposons de combiner une stimulation rapide de la touffe ciliaire avec l’utilisation de souris mutantes pour caractériser les propriétés mécaniques actives et passives de la touffe ciliaire le long de l’axe tonotopique de la cochlée de rongeur et tester les effets de deux myosines sur ces propriétés. Parce que le calcium est essentiel à la génération des mouvements actifs de la touffe ciliaire, nous utiliserons l’imagerie calcique rapide pour localiser les sites d’entrée du calcium dans la touffe ciliaire. Le projet comporte l’étude (1) des composants passifs et actifs de la rigidité de la touffe ciliaire, (2) de la tension de repos du "tip-link", lien apical couplé au canal de mécanotransduction dans la touffe ciliaire, (3) des effets de la variation locale de la concentration calcique sur la mécanique de la touffe ciliaire, et (4) de l’aptitude de la touffe ciliaire à répondre activement à des forces et à osciller spontanément. Enfin, les données issues de cette étude seront intégrées dans un modèle théorique qui devrait clarifier la contribution de la touffe ciliaire à la remarquable sensibilité et sélectivité fréquentielle qui caractérise l’audition chez les mammifères.
Coordination du projet
Pascal Martin (INSTITUT CURIE) – pascal.martin@curie.fr
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
UMRS INSTITUT NATIONAL DE LA SANTE ET DE LA RECHERCHE MEDICALE - DELEGATION PARIS XII
IC INSTITUT CURIE
Aide de l'ANR 555 559 euros
Début et durée du projet scientifique :
- 48 Mois
