Modélisation computationnelle de la cellule sensorielle auditive

par Margot Libralato

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Régis Nouvian et de Jérôme Bourien.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec INM - Institut des Neurosciences de Montpellier – Déficits Sensoriels et Moteurs (laboratoire) .


  • Résumé

    Les cellules ciliées internes (CCI) sont les cellules sensorielles de la cochlée, l'organe de l'audition. Elles transforment les stimulations acoustiques en message nerveux. Ce dernier est alors véhiculé vers le cerveau par les fibres du nerf auditif. Les CCI sont dotées de stéréocils, siège de la mécano-transduction. L'arrivée d'une onde sonore défléchit les stéréocils, ce qui ouvre un canal sensible à l'étirement. L'entrée de cations au travers de ce canal dépolarise la cellule ciliée, ce qui se traduit par un potentiel de récepteur, c'est-à-dire une variation du potentiel de membrane qui est fonction de l'intensité de stimulation. Le potentiel de récepteur repose sur le recrutement de canaux ioniques sensibles au potentiel, à savoir, trois courants potassiques : Ik,f et Ik,s et Ik,n. Enfin, le potentiel de récepteur entraîne l'ouverture de canaux calciques, lesquels situés à proximité des synapses, sont essentiels à l'exocytose de glutamate – le neurotransmetteur des CCI - sur les fibres du nerf auditif. Le but de cette thèse était de déterminer le rôle de chacun de ces courants ioniques dans la génération du potentiel de récepteur. Pour cela, nous avons modélisé mathématiquement l'activité d'une cellule ciliée interne adulte. La première étape consistait à isoler pharmacologiquement et mesurés à l'aide de la technique du patch clamp. Dans un second temps, chaque courant était modélisé individuellement selon le formalisme d'Hodgkin-Huxley. Un algorithme d'identification permettait de déterminer les paramètres du modèle reproduisant au mieux le courant natif. Pour cette étape, un groupe de cellules a été utilisé pour constituer la « base d'apprentissage » du modèle. La troisième étape de l'étude consistait à valider le modèle généré. Ici, le modèle était confronté à des protocoles inédits, et sa réponse comparée à celles d'un nouveau groupe de cellules, qui constitue la « base de test ». La simulation simultanée de chaque courant permettait enfin de générer un potentiel de récepteur. Ce modèle, qui reproduit l'activité de la CCI de manière robuste, permettait d'estimer la probabilité d'ouverture des canaux ioniques, ou le comportement des différents courants, au cours du temps. Nos résultats montrent le rôle essentiel d'Ik,f et Ik,s dans la forme du potentiel de récepteur et le rôle d'Ik,n dans le maintien du potentiel de repose des CCI.

  • Titre traduit

    Computational modeling of the auditory sensory cell


  • Résumé

    Inner Hair Cells (IHC) are the sensory cells of the cochlea, the auditory organ. They transduce sound stimulation into a neural message, that is then conveyed by the auditory nerve fibers to the brain. In IHC, stereocilia ensure mecanotranduction thanks to a stretch-sensitive ion channel. A sound stimulation deflects strereocilia and open the stretch-sensitive ion channel, which depolarizes the cell. The electrical activity of IHC is reflected by a receptor potential, that corresponds to a graded variation of the membrane potential. This activity relies on the interplay of three voltage-dependent ionic currents, Ik,f et Ik,s and, Ik,n . Ultimately, IHC express a calcium current which is needed for the release of glutamate, the IHC's neurotransmitter, on the auditory nerve fibers. The aim of this thesis was to determine the contribution of each voltage-dependent ionic current into the generation of the receptor potential. To do so, a pharmacological approach was combined with computation modelling. Up to now, there is no model that include all the baso-lateral currents of the cell, despite the fact they are supposed to play an important part in the generation of the receptor potential. Initially, each current was isolated by using the patch clamp technique and applying distinct pharmacologic agents. Secondly, each current was modelized individually following the Hodgkin-Huxley formalism. An identification algorithm allowed to determine the model parameters that best-match to reproduce the genuine current. A first group of cells was used in that process (the “learning base”). The next step was to validate the model. To achieve this, simulations were generated in response of new protocols, and compared with patch clamp recordings obtain from a second pool of cells (“test base”). The model was first validated for each current individually. Finally, the global activity of the cell was assessed by playing together all the currents. We verified that the model predict well a receptor potential, comparable with data of our experiments and of literature. The model of this study reproduce robustly the electrical activity of IHC. It allows the stimulation of membrane potential of IHC in response of whatever current injection, allowing the estimation of the open probability of channels, or the shape of currents, as function of time during the receptor potential. Moreover, it allows invalidation of a specific current, and measures of the consequences on the electrical activity of the cell. Our results show how Ik,f and Ik,s shape the receptor potential and how Ik,n maintain the resting potential of the cell.