Une nouvelle étude révèle comment une synapse unique nous empêche de tomber

L’oreille interne a besoin de vitesse.

Les organes sensoriels responsables de nous permettre de marcher, de danser et de bouger la tête sans sensation de vertige ni perte d’équilibre sont équipés de synapses spécialisées qui traitent les signaux plus rapidement que tout autre dans le corps humain.

Après plus d’une décennie et demie de recherche, une équipe de neuroscientifiques, de physiciens et d’ingénieurs de diverses institutions a enfin découvert le fonctionnement des synapses spécialisées. Cette percée ouvrira la voie à de nouvelles recherches susceptibles d’améliorer les traitements des vertiges et des troubles de l’équilibre, qui touchent jusqu’à un tiers des Américains de plus de 40 ans.

La nouvelle étude du Actes de l’Académie nationale des sciences décrit le fonctionnement des «synapses vestibulaires cellules ciliées-calice», qui se trouvent dans les organes de l’oreille la plus interne qui détectent la position de la tête et les mouvements dans différentes directions.

Aravind Chenrayan Govindaraju, étudiant diplômé en physique appliquée à l’Université Rice, à la station de modélisation par éléments finis COMSOL Multiphysics, il a utilisé pour trouver des détails cachés d’un mécanisme de l’oreille interne qui aide les mammifères à s’équilibrer via le signal connu le plus rapide dans le cerveau. Crédit : Université Rice

“Personne n’a vraiment compris comment cela

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>synapse[{“attribute=””>synapse peut être si rapide, mais nous avons fait la lumière sur le mystère », a déclaré Rob Raphael, un bio-ingénieur de l’Université Rice qui a co-écrit l’étude avec Ruth Anne Eatock de l’Université de Chicago, Anna Lysakowski de l’Université de l’Illinois à Chicago, actuellement étudiante diplômée de Rice. Aravind Chenrayan Govindaraju et l’ancien étudiant diplômé de Rice Imran Quraishi, maintenant professeur adjoint à l’Université de Yale.

Rob Raphael est professeur agrégé de bio-ingénierie à la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice. Crédit : Université Rice

Les synapses sont des jonctions biologiques où les neurones peuvent se transmettre des informations les uns aux autres et à d’autres parties du corps. Le corps humain contient des centaines de billions de synapses, et presque toutes partagent des informations par transmission quantique, une forme de signalisation chimique via des neurotransmetteurs qui nécessite au moins 0,5 millisecondes pour envoyer des informations à travers une synapse.

Des expériences antérieures avaient montré qu’une forme de transmission plus rapide et «non quantique» se produisait dans les synapses des cellules ciliées vestibulaires-calice, les points où les cellules ciliées vestibulaires sensibles au mouvement rencontrent les neurones afférents qui se connectent directement au cerveau. La nouvelle recherche explique comment ces synapses fonctionnent si rapidement.

Dans chacun, un neurone récepteur de signaux entoure l’extrémité de sa cellule ciliée partenaire avec une grande structure en forme de coupe appelée calice. Le calice et la cellule ciliée restent séparés par un minuscule espace, ou fente, mesurant à peine quelques milliardièmes de mètre.

“Le calice vestibulaire est une merveille de la nature”, a déclaré Lysakowski. « Sa grande structure en forme de coupe est unique en son genre dans tout le système nerveux. Structure et fonction sont intimement liées, et la nature a évidemment consacré beaucoup d’énergie pour produire cette structure. Nous essayons depuis longtemps de comprendre son objectif particulier.

À partir des canaux ioniques exprimés dans les cellules ciliées et leurs calices associés, les auteurs ont créé le premier modèle informatique capable de décrire quantitativement la transmission non quantique des signaux à travers cet espace à l’échelle nanométrique. La simulation de la transmission non quantique a permis à l’équipe d’étudier ce qui se passe dans la fente synaptique, qui est plus étendue dans les synapses vestibulaires que dans les autres synapses.

“Le mécanisme s’avère assez subtil, avec des interactions dynamiques donnant lieu à des formes rapides et lentes de transmission non quantique”, a déclaré Raphael. “Pour comprendre tout cela, nous avons créé un modèle biophysique de la synapse basé sur son anatomie et sa physiologie détaillées.”

Le modèle simule la réponse en tension du calice aux stimuli mécaniques et électriques, en suivant le flux d’ions potassium à travers les canaux ioniques activés à basse tension des cellules ciliées pré-synaptiques au calice post-synaptique.

Raphael a déclaré que le modèle prédisait avec précision les changements de potassium dans la fente synaptique, fournissant de nouvelles informations clés sur les changements de potentiel électrique qui sont responsables de la composante rapide de la transmission non quantique ; expliqué comment la transmission non quantique seule pouvait déclencher des potentiels d’action dans le neurone post-synaptique ; et ont montré comment la transmission rapide et lente dépend de la coupe étroite et étendue formée par le calice sur la cellule ciliée.

Eatock a déclaré: «La capacité clé était la capacité de prédire le niveau de potassium et le potentiel électrique à chaque emplacement de la fente. Cela a permis à l’équipe d’illustrer que la taille et la vitesse de la transmission non quantique dépendent de la nouvelle structure du calice. L’étude démontre la puissance des approches d’ingénierie pour élucider les mécanismes biologiques fondamentaux, l’un des objectifs importants mais parfois négligés de la recherche en bio-ingénierie.

Quraishi a commencé à construire le modèle et à collaborer avec Eatock au milieu des années 2000 alors qu’il était étudiant diplômé dans le groupe de recherche de Raphael et qu’elle faisait partie de la faculté du Baylor College of Medicine, à quelques pâtés de maisons de Rice au Texas Medical Center de Houston.

Sa première version du modèle a capturé des caractéristiques importantes de la synapse, mais il a déclaré que les lacunes dans “notre connaissance des canaux potassiques spécifiques et des autres composants qui composent le modèle étaient trop limitées pour affirmer qu’il était tout à fait exact”.

Depuis lors, Eatock, Lysakowski et d’autres ont découvert des canaux ioniques dans le calice qui ont transformé la compréhension des scientifiques sur la façon dont les courants ioniques traversent les membranes des cellules ciliées et du calice.

Qurashi a déclaré: “Le travail inachevé m’avait pesé”, et il était à la fois soulagé et excité lorsque Govindaraju, un Ph.D. étudiant en physique appliquée, a rejoint le laboratoire de Raphaël et a repris le travail sur le modèle en 2018.

“Au moment où j’ai commencé le projet, plus de données soutenaient la transmission non quantique”, a déclaré Govindaraju. “Mais le mécanisme, en particulier celui de la transmission rapide, n’était pas clair. La construction du modèle nous a permis de mieux comprendre l’interaction et le but des différents canaux ioniques, la structure du calice et les changements dynamiques du potassium et du potentiel électrique dans la fente synaptique.

Raphael a déclaré: «L’une de mes toutes premières subventions a été de développer un modèle de transport d’ions dans l’oreille interne. Il est toujours satisfaisant de parvenir à un modèle mathématique unifié d’un processus physiologique complexe. Au cours des 30 dernières années – depuis l’observation originale de la transmission non quantique – les scientifiques se sont demandé : “Pourquoi cette synapse est-elle si rapide ?” et, ‘La vitesse de transmission est-elle liée à la structure unique du calice ?’ Nous avons fourni des réponses aux deux questions.

Il a déclaré que le lien entre la structure et la fonction du calice “est un exemple de la façon dont l’évolution entraîne la spécialisation morphologique. Un argument convaincant peut être avancé qu’une fois que les animaux ont émergé de la mer et ont commencé à se déplacer sur terre, à se balancer dans les arbres et à voler, le système vestibulaire était de plus en plus sollicité pour informer rapidement le cerveau de la position de la tête dans l’espace. Et à ce moment, le calice est apparu.

Raphael a déclaré que le modèle ouvre la porte à une exploration plus approfondie du traitement de l’information dans les synapses vestibulaires, y compris la recherche sur les interactions uniques entre la transmission quantique et non quantique.

Il a déclaré que le modèle pourrait également être un outil puissant pour les chercheurs qui étudient la transmission électrique dans d’autres parties du système nerveux, et il espère qu’il aidera ceux qui conçoivent des implants vestibulaires, des dispositifs neuroprothétiques capables de restaurer la fonction de ceux qui ont perdu leur équilibre.

Référence : « Transmission non quantique au niveau de la synapse vestibulaire cellule ciliée–calice : K_BT les courants modulent les K électriques rapides et lents⁺ potentials » par Aravind Chenrayan Govindaraju, Imran H. Quraishi, Anna Lysakowski et Robert M. Raphael, 3 janvier 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2207466120

L’étude a été financée par les National Institutes of Health, la Hearing Health Foundation et l’Université Rice.